книги / Эволюция представлений о структурных зонах поликристаллических наноструктурированных плёнок, формируемых методами вакуумных технологий
..pdf38.Anders A. A structure zone diagram including plasma-based deposition and ion etching // J. Thin Solid Films. – 2010. – Vol. 518. – Р. 4087–4090.
39.Структура вакуумных конденсатов стабилизированного диоксида циркония / Г.И. Баталин, В.Д. Кушков, А.В. Качур, Н.И. Гре-
чанюк // Докл. АН УССР. Сер. А. – 1983. – № 3. – С. 82–84.
40.Бочкарев А.А., Полякова В.И. Процессы формирования микро- и нанодисперсных систем. – М.: Изд-во РАН, 2010. – 468 с.
41.Thornton J.A. Influence of apparatus geometry and deposition conditions on the structure and topography // J. Vac. Sc. and Tech. – 1974. – Vol. 11. – P. 666–670.
42.Патон Б.Е., Кишкин С.Т., Строганов Г.Б. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита их от окисления. – Киев: Нау-
кова думка, 1987. – 256 с.
43.Chopra K.L., Kandlett M.R. Influence of deposition parameters on the coalescence stage of growth of metal films// J. Applied Physic. – 1968. – Vol. 39, № 3. – P. 1874–1881.
44.Эйзнер Б.А. Научные основы технологических процессов нанесения многокомпонентных покрытий различного функционального назначения вакуумным электродуговым методом: дис. … д-ра техн. наук / Белорус. гос. ун-т. – Минск, 1993. – 463 с.
45.Палатник Л.С., Фукс М.Я., Косевич В.М. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок. – М.: Наука, 1972. – 320 с.
46.Kadlec S., Jindřich Musil, Jiři Vyskoĉil. Growth and properties of hard coatings prepared by physical vapor deposion methods // J. Surf. and Coat. Tech. – 1992. – Vol. 54/55. – Р. 287–296.
47.Derniaux Eric. Etude de structures NiCoCrAlY/Al2O3/TiOx/Pt/ AlN déposées par pulvérisation cathodique sur superalliage base Ni pour capteurs de pression haute temperature: Doctorat de l'Universite. – BasseNormandie: Universite de Caen, 2007. – 228 p.
48.Марченко И.Г., Неклюдов И.М. Особенности начальной стадии формирования структуры тонких пленках меди в первой темпе-
81
ратурной зоне // Вестник Харьковского университета. – 2006. –
№732. – С. 67–72.
49.Фортуна С.В. Микроструктура покрытий на основе ннтрида титана, полученных вакуумными методами: дис. … канд. техн. наук / Том. гос. арх.-стр. ун-т. – Томск, 2006. – 231 с.
50.Панькин Н.А. Влияние условий конденсации ионно-плаз- менного потока на структуру и свойства покрытий нитрида титана: дис. … канд. техн. наук / Морд. гос. ун-т им. Н.П. Огарёва. – Са-
ранск, 2008. – 118 с.
51.Тер-Арутюнов Б.Г. Исследование влияния физико-химиче- ских свойств вакуумных ионно-плазменных покрытий на повышение износостойкости конструкционных материалов энергетического оборудования: дис. … канд. техн. наук / Моск. энергет. ин-т (технический университет). – М., 2008. – 187 с.
52.Microstructure modification of TiN by ion bombardment during reactive sputter deposition / I. Petrov, L. Hultman, U. Helmersson, J.E. Sundgren, J.E. Greene // J. Thin solid films. – 1989. – Vol. 169, № 2. – Р. 299–314.
53.Thornton J. High-rate thick-film growth // Annu. Rev. Mater. Sci. – 1977. – Vol. 7. – Р. 239–260.
54.Thompson C.V., Carel R. Grain growth and texture evolution in thin films // Grain Growth in Polycrystalline Materials II: Materials Science Forum. – 1996. – Vol. 204. – Р. 83–91.
55.Thompson C.V. Structure evolution during processing of polycrystalline films // Annu. Rev. Mater. Sci. – 2000. – Vol. 30. – Р. 159–190.
56.Messier R., Giri A.P., Roy R.A. Revised structure zone model for thin film physical structure // J. Vac. Sci. Technol. – 1984. – Vol. A2. – Р. 500–503.
57.Holieck H. Material electrical for hard castings // J. Vac. Sci. Technol. – 1986. – Vol. A4. – Р. 2661–2669.
58.Lu B., Laughlin D.E. Microstructure of longitudinal media // The Physics of Ultrahigh-Density Magnetic Recording. Ser. Springer Series in Surface Sciences. – Berlin, Germany: Springer-Verlag, 1998. – Vol. 41.
