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

полос различной протяженности (рис. 23). Следует отметить, что минимальная величина объемных образований соответствует соотношению N2/Ar = 40/60 %.

Рис. 23. Структурные образования в виде плоских и пространственных полос на поверхности пленок, сформированных при различном соотношении реакционного и инертного газов N2/Ar,%: а – 30/40; б – 35/65;

в – 40/60; г – 50/50

Результаты морфологических исследований при большом увеличении позволили установить стадии роста пленок на основе ZrN и их различные структурные состояния, формируемые в неравновесных условиях магнетронного распыления при изменении концентрации реакционного газа азота:

1. Единичные образования с глобулярной структурой различной направленности, распределенные статически равномер-

71

но по поверхности текстурированной пленки (рис. 24). Вершины глобул имеют сглаженную куполообразную форму. Следует отметить, что при одинаковом количестве реакционного и инертного газов в смеси глобулярный рост пленки происходит по спирали и размер глобул максимален.

аб

вг

Рис. 24. Структурные образования с глобулярной структурой на поверхности текстурированных пленок, сформированных при различном соотношении реакционного и инертного газов N2/Ar (%) с различной направленностью и высотой: а – 30/40, ≈ 2 мкм; б – 35/65, ≈ 4 мкм;

в – 40/60, ≈ 3 мкм; г – 50/50, ≈ 6 мкм

Объединение глобулярных структур в ансамбли (рис. 25). При процентном содержании азота в газовой смеси 30 и 35 % шероховатость сплошной пленки развивается до фрактальной геометрии (рис. 26, а, б), при 40 и 50 % формируется пленка с различной степенью текстурированности (рис. 26, в, г).

72

Морфологические исследования на туннельном микроскопе «Умка» выявили, что микрокристаллиты ZrN в пленке, осажденной при 40 % азота, имеет сложную двухуровневую структуру. Зерна субмикронного размера (0,1–0,3 мкм) фрагментированы на области размером 10–15 нм (рис. 29).

Рис. 29. Морфологические особенности пленки ZrN с увеличенными фрагментами, сформированной при соотношении газов N2/Ar = 40/60 %

Специфика структурообразования пленок в условиях магнетронного распыления такова, что на начальной стадии происходит формирование глобулярных образований, а на последующих стадиях – ансамблей глобулярных структур. Особенности строения пленок на каждом этапе отражают как фундаментальные свойства своеобразных «двумерных» термодинамических систем, так и конкретные свойства осаждаемого вещества и особенности различных факторов его взаимодействия с материалом

77

подложки (смачивание, анизотропия, неоднородность самой поверхности и др.). Несомненно, определенное влияние могут оказывать различные свойства поверхности, на которую происходит осаждение пленки, на различных этапах ее формирова-

ния [124].

Установлено, что анизотропия скоростей формирования пленок ZrN магнетронным распылением по различным направлениям велика и, как следствие, увеличение неоднородностей условий формирования для различных участков пленок приводит к образованию различных поверхностных структур: дендритной и фрактальной – при содержании азота в газовой смеси 30 и 35 %, трубчатой – на границе раздела различных структурных состояний пленки, волокнистой (столбчатой) и поликристаллической структуры – при 40 %. Наименее неравновесные условия формирования пленки характерны для 40 % концентрации азота в газовой смеси, при которой выявлена наименьшая анизотропия скоростей формирования по различным направлениям.

9.3. Влияние давления газовой смеси на температуру поверхности конденсации, фазовый состав, структуру и свойства наноструктурированных пленок на основе ZrN

Физические свойства пленки, определяемые реальной структурой, зависят от комбинированного действия многих параметров процесса, в частности при получении пленок методом магнетронного распыления, – от мощности магнетронного разряда, парциального давления рабочей газовой смеси, величины отрицательного напряжения смещения, процентного соотношения реакционного и инертного газов, расстояния мишень– подложка. Управление структурой и фазовым составом наноструктурированных пленок может быть осуществлено подбором указанных параметров осаждения; сообщением пленкам эксплуатационных свойств изменением концентрации легирующих элементов, температуры подложки, взаимной растворимости

78

компонентов в фазах внедрения и получением пленок специфического строения – изменением кристаллографической ориентации зерен пленки, присутствия двух различных поликристаллических фаз.

Цель исследований – изучение влияния давления газовой смеси, мощности магнетронного разряда, способа охлаждения поверхности мишени и температуры поверхности конденсации на реальную структуру пленок, а также на механические свойства, фазовый состав, морфологические особенности и структурные характеристики пленок.

В качестве модельных были выбраны пленки на основе ZrN на подготовленной поверхности тестовых образцов из Ст3, которые формировали на автоматизированной установке УРМ3.279.048 электродугового испарения и магнетронного распыления с двух магнетронов с мишенями из циркония марки Э110, работающих от источников постоянного тока. До проведения технологического процесса, для удаления со стенок вакуумной камеры остаточной влаги и газов на 20 мин включали резистивный нагреватель, расположенный в центральной части камеры, затем поверхность тестовых образцов подвергали ионной очистке с использованием электродугового испарителя, для увеличения адгезионной прочности пленки ZrN к подложке осаждали подслой из циркония. Пленки на основе ZrN формировали при различных: давлении газовой смеси, мощности магнетронного разряда, температуре воды, охлаждающей поверхность мишени: комплексной водой – 291–292 К, оборотной водой – 299–300 К. Температуру поверхности пленки в процессе осаждения измеряли инфракрасным бесконтактным пирометром «Термикс» каждые 10 мин, при общей продолжительности процесса осаждения пленки tпр = 30 мин. Морфологические особенности сформированных пленок исследовали на автоэмиссионном электронном микроскопе Ultra-55. Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализы пленок ZrN проводили с использованием рентгеновского дифрактометра Shimadzu XRD-6000

79

в Cu Кα-излучении. Микротвердость композиции измеряли микротвердомером ПМТ-3 при нагрузке на индентер 0,5 Н после технологического процесса.

Технологические параметры процессов подготовки поверхности подложки перед осаждением пленки (ионной очистки и осаждения подслоя ZrN) приведены в табл. 10. На рис. 30, а показана зависимость температуры поверхности тестового образца от продолжительности процессов. Технологические параметры процесса магнетронного распыления и микротвердость композиции пленка ZrN – подложка (в дальнейшем микротвердость композиции) приведены в табл. 11. На рис. 30, б–д представлены зависимости средней температуры поверхности пленки и микротвердости композиции от давления газовой смеси, продолжительности процесса осаждения и способа охлаждения поверхности мишени комплексной (см. рис. 32, б, в) и оборотной (см. рис. 32, г, д) водой.

Таблица 10

Технологические параметры процесса ионной очистки и осаждения подслоя Zr

Примечание: Iф.к – ток фокусирующей катушки, Iс.к – ток стабилизирующей катушки.

80