Влияние условий конденсации ионно-плазменного потока на структуру и свойства покрытий нитрида титана

На правах рукописи

Панькин Николай Александрович

Влияние условий конденсации ионно-плазменного потока на Структуру и свойства покрытий нитрида титана

Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»

Научный руководитель:	кандидат физико-математических наук, доцент Смоланов Николай Александрович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Есаулов Николай Петрович кандидат физико-математических наук, доцент Лосев Алексей Юрьевич
Ведущая организация:	ГОУВПО «Казанский государственный технологический университет», г. Казань

Защита состоится 29 октября 2008 г. в 16 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.141.17 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 248600, Калуга, ул. Баженова, 2, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал (г. Калуга, ул. Баженова, 2)

Автореферат разослан «____» «_________________» 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Лоскутов С.А.

Актуальность работы. Физические методы получения покрытий в вакууме – наиболее распространённые процессы модификации поверхности. Они основаны на взаимодействии ионов, макро- и атомных частиц, полученных в низкотемпературной плазме, с поверхностью твёрдого тела. Результатом взаимодействия потока частиц в разреженной среде с поверхностью является осаждённая плёнка или изменённая структура поверхности. Это даёт возможность получать покрытия различного состава, проводить ионную очистку и полировку поверхности, травление и формирование прецизионных топологических рисунков в производстве полупроводниковых приборов и микросхем, резисторов, фотошаблонов и т.п. Сфера применения плазменных технологий распространяется и на другие области техники, например оптику и машиностроение, где они используются для получения полированных поверхностей, упрочнения инструмента, защиты поверхностей износо- и коррозионностойкими плёнками, создания декоративных покрытий и т.д.

В России среди различных модификаций физических методов нанесения тонкоплёночных покрытий широкое распространение получил процесс конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ). Он основан на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги при одновременной подаче в межэлектродное пространство реакционных газов (азота, ацетилена и др.).

Чаще всего вышеуказанным методом получают покрытия на основе тугоплавких металлов и их соединений с азотом, кислородом, углеродом. Метод КИБ используют для получения пленок на основе нитридов и карбонитридов переходных металлов IVВ группы периодической системы элементов Д.И.Менделеева (Ti, Hf и Zr). Среди них наиболее широкое распространение нашли покрытия на основе системы Ti-N. Это связано, прежде всего, с достаточно хорошим сочетанием физико-механических свойств и относительно невысокой стоимостью титана. Основными параметрами получения TiN-покрытий методом КИБ, определяющими свойства конечного продукта, являются ток дуги, потенциал смещения, давления инертного и реакционного газов, материал подложки, температура подложки, время конденсации и тип установки. Они задают состав титан-азотной низкотемпературной плазмы (электроны, атомы, молекулы, ионы различной зарядности и макрочастицы эрозии катода), который характеризуется неравномерным пространственным распределением. В соответствии с этим, важным параметром, определяющим физико-механические свойства пленок нитрида титана, является также геометрия расположения образцов в вакуумной камере относительно поверхности катода. Несмотря на большое количество работ по исследованию плёнок Ti-N, влияние расстояния «катод-подложка» на структуру и свойства поверхности является недостаточно изученным. При этом во многих работах значения данного параметра не указаны.

Целью настоящей работы является получение субмикрокристаллических плёночных систем на основе соединений титана с азотом и выявление закономерностей их формирования, а также исследование атомно-кристаллической структуры, фазового состава и микротвердости этих плёнок.

