Tenké vrstvy – historie – předdepoziční přípravy – stripping
1
HISTORIE TENKÝCH VRSTEV Historie depozice vrstev obloukovým odpařováním z katody sahá až do devatenáctého století. Pozorování pulzního a později kontinuálního výboje je úzce spojeno s vynálezem vhodných prostředků uchovávání elektrického náboje: • elektrochemických baterií (Voltův článek) • kondenzátoru (Leydenské lahve)
2
HISTORIE TENKÝCH VRSTEV Joseph Priestly pozoroval tvorbu tenké vrstvy na skle při vybíjení kondenzátoru již v roce 1766. Kontinuální obloukový výboj se podařilo poprvé vybudit Vasiliji Petrovovi v Petrohradě (1803) a nezávisle Humphry Davymu v Londýně (okolo 1808).
3
HISTORIE TENKÝCH VRSTEV
Mnohá objasnění vnesli do této problematiky Michael Faraday objevením jevu elektromagnetické indukce (1831) a James Maxwell svojí teorií elektromagnetismu (1873). První praktické aplikace napařování vrstev obloukem z katody byly patentovány Thomasem Alva Edisonem (1892 – 1894). Katodové napařování zůstává předmětem výzkumu doposud. Jako součást „Projektu Manhattan“, bylo obloukové odpařováni ve vakuu zkoumáno jako možná technika pro separaci isotopu uranu (1940). [1][2] S růstem požadavků poválečného průmyslu vzrostl zájem o technologii obloukového napařování. V bývalém Sovětském svazu byly vyvinuty plasmové zdroje pro depozici za střídavého proudu. Tyto zdroje byly napodobeny předními komerčními výrobci jako je Multi-Arc, kteří je dále zdokonalili.[1][2] 4
Substrát – “podklad” tenké vrstvy Pokud deponujeme (nanášíme tenkou vrstvu na) řezný nástroj – frézu, vrták, vyměnitelnou břitovou destičku (VBD) atd. – je substrátem celý nástroj, respektive jeho povrch.
Povrch nástroje se nemůže deponovat ihned po výrobě nástroje (tak jak je), ale musí se na depozici speciálně připravit, aby se zaručila dokonalá adheze tenké vrstvy k substrátu 5
ADHEZE TENKÉ VRSTVY K SUBSTRÁTU - je velmi důležitou vlastností systému tenká vrstva – substrát - bez kvalitního ahezního spojení dochází k degradaci systému - jedním z dějů, které podstatně ovlivňují adhezi vrstvy jsou předdepoziční přípravy substrátu
Tenká vrstva Substrát
PŘEDDEPOZIČNÍ PŘÍPRAVY - PP Definice: Všechny procesy, které: - předcházejí vastní depozici tenké vrstvy na nástroj - jakkoliv ovlivňují čistotu, morfologii a chemické složení povrchu substrátu
Podle druhu substrátu PP zahrnují tyto činnosti 1) Úprava řezných hran 2) Chemické čištění substrátu 3) Iontové čištení substrátu 4) V případě redepozice tenké vrstvy předchází pochodům 1 - 3 tzv. stripping – odpovlakování Všechny tyto procesy mají nezanedbatelný vliv na ADHEZI
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ ZE SLINUTÉHO KARBIDU - SK Hrany jsou po broušení otřepené, plné defektů
Hrana před opracováním Úpravou dochází k minimalizaci defektů a ostrých přechodů - v závislosti na zvolené technologii úpravy
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ ZE SLINUTÉHO KARBIDU - SK Hrany jsou po broušení otřepené, plné defektů
Hrana před opracováním Úpravou dochází k minimalizaci defektů a ostrých přechodů - v závislosti na zvolené technologii úpravy
Po omletí proudem skořápek
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ Z SK Před
Po otryskání kompozitními elastickými částicemi s abrazivem
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ Z SK Hrany jsou po broušení otřepené, plné defektů
Předtím
Technologie úpravy Tryskání kompozitních elastických částic s abrazivem
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ Z SK Hrany jsou po broušení otřepené, plné defektů
Předtím
Technologie úpravy Tryskání kompozitních elastických částic s abrazivem
