книги / Эволюция представлений о структурных зонах поликристаллических наноструктурированных плёнок, формируемых методами вакуумных технологий

правлениям велика и, как следствие, увеличение неоднородностей условий формирования для различных участков пленок приводит к образованию различных структур: дендритной, фрактальной, трубчатой, волокнистой (столбчатой) и поликристаллической. Различие в структурном состоянии пленок, полученных при различных технологических параметрах свидетельствует о неодинаковой степени неравновесности процесса формирования пленок. Высказано предположение, что формирование пленок электродуговым испарением может быть охарактеризовано как происходящее при потере морфологической устойчивости плоских поверхностей формирования.

Список литературы

1.Андриевский Р.А., Глезер А.М. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах // Физика металлов и металловедение. – 1999. – Т. 88, № 1. – С. 50–73.

2.Астахов М.В. Физико-химические свойства индивидуальных наночастиц и их ансамблей // Изв. вузов. Материалы электрон. техн. / Моск. ин-т стали и сплавов (Технологический университет). – 2002. –

№2. – С. 15–20.

3.Особенности структуры ультрадисперсных алмазов, полученных высокотемпературным синтезом в условиях взрыва / В.И. Трефилов, Г.И. Саввакин, В.В. Скороход, Ю.М. Солонин, А.Ф. Хриенко //

Докл. АН СССР. – 1978. – № 239. – С. 838–841.

4.Ройтбурд А.Л. Теория формирования гетерофазной структуры при фазовых превращениях в твердом состоянии // Успехи физиче-

ских наук. – 1974. – Т. 113, вып. 1. – С. 69–104.

5.Исследование особенностей фрактальных наноразмерных тонкопленочных структур / В.А. Жабрев, Г.Н. Лукьянов, В.И. Марголин, И.Н. Серов, В.А. Тупик // Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике: материалы Харьк. нанотехн. ассамблеи (Харьков, 2–6 окт. 2006 г.). – Харьков: Контраст, 2006. – С. 248–257.

6.Наноструктурные наноразмерные покрытия и перспективы их применения / А.В. Анисимов, В.Т. Барченко, С.К. Мирошниченко,

21

М.С. Потехин, И.П. Сошников, В.А. Тупик, В.С. Фантиков // Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике: материалы Харьк. нанотехн. ассамблеи (Харьков, 2–6 окт. 2006 г.). – Харьков: Контраст, 2006. –

С. 244–247.

7.Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Луценко А.Н. Наноструктурные ионно-плазменные защитные и упрочняющие покрытия для лопаток газотурбинных двигателей // Вопросы материаловедения. – 2008. – № 2 (54). – С. 175–186.

8.Иевлев В.М. Компактные пленочные наноструктуры // Алмазные пленки и пленки родственных материалов: тр. Харьк. науч.

ассамблеи ISTFE-15. – Харьков, 2003. – С. 82–96.

9. Материалы, оборудование и технологии наноэлектроники

имикрофотоники: моногр. сб. / под ред. А.Ф. Белянина, М.И. Самойловича, А.П. Семенова; Бурят. науч. центр СО РАН. – Улан-Удэ, 2003. – 357 с.

10.Высокие технологии в промышленности России (материалы

иустройства электронной техники): материалы IX междунар. науч.-техн. конф. / под ред. А.Ф. Белянина, М.И. Самойловича; ОАО ЦНИТИ «Техномаш». – М., 2003. – 363 с.

11.Nanostructures and photon crystals: monograph. / ed. by A.F. Belyanin, M.I. Samoylovich; CRTI «Technomash». – M., 2004. – 323 р.

12.Высокие технологии в промышленности России (материалы

иустройства функциональной электроники и микрофотоники) // материалы X междунар. науч.-техн. конф. / под ред. А.Ф. Белянина, М.И. Самойловича; ОАО ЦНИТИ «Техномаш». – М., 2004. – Ч. 1. – 411 с.

13.Mechanisms of martensitic phase transformation in bodycentered cubic structural metals and alloys: Molecular dynamics simulations / Y.-F. Guo, Y.-S. Wang, D.-L. Zhao, W.-P. Wu // Acta Materialia. – 2007. – Vol. 55, № 19. – Р. 6634–6641.

