книги / Особенности получения наноструктурированных ионно-плазменных плёнок с заданными свойствами

Р > 1,9 кВт. Для установления влияния давления газовой смеси 1,2 Па на микротвердость композиции были проведены морфологические исследования поверхности пленки.

3.Увеличение давления газовой смеси с 0,8 до 1,0 Па и мощ-

ности магнетронного разряда до Р > 2,0 кВт при То.в = 291…292 К приводит к незначительному увеличению относительной доли стехиометрической кубической фазы ZrN с преимущественной кристаллографической ориентировкой (111), к уменьшению относительной доли нестехиометрической гексагональной фазы ZrN с преимущественной кристаллографической ориентировкой (002) и увеличению микротвердости композиции с 13 до

18 ГПа.

4.Увеличение давления газовой смеси с 0,8 до 1,0 Па и увеличение мощности магнетронного разряда до > 2,0 кВт при

То.в = 299…300 К приводят к уменьшению относительной доли стехиометрической кубической фазы ZrN с преимущественной кристаллографической ориентировкой (111), к увеличению относительной доли нестехиометрической гексагональной фазы ZrN с преимущественной кристаллографической ориентировкой

(002)и увеличению общей доли ZrN в пленке, но не изменяет микротвердости композиции 17 ГПа.

5.При давлении газовой смеси 1,0 Па и Р > 2,0 кВт формируется двухфазная пленка с преобладанием стехиометрической

91

кубической фазы (111)ZrN по отношению к нестехиометрической гексагональной фазе (002)ZrN0,28, причем бóльшая микротвердость при охлаждении поверхности мишени комплексной водой соответствует пленке с незначительной разницей объем-

ной доли указанных фаз в пленке IZrN/IZrN0,28 = 1,32; при охлаждении мишени оборотной водой То.в = 299…300 К максималь-

ная микротвердость композиции 17 ГПа соответствует пленке с отношением объемных долей фаз в пленке IZrN/IZrN0,28 = = 2,307. Можно сделать вывод, что на изменение микротвердости композиции при одинаковых технологических параметрах оказывает влияние соотношение фаз в пленке.

6.Увеличение давления газовой смеси с 1,0 до 1,2 Па,

То.в = 291…292 К, уменьшение мощности магнетронного разряда с Р > 2,0 до Р < 1,9 кВт, значительное увеличение относительной доли стехиометрической кубической фазы (111)ZrN, значительное уменьшение нестехиометрической гексагональной фазы (002)ZrN0,28 и значительное уменьшение общей доли ZrN

впленке приводят к значительному уменьшению микротвердости композиции с 18 до 9 ГПа.

7.Увеличение давления газовой смеси с 1,0 до 1,2 Па,

То.в = 299…300 К, Р > 2,0 кВт и незначительное уменьшение общей доли ZrN в пленке с 167 до 154,5, увеличение относи-

тельной доли стехиометрической кубической фазы (111)ZrN и незначительное увеличение нестехиометрической гексагональной фазы (002)ZrN0,28, минимальная разница в объем-

ных долях фаз IZrN/IZrN0,28 = 2,307 и IZrN/IZrN0,28 = 2,433

в пленке свидетельствуют о том, что основной причиной уменьшения микротвердости пленки с 17 до 11 ГПа послужило увеличение давления газовой смеси и значительное превосходство относительной доли стехиометрической кубической фазы ZrN с преимущественной кристаллографической ориентиров-

кой (111).

8. Пленка с максимальной микротвердостью композиции формируется при давлении газовой смеси 1,0 Па, мощности

92

магнетронного разряда Р > 2,0 кВт, температуре охлаждения мишени 291…292 К, максимальном содержании ZrN на поверхности подложки, приблизительно одинаковом соотношении относительной доли стехиометрической и нестехиометрической фаз и максимальных интенсивностей рефлексов фаз в пленке; при давлении газовой смеси 0,8 и 1,0 Па, мощности магнетронного разряда Р > 1,9 кВт, температуре охлаждения мишени 299…300 К и максимальном содержании ZrN на поверхности подложки, значительном превосходстве относительной доли и максимальной интенсивности рефлекса стехиометрической фазы в пленке.

9. Способ охлаждения поверхности мишени влияет на соотношение фаз в пленке, характер изменения относительной доли нестехиометрической гексагональной фазы ZrN с преимущественной кристаллографической ориентировкой (002). При охлаждении мишени комплексной водой То.в = 291…292 К с увеличением давления относительная доля указанной фазы уменьшается, при использовании оборотной воды (То.в =

=299…300 К) – увеличивается.

10.Изменение интенсивности пика подложки α–Fe (2θ ≈ ≈ 44,7°) свидетельствует о различной толщине пленки.

11.Значительное изменение положения дифракционных максимумов обнаружено в пленке, сформированной при давлении 1,2 Па.