Po omletí proudem elastických částic s abrazivem
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ Z SK
Technologie 1) Proud vzduchu, který unáší abrazivní částice
přírodní oxidy (minerální abraziva) kovová abraziva – např. broky – jsou vhodné na objemnější nástroje struska syntetická abraziva (na bázi Al2O3 a SiC) diamantový prášek
2) Kartáčování - ocelová pop různá tvrdá polymerní vlákna impregnovaná abrazivem (NAF – Nylon Abrasive Filament)
3) finišování pomocí gumových disků
nebo jiných elementů za přítomnosti abrazivního média (např. vápencové kaše)
ÚPRAVA ŘEZNÝCH HRAN NÁSTROJÚ Z SK
Technologie ad 1) Speciální technologie – AERO LAP
Proud vzduchu unáší mokré měkké elastické částice s abrazivem
Rozdíl mezi upravou proudem tvrdých a měkkých částic
IONTOVÉ ČIŠTĚNÍ = IONTOVÝ BOMBARD Probíhá přímo v depoziční komoře 2 fáze – 1) čištení doutnavým výbojem – zdrojem iontů je ionizovaný plyn v komoře – Ar, H2, N2 2) čištění nízkonapěťovým el. obloukem – zdrojem iontů je “katodová skvrna” Ionty jsou urychlovány záporným předpětím na substrát
IONTOVÉ ČIŠTĚNÍ = IONTOVÝ BOMBARD Parametry bombardu BIAS – záporné předpětí přiložené na substrát ČAS – doba působení iontového čištění PRVEK použitý k bombardu plynné prvky – Ar, H2 – pro první fázi čištění, zvýšení obsahu H2 podle dosavadních poznatků přispívá ke snížení obsahu oxidických nečistot pevné prvky – Ti, Cr – pro druhou fázi - čím vyšší je teplota tavení tohoto prvku, tím nižší je výskyt makročástic ulpělých na povrchu po iontovém čištění
IONTOVÉ ČIŠTĚNÍ = IONTOVÝ BOMBARD rychlořezné oceli Různé parametry = různé ovlivnění povrchu
IONTOVÉ ČIŠTĚNÍ = IONTOVÝ BOMBARD rychlořezné oceli Různé parametry = různé ovlivnění povrchu
Před bombardem
Po bombardu
Znečištěný substrát
Nečistoty na již očištěném povrchu nástroje před depozicí.
Zhoršená adheze vrstvy následkem nedokonalého očištění povrchu. 19
IONTOVÉ ČIŠTĚNÍ = IONTOVÝ BOMBARD Vliv bombardu na substrát - SK
IONTOVÉ ČIŠTĚNÍ = IONTOVÝ BOMBARD Vliv bombardu na substrát - SK
STRIPPING Proces, při kterém se tenká vrstva z použitého nástroje odstraňuje 1. Sundání vrstvy z nástroje působením chemických činidel 2. Přeostření nástroje (nutné pro degradaci břitu působením ch. činidel) 3. Depozice nové vrstvy
$$ - finanční náklady na dopravu Nástroj na stripping Nástroj na přeostření Depoziční firma
Nástroj na depozici
Výrobce nástroje
STRIPPING rychlořezných ocelí (HSS) Odpovlakování nástrojů z rychlořezných ocelí nepředstavuje v současné době velký problém.
Používaná technologie - Anodické
rozpouštění
nástroj tvoří anodu, která se rozpouští v elektrolytu na bázi hydroxidů nebo volně v roztocích HNO3 , HF, H2O2 Postup strippingu lze sledovat měřením změny potenciálu vzhledem k referenční elektrodě v závislosti na době strippingu.
roztok KOH nebo NaOH
STRIPPING slinutých karbidů V současnosti je velkou výzvou - odpovlakování nástrojů ze slinutého
karbidu představuje chemický oříšek. Zatím není dosahováno uspokojivých výsledků – Redeponované vzorky vykazují výrazně horší vlastnosti.
Strukturní součásti tenké vrstvy (většinou na bázi nitridů a karbidů kovů) a stejně tak i karbidická zrna slinutého karbidu odolávají relativně dobře působení chemických činidel
x
Kobaltové pojivo je rozpouštědly intenzivně napadáno a dochází tak k narušení substrátu.
Kobaltové pojivo zrna
Děkuji za pozornost tuto prezentaci si můžete stáhnout na www.ateam.zcu.cz v sekci „pro studenty“
Tato přednáška byla vytvořena za podpory FRVŠ 1232/G1 - Studium vlivu předdepozičních procesů na vlastnosti progresivních tenkých vrstev