14.A comparative study on reactive and non-reactive unbalanced magnetron sputter deposition of TiN coatings / P.H. Mayrhofer, F. Kunc, J. Musil, C. Mitterer // Thin Solid Films. – 2002. – Vol. 415, № 9. – Р. 151–159.

22

15.Shtansky D.V. Multicomponent nanostructured thin films deposition, characterization, testing and application // Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings. Proc. of 11 Moscow Internatuinal Congress, Moscow, 8–10 Dec. 2003. – Amsterdam: Kluwer Academic Publishers, 2003. – P. 159–165.

16.Musil J. Hard and superhard nanocomposite coatings // Surf Coat Technol. – 2000. – Vol. 125. – Р. 322–330.

17.Особенности формирования наноструктурированных пленок иридия и поликластерного алмаза / А.Ф. Белянин, М.И. Самойлович, Н.Н. Дзбановский, П.В. Пащенко, М.А. Тимофеев // Высокие технологии в промышленности России: материалы XIII междунар. науч.- техн. конф. (Москва, 6–8 сент. 2007 г.) / ОАО ЦНИТИ «Техномаш». –

М., 2007. – С. 22.

18.Жигалов В.С. Особенности структуры, фазовых состояний

имагнитных свойств нанокристаллических композиционных пленок 3d-металлов, полученных сверхбыстрой конденсацией: автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук: 01.04.11 / Ин-т физики им. Л.В. Киренского СО РАН. – Красноярск, 2003. – 44 с.

19.Veprek S. The search for novel superhard materials // J. Vac. Sci. Technol A. – 1999. – Vol. 17, № 5. – Р. 2401–2420.

20.Voevodin A.A., Zabinski J.S. Supertough wear-resistant coatings with ‘chameleon’ surface adaptation // Thin Solid Films. – 2000. – Vol. 370. – Р. 223–231.

21.Siegel R.J. What do we really know about the atomic-scale structures of nanophase materials? // Phys. Chem. Sol. – 1994. – Vol. 55, № 10. – Р. 1097–1106.

22.Gleiter H. Nanostructured materials: state of the art and perspectives // Nanostruct. Mater. – 1995. – Vol. 6. № 1–4. – Р. 3–14.

23.Suryanarayana C. Nanocrystalline materials // Int. Mater. Rev. – 1995. – Vol. 40, № 2. – Р. 41–64.

24.Андриевский Р.А. Синтез и свойства пленок фаз внедрения //

Успехи химии. – 1997. – Т. 66 (1). – С. 57–76.

23

25.Микротвердость и упругие свойства субмикрокристаллического серебра / Н.П. Кобелев, Я.М. Сойфер, Р.А. Андриевский,

Б. Гюнтер // ФТТ. – 1994. – Т. 36, № 1. – С. 216–220.

26.Fourth Euro Ceramics, Basic Sciences: Trends in Emerging Materials and Applications / R.A. Andrievski, V.S. Urbanovich, N.P. Kobelev, V.M. Kuchinski; еd. by A. Bellosi; Gruppo Edit. – Faenza, Italy, 1995. – Vol. 4. – Р. 307–312.

27.Андриевский Р.А. Нитрид кремния синтез и свойства //

Успехи химии. – 1995. – Т. 64, № 4. – С. 311–329.

28.Структура и физико-механические свойства наноструктурных боридонитридных пленок / Р.А. Андриевский, Г.В. Калинников, Н.П. Кобелев, Я.М. Сойфер, Д.В. Штанский // Физика твердого те-

ла. – 1997. – Т. 39, № 10. – С. 1859–1864.

29.Левашов Е.А., Штанский Д.В. Многофункциональные наноструктурные пленки // Успехи химии. – 2007. – Т. 76, № 5. – С. 501– 509.

30.Штанский Д.В., Левашов Е.А. Многокомпонентные наноструктурные тонкие пленки: проблемы и решения (обзор) // Изв. вузов.

Цв. металлургия. – 2001. – № 3. – С. 52–62.

31.Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепции и современ-

ные проблемы // Рос. хим. журн. – 2002. – Т. 46, № 5. – С. 50–56.

32.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. – М.:

Наука, 1964. – 567 с.