Задачи настоящей работы можно сформулировать следующим образом:

1. Получение покрытий нитрида титана на стальных подложках методом конденсации с ионной бомбардировкой на установке ННВ-6.6И4.
2. Исследование микроструктуры поверхности твердых тел, модифицированных указанным выше методом.
3. Исследование влияния геометрии размещения образцов в вакуумной камере на толщину покрытий нитрида титана. Расчет толщины пленок на плоских подложках, получаемых на установке типа ННВ по методу КИБ.
4. Рентгенографическое исследование фазового состава системы «пленка-подложка», полученной в объеме вакуумной камеры и вблизи титанового катода при нанесении покрытий нитрида титана.
5. Исследование напряженного состояния и микротвердости (по Виккерсу) поверхностного слоя, полученного осаждением пленок Ti-N при различной геометрии расположения образцов в вакуумной камере.

Объектом исследования являлись покрытия нитрида титана, формируемые на различных металлических подложках (стали 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т). Исходя из цели работы и поставленных в ней задач, в качестве предметов исследований были определены структура, микротвердость TiN-пленок и процессы, протекающие при формировании покрытия.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы были использованы следующие методы: рентгенографические, метод аппроксимаций профиля рентгеновской дифракционной линии для определения параметров тонкой кристаллической структуры (субструктуры), метод sin2 определения величины остаточных напряжений, рентгенофлуоресцентная спектроскопия определения элементного состава, оптическая микроскопия исследования микроструктуры получаемых покрытий, определение микротвердости по Виккерсу.

Достоверность результатов исследований и обоснованность выводов обеспечиваются корректностью постановки задачи, использованием современных методов и аппаратуры исследования микроструктуры и свойств изучаемых покрытий, статистической обработкой результатов измерений, полученных в ходе выполнения настоящей работы, и их сопоставление с литературными данными.

Научная новизна

1. Впервые изучена атомно-кристаллическая структура и микротвердость конденсата, полученного вблизи титанового катода при осаждении TiN-покрытий методом КИБ. Исследована микроструктура поверхностного слоя стальных подложек с покрытием нитрида титана при различной геометрии расположения их в вакуумной камере.
2. Проведен расчет толщины TiN-покрытий, полученных методом конденсации с ионной бомбардировкой, для различных расстояний катод-подложка.
3. Исследована зависимость фазового состава и атомно-кристаллической структуры покрытий Ti-N от местоположения образцов в объеме вакуумной камеры и времени конденсации.
4. Определены значения микротвердости и на основании рентгенографических данных рассчитана величина сжимающих остаточных напряжений в покрытиях нитрида титана при различных расстояниях катод-подложка.

Практическая значимость и реализация результатов работы

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследований влияния расположения образцов в вакуумной камере и времени конденсации на фазовый состав и структуру тонких плёнок нитрида титана, полученных при конденсации ионно-плазменных потоков.
2. Результаты расчетов толщины покрытия, полученного методом КИБ, при различных расстояниях катод-подложка для установки ионно-плазменного осаждения типа ННВ.
3. Экспериментальные данные о влиянии геометрии расположения подложки в процессе ионно-плазменного осаждения на значения микротвердости и величины остаточных напряжений.

Опубликование результатов. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 16 работах (из них 3 статьи в журналах по перечню, рекомендованном ВАКом России), в материалах различного уровня научно-технических конференций, симпозиумах и школах и реферируемых журналах, список которых приведен в конце автореферата.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на следующих международных, Российских, межрегиональных и республиканских научно-технических конференциях, симпозиумах, школах и семинарах: III международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (Саранск, 2001, 2003 гг.); III всероссийской научно-технической конференции «Светоизлучающие системы. Эффективность и применение» (Саранск, 2001 г.); XI конференция по физике газового разряда (Рязань, 2002 г.); международной научно-технической конференции "Тонкие плёнки и слоистые структуры" (Москва, 2002, 2004, 2005 гг.); всероссийской молодежной научной школе «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: Физические свойства и применение» (Саранск, 2002, 2004-2007 гг.); VI международной конференции «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2003 г.); Международной конференции «Физика прочности и пластичности» (Тольятти, 2003 г., Самара 2006 г.); Научные чтения имени академика Н.В. Белова (Н.Новгород, 2003, 2005 гг.); Республиканской научно-практической конференции «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса региона» (Саранск, 2003-2008 гг.); VI Уральской школы-семинара металловедов-молодых учёных (Екатеринбург, 2004 г.); I международной школы «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2004 г.); II Российской студенческой научно-технической конференции. «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2005 г.); IV Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, 2005 г.); XVII Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, 2005 г.); Научной конференции молодых учёных, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва (Саранск, 2003-2008 гг); XLIV Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Вологда, 2005 г.); Огарёвских чтениях (Саранск, 2001-2007 гг), Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2007-2008 гг.), IV Международной школе-конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 2007 г.), Международной конференции «Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006-2007 гг.), Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007 г.).