82
59. Kaufman H.R., Harper J.M.E. Ion-Assist Applications of Broad-Beam Ion Sources // Proceedings of SPIE. – 2004. – Vol. 5527. – Р. 50–68.
60. Raymond O. Elaboration par pulvérisation cathodique et caractérisation des propriétés physicochimiques de couches de nitrure d'aluminium piézo-électriques: application à la mesure à haute température de fluctuations de pression: Thèse de doctorat. – Nantes, France: Université de Nantes, 2000.
61.Hultman L., Sundgren J.E. Handbook of deposition technologies for films and coatings / еd. by R.F. Bunshah. – New Jersey: Noyes Publications, 2001. – P. 108.
62.Mattox D.M. Handbook of deposition technologies for films and coatings / еd. by R.F. Bunshah. – New Jersey: Noyes Publications, 1998.
63.Anders A. A structure zone diagram including plasma-based deposition and ion etching // Thin Solid Films. – 2010. – Vol. 518. – Р. 4087–4090.
64.Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии / Н.А. Азаренков, В.М. Береснев, А.Д. Погребняк, Л.В. Маликов, П.В. Турбин; Харьк. нац. ун-т им. В.Н. Каразина. – Харьков, 2009. – 209 с.
65.Кирюханцев-Корнеев Ф.В. Разработка твердых износостойких наноструктурных покрытий в системах Ti-Si-N, Ti-B-N, Cr-B-N, Ti-Cr-B-N: дис. … канд. техн. наук / МИСиС. – М., 2004. – 170 с.
66.Анциферов В.Н., Каменева А.Л. Структурообразование (наноструктурирование) пленок ионно-плазменными методами (обзор) // Высокие технологии в промышленности России: материалы XIV междунар. науч.-техн. конф. (Москва, 11–13 сент. 2008) / ОАО ЦНИТИ «Техномаш». – М., 2008. – С. 448–453.
67.Wang L. Investigation of the mechanical behavior of freestanding polycrystalline gold films deposited by evaporation and sputtering methods: Doctoral dissertation. – Auburn, Alabama, Auburn University, 2007. – 195 p.
68.Alejandro B. Rodriguez-Navarro. Model of texture development in polycrystalline films growing on amorphous substrates with different topographies // Thin Solid Films. – 2001. – Vol. 389. – Р. 288–295.
83
69.Белянин А.Ф. Выращивание плазменными методами пленок алмаза и родственных материалов (алмазоподобных, нитрида алюминия, оксида цинка) и применение многослойных структур на основе этих пленок в микро- и акустоэлектронике: дис. … д-ра техн. наук / ОАО ЦНИТИ «Техномаш». – М., 2002. – 328 с.
70.A Microstructural Zone Model for the Morphology of Sol-Gel Coatings / T. Schuler, T. Krajewski, I. Grobelsek, M.A. Aegerter // J. of Sol-Gel Science and Technology. – 2004. – Vol. 31, № 1–3. – Р. 235–239.
71.Infortuna A., Harvey A.S., Gauckler L. Microstructures of CGO and YSZ Thin Films by Pulsed Laser Deposition // Adv. Funct. Mater. – 2008. – Vol. 18. – Р. 127–135.
72.Harvey A.S., Gauckler L. Microstructures of CGO and YSZ Thin Films by Pulsed Laser Deposition // Adv. Funct. Mater. – 2008. – Vol. 18. – Р. 127–135.
73.Messier R., Yehoda J.E. Geometry of Thin-Film Morphology // J. Appl. Phys. – 1985. – Vol. 58. – Р. 3739–3746.
74.Yehoda J.E., Messier R. Quantitative Analysis of Thin Film Morphology Evolution // SPIE Optical Thin Films 11: New Developments. – 1986. – Vol. 678. – Р. 32.
75.Yehoda J.E., Messier R. Are Thin Film Physical Structures Fractals? // Appl. of Surf. Sci. – 1985. – Vol. 22–23. – Р. 590–595.
76.Messier R. Toward Quantification of Thin Film Morphology // J.Vac. Sсi. Technol. – 1986. – Vol. A4. – Р. 490–495.
77.Grovenor C.R.M., Hentzell H.T.G., Smith D.A. The development of grain structure during growth of metallic films // Acta Metallogr. – 1984. – Vol. 32. – Р. 773–781.
78.Microstructure in Tungsten Sputtered Thin Films / A.M. Haghi- ri-Gosnet, F.R. Lodan, C. Mayeux, H. Larnois // J. Vac. Sci. Technol. – 1989. – Vol. A7. – Р. 2663–2669.
