KOLOS PPCNWP 

Obróbka powierzchniowa 

Warstwa  wierzchnia  –  warstwa  materiału  ograniczona  rzeczywista  powierzchnią  przedmiotu, 
obejmująca tę powierzchnię oraz część materiału wgłąb od powierzchni rzeczywistej, która wykazuje 
zmienione  cechy  fizyczne  i  niekiedy  chemiczne  w  stosunku  do  cech  tego  materiału  w  głębi 
przedmiotu. 

Powłoka – warstwa materiału wytworzona w sposób naturalny lub sztuczny albo nałożona sztucznie 
na  powierzchnię  przedmiotu  z  innego  materiału,  w  celu  uzyskania  określonych  właściwości 
technicznych lub dekoracyjnych. 

Najważniejsze własności eksploatacyjne warstwy powierzchniowej: 



 

Wytrzymałościowe 

o 

Wytrzymałość zmęczeniowa 



  Trybologiczne 

o 

Współczynnik tarcia 

o  Zużycie trybologiczne 
o 

Odporność na zatarcie 



  Antykorozyjne 

o 

Zużycie korozyjne 

o 

Oddziaływanie na inne własności eksploatacyjne 



  Dekoracyjne 

o  Barwa 
o 

Połysk 

o 

Odporność na starzenie. 

Adhezja – jest zjawiskiem trwałego i silnego łączenia się warstw powierzchniowych dwóch różnych 
(stałych lub ciekłych) ciał (faz) doprowadzonych do zetknięcia. Przyczyną adhezji (przylegania) jest 
występowanie sił przyciągania (np. sił van der Waals’a, wiązań jonowych i metalicznych) pomiędzy 
cząsteczkami stykających się ciał. Wielkość adhezji określa się wartością siły (lub pracy) potrzebnej 
do rozłączenia przywierających ciał, przypadającą na jednostkę powierzchni kontaktu. 

ABsorbcja  -  jest  procesem  fizykochemicznym  przenikania  masy,  polegającym  na  pochłanianiu 
składnika,  zwykle  mieszaniny  gazu,  zwanego  absorbatem,  przez  ciecz  lub  ciało  stałe  (zwanych 
absorbentem)  i  równomiernym  rozpuszczeniu  go  w  całej  masie  absorbentu.  Jest  to  proces 
objętościowy, tzn. cała objętość absorbentu pochłania równomiernie absorbat. Zjawisku pochłaniania 
objętościowego często towarzyszy dyfuzja absorbatu. W inżynierii powierzchni wykorzystywana jest 
absorpcja  gazów  przez  metale  i  ich  stopy,  głównie  w  celu  nasycenia  warstwy  wierzchniej 
dyfundującym pierwiastkiem. 

Adsorpcja  –  jest  procesem  przyciągania  substancji  (gazów,  par,  ciał  stałych  rozpuszczonych  w 
roztworze,  jonów  i  cieczy)  i  gromadzenia  się  jej  na  powierzchni  ciał  stałych  i  cieczy  (na  granicy 
dwóch faz, np. stałej i gazowej, stałej i ciekłej, ciekłej i gazowej). Adsorpcja przejawia się w zmianach 
stężeń  substancji  w  warstwie  granicznej  między  dwiema  sąsiednimi  fazami  i  zależy  zarówno  od 
właściwości  ciała  adsorbującego  (adsorbentu),  jak  i  adsorbowanego  (adsorbatu).  Większą  adsorpcją 
oznaczają się ciała o rozwiniętej powierzchni (np. ciała porowate, chropowate) niż ciała o powierzchni 
nie rozwiniętej. 

Czym jest próżnia ?  

Próżnia  to  stan  gazu,  którego  koncentracja  bądź  ciśnienie  są  niższe  od  ciśnienia  lub  koncentracji 
powietrza atmosferycznego tuż przy powierzchni ziemi.  

Niskie ciśnienie  wysoka próżnia 

Wysokie ciśnienie  niska próżnia 

Miara próżni: 



 

Miara próżni jest ciśnienie (p); 



 

Jednostką ciśnienia w układzie SI jest Pascal [Pa]: 
1Pa = 1 N/m

2

 



 

Jakość  próżni  niekoniecznie  zależy  od  ciśnienia  gazu,  natomiast  bardzo  silnie  zależy  od 
stopnia jego rozrzedzenia w zadanej objętości (v), mierzonego jako ilość molekuł w zadanej 
objętości (n); 



 

(n)  determinuje,  jak  daleko  doleci  wiązka  elektronów  bądź  jonów  bez  rozproszenia  lub  jak 
szybko czysta powierzchnia zostanie zanieczyszczona. 

Jednostki 



  Pascal (Pa) = 1 N/m

2

 



 

Ciśnienie  atmosferyczne  –  atmosfera  fizyczna/  standardowa  (atm)  –  ciśnienie  wywierane 
przez słup rtęci o wysokości 760mm 



  Atmosfera standardowa = 101325,0 Pa 



  Tor (Tr) – ciśnienie wywierane przez słup rtęci wysokości 1mm = 101325,0 Pa/760 = 133Pa, 



  1Tr = 133Pa 



  760Tr = 1atm 



  1bar = 105Pa 



  1mbar = 100Pa 



  1013mbar = 760Tr 



  1mbar = 0,75Tr = 100Pa 

Systematyka próżni (próznia-zakres): 



  Niska - atm ÷ 1mbar 



 

Średnia - 1mbar ÷ 10

-3 

mbar 



  Wysoka (HV) - 10

-3 

mbar ÷ 10

-8 

mbar 



  Bardzo wysoka (UHV) - 10

-8 

mbar ÷ 10

-12 

mbar 



  Ekstremalnie wysoka (XHV) –poniżej 10

-12 

mbar 

Wytwarzanie próżni: 



 

Funkcją  pompy  jest  usunięcie  gazu  z  objętości  tak,  aby  ciśnienie  wewnątrz  odpowiadało 
potrzebom eksperymentu,  



 

W zależności od zastosowania wymagane są różne poziomy próżni: 

o  400 mbat – badanie przepływów naddźwiękowych, 
o  10

-2 

mbar – oczyszczanie syntezowanych związków chemicznych, 

o  ~10

-6 

mbar – próżniowe napylanie powierzchni, 

o  ~10

-10 

mbar – promieniowanie synchrotronowe, itd. 

Pompy  wytwarzające  próżnię  można  podzielić  w  zależności  od  tego,  co  dzieje  się  z  gazem,  który 
pompują: 



 

Pompy wyporowe (objętościowe) – gaz jest manipulowany za pomocą powtarzalnych ruchów 
części mechanicznych zsynchronizowanych z pracą zaworów tak, że gaz jest przemieszczany 
z wlotu do wylotu w małych porcjach, ulegając także kompresji: 

o 

Pompa łopatkowa 

o 

Pompa Rootsa (tłokowa) 



  Pompy prędkościowe – cząsteczki gazu zyskują dodatkowy kierunkowy składnik prędkości w 

kierunku wylotu w wyniku oddziaływania albo ze strumieniem płynu o dużej prędkości, albo 
z ruchomymi powierzchniami: 

o  Pompy dyfuzyjne, 
o  Pompy turbomolekularne, 



  Pompy sorpcyjne – gaz nie jest wydalany poza pompę; jest wiązany wewnątrz: 

o  Pompy sublimacyjne 
o  Pompy kriogeniczne 
o  Pompy jonowe. 