33.Особенности структуры и физико-механических свойств наноструктурных тонких пленок / Д.В. Штанский, С.А. Кулинич, Е.А. Левашов, J.J. Moore // Физика твердого тела. – 2003. – Т. 45,

вып. 6. – С. 1122–1129.

34.Чернов А.А. Теория устойчивости гранных форм роста кристаллов // Кристаллография. – 1971. – Т. 16, вып. 4. – С. 842–863.

35.Хаджи В.Е., Циннобер Л.И., Штеренлихт Л.М. Синтез мине-

ралов: моногр. – Т. 1. – М.: Недра, 1987. – 488 с.

36.Ройтбурд А.Л. Особенности развития фазовых превращений

вкристаллах // Проблемы современной кристаллографии. – М.: Ме-

таллургия, 1975. – С. 345–369.

24

37.Sadoc J.F., River N. Boerdijk-Coxeter helix and biological helices // Europ. Phys. J. B. – 1999. – Vol. 12. – P. 309–318.

38.Samoylovich M.I., Talis A.L. Structural realization of a fibre space technick and other algebraic geometry constructions as a foundation for the theory of nanostructural symmetry // Nanostructures and photon crystals: monograph. / еd by A.F. Belyanin, M.I. Samoylovich; CRTI «Technomash». – М., 2004. – Р. 5–114.

39.Самойлович М.И., Талис А.Л. Теория симметрии наноструктурных состояний конденсированных сред как структурная реализация конструкций алгебраической геометрии // Высокие технологии

впромышленности России: моногр. / ОАО ЦНИТИ «Техномаш». –

М., 2004. – С. 121–255.

40. Мовчан Б.А., Демчишин А.В. Исследование структуры

исвойств толстых вакуумных конденсатов никеля, титана, вольфрама, окиси алюминия и двуокиси циркония // ФММ. – 1969. – Т. 28,

№ 4. – С. 653–660.

41.Thornton J. A., Hoffman D. W. Stress-related effects in thin films // Thin Solid Films. – 1986. – Vol. 171. – Р. 5–31.

42.Самойлович М.И., Талис А.Л. Алгебраические политопы

исимметрийные закономерности строения упорядоченных структур // Высокие технологии в промышленности России: моногр. / ЦНИТИ

«Техномаш». – М., 2006. – С. 5–240.

43.Геометрические стpуктуpные комплексы наночастиц ZrO2 / В.Я. Шевченко, М.И. Самойлович, А.Л. Талис, А.Е. Мадисон, В.Е. Шудегов // Физика и химия стекла. – СПб.: Наука, 2005. – Т. 31,

№ 2. – С. 92–109.

44.Самойлович М.И., Талис А.Л. Фазовые переходы в наносистемах и геликоидальные подструктуры // Фундаментальные основы инженерных наук: сб. тр. междунар. науч. конф., посвящ. 90-летию со дня рождения нобелевского лауреата акад. А.М. Прохорова /

РФФИ. – М., 2006. – Т. 2. – С. 161−166.

45.Структурные особенности упрочняющих покрытий, получаемых методами магнетронного распыления вакуумного испарения / А.Л. Каменева, Д.В. Александров, А.Ф. Белянин, В.Д. Житков-

25

ский, М.И. Самойлович // Нанотехнологии и фотонные кристаллы: материалы II межрегион. сем. (Калуга, 15–17 марта 2004 г.) / МГТУ им. Н.Э. Баумана. – М., 2004. – С. 126–168.

46.Каменева А.Л. Закономерности структурообразования наноструктурированных покрытий на основе сложных нитридов, получаемых вакуумно-дуговым испарением // Конструкции из композиционных материалов / Науч. совет РАН по механике констр. из комп.

материалов. – М., 2007. – № 3. – С. 49–56.

47.Пленки AlN, ZrN, (Ti-Zr)N: технологические особенности формирования / А.Л. Каменева, Д.В. Александров, А.Ф. Белянин, В.Д. Житковский, М.И. Самойлович // Нанотехнологии и фотонные кристаллы: материалы II межрегион. сем. (Калуга, 15–17 марта

2004 г.) / МГТУ им. Н.Э. Баумана. – М., 2004. – С. 232–249.