79.Hentzell H.T.G., Anderson B., Karlsson S.E. Grain size and growth of Ni-Rich Ni-Al alloy films // Acta Metall. – 1983. – Vol. 31. – Р. 2103–2111.
84
80.Barna P.B. The evaluation of the technology for depositing NiCr resistive films // Proc. 9th Int. Vacuum Cong. Eds. de Segovia. – Madrid, 1983. – Р. 379–382.
81.Barna P.B., Radnoczi G., Reicha F.M. Surface growth topography of grain boundaries in Al thin films // Vacuum. – 1988. – Vol. 38. – Р. 527–532.
82.Barna P.B., Adamik M. Fundamental structure forming phenomena of polycrystalline films and the structure zone models // Thin Solid Films. – 1998. – Vol. 317. – P. 27–33.
83.Smith D.A., Small M., Stanis C. Electron microscopy of the grain structure of metal films and lines // Ultramicroscopy. – 1993. – Vol. 51, № 1–4. – Р. 328–338.
84.Drift A.van der Evolutionary Selection, a Principle Governing Growth Orientation in Vapor-Deposited Layers // P. Res. Repts. – 1967. – Vol. 22. – Р. 267–288.
85.Nieuwenhuizen J.M., Haanstra H.B. Microfractography of thin films // P. Tech. Rev. – 1966. – Vol. 27. – P. 87–91.
86.Морфологически зависимый акустический резонанс в тонких пленках: лазерная генерация акустических колебаний / Н.В. Чернега, М.И. Самойлович, А.Г. Кудрявцева, А.Ф. Белянин, П.В. Пащенко, Н.Н. Дзбановский // Высокие технологии в промышленности России: материалы XVI междунар. науч.-техн. конф. (Москва, 9–11 сент. 2009) / ОАО ЦНИТИ «Техномаш». – М., 2009. – С. 376–382.
87.Adamik M., Barna P.B., Tomov L., Biro D. Problems of structure evolution in polycrystalline films: correlation between grain morphology and texture formation mechanisms // Pkys. Stat. Sol. (A). – 1994. – Vol. 145. – P. 275–281.
88.Adamik M., Barna P.B. Role of underlayers in the development of evolutionary texture in polycrystalline thin films // J. Surf. and Coat. Tech. – 1996. – Vol. 80, № 1–2. – Р. 109–112.
89.Preparation of thin AlOx (0 ≤ x ≤ 1,5) films on gold and polycarbonate characterized by XPS, EPMA, AFM and TEM / A. Csanady, Y. Pitton, H.J. Mathieu, K. Kessler, R. Fuchs, M. Textor // J. Surf. interface Anal. – 1994. – Vol. 21. – Р. 546–552.
85
90.Thornton J.A. The microstructure of sputter-deposited coatings // J. Vac. Sci. Technol. A. – 1974. – Vol. 4. – Р. 3059–3065.
91.Schneider J.M., Sproul W.D., Matthews A. Magnetron sputtering Reactive ionized magnetron sputtering of crystalline alumina coatings // Surf. Coat. Technol. – 1998. – Vol. 98. – P. 1473–1476.
92.Multiscale Modeling of Thin-Film Deposition: Applications to Si Device Processing / F.H. Baumann, D.L. Chopp, T. Diaz de la Rubiа, G.Н. Gilmer, J.E. Greene, H. Kodambaka, S. Huang, O. Sullivan, I. Petrov // MRS Bull. – 2001. – Vol. 26. – Р. 182–188.
93. Lattice Monte Carlo Models of Thin Film Deposition / G.H. Gilmer, H. Huang, T. Diaz de la Rubia, J. Dalla lone, F. Baumann // Thin Solid Films. – 2000. – Vol. 365. – P. 189–200.
94.Белянин А.Ф., Самойлович М.И. Пленки алмаза и алмазоподобных материалов: формирование, строение и применение в электронике / ОАО ЦНИТИ «Техномаш». – М., 2003. – С.19−110.
95.Manova D., Gerlach J.W., Mändl S. Review. Thin film deposition using energetic ions // Materials. – 2010. – Vol. 3, № 8. – P. 4109–4141.
96.Eriksson А. Cathodic arc synthesis of Ti-Si-C-N thin films from ternary cathodes: PhD thesis. – Linköping, Sweden: Linköping University. – 2010. – 47 p.
97.Rauschenbach B., Gerlach J.W. Texture development in titanium nitride films grown by low-energy ion assisted deposition // Cryst. Res. Technol. – 2000. – Vol. 35. – Р. 675–688.
98.Dobrev D. Ion-beam-induced texture formation in vacuum-con- densed thin metal films // Thin Solid Films. – 1982. – Vol. 92. – P. 41–53.