Содержание диссертационной работы.

Работа состоит из введения, трех глав и заключения, изложена на 118 страницах, включает 75 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 127 наименований.

Во введении представлена характеристика области исследования и обоснована актуальность темы работы. Сформулированы цель и задачи исследования. Излагается краткое содержание диссертационной работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержится анализ литературных данных о микроструктуре, атомно-кристаллической структуре, напряженном состоянии и микротвердости ионно-плазменных покрытий системы Ti-N.

Он показывает, что основными параметрами ионно-плазменной обработки, существенно влияющими на структуру и свойства покрытий системы титан-азот являются: давление реакционного газа (азота), ток дуги, потенциал смещения, температура подложки, время обработки и геометрия расположения образцов в вакуумной камере. Давление реакционного газа определяет, в первую очередь, формирование состава получаемых покрытий – элементного и фазового. Величина тока дуги влияет на содержание в ионно-плазменном потоке, возникающего при эрозии титанового катода, кластеров, макро- и частиц капельной фазы. От изменения потенциала смещения существенно зависит скорость роста пленки. При этом меняются микроструктура, твердость и величина микро- и макронапряжений модифицированной ионно-плазменными потоками поверхности. Температура конденсации также определяет микроструктуру и величину остаточных напряжений.

Несмотря на многочисленные экспериментальные данные по исследованию влияния параметров осаждения на свойства, мало отражённым в литературе является вопрос взаимосвязи местоположения образцов относительно катода в объёме вакуумной камеры с кристаллической структурой и физико-механическими свойствами пленок. Установление данной корреляции позволит получать покрытия контролируемого однородного состава с заранее заданными функциональными характеристиками и расширить представления о механизмах формирования структуры пленок в условиях конденсации с ионной бомбардировкой.

Кроме того, большинство имеющихся экспериментальных данных получены на лабораторных установках при больших расстояниях от катода (этот параметр в литературных источниках часто не указывается). Лишь в небольшом количестве работ (в основном отечественных и стран СНГ) представлены результаты исследований структуры и свойств покрытий, полученных на серийных промышленных установках.

Во второй главе приведены методики приготовления образцов и методы исследования фазового состава, параметров тонкой кристаллической структуры, макронапряжений и микротвердости покрытий, полученных при ионно-плазменной обработке твердых тел.

Осаждение покрытий нитрида титана на образцы производили на установке ННВ-6.6И4 производства завода «Электротерм» (г. Саратов) с блоком дооснащения «Поток» (г. Иркутск). Данный блок служит для предварительной активации поверхности образцов и её очистке ионами инертных газов (в нашем случае – аргон). Материалом катода взят титановый сплав ВТ1-0. В качестве реакционного газа служил азот с чистотой не менее 99.9%. Подложки были изготовлены из сталей 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т в форме прямоугольных образцов с размерами 20302 мм3 и пластин 301502 мм3. Перед загрузкой в вакуумную камеру образцы предварительно подвергались механической обработке, шлифовке, полировке и очистке в ультразвуковой ванне и растворе НЕФРАС.

Схема I	Схема II
Рис. 1. Схемы размещения образцов в вакуумной камере (1 – катод ВТ1-0; 2 – подложка, О – начало отсчета для оси координат OL)