48.Каменева А.Л, Александров Д.В., Житковский В.Д. Влияние состава и технологии формирования на свойства и применение многофункциональных покрытий на основе ZrN, Ti-Zr-N, Ti-B-Si-N // Тонкие пленки в электронике: материалы XVI междунар. симп. (Москва, 9–11 сент. 2004 г.) / ОАО ЦНИТИ «Техномаш». – М., 2004. –

С. 335–339.

49.Изучение условий формирования многослойных тонкопленочных покрытий на основе Ti-Zr-N / А.Л. Каменева, Д.Ю. Демин, П.С. Гриднев, Е.А. Чебукин, Е.Г. Трофимов // Молодежная наука Верхнекамья: материалы второй регион. конф. (Березники, 2 марта

2005 г.) / Перм. гос. техн. ун-т. – Березники, 2005. – С. 64–67.

50.Каменева А.Л., Белянин А.Ф., Самойлович М.И. Изучение морфологических особенностей формирования покрытий на основе ZrN, Ti-Zr-N и Ti-B-Si-N, осажденных методами вакуумного испарения и магнетронного распыления // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов. Функциональные покрытия для повышения качества поверхностей изделий машиностроения: сб. докл. 7-й междунар. конф. (Харьков, 2–6 окт. 2006 г.). – Харьков:

Контраст, 2006. – С. 47–58.

26

51.Каменева А.Л. Изучение свойств наноразмерных покрытий, наследуемых в процессе формирования // Конструкции из компози-

ционных материалов. – М, 2006. – № 4. – С. 231–234.

52.Использование тонкопленочных покрытий на основе ZrN, Ti-Zr-N, Ti-Zr-O-N, Ti-B-Si-N для упрочнения инструмента из Р6М5,

применяемого при обработке нержавеющих сталей / А.Л. Каменева, Л.А. Трофимова, С.В. Ничков, Е.М. Трофимов, С.М. Вдовин, Е.А. Шестаков // Перспективные материалы / Ин-т металлургии и материаловедения РАН им. А.А. Байкова. – М., 2006. – № 6. – С. 80–87.

53.Изучение структуры наноразмерных покрытий на основе Ti-Zr-N на всех стадиях процесса вакуумно-дугового осаждения / В.Н. Анциферов, А.Л. Каменева, С.М. Вдовин, Е.А. Шестаков, Е.М. Трофимов // Пленки и покрытия – 2007: тр. 8-й междунар. конф. (Санкт-Петербург, 22–25 мая 2007 г.) / С.-Петерб. политехн. ун-т. –

СПб., 2007. – С. 154–156.

54.Анциферов В.Н., Каменева А.Л. Исследование структуры

исвойств ионно-плазменных мультислойных покрытий на основе

ZrN, Ti-Zr-N, Ti-B-Si-N // HighMatTech: тр. междунар. конф. (Киев, 15–19 окт. 2007 г.). – Киев: Академпериодика, 2007. – С. 467.

55.Анциферов В.Н., Каменева А.Л. Экспериментальное исследование строения многокомпонентных наноразмерных пленок, сформированных ионно-плазменными методами // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – М.: Калвис, 2007. – № 1. – С. 53–61.

56.Antsiferov V.N., Kameneva A.L. Experimental study of the structure of multicomponent nanostructured coatings on the basis of Ti-Zr-N alloys formed by ionic plasma methods // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – New York: Allerton Press., 2007. – Vol. 48, № 6. – Р. 485–499.

57.Каменева А.Л. Изучение процессов формирования пленок на основе Ti-Al-N в неравновесных условиях электродугового испарения // Высокие технологии в промышленности России: материалы IX междунар. науч.-техн. конф. (Москва, 11-13 сент. 2008 г.) / ОАО ЦНИТИ «Техномаш». – М., 2008. – С. 430–438.

27

58.Synthesis and characterization of Ti-Si-C-N films / D.V. Shtansky, E.A. Levashov, A.N. Sheveiko, J. Moore // Metall. Mater. Trans. A. – 1999. – Vol. 30. – Р. 2439–2447.

59.The depth profile analysis of W-Si-N coatings after thermal an-

nealing / C. Louro, A. Cavaleiro, S. Dub, P. Smid, J. Musil, J. Vlcek //

J.Surf. Coat. Technol. – 2002. – Vol. 161, № 2–3. – Р. 111–119.