W celu uzyskiwania wysokich próżni pompy można ze sobą łączyć w tzw. Kaskady, otrzymując etapy 
o różnych ciśnieniach. W zależności od klasy czystości próżni, łączyć ze sobą można pompy olejowe 
lub  bezsmarowe.    Próżniomierz  należy  dobierać  tak,  aby  był  w  stanie  pokazać  pełny  zakres  ciśnień 
otrzymywanych w czasie pompowania. 

Pompy  objętościowe  –  operują  w  zakresie  niskich  ciśnień  (atm  -  ~10

-3 

mbar).  Poza  niektórymi 

zastosowaniami pełnią rolę pomp wytwarzających próżnię wstępną i odbierających z wylotu pomp do 
wytwarzania próżni wysokich. Przykładem jest pompa obrotowa olejowa z suwakami w wirniku. 

Wady pomp olejowych to zmniejszanie szybkości pompowania w zakresie niższych ciśnień (<1 Pa) i 
wprowadzenie  par  oleju  do  obszaru  pompowanego.  Wad  tych  nie  mają  tzw.  Pompy  bezsmarowe. 
Przykładem  pompy  bezsmarowej  jest  pompa  Rootsa.  W  pompie  tej  nie  ma  fizycznego  kontaktu 
pomiędzy wirnikami i statorem – nie wymaga więc uszczelniania i chłodzenia.  

Pompy  molekularne  –  cząsteczki  gazu  uderzają  w  szubko  poruszająca  się  powierzchnię  i  nabierają 
dodatkowej  prędkości  w  kierunku  pompowania.  Wyróżnia  się  pompy  molekularne  (właściwe)  i 
pompy  turbomolekularne.  Próżnia  końcowa  rzędu  10

-6 

mbar  przy  próżni  wstępnej  rzędu  kilku  Pa. 

Części  smarowane  znajdują  się  od  strony  próżni  wstępnej  co  zmniejsza  ilość  par  smaru  w  obszarze 
pompowany.  Same  pompy  molekularne  mają  ograniczone  zastosowanie,  niemniej  stosuje  się  je  w 
kombinacji  z  pompami  turbomolekularnymi  na  ich  wysokociśnieniowym  wylocie  tworząc  pompy  z 
tarciem molekularnym. 

Pomiar próżni: 



 

Pomiaru ciśnienia można dokonywać w sposób pośredni i bezpośredni, 



 

Jeżeli w układzie występuje więcej, niż jedna pompa występuje też więcej, niż jedna głowica,  



 

Rodzaj  próżniomierza  zależy  od  poziomu  próżni,  który  chcemy  oszacować  i  jest  ściśle 
związany z wykorzystywaną w układzie pompą, 



 

Sam próżniomierz może wpływać na wyniki pomiarów, 



 

W przypadku próżniomierzy, które mierzą bezpośrednio siłę wywieraną przez gaz, odczyt nie 
zależy od rodzaju gazu, 



 

Jeżeli pomiar odbywa się pośrednio, np. poprzez jonizację gazu, rodzaj gazu ma duży wpływ 
na wartość odczytu, 



 

Gaz,  którego  ciśnienie  mierzymy,  zazwyczaj  jest  mieszaniną  –  jej  składniki  mogą  różnie 
wpływać na pomiar, 



 

Jedynie  próżniomierze  barometryczne  nie  wymagają  kalibracji  –  wszystkie  inne  należy 
wykalibrować przed użyciem, 



 

Kalibrację  wykonuje  producent  przed  sprzedażą,  nie  mniej  z  czasem  można  stracić 
dokładność, 



 

Ważne jest optymalne zamontowanie próżniomierza na komorze, 



 

Głowica powinna znajdować się jak najbliżej obszaru, w którym chcemy mierzyć ciśnienie, w 
pozycji pionowej, 



 

Pomiar bezpośredni ciśnienia – próżniomierze hydrostatyczne (barometryczne) i mechaniczne 
– mierzą siłę wywieraną przez cząstki gazu, 



 

Słaba czułość przy niewielkich ciśnieniach, 



 

W próżniomierzach hydrostatycznych elementem, na który oddziaływują siły jest ciecz,  



 

Pomiar  siły  (ciśnienia)  odbywa  się  bezpośrednio  poprzez  określenie  wysokości 
hydrostatycznego słupa cieczy, równoważącego ciśnienie wywierane nań przez gaz, 



 

W próżniomierzach mechanicznych elementem, na który działają siły jest membrana, puszka 
sprężysta lub mieszek, 



 

Pomiar  ciśnienia  odbywa  się  pośrednio  poprzez  pomiar  odkształcenia,  które  powinno  być 
jednoznaczną, najlepiej liniową, funkcją działającej siły, 



 

Należą do nich także próżniomierz Bourdona oraz kaspułowy (puszkowy). 

 

Charakterystyka procesów nanoszenia powłok z fazy gazowej: 

Wśród  wielu  technik  zwiększających  trwałość  powierzchni  materiałów  inżynierskich  istotną  rolę  w 
praktyce przemysłowej odgrywają metody: 



  Chemicznego osadzania z fazy gazowej CVD (chemical vapour deposition), 



  Fizycznego osadzania z fazy gazowej PVD (physical vapour deposition), 

 

CVD 

Metoda CVD polega na tworzeniu warstw węglików i azotków metali, np. chromu, wanadu, tytanu, 
tantalu  lub  cyrkonu,  ze  składników  atmosfery  gazowej  na  powierzchni  obrabianego  przedmiotu  w 
wyniku  reakcji  chemicznej.  Wytwarzanie  warstw  metodą  SVD  następuje  w  szczelnym  reaktorze,  w 
wyniku  niejednorodnych  katalizowanych  chemicznie  i  fizycznie  reakcji  na  powierzchni  stali  w 
temperaturze ok. 1000

o

C i przy ciśnieniu 1*10

5 

÷ 1,35*10

3 

Pa. Proces prowadzony jest w atmosferach 

gazowych  zawierających  zwykle  pary  związków  chemicznych  metalu  stanowiącego  podstawowy 
składnik  wytworzonej  warstwy  (węglikowej,  azotkowej,  borkowej,  tlenkowej)  w  temperaturze  900-
1000

o

C. 

Najczęściej atmosfery złożone są z lotnego halogenku pierwiastka dyfundującego oraz węglowodoru, 
azotu,  wodoru  lub  gazu  obojętnego,  np.  argonu.  W  wyniku  reakcji  chemicznej  zachodzącej  na 
powierzchni  metalu  wydzielają  się  atomy  (np.  boru,  chromu,  tytanu,  tantalu  lub  aluminium),  ze 
związku (np. BCl3, CrCl2, TiCl4, Al2Cl3). Drugi składnik warstwy  pochodzi z podłoża (np. węgiel w 
przypadku warstw węglikowych) lub z atmosfery (np. azot czy tlen w przypadku warstw azotkowych 
lub tlenkowych). 

