9•2010

More documents

Recommendations

Info

тока 0,2–0,5 мА/см 2 . Следует отметить, что используемые ионные источники работают без системы индивидуальной подачи газа (аргона), поэтому их энергетические и вольт-амперные характеристики определяются общим рабочим давлением в камере, которое в режиме предварительной очистки составляет 0,1–0,15 Па. Параметры ионных пучков в данной работе контролировали блоком зондовой диагностики [40]. Двухсекционная система нанесения бинарных многослойных покрытий размещена в подколпачковом пространстве вакуумной установки марки УРМ-З. Остаточный вакуум в камере на уровне 1 мПа обеспечивается турбомолекулярным насосом 01АБ-1500-004 производительностью по азоту 720 л/с. Контроль давления остаточной атмосферы осуществляли вакуумметром ВИТ-3 ионизационной лампой ПМИ-2. Создание и поддержание рабочего давления аргона осуществляли пьезострикционным натекателем СНА-2. Рабочее давление аргона в пределах 0,1–1,0 Па контролировали термостатированным барометрическим преобразователем MKS Baratron 627. В рамках данной работы были осаждены многослойные покрытия на подложки из монокристаллического кремния (для исследования состава и структуры) и на подложки из плавленого кварца, сапфира, микроструктурированного (м/с) титана марки Grade 4, а также наноструктурированного (н/с) титана cо средним размером зерна менее 200 нм (для изучения механических и трибологических свойств). Последний был получен методом интенсивной пластической деформации — равноканальной угловой прокатки (РКУП) в Уфимском государственном авиационном техническом университете [41]. Полученные в ходе данной работы многослойные покрытия состояли из разного количества (от 8 до 280) чередующихся слоев, толщина слоя для разных образцов составляла 3,8–125 нм. Исследование состава и структуры многослойных покрытий. Для получения концентрационных профилей распределения элементов по глубине слоев использовали вторично-ионную масс-спектрометрию (ВИМС) и оптическую эмиссионную спектроскопию тлеющего разряда (ОЭСТР). Анализ структуры методом ВИМС проводили на приборе PHI-6600 (Physical Electronics, США) при напряжении 7 кВ и силе тока 150 нА. ОЭСТР выполняли на спектрометре PROFILER 2 (Hiriba Jobin Yvon, Франция). Глубину полученных кратеров определяли с помощью оптического профилометра WYKO-NT1100 (Veeco, США). Анализ поперечных изломов покрытий на кремниевых подложках проводили методом растровой электронной микроскопии на приборе JSM-6700F (Jeol, Япония) при ускоряющем напряжении 15 кВ. На рис. 2, а показан элементный профиль многослойного покрытия Ti/Al в течение первой недели после осаждения, полученный с помощью ВИМС. Видно, что толщина слоев составляет 10 нм, а период 20 нм. Повторные исследования методом ВИМС проводили после выдержки образца на воздухе в тече- Интенсивность спектра, отн. ед. Интенсивность спектра, отн. ед. НАУК А ТЕХНИК А ПРОИЗВОДС ТВО Глубина, нм Время травления, с Глубина, нм Время травления, с Рис. 2. Элементный профиль многослойного покрытия Ti/Al после осаждения (метод ВИМС) в течение первой недели (а) и после выдержки образца на воздухе в течение 6 мес (б) ние 6 мес. Профиль распределения элементов показан на рис. 2, б. На профиле алюминия прослеживаются перепады интенсивности, связанные с присутствием слоистой структуры покрытия. В то же время интенсивность на профиле титана не зависит от времени распыления, т.е. титан распределен равномерно по всей толщине покрытия. Наиболее вероятным объяснением этого различия является возможное протекание реакции между титаном и алюминием на границе раздела слоев в процессе выдержки с формированием интерметаллида Ti3Al. При этом весь титан расходуется на реакцию, а избыточный алюминий сохраняет слоистую структуру, близкую к исходной. На рис. 3 показаны элементные профили, полученные методом ОЭСТР для покрытий с толщиной слоев 25/25 и 50/50 нм соответственно (для наглядности результаты представлены в относительных единицах). Также были определены концентрации основных эле- а б 6 9 МЕТА ЛЛУРГ • № 9 • 2010