9.5.Влияние способа охлаждения поверхности мишени,

мощности магнетронного разряда и давления газовой смеси на процессы структурообразования пленок ZrN

Морфология поверхности изучалась для пленок, сформированных в интервале мощности магнетронного разряда 1,93– 2,09 кВт; давлений газовой смеси 0,8; 1,0; 1,2 Па; То.в = = 299…300 К. Для установления влияния способа охлаждения мишени исследовали морфологию поверхности пленок, сфор-

93

мированных при давлении газовой смеси 1,0 Па и охлаждении мишени: комплексной водой То.в = 291…292 К (рис. 34, б), оборотной водой То.в = 299…300 К (рис. 34, в).

На основании морфологических исследований поверхности пленок при увеличении примерно в 80 выявлено, что при давлении газовой смеси 0,8; 1,0 Па при То.в = 299…300 К и 1,2 Па на поверхности пленок формируются структурные образования в виде полос и макрочастиц различной формы до 9 мкм (рис. 34, а, в, г). Следует отметить, что при давлении 1,0 Па, температуре То.в = 291…292 К и мощности 2,03 кВт на поверхности пленки при аналогичном увеличении наблюдаются лишь единичные образования размером до 2 мкм (см. рис. 34, б), шероховатость поверхности при указанных параметрах развивается до фрактальной геометрии [125], которая в результате широкого углового распределения потока осаждения атомного затенения (экранирования), ограниченной поверхностной диффузии приводит к пространственной пористости.

Исследование морфологии поверхности пленки при увеличении примерно ×600 показало, что сплошная пленка всех пленок имеет ячеистую структуру с размерами ячеек при давлении

0,8 Па – 300 нм…1 мкм (1,93 кВт); 1,0 Па – 250…300 нм (2,03 кВт) и 300…600 нм (2,09 кВт); 1,2 Па – 250 нм…1 мкм

(рис. 34, д–з). Известно, что ячеистая структура часто встречается в пленках, причины образования которой разные: от напряжений (чаще всего), неудовлетворительной обработки поверхности, остатков островных структур или признаков фрактальности (для металлов).

Результаты морфологических исследований при большом увеличении позволили установить следующие стадии формирования пленок на основе ZrN и их различные структурные состояния, формируемые в неравновесных условиях магнетронного распыления при изменении давления газовой смеси, мощности магнетронного разряда и способа охлаждения поверхности мишени.

94

воды до 299–300 К и незначительное увеличение мощности магнетронного разряда до 2,09 кВт при давлении 1,0 Па приводит к увеличению числа и размера глобул: зернистой структуры до 3,5 мкм, пластинчатой – 1,2×0,9 мкм (рис. 35, г). На границе раздела глобула–пленка обнаружены нарушения сплошности пленки (см. рис. 35, а, в, г). С увеличением давления до 1,2 Па формируются глобулы зернистой структуры – 4,0 мкм и пластинчатой структуры 7,2×5,3 мкм (рис. 35, ж; 37, а).

2. Объединение глобулярных структур в структурные образования в виде полос (рис. 36): при давлении 0,8 Па – 2…4×77 мкм и 1,7×10 мкм (рис. 36, б; 37, а); при 1,0 Па – 3,3×30 мкм (2,03 кВт) (рис. 36, г) и 2×50 мкм до 6,5…10,0×100 мкм (2,09 кВт) (рис. 36, е, ж); 1,2 Па – 45,5×4,1 мкм (рис. 36, к). Сле-

дует отметить, что процесс объединения глобул в структурные образования в виде полос различен.

При давлениях газовой смеси 0,8; 1,0 Па (299–300 К и 2,09 кВт) и 1,2 Па стадия объединения глобул зернистой структуры характеризуется процессом коалесценции – активным твердофазным процессом, снижение интегральной энергии которого, в целом, связана с минимизацией энергии поверхностей раздела [126] (см. рис. 36, а, е, и, к). Независимо от исходной взаимной ориентации коалесцирующих глобул в итоге образуется поликристаллический островок протяженной формы. Миграция межзеренной границы в процессе коалесценции происходит в сторону меньшего зерна. Образование поликристаллических агрегатов, в то время пока еще не достигнут порог протекания (перколяции), характеризующегося образованием пленки с лабиринтной морфологией, что объясняется недостаточной термической активацией процесса и зависимостью от потока конденсирующих атомов. Выявлено, что в условиях, далеких от термодинамического равновесия, процесс коалесценции может быть завершен коагуляцией поликристаллического агрегата и глобулы с максимальным диаметром: 4,3 мкм при

0,8 Па (см. рис. 36, б) и 4,2 мкм при 1,2 Па (см. рис. 36, к).

98

Рис. 36. Объединение – коалесценция глобулярных структур на поверхности пленок ZrN, сформированных при различном давлении газовой смеси и мощности магнетронного разряда: а – 0,8 Па и 1,93 кВт; е, ж – 1,0 Па и 2,09 кВт; к – 1,2 Па и 2,05 кВт; г, д – коагуляция глобулярных структур на поверхности при 1,0 Па и 2,03 кВт в структурные образования в виде объемных полос; в, з – образование мелкой глобулярной аморфной структуры; и – пластинчатой структуры на границе объемная полоса – сплошная пленка, нарушающее

сплошность пленки в указанной области; б – коагуляция глобулы и объемной полосы (см. также с.100)

99