Плазменное оборудование для нанотехнологий

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
М. М. Гребенщикова, М. М. Миронов 
ПЛАЗМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 
ДЛЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ 
Учебное пособие 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 
1 

УДК 621.793.7(075) 
ББК 30.61–5я7 
Г79 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. А. Ф. Гайсин 
канд. техн. наук В. А. Усенко 
Г79 
Гребенщикова М. М. 
Плазменное оборудование для нанотехнологий : учебное пособие / 
М. М. Гребенщикова, М. М. Миронов; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 96 с. 
ISBN 978-5-7882-3285-0 
Приведены теоретические сведения о процессах плазменного получения покрытий, описание вакуумного и плазменного оборудования, применяемого для получения наноструктурированных покрытий, отечественного и зарубежного производства, технологические характеристики оборудования. 
Предназначено для магистров направлений подготовки 28.04.02 «Наноинженерия» и 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов». 
Подготовлено на кафедре плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов. 
УДК 621.793.7(075) 
ББК 30.61–5я7 
ISBN 978-5-7882-3285-0 
© Гребенщикова М. М., Миронов М. М., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 
2 

С О Д Е Р Ж А Н И Е
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................... 
5 
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОКРЫТИЯХ ........................................................ 
6 
1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОКРЫТИЙ И СПОСОБОВ ИХ НАНЕСЕНИЯ 
............... 
6 
1.2. ПОКРЫТИЯ С НАНОСТРУКТУРОЙ 
......................................................................... 13 
Глава 2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ 
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ ........................................................ 18 
2.1. УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ КОНДЕНСАЦИИ
ИЗ ПЛАЗМЕННОЙ ФАЗЫ С ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКОЙ (КИБ) ............................. 18 
2.2. УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО
РАСПЫЛЕНИЯ 
.................................................................................................................. 26 
2.3. ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ЕМКОСТНАЯ УСТАНОВКА 
.................................................. 31 
Глава 3. ОБЗОР РАБОЧИХ КАМЕР ДЛЯ ВАКУУМНОГО 
И ПЛАЗМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО 
И ЗАРУБЕЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА 
........................................................................ 34 
3.1. НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ 
............................................................................... 34 
3.2. ВАКУУМНАЯ СИСТЕМА .......................................................................................... 35 
3.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ВАКУУМНЫХ КАМЕР 
.............................................................. 36 
3.4. РАЗМЕРЫ (ОБЪЕМЫ) ВАКУУМНЫХ КАМЕР .......................................................... 37 
3.5. ФУНКЦИОНАЛ ВАКУУМНЫХ КАМЕР .................................................................... 39 
3.6. ФОРМЫ ВАКУУМНЫХ КАМЕР ............................................................................... 39 
3.7. НАЗНАЧЕНИЕ ВАКУУМНЫХ КАМЕР ...................................................................... 41 
3.8. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
...................................................................... 43 
3.9. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНЫХ КАМЕР ................................... 45 
3.10. ОБЗОР ВАКУУМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ
И ЗАРУБЕЖНЫХ ИЗГОТОВИТЕЛЕЙ ............................................................................... 46 
Глава 4. ЭЛЕКТРОСИЛОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ВАКУУМНЫХ 
И ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВОК НАНОТЕХНОЛОГИЙ ....................................... 57 
4.1. ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ 
.......................................................................................... 57 
4.2. НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ 
............................................................................... 58 
3 

4.3. ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН 
........................................................................ 60 
4.4. ТРАНСФОРМАТОРЫ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 
.................. 61 
4.5. ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ .......................................................................... 63 
4.6. ПРИМЕРЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ПЛАЗМОТРОНОВ 
....................................... 69 
Глава 5. ОСНАСТКА ВАКУУМНЫХ КАМЕР И ОБОРУДОВАНИЕ 
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ 
МАТЕРИАЛОВ ................................................................................................................. 79 
5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ................................................................................................ 79 
5.2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОРОШКОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 
................... 82 
5.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ
И ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ...................................................... 84 
5.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 
............. 88 
ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................................... 95 
4 