Klasyfikacja reakcji procesów CVD 



 

Pierwsza kategoria realcji chemicznych występujących w procesach CVD to reakcje rozkladu 
termicznego (pirolizy), które ogólnie opisuje reakcja:  

AX(g)  A(s) + X(g) 

Gdzie: AX – związek gazowy, A – materiał stały, X – gazowy produkt reakcji. 



 

Druga  kategoria  to  reakcje  redukcji  w  których  związek  gazowy  jest  redukowany  przez 
reduktor (np. wodór). Wzór ogólny reakcji wygląda następująco: 

2AX(g) + H2(g)  2A(s) + 2HX(g) 



 

Trzecia  kategoria  to  reakcja  wymiany  gdzie  w  cząstce  (molekule)  AX,  X  jest  zastępowany 
przez pierwiastek B wg reakcji: 

AX(g) + B(g) AB(s) + X(g) 



  Do czwartej grupy relacji należy reakcja dysproporcjonowania. Przykłady takich reakcji: 

2Gel2(g)  Ge(s) + Gel4(g) 

TiCl2(g)  Ti(s) + TiCl4(g) 

Zwykle podczas procesu CVD zachodzi kilka typów reakcji jednocześnie. 

Przykładowo  wytwarzanie  złożonych  warstw,  zawierających  węgliki  i  azotki  tytanu,  polega  na 
wygrzewaniu  przedmiotu  obrabianego  w  temperaturze  1000÷1000

o

C  w  obecności  czterochlorku 

tytanu TiCl4, metanu CH4, wodoru H2 i azotu N2 według reakcji: 

TiCl4+CH4+H2 1000

o

C  TiC + 4HCl +H2 

 

Poprzez  zmianę  parametrów  procesu  (temperatura,  stężenie,  ciśnienie,  moc  generatora  plazmy) 
możliwe  jest  osadzanie  warstw  gradientowych  o  zmiennym  składzie  chemicznym  lub  strukturze  w 
warunkach  „in  situ”.  Metoda  CVD jest bardziej  ekonomiczna,  w  odróżnieniu  od  innych  metod  (np. 
PVD).  W  stosunkowo  krótkim  czasie  można  otrzymać  warstwy  o  grubości  dochodzącej  do  kilku 
centymetrów. 

Jej szczególnym walorem jest możliwość uzyskiwania warstw jednorodnych co do grubości, składu i 
struktury na powierzchniach o złożonej geometrii. Warstwy są dobrze przyczepne do podłoża dzięki 
chemicznej naturze wiązań na granicy rozdziału warstwa-podłoże. Zależnie od składu chemicznego i 
budowy,  uzyskiwane  materiały  charakteryzuje  szerokie  spektrum  właściwości,  zapewniających 
zastosowanie  w  zaawansowanych  technologiach  od  mikroelektroniki  i  optoelektroniki,  poprzez 

bioinżynierię do przemyslu maszynowego i narzędziowego, a także spożywczego i farmaceutycznego. 
Wzrost  warstw  w  procesie  CVD  zachodzi  w  układzie  otwartym  lub  zamkniętym  w  wyniku  szeregu 
następujących etapów obejmujących, m.in. konwekcyjny i dyfuzyjny transport masy, transport energii, 
reakcje  –  homo  i  heterogeniczne  prowadzące  do  tworzenia  się  końcowego  produktu  w  postaci 
warstwy. 

Zjawiska zachodzące podczas osadzania powłok: 

1.  Transport gazowych reagentów do strefy granicznej, 
2.  Transport gazowych reagentów przez warstwę graniczą do powierzchni podłoża, 
3.  Homogeniczne reakcje w fazie gazowej, 
4.  Adsorpcja reagentów na powierzchni podłoża, 
5.  Heterogeniczne reakcje chemiczne, 
6.  Zarodkowanie w wzrost powłoki, 
7.  Desorpcja zbędnych produktów reakcji chemicznych, 
8.  Transport gazowych produktów reakcji chemicznych na zewnątrz warstwy granicznej, 
9.  Transport gazowych produktów reakcji chemicznych z powierzchni podłoża do fazy gazowej 

objętościowej. 

Szybkość wzrostu powłoki zależy od: 



 

Zmiany szybkości przepływu reagentu, 



 

Zmiany temperatury dla różnych wartości ciśnienia w reaktorze 

 

Wysoka  temperatura  konieczna  do  przebiegu  reakcji  chemicznych  znacznie  ogranicza  zakres 
stosowania metody CVD szczególnie w przypadku elementów narażonych na obciążenia dynamiczne 
podczas  eksploatacji  lub  narzędzi  wykonywanych  ze  stali  szybkotnących.  Ogranicza  to  zakres 
stosowania  technik  CVD  głównie  do  nanoszenia  warstw  na  płytki  z  węglików  spiekanych  lub 
spiekanych  materiałów  ceramicznych,  dla  których  wysoka  temperatura  procesu  nie  powoduje  utraty 
ich  własności.  Dodatkowo  do  wytwarzania  powłok  jest  konieczność  utylizacji  agresywnych  dla 
środowiska naturalnego odpadów poprocesowych. 

W procesach CVD składniki atmosfery mogą być aktywowane: cieplnie, plazmą. 

Procesy CVD nanoszenia powłok aktywowane cieplnie mogą być realizowane jako: 



 

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej pod ciśnieniem atmosferycznym (APCVD) 



 

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej pod obniżonym ciśnieniem (LPCVD) 

W procesach APCVD oraz LPCVD termiczna aktywacja środowiska gazowego. Pierwszy z procesów 
przebiega  przy  ciśnieniu  atmosferycznym,  drugi  natomiast  przy  ciśnieniu  od  kilku  do  kilkunastu 
hektopaskali.  

Tradycyjne  procesy  CVD  wymagają  stosowania  wysokiej  temperatury,  koniecznej  do  rozkładu 
gazowych  reagentów  (900-1000

o

C),  co  ogranicza  zakres  ich  wykorzystania.  Osadzane  warstwy 

związane są z podłożem dyfuzyjnie. 

Metoda  PACVD  –  w  ostatnich  latach  opracowano  kilka  odmian  procesów  CVD  zwanych  ogólnie 
metodami chemicznego osadzania z fazy gazowej w obecności wyładowania jarzeniowego (PACVD) 

umożliwiających znaczne obniżenie temperatury procesu. Technologie realizowane z wykorzystaniem 
niskotemperaturowej plazmy umożliwiają wykorzystanie pozytywnych cech wysokotemperaturowych 
procesów  CVD  (duża  wydajność  i  jakość  uzyskiwanych  powłok)  w  połączeniu  z  niską  temperaturą 
pokrywania  oraz  korzystnym  oddziaływaniem  plazmy  –  możliwość  oczyszczenia  podłoża  w  wyniku 
działania plazmy zapewnia dobrą przyczepność powłoki do podłoża. 

