Способ получения покрытий из металлов

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для получения зеркальных защитных покрытий для элементов лазеров, а также в микроэлектронике. Технический результат заключается в повышении коэффициента отражения и чистоты покрытия при сохранении высокой адгезионной прочности и стойкости к механическим воздействиям. Способ получения покрытий из металлов преимущественно для оптических элементов лазеров, заключается в массопереносе исходных соединений, термическом газофазном разложении их на металл и органические продукты, разложении и осаждении металла на нагретой подложке с одновременным отводом из зоны реакции органических продуктов разложения. В качестве исходных соединений используют 4-иминопентан-2-онаты никеля, кобальта и меди, или трифтор-4-иминопентан-2-онатов никеля, кобальта и меди. Перед массопереносом исходных соединений осуществляют смешение потока инертного газа с потоком водорода до содержания последнего в смешанном газовом потоке 30-90 об.%. Массоперенос осуществляют смешанным газовым потоком, нагретым до температуры, равной 170-190°С. Осаждение металла ведут при температуре подложки 230-250°С. 1 ил.

Изобретение относится преимущественно к области квантовой электроники и используется для получения зеркальных, защитных покрытий для элементов лазеров, а также может быть использовано в микроэлектронике.

Одним из известных способов получения покрытий из никеля является способ термического разложения карбонилов никеля (см. патент США №2881094 по классу С23 С за 1959 г., патент США №3519473 по классу С23 С за 1970 г.). По данному способу производят термическое разложение карбонилов никеля в вакууме (не выше 2 мм рт.ст.) или при атмосферном давлении в протоке транспортирующего газа (окись углерода, гелий, азот, углекислый газ, водород). В качестве продуктов разложения выделяется металлический никель. Оптимальная температура получения пленок составляет 180÷200°С. Недостатком данного способа является то, что разложение соединений начинается уже при t=60°C, а при 100÷150°С процесс идет очень интенсивно и поэтому низкое использование исходного вещества. Кроме того, качестве примесей в пленке соосаждается углерод, что не позволяет получать высокочистые покрытия. Карбонилы никеля окисляются на воздухе, что требует хранения их в отпаянных сосудах. Существенным недостатком является также высокая токсичность исходных соединений.

Известен способ получения пленок кобальта из карбонилов кобальта (см. патент Англии №1050411 по классу С 23 С за 1966 г; Anelreus J.T:S., Westrym E.F.J. Organomet.Chem., 17, 349 (1969);

По данному способу производится термическое разложение в среде газа-носителя (азот, аргон или окись углерода) при температуре 150÷400°С. Недостатком указанного способа является высокая токсичность исходных соединений, окисление их кислородом воздуха, гигроскопичность соединений, следствием чего является невозможность получения высокочистых пленок кобальта на подложке.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения покрытий никеля и кобальта путем термического разложения ацетилацетонатов этих металлов (см. Г.А.Разуваев, Б.Г.Грибов, Г.А.Домрачев, Б.А.Саламатин "Металлоорганические соединения в электронике", М.: Наука, 1972 г., с.288). По данному способу производится массоперенос исходного соединения в вакууме, термическое газофазное разложение исходных ацетилацетонатов на металл и органические остатки. Однако данный способ получения пленок никеля и кобальта ограничивает число материалов, которые могут быть использованы в качестве подложек, так как температура разложения ацетилацетонатов никеля и кобальта лежит в пределах 325÷450°С. При этой температуре происходит науглероживание получаемых пленок, что приводит к снижению их оптических характеристик. Необходимость ведения процесса в вакууме усложняет конструкцию оборудования, а также не позволяет наносить равномерные покрытия на детали сложной формы из-за наличия теневых эффектов.

Получение покрытий по рассматриваемому методу усложняется химическими свойствами исходных соединений - ацетилацетонатов никеля и кобальта. Ацетилацетонаты переходных металлов легко гидратируются на воздухе, а гидратированные ацетилацетонаты требуют больших затрат энергии для перевода соединений в газовую фазу, а также снижается процент использования исходного вещества. Таким образом, недостатками известного способа осаждения пленок являются:

1) высокая температура разложения исходного вещества, что не позволяет использовать в качестве подложек медь и алюминий, являющимися основными материалами для изготовления силовых оптических элементов.

2) присутствие в реакторе значительных количеств продуктов разложения, что приводит к науглероживанию пленок и, как следствие, к ухудшению их оптических характеристик.

3) использование вакуумных систем, приводящее к удорожанию оборудования для нанесения покрытий.

4) невысокая степень использования исходных соединений. Все эти недостатки в совокупности ведут к снижению чистоты покрытия и коэффициента отражения.

Целью настоящего изобретения является повышение коэффициента отражения и чистоты покрытия при сохранении высокой адгезионной прочности и стойкости к механическим воздействиям.

