Plasma Enhanced High-Rate Deposition of Advanced Film Materials by Metal Reactive Evaporation in Organosilicon Vapors

Abstract

Dense homogeneous nanocomposite TiSiCN coatings with a thickness of up to 15 microns and a hardness of up to 42 GPa were obtained by the method of reactive titanium evaporation in a hollow cathode arc discharge in an Ar + C2H2 + N2-gas mixture with the addition of hexamethyldisilazane (HMDS). An analysis of the plasma composition showed that this method allowed for a wide range of changes in the activation degree of all components of the gas mixture, providing a high (up to 20 mA/cm2) ion current density. It is possible to widely change the chemical composition, microstructure, deposition rate, and properties of coatings obtained by this method, by changing the pressure, composition, and activation degree of the vapor–gas mixture. An increase in the fluxes of C2H2, N2, HMDS, and discharge current leads to an increase in the rate of coating formation. However, the optimal coatings from the point of view of microhardness were obtained at a low discharge current of 10 A and relatively low contents of C2H2 (1 sccm) and HMDS (0.3 g/h), exceeding which leads to a decrease in the hardness of the films and the deterioration of their quality, which can be explained by the excessive ionic exposure and the non-optimal chemical composition of the coatings.

From Basics to Frontiers: A Comprehensive Review of Plasma-Modified and Plasma-Synthesized Polymer Films

“…Trimethylsilyl acetate [127] Silanes especially tetramethylsilane (TMS) [286] , hexamethyldisilazane (HMDSN) [287] Siloxanes especially hexamethyldisiloxane (HMDSO) [288] and octamethylcyclotetrasiloxane (OMCTS) [289] Large organic molecules or oligomers Perfluorocarbon precursors, e.g., perfluorohexane (PFH, C6F14) [290] , perfluorodecalin (PFD, C10F18) [291] , perfluoroheptane (PFHp, C7F16) [292] Ethylene glycol [293] , tetra(ethylene glycol) dimethyl ether [294] ; Diethylene glycol vinyl ether [295] , Diethylene glycol monomethyl ether [296] ; ε-caprolactone [296] ; Perfluorodecyl acrylate [295] The precursor molecules in the plasma phase can generate active species (free radicals, reactive species, etc.) through gaseous reactions such as dissociation, ionization and excitation.…”

Исследование условий получения SiAlCN покрытий методом анодного испарения Al и разложения кремнийорганического прекурсора в разряде с самонакаливаемым полым катодом

“…Для активации парогазовой среды, нагрева тигля и испарения металла, как это было осуществлено в работе [11], используется дуговой разряд низкого давления. Электронная схема электропитания представлена на рис.…”

“…На начальной стадии проведения экспериментов для испарения Al использовался, как и в [11], графитовый тигель. Однако при работе в среде Ar из-за высокой текучести Al происходило вытекание расплава из тигля, а также проникновение расплава в микропоры в тигле и взаимодействие Al с графитом, что приводило к быстрому разрушению тигля.…”

“…Наиболее полно среди применяемых способов получения SiAlCN покрытий современным требованиям соответствуют методы плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD) с применением многокомпонентных газовых смесей, в том числе малотоксичных кремнийорганических летучих соединений (КОС) [9,10]. В данной работе для получения SiAlCN покрытий впервые было предложено использовать метод анодного испарения металла и плазмохимического разложения паров КОС, который был успешно опробован при получении нанокомпозитных TiSiCN покрытий [11]. Целью данной работы является иссле-…”