Rozwój  metod  CVD  polega  na  modyfikacjach  rozwiązań  tradycyjnych  w  kierunku  obniżenia 
temperatury procesu do 600-500

 o

C przez: 



 

Dobór  odpowiednich  atmosfer  gazowych  i  stosowanie  związków  o  niższej  temperaturze 
teakcji chemicznych, np. związków metaloorganicznych (MOCVD) 



 

Obniżenie  ciśnienia  do  wartości  500-10  hPa  –  jest  to  tzw.  metoda  niskociśnieniowa  CVD 
(oznaczana LPCVD) 



 

Aktywację  elektryczną  środowiska  gazowego  za  pomocą  wyładowania  jarzeniowego  lub 
prądów  wysokiej  częstotliwości  –  są  to  tzw.  metody  wspomagane  lub  aktywowane  plazmą 
niskotemperaturową PACVD. 

Proces CVD może być realizowany w różnych rozwiązaniach: 



 

Klasycznym, w którym reakcje chemiczne aktywowane są termicznie (HFCVD),  



  Plazmochemicznie  –  (PACVD)  z  użyciem  różnych  pól  fizycznych:  mikrofal (MWCVD), fal 

radiowych (RFCVD), 



  CVD aktywowane laserowo (LCVD) 



 

CVD aktywowane wiązką promieni UV (photo CVD) 



 

CVD z użyciem prekursorów metaloorganicznych (MO CVD) 



 

CVD realizowana w złożu fluidalanym – Fluized – Bed CVD 



  Chemiczna infiltracja z fazy gazowej – chemiczal Vapour infiltration (CVI). 

 

Plazma  często  nazywana  jest  czwartym  stanem  skupienia  materii.  Jest  ona  specyficzną  mieszaniną 
gazową, w skład której wchodzą: elektrony, jony, atomy i cząsteczki wzbudzone, atomy i cząsteczki 
obojętne  oraz  fotony.  Ponieważ  plazma  powstaje  w  wyniku  jonizacji  gazu,  często  nazywana  jest 
gazem zjonizowanym. To czy zjonizowany gaz jest plazmą zależy od stopnia jonizacji gazu. Stopniem 
jonizacji  gazu  (α)  nazywa  się  stosunek  koncentracji  cząstek  naładowanych  do  początkowej 
koncentracji  cząsteczek  gazu.  Przejście  gazu  obojętnego  w  stan  plazmy  następuje  w  wyniku 
dostarczenia  do  gazu  energii  na  podwyższenie  stanu  energii  wewnętrznej  jego  cząstek  (jonizację, 
dysocjację, wzbudzenie) 

Otrzymywanie plazmy (w elektrycznych wyładowaniach w gazie): 



 

Ze względu na warunki wyładowania (niesamoistne, samoistne), 



 

Ze względu na czas (stacjonarne, niestacjonarne), 



 

Ze względu na mechanizm fizyczny (jarzeniowe, łukowe, RF, MW) 

Czynni wpływające na charakter wyładowania: 



 

Napięcie,  



 

Natężenie 



 

Ciśnienie 

Przebicie gazu – napięcie przy którym następuje zapłon wyładowania. 

Do  nakładania  powłok  z  fazy  gazowej  wykorzystuje  się  głównie  plazmę  otrzymywaną  w 
wyładowaniach  elektrycznych  pod  obniżonym  ciśnieniem.  Plazma  otrzymywana  w  tych  warunkach 
jest  tzw.  Plazmą  niskotemperaturową  nieizotermiczna.  Jej  temperatura  wyrażona  w  jednostkach 
energii  wynosi    od  ułamka  elektronowolta  (eV)  do  kilku  eV,  w  odróżnieniu  od  plazmy 
wysokotemperaturowej izotermicznej, której temperatura sięga tysięcy elektronowoltów. 

Zastosowanie metody PACVD: 



 

Otrzymywanie  powłok  i  regularnego  azotku  boru  stosowanych  w  technologii  elektronowej 
jako  powłoki:  dielektryczne,  ogniwa  fotoelektryczne  oraz  jako  materiały  na  narzędzia 
skrawające, 



 

Nanoszenie  twardych  powłok  anty  ściernych  na  narzędzia  skrawające  i  części  maszyn 
(procesy z wyładowaniem jarzeniowym DC), 



  W  przemyśle  elektronicznym:  otrzymywanie  kondensatorów,  warstw  maskujących  w 

litografii,  warstw  pólprzewodnikowych  i  dielektrycznych  (procesy  z  wyładowaniem 
jarzeniowym RF i mikrofalowym) 

Plazma generowana jest w polu elektrycznym między dwoma równoległymi płytkami, z których jedna 
jest katodą, a druga, na której znajdują się podłoża, jest uziemiona. W procesie PACVD stan plazmy 
można podtrzymywać dwoma sposobami, stałoprądowym lub zmiennym (o częstotliwości radiowej) 
wyładowaniem  jarzeniowym.  Metody  te  umożliwiają  zarówno  osadzanie  cienkich  warstw  na 
materiałach  przewodzących  prąd jak  i  na  materiałach  nie  przewodzących  prąd  elektryczny,  stosując 
wyładowania prądów częstotliwości radiowej i niskiej. W swej istocie proces PACVD jest procesem 
CVD  wspomaganym  plazmą  wyładowania  jarzeniowego,  mający  na  celu  wytwarzanie  twardych 
warstw  powierzchniowych  lub  warstw  wykazujących  specjalne  właściwości  powierzchniowe  i 
objętościowe (np. ochronne, antykorozyjne, tribologiczne). 

 

Metoda  MOCVD  (metallorganic  CVD)  ma  najszersze  zastosowanie  w  elektronice  do  osadzania 
warstw  półprzewodnikowych.  Cechą  charakterystyczną  tej  techniki  jest  to,  że  prekursorami  są  tutaj 
związki  metaloorganiczne  takie  jak  alkile  (metylki  i  etylki  metali  grupy  III)  czy  wodorki,  które 
rozkładają  się  we  względnie  niskich  temperaturach  (<800oC).  W  taki  sposób  otrzymane  warstwy  są 
bardzo  cienkie  i  zwykle  epitaksjalne.  Niska  temperatura  MOCVD  przydatna  jest  przy  osadzaniu 
związków  odpornych  na  ścieranie  i  korozję  na  podłożach  stalowych.  W  ostatnich  latach  metoda  ta 
stała  się  jedną  z  głównych  metod  wytwarzania  warstw  typu  Al2O3  i  SiO2  stanowiących  barierę 
chemiczną. 

Metoda  LCVD  (laser  CVD)  jest  głównie  używana  w  dziedzinie  mikroelektroniki.  Pobudzenia 
składników gazowych dokonuje się za pomocą wiązki laserowej padającej na reaktor. Występują dwa 
typy  procesów  w  technikach  LCVD  –  pirolityczne  i  fotolityczne.  W  metodzie  pirolitycznej  LCVD 
wieloatomowe  cząsteczki  gazowe  dysocjują  w  obszarze  granicy  międzyfazowej  gaz-podłoże  w 
wyniku  działania  wysokiej  temperatury  podłoża  nagrzanego  za  pomocą  lasera.  Reakcje  te  zachodzą, 
gdy  zastosowany  gaz  jest  przezroczysty  dla  wiązki  lasera,  a  podłoże  absorbuje  promieniowanie 
laserowe. W metodzie fotolitycznej LCVD cząsteczki ulegają dysocjacji w pobliżu podłoża w wyniku 
reakcji  fotochemicznej.  Fotodysocjacja  ma  miejsce  wówczas  gdy  reagenty  gazowe  absorbują 
promieniowanie laserowe o zastosowanej długości fali wiązki laserowej. 