60.Microstructure and properties of low friction TiC-C nanocomposite coatings deposited by magnetron sputtering / M. Stüber, H. Leiste, S. Ulrich, H. Holleck, D. Schild // Surf. Coat. Technol. – 2002. – Vol. 150, № 2–3. – Р. 218–226.

61.Musil J., Kunc F., Zeman H., Polakova H. Relationships between hardness, Young's modulus and elastic recovery in hard nanocomposite coatings // Surf. Coat. Technol. – 2002. – Vol. 154. – Р. 304–313.

62.Andrievski R.A., Kalinnikov G.V. Physical-mechanical and physical-chemical properties of thin nanostructured boride/nitride films // Surf. Coat. Technol. – 2001. – Vol. 142–144. – Р. 573–578.

63. Localized deformation of multicomponent thin films / D.V. Shtansky, S.A. Kulinich, E.A. Levashov, A.N. Sheveiko, F.V. Kiriuhancev, J.J. Moore // Thin Solid Films C. – 2002. – Vol. 420–421. – Р. 330–337.

28

Глава 2

ЭВОЛЮЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРУКТУРНЫХ ЗОНАХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПЛЕНОК, ФОРМИРУЕМЫХ МЕТОДАМИ ВАКУУМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

2.1. Классификация факторов технологического процесса, влияющих на эволюцию структуры пленок

Классификация факторов технологического процесса, влияющих на эволюцию структуры пленок [55].

Кинетические факторы:

•диффузия адатомов на поверхности подложки;

•самодиффузия адатома на поверхности острова;

•самодиффузия на межзеренных границах;

•подвижность межзеренных границ;

•скорость зарождения адатомов-кластеров;

•скорость десорбции адатомов.

Параметры процесса:

•скорость осаждения (влияет на скорость прибытия адатома, время диффузии адатомов до зарождения кластера или десорбции, чистоту пленки);

•температура подложки (влияет на все кинетические процессы, увеличивающие скорость повышения температуры);

•фоновое давление (влияет на чистоту пленки и подложки);

•давление газа и напряжение смещения на подложке (влияет на угловое распределение и энергию прибывающих адатомов) при осаждении распылением.

Факторы, влияющие на зоны МСЗ:

•свойства материала пленки;

•примесные включения;

•технология нанесения.

Сложность освоения технологических процессов получения высококачественных пленок состоит в низкой воспроизводимости их стехиометрического и фазового составов, физико-механических

29

и физико-химических свойств, даже при сохранении технологических условий формирования.

Процесс получения пленок вакуумными методами состоит из трех основных этапов:

1) процесс взаимодействия ионов и атомов газового разряда с катодом / мишенью (в дальнейшем мишень) и образование потока испаренных / распыленных атомов, молекул, кластеров, нано- и макрочастиц эрозии катода (в дальнейшем пленкообразующих частиц); 2) перенос пленкообразующих частиц через газовую среду

впространстве дрейфа мишень–подложка;

3)конденсация и формирование пленки на подложке.

При разработке процесса получения пленок вакуумными методами необходимо учитывать:

•размер, материал, способ изготовления и охлаждения мишени, определяющих скорость осаждения пленки, степень ее дефектности, неравномерность по толщине и стехиометрическому составу;

•геометрию вакуумной камеры, конструктивные особенности источника плазмы, функциональные характеристики источника питания, отвечающие за пространственное распределение плазмы по составу в потоке пленкообразующих частиц;

•температуру пленки в процессе осаждения, плотность и состав низкотемпературной плазмы (электроны, атомы, молекулы, кластеры, нано- и макрочастицы эрозии катода), определяющих поверхностную подвижность пленкообразующих частиц на подложке и интенсивность их поступления, таким образом, кинетику структурообразования пленки;

•материал и структуру, геометрию, способ изготовления подложки и подготовки ее поверхности перед осаждением пленки, температуру пленки, соответствие физико-химических свойств пленки

иподложки, определяющих напряженное состояние пленки;

•ток дуги (для электродугового испарения – ЭДИ), мощность магнетронного разряда (для магнетронного распыления – МР), напряжение смещения на подложке, давление газовой смеси, содержание азота в газовой смеси, расстояние подложка–источник плазмы,

30