В В Е Д Е Н И Е
Развитие перспективных способов обработки и модификации поверхностей твердых тел, включая наноструктурированные, определило 
появление и развитие методов исследования структуры, элементного 
и фазового составов, основанных на воздействии пучков заряженных 
частиц и концентрированных потоков энергии на поверхностный слой 
материала. Эти методы исследования базируются на измерении и анализе спектра и характеристик излучений, испускаемых твердым телом, 
облучаемым фотонами, электронами и ионами. Результаты этих исследований привели к изменению методов обработки и модификации материалов и соответственно оборудования для этих процессов. 
Вакуумные и плазменные технологии используют широкий 
спектр методов и процессов в своем составе. Так, например, в порошковых технологиях используются методы газофазного осаждения 
и компактирования, прессование, электроразрядное спекание и многие 
другие. Материалы, применяемые в этих методах, – металлы, сплавы, 
соединения. 
Оборудование, рассматриваемое в данном учебном пособии, применяется для получения нанопродукции – наноразмерных и наноструктурированных покрытий, порошковых материалов, при промышленном производстве которых используют термоконденсационные, электрохимические, химические технологии. Плазменные и ионные технологии позволяют получать нанообъекты в виде дисперсий, покрытий, 
сверхчистых материалов для различных отраслей. При этом особенности эксплуатации технологического оборудования, техника безопасности, вакуумная гигиена затрудняют массовое изучение студентами работающих модулей плазменных технологий на производстве. 
Настоящее учебное пособие содержит материал для ознакомления и первичного изучения плазменного и вакуумного оборудования 
и предназначено для студентов, изучающих основы технологии и производства наноматериалов и нанопродукции. 
5 

Г л а в а  1 .  О Б Щ И Е  С В Е Д Е Н И Я  О  П О К Р Ы Т И Я Х
1.1. Общая характеристика покрытий и способов 
их нанесения 
В зависимости от требований, предъявляемых к эксплуатационным характеристикам изделий машиностроения, различают три типа 
покрытий: 
1) защитные покрытия, назначением которых является защита от
коррозии деталей в различных агрессивных средах, в том числе при высоких температурах; 
2) защитно-декоративные покрытия, служащие для декоративной
отделки деталей с одновременной защитой их от коррозии; 
3) специальные покрытия, применяемые с целью придания поверхности специальных свойств (износостойкости, твердости, электроизоляционных, магнитных свойств и др.), а также восстановления изношенных деталей. 
Покрытия, наносимые в вышеуказанных целях, можно также 
классифицировать по материалу покрытий – металлические, неметаллические, органические. 
Кратко рассмотрим основные методы нанесения металлических 
покрытий. 
Горячее погружение в расплав (плакирование) – один из самых 
старых методов нанесения покрытий. Металлы ванны имеют низкую 
температуру плавления – это цинк, олово, алюминий (рис. 1.1). Они 
обеспечивают защиту основного металла от коррозии. 
Напыление осуществляется мелкими частицами материала, образующимися при распылении проволоки или порошка при пропускании 
через кислородно-ацетиленовое пламя, с последующим осаждением на 
холодную или подогретую основу. Для нагрева напыляемого материала 
можно использовать электрическую дугу или потоки газовой плазмы. 
Бескислородная атмосфера способствует улучшению металлизации, 
повышает адгезию и снижает пористость покрытия. 
Наплавка осуществляется сплавлением осаждаемого материала 
с поверхностным слоем основы. Наплавка широко применяется для ремонта отдельных деталей, поврежденных или износившихся в процессе 
6 

эксплуатации. Для нанесения покрытий методом наплавки могут использоваться все основные сварочные процессы: газопламенный, электродуговой, плазменный, электронно-лучевой и др. (рис. 1.2, 1.3). 
Рис. 1.1. Горячее цинкование 
Рис. 1.2. Газопламенное напыление 
Электрохимическое (гальваническое) осаждение защищающих 
от коррозии металлических покрытий из растворов солей обычно применяется для получения покрытий из хрома, никеля, меди толщиной 
0,12–0,60 мм и специальных восстанавливающих покрытий толщиной 
до 3 мм. 
7 