Metoda  HFCVD  –  w  metodzie  Hot-Filament  CVD  wykorzystywane  jest  rozgrzane  włókno 
najczęściej  wolframowe  do  temperatury  2000oC  lub  wyższej  umieszczone  blisko  podłoża  do 
generowania  plazmy  i  aktywacji  reakcji  chemicznych.  Obecnie  metoda  stosowana  jest  głównie  do 
wytwarzania  powłok  diamentowych,  w  tym  z  nanokrystalicznego  diamentu  (NCD  –  nanocrystalline 
diamond)  w  których  rodniki  węglowodorowe  (CxHy  dla  x=1,2  i  y=0,…,6)  powstają  przez  rozkład 
termiczny  węglowodoru  CH4  poprzez  aktywację  termiczną  gorącym  włóknem  gazu  roboczego.  Na 
rozgrzanym włóknie dochodzi również do rozkładu wodoru molekularnego H2 na wodór atomowy. 

Atomic  layer  deposition  –  ALD  to  prawdziwa  nanotechnologia.  Ultracienkie  warstwy  rzędu  kilku 
nanometrów  nakładane  są  w  ściśle  kontrolowany  sposób.  W  procesie  wytwarzania  powłok  metodą 
ALD osadzana jest dokładnie jedna warstwa atomowa w każdym cyklu, dzięki czemu nad procesem 
osadzania jest pełna kontrola w skali nanometrycznej. Prekursory (gazowe, ciekłe lub stałe) sa kolejno 
wprowadzane  w  stan  gazowy  w  ogrzewanej  komorze  reakcyjnej,  gdzie  umieszczone  są  podłoża. 
Prekursory  wytwarzają silne wiązania chemiczne. Temperatura musi być wystarczająco wysoka, aby 
umożliwić reakcję między prekursorami, ale wystarczająco niska, aby uniknąć rozkładu. 

Zakres  temperaturowy  procesów  ALD  wynosi  od  25  do  500oC.  Wykorzystywane  sa  dostępne 
prekursory  często  podobne  jak  w  CVD  lub  MOCVD.  Powłoki  osadzane  metodą  ALD  mają 
równomierną  grubość  na  wszystkich  ściankach  i  otworach  osadzanego  podłoża  nawet  o  bardzo 
skomplikowanych  kształtach  geometrycznych.  Przykładowe  materiały  powłokowe  wytwarzane 
metodą ALD: 



  Tlenki: Al

2

o

3

, TiO

2

, Ta

2

Om Nb

2

O

5

 



  Azotki: AlN, TaNx, NbN, 



 

Węgliki: TiC, NbC, TaC, 



  Metale: PT, Ru, Ir, 



  Siarczki: ZnS, SrS, CaS, 



  Fluorki; CaF

2

, SrF

2

, ZnF

2

, 



 

Biomateriały: TiO2, hydroksyapatyt 



  Polimery: (PMDA-ODA PMDA-DAH) 



  Domieszkowane: ZnO:AL.,ZnS:Mn,SrS:Ce 



  Nanolaminaty: HfO

2

/Ta

2

O

5

, TiO

2

/Ta

2

O

5

 



 

Wieloskładnikowe: TiAlN, TaAlN, ATO (AlTiO) 

W  metodzie  ALD  powłoki  uzyskuje  się  w  wyniku  narastania  monomolekularnych  warstw 
adsorbcyjnych.  Do  komory  reakcyjnej  prekursory  dozowane  są  naprzemiennie  w  tzw.  „pulsach”,  a 
ponadto  po  każdym  pulsie  prekursora  następuje  usunięcie  produktów  ubocznych  reakcji  oraz 
niezaadsorbowanych cząsteczek z komory reakcyjnej, za pomocą pulsu gazu obojętnego. Powoduje to, 
że w fazie gazowej prekursory nie mają ze sobą kontaktu poza warstwą adsorbcyjną. Elementarny cykl 
ALD, prowadzący do powstania monowarstwy, wygląda nastepująco: „jeden partner reakcji, płukanie, 
kolejny  partner reakcji,  płukanie”.  Aby  uzyskać  wymagana  grubość otrzymywanego  materiału,  cykl 
ten powtarzany jest wiele razy (nawet do kilkudziesięciu tysięcy razy). 

Do najważniejszych zalet technologii ALD należy zaliczyć: 



 

Możliwość  stosowania  prekursorów  o  wysokiej  reaktywności,  ponieważ  kontakt  reagentów 
następuje dopiero przy substracie – eliminuje to reakcje w fazie gazowej, 



 

Łatwość  kontroli  grubości  powłoki  poprzez  samoograniczający  się  proces  wzrostu,  który 
implikuje to, że grubość warstwy zależy tylko od ilości cykli,  



 

Możliwość tworzenia wielowarstwowych struktur w ciągłym procesie przy dużej wydajności 
materiału, 



 

Tempo  wzrostu  nie  zależy  od  jednorodności  strumienia  prekursorów  w  czasie  jak  i  przy 
substracie  –  dlatego  też,  źródła  w  postaci  ciał  stałych,  które  często  maja  wolne  tempo 
sublimacji, łatwiej można zastosować w technice ALD niż w innych porewnych technikach. 

Metoda ALD daje możliwości otrzymywania wysokiej jakości materiałów w niskich temperaturach. 
Przy  odpowiednim  dopasowaniu  warunków,  proces  wzrostu  przebiega  w  tzw.  Nasyceniu.  W  takim 
przypadku proces wzrostu jest stabilny i przyrost grubości jest taki sam w każdym z cykli osadzania. 
Taki,  samoograniczający  się  mechanizm  wzrostu,  pozwala  na  otrzymywanie  cienkich  warstw  z 
zaplanowaną  grubością  na  dużych  powierzchniach  oraz  struktur  wielowarstwowych.  Ograniczenia, 
jakie niesie ze sobą technologia „osadzania z warstw atomowych”, to przede wszystkim wolne tempo 
wzrostu.  W  najlepszym  przypadku  otrzymujemy  jedną  monowarstwę  na  cykl.  Typowe  zaś,  tempo 
osadzania to 100-300 nm na godzinę. Wadę tę rekompensuje możliwość przeprowadzania procesów z 
substratami  o  dużych  powierzchniach.  Male  tempo  wzrostu  nie  musi  oznaczać  niskiej  wydajności, 
gdyż ta druga cecha jest rozpatrywana pod względem objętości (grubość x powierzchnia) otrzymanego 
materiału.  