Указанная цель достигается тем, что в качестве исходных соединений используют 4-иминопентан-2-онаты никеля, кобальта и меди или трифтор-4-иминопентан-2-онаты никеля, потоком кобальта и меди, перед массопереносом смешивают поток аргона с потоком водорода, причем содержание последнего составляет 30-90 об.%, подогревают смешанный газовый поток до температуры 170-185°С, нагретым смешанным газовым потоком осуществляют массоперенос исходных соединений -4-иминопентан-2-онатов или трифтор-4-иминопентан-2-онатов меди, никеля или кобальта. Осаждение металла проводят при температуре подложки 250-250°С.

Данные температура и организация процесса обеспечивают скорость роста пленки металла ˜200 Å/мин. При температуре ниже 230°С большая часть исходного материала не разлагается на подложке, а при температуре больше 250°С пленка образуется и на перегретых частях реактора, что приводит к снижению степени использования исходного соединения. Данный способ не приводит к загрязнению пленки посторонними примесями, что повышает оптические характеристики покрытия.

Применение в качестве исходного соединения трифтор-4-иминопентан-2-оната позволяет снизить температуру испарения при той же температуре разложения.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства, в котором осуществляют способ получения покрытий из никеля, кобальта или меди из 4-иминопентан-2-онатов или трифтор-4-иминопентан-2-онатов этих металлов, где:

1 - испаритель;

2 - реактор;

3 - печь для нагрева смешанного газового потока;

4 - печь для нагрева подложки;

5 - подложка;

6 - газопровод для подачи газа-носителя;

7 - газопровод для подачи водорода;

8 - отвод смешанного газового потока с продуктами разложения.

Перед началом процесса нанесения покрытия исходное соединение загружают в испаритель (1). Реактор (2) тщательно промывают инертным газом через газопровод (6) для вытеснения из системы воздуха. После промывки реактора (2) смешивают поток инертного газа и поток водорода, причем содержание последнего в смешанном газовом потоке составляет 30÷90 объемных процентов, включают печи (3 и 4) нагрева газа и подложки (5). Нагревают подложку (5) до температуры 230÷250°С, а смешанный газовый поток до 170÷185°С. Смешанным газовым потоком нагревают исходное вещество, помещенное в испаритель, и осуществляют его массоперенос к подложке (5). Разложение исходного вещества происходит на подложке (5), на нее осаждается пленка никеля, а органические продукты разложения удаляют через отвод (8). Остывание подложки (5) происходит в потоке аргона.

Массоперенос исходного соединения смешанным газовым потоком, нагретым до температуры 170÷180°С, позволяет снизить температуру разложения исходного соединения и, как следствие, применять в качестве подложки медь и алюминий, являющихся основными материалами для изготовления оптических элементов лазеров. Кроме того, снижение температуры разложения резко снижает количество примесей в пленке, что приводит к улучшению оптических характеристик ее, а также сохраняет адгезионную прочность и механическую стойкость.

Таким образом, предложенный способ позволяет получать покрытия из никеля, кобальта и меди из 4-иминопентан-2-онатов или трифтор-4-иминопентан-2-онатов указанных металлов, обладающих повышенным коэффициентом отражения и чистотой покрытия при сохранении высокой адгезионной прочности и стойкости к механическим воздействиям.

За базовый объект сравнения принята технология вакуумного напыления металлов (Технология тонких пленок, М. Мир, 1978 г.). Техническими преимуществами предлагаемого способа являются отсутствие высоковакуумного оборудования, простота аппаратурного оформления процесса, заключаются в увеличении механической и адгезионной прочности покрытий, в возможности нанесения покрытий на изделия сложной конфигурации.

На предприятиях по материалам предлагаемого изобретения изготовлена модельная установка для получения покрытий по предлагаемому способу. Изготовленная установка позволяет получать покрытия на изделиях габаритом до 200 мм. Испытания опытных образцов подтвердили обоснованность заявителя.

Формула изобретения

Способ получения покрытий из металлов, основанный на массопереносе исходных соединений, термическом газофазном разложении их на металл и органические продукты разложения, и осаждении металла на нагретой подложке с одновременным отводом из зоны реакции органических продуктов разложения, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента отражения и чистоты покрытия при сохранении адгезионной прочности и стойкости и механическим воздействием, в качестве исходных соединений используют 4-иминопентан-2-онаты никеля, кобальта и меди, или трифтор-4-иминопентан-2-онатов никеля, кобальта и меди, а перед массопереносом исходных соединений осуществляют смешение потока инертного газа с потоком водорода до содержания последнего в смешанном газовом потоке 30-90 об.%, массоперенос осуществляют смешанным газовым потоком и нагретым до температуры 170-190°С, причем осаждение металла проводят при температуре подложки 230-250°С.

РИСУНКИ