7 0 МЕТА ЛЛУРГ • № 9 • 2010 НАУК А ТЕХНИК А ПРОИЗВОДС ТВО Интенсивность спектра, отн. ед. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Ti 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 Al Ti Ti Глубина, мкм ментов и примесей в каждом из слоев. Из рис. 3, а видно, что общая толщина покрытия составляла 2 мкм. На начальной стадии травления слои хорошо выявляются, затем происходит размытие профилей, связанное с эффектом сигнала от наклонных стенок кратера при больших глубинах травления. Подобное влияние особенно сильно проявляется в многослойных покрытиях с малой толщиной слоев. При увеличении элементного профиля видно, что период для этих покрытий составляет около 50 нм, а толщина слоев близка к расчетному значению 25 нм. Для покрытия со слоями толщиной 50/50 нм (см. рис. 3, б) также прослеживается хорошее соответствие полученных из данных ОЭСТР толщин расчетным. Кроме того, для этого покрытия было проанализировано распределение примесей в покрытиях. Из рис. 3, б видно, что примеси (атомы азота и углерода) находятся преимущественно в слоях титана. Примесь же кислорода распределена равномерно в слоях титана и алюминия. Вероятнее всего, примеси кислорода и углерода попали в состав покрытия из прекурсора — мишени титана. В то же время определенное количество кислорода связано с влиянием остаточных газов в вакуумной камере. Количественная оценка данных ОЭСТР показала, что концентрации примесей составляют, ат. %: кислорода — менее 0,3; углерода — менее 1; азота — менее 0,2. На рис. 4 и 5 приведены поперечные изломы покрытий Ti/Al с толщинами слоев 20/20 и 50/50 нм соответственно. Здесь хорошо видны слои титана и алюминия одинаковой толщины. В покрытиях с более тонкими слоями на изломе выявляются столбчатые элементы, проходящие через всю толщину слоистого покрытия. Формирование столбчатой структуры характерно для одно- и двухкомпонентных покрытий, осаждаемых с помощью магнетронного распыления и других методов физического осаждения из пара. Надо отметить, что количество наблюдаемых на микрофотографиях слоев не соответствует расчетным значениям. Это объясняется тем, что на изломе, расположенном под небольшим наклоном, часть кремниевой подложки попадает в поле зрения и затеняет нижнюю часть покрытия. Различие в резкости изображения края подложки и самого покрытия подтверждает данное объяснение. Ti Si Интенсивность спектра, отн. ед. Al Ti Ti 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Глубина, мкм Ti а б Интенсивностьспектра, отн. ед. Исследование механических и трибологических свойств. В последние годы для определения твердости и модуля упругости поверхностных слоев все шире используется метод непрерывного измерительного индентирования (ИИ) [37, 38, 42–47]. Согласно ASTM E 2546–07 [45], под измерительным индентированием понимают испытание вдавливанием, при котором сила, приложенная к индентору, и, как результат, перемещение индентора в глубь образца в процессе нагружения–разгружения служат для вычисления значений твердости (по его вдавливанию) и модуля упругости (по его выдавливанию). При использовании весьма малых нагрузок (несколько мН) применяется наноиндентирование как частный случай ИИ, это — процесс контролируемого внедрения калиброванного сверхтвердого наконечника определенной формы (индентора) под действием нарастающей нагрузки в плоскую поверхность неподвижного образца на глубину нескольких десятков нанометров. При сверхмалых нагрузках погружение Ti 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Ti Глубина, Ti мкм Ti Рис. 3. Элементный профиль многослойного покрытия (метод ОЭСТР) с толщиной слоев 25/25 нм (а); 50/50 нм (б) N Ti Рис. 4. Структура поперечного излома покрытия Ti/Al с толщиной слоев 25/25 нм и общей толщиной 2,250 мкм Рис. 5. Структура поперечного излома покрытия Ti/Al с толщиной слоев 50/50 нм и общей толщиной 2,110 мкм O С Al Ti Si Ti
Page 1 and 2:
МЕТАЛЛУРГ № 9, 2010 ■
Page 3 and 4:
2 МЕТА ЛЛУРГ • № 9 •
Page 5 and 6:
Page 7 and 8:
Page 9 and 10:
Page 11 and 12:
1 0 МЕТА ЛЛУРГ • № 9
Page 13 and 14:
Page 15 and 16:
Page 17 and 18:
Page 19 and 20: 1 8 МЕТА ЛЛУРГ • № 9
Page 69: 6 8 МЕТА ЛЛУРГ • № 9
Page 83: 8 2 МЕТА ЛЛУРГ • № 9
show all

9•2010

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?