PVD 

Fizyczne  procesy  osadzania  próżniowego  (psysical  vapour  deposition)  obejmują  wiele  różnych 
technologii  odparowywania  osadzonego  materiału,  stosowanych  do  tworzenia  powłok,  pokryć  oraz 
warstw  jako  konstrukcji  zabezpieczających,  uszlachetniających  lub  modyfikujących  oryginalną 
powierzchnię. Niemal we wszystkich metodach PVD osadzona na podłożu kierowanej elektrycznie na 
stosunkowo zimne podłoże. Grubość osadzanych warstw waha się od kilkudziesięciu angstremów do 
kilku mikrometrów. Pokrycia próżniowe mają zastosowanie w wielu dziedzinach techniki od prostych 
zastosowań dekoracyjnych  do  złożonych  aplikacji  w przemyśle  chemicznym,  nuklearnym,  inżynierii 
materiałów, medycynie, mikroelektronice i innych. 

Odparowanie termiczne: 



  Osadzanie laserem impulsowym 



 

Osadzanie wiązką elektronów 

Implantacja jonów: 



 

Osadzanie wiązką jonów 

Rozpylanie magnetronowe: 



  Wysokoenergetyczne pulsacyjne 



  Rozpylanie magnetronowe 



  Reaktywne rozpylanie magnetronowe 



 

Pulsacyjne odparowanie łukowe 



 

Próżniowe odparowanie łukowe 

Odparowanie łukiem elektrycznym: 



  Aktywowane reaktywne odparowanie 

Obszary zastosowań tych technologii rozwijają się bardzo szybko, ponieważ ich stosowanie jest często 
jedynym  sposobem  pogodzenia  sprzecznych  wymagań  stawianych  przez  współczesne  konstrukcje  i 
przyrządy, np. spełnienie kombinacji dwóch lub trzech warunków związanych z wysoką temperaturą 
pracy,  naprężeniami  mechanicznymi,  specyficznymi  właściwościami  optycznymi,  elektrycznymi  lub 
magnetycznymi,  twardością  powierzchni,  współczynnikiem  tarcia,  odpornością  na  ścieranie, 
biokompatybilnością,  kosztem  uzyskania  pokrycia.  Często  pojedynczy  materiał  nie  jest  w  stanie 
sprostać  stawianym  przed  nim  wymaganiom,  stosuje  się  wtedy  związki  złożone  i  ich  kombinacje, 
tworząc układy wielowarstwowe. Technologie PVD są bardzo wszechstronne, umożliwiają osadzanie 
wielu rodzajów materiałów, zarówno nieorganicznych jak i niektórych organicznych. 

Metoda  PVD  wykorzystuje  zjawiska  fizyczne,  takie  jak  odparowanie  metali  albo  stopów  lub 
rozpylanie  katodowe  w  próżni  i  jonizację  gazów  i  par  metali  z  wykorzystaniem  różnych  procesów 
fizycznych.  Wspólną  ich  cechą  jest  krystalizacja  par  metali  lub  faz  z  plazmy.  Nanoszenie  powłok 
przeprowadzane  jest  na  podłożu  zimnym  lub  podgrzanym  do  200-500oC,  co  umożliwia  pokrywanie 
podłoży  zahartowanych  i  odpuszczonych,  bez  obawy  o  spadek  ich  twardości,  lecz  jednocześnie 
prowadzi  do  wytworzenia  powłok  bardzo  cienkich  i  słabo  związanych  z  podłożem.  Połączenie 
powłoka-podłoże  ma  charakter  adhezyjny  i jest  tym  silniejsze,  im  bardziej  czysta  jest  powierzchnia 
pokrywana. 

W celu uzyskania odpowiedniej czystości powierzchni podłoża prowadzi się operacje przygotowania, 
czyszczenia  i  aktywacji  powierzchni  podłoża  przed  naniesieniem  powłoki.  Proces  przygotowania 
powierzchni składa się z dwóch głównych etapów: 



  Chemicznego przygotowania powierzchni (oczyszczenia zgrubnego), w celu usunięcia 

z  niej  wszelkiego  rodzaju  tłuszczów,  smarów  konserwujących  oraz  innych 
zanieczyszczeń  mechanicznych,  jak  również  cienkich  warstw  powierzchniowych 
(tlenków, siarczków, produktów korozji). 



  Jonowego  przygotowania  powierzchni  –  operacja  bezpośrednia  poprzedzająca  proces 

nanoszenia  powłok.  Dokładnie  oczyszcza  powierzchnie,  aktywuje  ją  i  podgrzewa 

element do żądanej temperatury – proces realizowany przez trawienie jonowe. 

W większości przypadków powstawanie powłok w procesie PVD odbywa się w 3 etapach: 



  Uzyskiwanie par nanoszonego materiału, 



  Transport par (neutralnych lub zjonizowanych) na materiał podłoża, 



  Kondensacja par nanoszonego materiału na podłożu i wzrost powłoki.  

Wymienione  etapy  procesu  osadzania  fizycznego  w  zależności  od  metody  mogą  być  wspomagane 
dodatkowymi procesami fizycznymi, takimi jak: 



 

Jonizacja elektryczna otrzymanych par metali oraz dostarczonych gazów, 



  Krystalizacja z otrzymanej plazmy metalu lub fazy w stanie gazowym. 

 

Duża różnorodność metod PVD stosowanych obecnie związana jest z: 



 

Umiejscowieniem strefy otrzymania i jonizowania par osadzonego materiału, 



  Sposobem otrzymywania par osadzonych metali lub związków przez: 

o 

Odparowanie metalu lub związku stopionego oporowo, indukcyjnie, elektronowo lub 
laserowo, 

o 

Sublimację metalu lub związku w wyładowaniu łukowym ciągłym lub impulsowym, 

o 

Rozpylanie katodowe lub anodowe metalu lub związku. 



 

Intensyfikacją procesu osadzania warstw przez: 

o 

Metody  reaktywne,  związane  ze  stosowaniem  gazów  reaktywnych  (np.  N2, 
węglowodorów,  O2,  NH3),  umożliwiających  uzyskanie  na  pokrywanej  powierzchni 
związku o dużej twardości (np. TiN, VC, Al2O3, w wyniku reakcji z parami metali) 

o 

Metody  aktywowane,  z  aktywowaniem  procesu  jonizacji  gazów  i  par  metali  przez 
dodatkowe  wyładowanie  jarzeniowe,  stałe  lub  zmienne  pole  elektryczne,  pole 
magnetyczne, dodatkowe źródła emisji elektronów albo podgrzewanie podłoża. 

o  Metody  mieszane  reaktywno-aktywowane,  w  których  możliwe  są  różne  kombinacje 

podanych procesów fizycznych. 

 

Procesy magnetronowe 

Wyładowanie  w  układzie  megnetronowym  jest  zaliczane  do  grupy  samodzielnych  anomalnych 
wyładowań jarzeniowych występujących w rozrzedzonym gazie. Metoda magnetronowa wykorzystuje 
plazmę,  w  której  średnia  energia  elektronów  mieści  się  w  zakresie  100-300eV,  zaś  średnia  energia 
jonów  jest  na  poziomie  kilkunastu  elektronowoltów.  Charakterystyczną  cechą  wyładowania  w 
układzie  magnetronowym  jest  zwiększanie  gęstości  prądu  na  katodzie  poprzez  podwyższenie 
intensywności jonizacji, co osiąga się przez zastosowanie równoległego do powierzchni  katody pola 
magnetycznego  wytwarzanego  przez  układ  magnetyczny  katody  urządzenia  magnetronowego. 
Sterując  wielkością  indukcji  tego  pola  oraz  kształtem  jego  linii,  można  dowolnie  lokalizować 
wyładowanie  w  pobliżu  powierzchni  katody  i  znacznie  (ok.  50-100  razy)  zwiększać  częstotliwość 
zderzeń jonizujących. 