Рис. 1.3. Дуговая наплавка под флюсом 
Физическое осаждение из паровой фазы (physical vapour deposition, PVD) протекает в несколько стадий: 
1) испарение материала покрытия в вакууме;
2) перенос паров или пароплазмы от источника к подложке;
3) конденсация паров на основе – подложке.
В зависимости от физических принципов генерации потока частиц и переноса самого потока, а также от способа реализации всех процессов физическое осаждение можно разделить на следующие методы: 
1. Нанесение покрытий с использованием процессов испарения.
2. Нанесение покрытий с использованием процессов распыления.
3. Ионное осаждение.
4. Ионно-ассистированное осаждение.
5. Ионизированное кластерно-лучевое нанесение покрытий.
Методы PVD обладают высокой управляемостью и гибкостью,
с их помощью можно наносить металлы, сплавы, оксиды, карбиды 
и нитриды (табл. 1.1). Например, его с успехом применяют для нанесения износостойкой и декоративной пленки TiN. Достоинством метода 
PVD является незначительное (на 0,05 мкм) ухудшение параметра шероховатости поверхности и превосходная связь с основой (адгезия). 
Химико-паровое осаждение, или процесс CVD (chemical vapour 
deposition), является процессом, при котором устойчивые продукты реакции зарождаются и растут на подложке в среде с протекающими 
8 

в ней химическими реакциями (синтез тугоплавких соединений, разложение и др.). 
Таблица 1.1 
PVD-методы нанесения вакуумных покрытий 
9 

Благодаря высокой температуре на поверхности образуются 
очень тонкие слои, например карбида или нитрида титана. CVDпроцесс используется для нанесения покрытий на металлорежущий инструмент из металлокерамических сплавов и теплостойких сталей. 
Электролитическое нанесение покрытий из сплавов никель-фосфор Ni–P и Ni–B осуществляется в гальванических процессах вследствие химического образования твердых соединений. В этом случае покрытия формируются по всей поверхности подложки с одинаковой скоростью толщиной до 0,12–0,3 мм, тогда как гальванические покрытия 
прежде всего формируются на выступающих местах – кромках, ребрах, 
гранях. 
Ионная имплантация предусматривает ионизацию атомов с последующим ускорением ионов в электрическом поле в вакууме. Ионы 
тормозятся при соударении с подложкой и проникают в глубину материала. Хотя глубина проникновения ионов обычно не превышает 0,1–
0,2 мкм, свойства поверхностного слоя металла меняются существенно. 
На схеме рис. 1.4 представлена классификация процессов нанесения металлических покрытий. 
Основные металлы, используемые для получения покрытий: цинк, 
титан, вольфрам, цирконий, кадмий, алюминий, медь, олово, хром. 
Неметаллические покрытия – покрытия, образующиеся в результате химических, плазмохимических процессов при взаимодействии 
металлов и реагирующих с ними газов: нитриды, карбиды, оксиды. 
К неорганическим неметаллическим материалам, применяемым для защиты от коррозии металлических поверхностей, относятся эмали, силикатные стекла и цемент. 
Полимерные покрытия не только защищают металлы от воздействия агрессивных сред, но и повышают их износостойкость, снижая 
прилипаемость различных веществ к рабочим поверхностям, позволяют экономить цветные металлы и другие дефицитные материалы. 
В различных областях промышленности для защиты внутренних поверхностей аппаратов, трубопроводов и арматуры применяются винилхлоридные, фторопластовые, пентапластовые, полиолефиновые, полиуретановые, фенолформальдегидные, кремнийорганические, каучуковые, эпоксидные и другие покрытия. 
К наиболее распространенным полиолефинам относятся полиэтилен, полипропилен и сополимеры. Покрытия из полиолефинов отличаются высокой химической стойкостью к действию многих агрессивных сред.  
10