Działanie  wysokowydajnych  źródeł  magnetronowych  oparte  jest  na  wzmocnieniu  plazmy 
wyładowania jarzeniowego między  katodą (tarczą) a podłożem przez  zastosowanie niejednorodnego 
pola  magnetycznego.  Duża  gęstość  plazmy  przy  zastosowaniu  magnetronu  spowodowana  jest 
działaniem  skrzyżowanych  pól:  elektrycznego  i  magnetycznego  w  obszarze  ciemni  katodowej  oraz 
dodatkowych sił ogniskujących, wynikających z niejednorodności tych pól. Pozwala to na osiągnięcie 
znacznie większych szybkości rozpylania oraz na zmniejszenie zakresu ciśnień pracy w porównaniu z 
rozpylaniem katodowym, co zapewnia większą czystość nanoszonych powłok. Kolejną zaletą techniki 
magnetronowej  jest  prostota  konstrukcji  urządzeń,  łatwość  sterowania  procesem  oraz  możliwość 
pokrywania bardzo dużych powierzchni z dobrą powtarzalnością własności powłok. 

Proces osadzania może być prowadzony w gazie obojętnym (argonie) lub mieszaninie argonu i gazu 
reaktywnego  dostarczanego  do  komory  w  sposób  ciągły.  Przy  rozpylaniu  w  gazie  obojętnym  na 
powierzchni podłoża umieszczonego naprzeciw tarczy osadza się powłoka metaliczna, przy rozpylaniu 
w gazie reaktywnym osadza się powłoka związku chemicznego gazu z atomami metalu tarczy. Tym 
sposobem  uzyskuje  się  powłoki  węglików  i  azotków,  stosowane  w  charakterze  powłok 
przeciwzużyciowych  i  dekoracyjnych.  Przestrzenna  konfiguracja  plazmy  i  wielkość  stref  osadzania 
silnie  zależy  od  mocy  traconej  namagnetronach,  natężenia  i  ksztaltu  pola  magnetycznego  oraz 
ciśnienia  gazu.  Pole  magnetyczne  wychodzące  w  przestrzeń  między  katodą  i  podłożem  (w 
konstrukcjach  niezbalansowanych)  umożliwia  kierowanie  strumienia  plazmy  w  stronę  obrabianego 
detalu.  Podłoża  przez  procesem  osadzania  mogą  być  ogrzewane  radiacyjnie  lub  jonowo.  Podłoże 

zwykle  jest  spolaryzowane  wysokim  potencjałem  ujemnym  umożliwiającym  oczyszczanie  jonowe 
powierzchni wsadu przed procesem osadzania i zapewniającym udział wysokoenergetycznych jonów 
w procesie wzrostu warstwy. 

W technikach PVD zmiana parametrów procesu ma duży wpływ na strukturę powłoki. Podstawowymi 
parametrami  procesu  wpływającymi  na  strukturę  są:  temperatura  podłoża,  ciśnienie  gazu,  energia 
jonów  bombardujących,  które  razem  z  cechami  podłoża:  składem  chemicznym,  mikrostrukturą, 
topografią,  determinują  własności  mechaniczne  powłok.  Intensywność  zjawisk  zachodzących  na 
powierzchni zależy m.in. od gęstości strumienia energii jonów bombardujących, której górna wartość 
ograniczona jest odpornością cieplną materiału podłoża. Dla małej energii jonów zderzenia jon-ciało 
stałe  mogą  powodować  lokalny  wzrost  temperatury  i  desorpcję  cząstek  znajdujących  się  na 
powierzchni (m.in. zanieczyszczeń). Różna energia jonów bombardujących wpływa przede wszystkim 
na: zarodkowanie i wzrost powłoki, morfologię powierzchni oraz przyczepność do podłoża. 

Do  konstytuowania  twardych  przeciwzużyciowych  powłok  metodami  PVD,  przeznaczonych  do 
zastosowań  trybologicznych  wykorzystywane  są  metale  przejściowe  (najczęściej  Ti,  V,  Ta,  Zr,  Cr, 
Mo, W, Nb), gazy reaktywne (azot, tlen) lub pary (np. boru, krzemu) oraz pierwiastki otrzymywane z 
róznych  związków  chemicznych  (węgiel),  tworzące  z  nimi  trudnotopliwe  azotki,  węgliki,  borki, 
siarczki,  tlenki.  Związki  tworzące  różnego  typu  powłoki  charakteryzują  się  wysoką  twardością, 
trudnotopliwością,  odpornością  na  zużycie  lub  odpornością  korozyjną  oraz  kruchością,  a  także 
zmiennością składu chemicznego, powodującego zmiany struktury. Wyszczególnić można trzy grupy 
twardych materiałów powłokowych różniące się między sobą charakterem wiązań atomowych w nich 
występujących. 

Materiały  tworzące  powłoki  charakteryzują  się  wiązaniami  mieszanymi  i  nie  występują  w  nich 
wiązania  w  czystej  postaci.  Wiązania  mieszane  wykazują  złożoną  kombinację  wzajemnych 
oddziaływań  w  układach  metal-metal  oraz  metal-niemetal.  Specyficzne  własności  twardych 
materiałów  powłokowych  zdeterminowane  są  rodzajem  wiązania  atomowego  dominującego  w 
poszczególnych matariałach. 

Powłoki otrzymywane w procesie PVD można podzielić na dwie podstawowe grupy: 



  Proste  –  zwane  powłokami  jednowarstwowymi  lub  monowarstwowymi  składające  się  z 

jednego materiału (metalu np. Al, Cu, Cr lub fazy np. TiN, TiC) 



 

Złożone – składające się z więcej niż jednego materiału, przy czym materiały te zajmują różne 
pozycje w tworzonej powłoce. 

Do powłok złożonych nanoszonych metodą PVD zalicza się powłoki: 



 

Wieloskładnikowe,  w  których  podsieć jednego  pierwiastka  wypełniona jest częściwo innym 
pierwiastkiem:  wśród  licznej  grupy  potrójnych  związków  węgla  i  azotu  z  metalami 
przejściowymi  najlepiej  zbadane  są  roztwory  azotków  TiN,  Vn,  ZrN,  TaN,  CrN,  HfN  z 
węglikami tych pierwiastków. 



 

Gradientowe,  stanowiące  odmianę  powłok  wielowarstwowych  różniące  się  składem 
chemicznym i własnościami warstw pojedynczych, zmieniających się płynnie na ich grubości,  



 

Kompozytowe,  będące  szczególnym  typem  powłok  wielofazowych,  stanowiących  również 
mieszaninę, w której jedna faza jest dyspersyjnie rozproszona w innej, występującej w sposób 
ciągły. 



 

Metastabilne,  łączące  w  sobie  zróżnicowane  własności  materiałów  metalicznych  z 
kowalencyjnymi,  tworzone  są  w  wyniku  syntezy  faz  nierównowagowych  (metastabilnych), 

np.  krystalizujących  w  układzie  regularnym  AlN,SiC  (gdy  ich  odmiany  heksagonalne  są 
równowagowe)  umożliwiając  tworzenie  powłok  umocnionych  roztworowo,  np.  typu  (Ti, 
Al.)N, (Hf, Al)N, (Ti, Si)C oraz (Ti, Al, Si)N. 

Skład i własności powłok nanoszonych metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej zależą od: 



 

Szybkości rozpylania, 



 

Odległości pomiędzy materiałem osadzanym – tarczą (target) a podłożem 



 

Temperatury podłoża 



 

Ciśnienia argonu i gazu reaktywnego, 



 

Gęstości odparowanych lub rozpylanych atomów, 



 

Stopnia  jonizacji  argonu,  gazu  reaktywnego  oraz  odparowanych  lub  rozpylanych  atomów  z 
tarczy. 

W modelu tworzenia się warstwy, którego podstawą jest temperatura topienia osadzanego  materiału, 
wyróżniono trzy strefy struktury metalograficznej w zależności od temperatury homologicznej T/Tt: 



 

Strefa 1 (T<0,3Tt), o strukturze kolumnowej z dużą ilością porów, w której przeważają drobne 
krystality, 



  Strefa 2 (0,3Tt<T<0,5Tt), o strukturze kolumnowej charakteryzującej się większymi ziarnami 

oraz występującymi mikronierównościami powierzchni, 



 

Strefa  3  (T>0,5Tt),  gęsta  struktura,  o  dużych  ziarnach  równoosiowych  rosnących  wraz  ze 
wzrostem temperatury podłoża. 

Odparowanie łukiem katodowym 

W metodach silnoprądowego wyładowania elektrycznego do odparowania materiału wykorzystuje się 
wyładowanie łukowe pod obniżonym ciśnieniem tzw. Arc Evaporation. W metodzie tej zjonizowane 
pary  metalu  otrzymywane  są  w  wyładowaniu  lukowym  z  zimną  katodą,  które  rozwija  się  między 
współśrodkowo  rozmieszczonymi  elektrodami.  Elektrodą  centralną  jest  katoda  wykonywana  z 
odparowywanego  materiału,  elektrodą  zewnętrzną  jest  anoda  –  obydwie  elektrody  są  intensywnie 
chłodzone  wodą.  W  źródłach  tych,  wyładowanie  łukowe  występuje  głownie  w  parach  materiału 
katody.  Katoda  poddawana  jest  niezwykle  intensywnej  ablacji  w  wyniku  wysokoprądowego, 
prożniowego  wyładowania  łukowego  przy  gęstościach  prądu  10^6  –  10^8  A/cm2.  Stopień  jonizacji 
plazmy  zależy  od  rodzaju  odparowywanego  materiału.  Zbyt  niski  stopień  jonizacaji  plazmy  w 
warunkach  intensywnego  odparowania  sprzyja  tworzeniu  kropel,  które  dla  jednorodności,  a  tym 
samym wysokich właściwości mechanicznych wytwarzanych powłok. 

W  celu  ograniczenia  liczby  kropli docierających  do podłoża  stosuje się  specjalne  układy  separujące. 
Skuteczne  ograniczenie  generowania  kropli  można  uzyskać  oddziałując  na  katodę  (np. intensywniej 
chłodząc  ją  wodą,  co  ogranicza  intensywność  parowania)  lub  na  strumień  plazmy  specjalnie 
ukształtowanym  wewnątrz  komory  polem  magnetycznym  (filtracja  toroidalna).  Najczęściej  do 
separacji  stosowane  są  krzywoliniowe  plazmowody  w  postaci  toroidu  zagiętego  pod  kątem  90o  z 
podłużnym  polem  magnetycznym  i  elektrycznym.  Separacja  mechaniczna  kropel  polega  na 
zastosowaniu  w  generatorze  wirującej  katody,  z  której  ciekłe  krople  odrzucane  są  na  boczne  ścianki 
siłą odśrodkową. Sposób ten umożliwia całkowite usunięcie ze strumienia plazmy frakcji kroplowej. 

 

 

Osadzanie laserem impulsowym 

Spośród  technologii  modyfikacji  i  wytwarzania  warstw  powierzchniowych  na  konstrukcyjnych 
materiałach  niemetalowych,  istotne  miejsce  zajmują  metody  wykorzystujące  wiązkę  fotonów  w 
postaci koherentnego promieniowania laserowego o ściśle określonej długości fali. Ze względu na fakt 
obniżenia  absorpcji  wraz  z  długością  fali,  najczęściej  stosowane jest  promieniowanie  z  zakresu  UV. 
Wytwarzanie powłok z wykorzystaniem ablacji laserowej można zaliczyć do próżniowych procesów 
osadzania par metali lub niemetali metodami fizycznymi. Do odparowania materiału wykorzystuje się 
metodę ablacji laserowej, która powszechnie nazywana jest metodą PLD (pulsed laser deposition). 

W  metodzie  PLD  silnie  zogniskowana  impulsowa  wiązka  laserowa  skierowana  jest  na  wybrane 
miejsca  tarczy.  W  miejscu  plamki  laserowej  zaabsorbowana  część  energii  powoduje  wzbudzanie 
atomów  materiału  tarczy  doprowadzając  do  ablacji.  Następnie  zachodzi  oddziaływanie  pomiędzy 
promieniowaniem laserowym a odparowanym materiałem z tarczy w wyniku czego następuje wzrost 
energii  odparowanej  materii  i  jej  rozprzestrzenianie  się.  W  powstającym  strumieniu  znajdują  się: 
atomy,  cząsteczki,  elektrony,  jony,  klastery  cząstek  o  wielkościach  mikrometrowych  oraz  kropelki 
cieczy.  Średnia  droga  zderzeń  wewnątrz  powstalego  strumienia  jest  znikoma,  w  wyniku  czego  po 
napromieniowaniu laserem o dużej gęstości mocy i krótkim czasie impulsu na poziomie nanosekund, 
strumień  rozprzestrzenia  się  w  próżni  posiadając  charakterystykę  zbliżoną  do  przepływu 
hydrodynamicznego. 

Własności  strumienia  zależą  przede  wszystkim  od  intensywności  oddziaływania  wiązki  laserowej  z 
odparowaną  materią,  charakteryzowaną  energią  w  impulsie  i  częstotliwością  impulsów.  Strumień 
napotykając  na  swej  drodze  powierzchnię  materiału  obrabianego  rekondensuje,  osadza  się  na  niej  i 
tworzy  warstwę.  Podczas wzrostu  temperatury  w  odparowanym  strumieniu,  następuje równocześnie 
zwiększenie energii cząstek, w wyniku czego wzrasta ruchliwość atomów osadzanych na powierzchni 
wsadu, co wpływa korzystnie na konstytuowanie się warstwy. 

Ablacja  –  proces,  w  którym  wysokoenergetyczne  kwanty  promieniowania  laserowego  wywołują 
obniżenie energii wiązań pomiędzy cząstkami, co umożliwia zdejmowanie warstw atomowych jedna 
po drugiej.