99.Van Wyk G.N., Smith H.J. Crystalline reorientation due to ion bombardment // Nucl. Instrum. Meth. – 1980. – Vol. 170. – P. 433–439.
100.Bradley R.M., Harper J.M.E., Smith D.A. Theory of thin film orientation by ion bombardment during deposition // J. Appl. Phys. – 1986. – Vol. 60. – P. 4160–4164.
101.Bradley R.M., Harper J.M.E., Smith D.A. Theory of thin-film orientation by ion bombardment during deposition // J. Vac. Sci. Technol. A. – 1987. – Vol. 5. – P. 1792–1793.
86
102. Reactive-sputter-deposited TiN films on glass substrates / J. Pelleg, L.Z. Zervin, S. Lingo, N. Croitoru // J. Thin Solid Films. – 1991. – Vol. 197. – Р. 117–128.
103.Oh U.C., Je J.H. Effects of strain energy on the preferred orientation of TiN thin films // J. Appl. Phys. – 1993. – Vol. 74. – P. 1692–1696.
104.High-flux low-energy (≈ 20 eV) N+2 ion irradiation during TiN deposition by reactive magnetron sputtering: Effects on microstructure and preferred orientation / V.H. Zhitomirsky, I. Grimberg, L. Rapoprt, R.L. Hultman, J.E. Sundgren, J.E. Greene, D.B. Bergstrom, I. Petrov // J. Appl. Phys. – 1995. – Vol. 78. – Р. 5395–5403.
105.Overall energy model for preferred growth of TiN films during filtered arc deposition / J.P. Zhao, X. Wang, Z.Y. Chen, S.Q. Yang, T.S. Shi, X.H. Liu // J. Phys. D Appl. Phys. – 1997. – Vol. 30. – Р. 5–12.
106.Combadiere L., Machet J. Reactive magnetron sputtering deposition of TiN films. II. Influence of substrate temperature on the mechanical properties of the films // Surf. Coat. Technol. – 1997. – Vol. 88. – Р. 28–37.
107.Microstructural features of wear-resistant titanium nitride coatings deposited by different methods / S.V. Fortuna, Y.P. Sharkeev, A.J. Perry, J.N. Matossian, I.A. Shulepov // Thin Solid Films. – 2000. – Vol. 377–378. – Р. 512–517.
108. Optical interference coating topical meeting / N. Kaiser,
M.Bischoff, T. Feigl, U. Schulz, О. Stenzel. – Arizona, 2010.
109.Microstructural Evolution in Thin Films of Electronic Materials / C.V. Thompson, C. Ballentine, P.D. Bristowe, J. Melngailis, R.C. O'Handley // RLE Progress Report.– 1992. – Chapter 5, No. 134. – Р. 39–45.
110.Thompson C.V., Tsao J.Y., Srolovitz D.J. Evolution of Thin Film and Surface Microstructure // Materials Research Society Symposium Proceedings. – 1991. – Vol. 202. – Р. 555–560.
111.Чернов А.А. Теория устойчивости гранных форм роста кристаллов // Кристаллография. – М., 1971. – Т. 16. – Вып. 4. –
С. 842–863.
112.Pashley D.W. Epitaxial Growth / ed. by J.W. Matthews. – Academic Press, 1975. – Part A. – Р. 2.
87
113.Pocza J.F., Barna A., Barna P.B. The formation of texture in vac- uum-deposited indium films // Krist. Tech. – 1970. – Vol. 5. – Р. 315–321.
114.Honjo G., Yagi K. Studies of epitaxial qrowth of thin films by in-situ electron microscopy // Current Topics in Materials Science / ed. by E. Kaldis. – 1975. – Vol. 6. – Р. 195.
115.Sürgers C., Strunk C., Löhneysen H.V. Effect of substrate temperature on the microstructure of thin niobium films // Thin Solid Films. – 1994. – Vol. 239. – Р. 51–56.
116.Бобров В.Г., Илбин А.А. Нанесение неорганических покрытий (теория, технология, оборудование): учеб. пособие для студентов вузов. – М.: Интермет Инжиниринг, 2004. – 624 с.
88
Глава 3
ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ СТРУКТУРНЫХ ЗОН ДЛЯ ПЛЕНОК, ФОРМИРУЕМЫХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРЕНИЯ
3.1. Пример построения модели структурных зон [1–11] в зависимости от температуры и продолжительности термической подготовки подложки, температурных условий формирования пленки
В основу структурной модели получения пленок электродуговым испарением положен многофакторный термодинамический подход или зависимость процесса структурообразования пленок от температурных условий подготовки подложки и формирования пленок.
Вкачестве модельной выбрана многокомпонентная пленка на основе Ti-Al-N, которую формировали в температурном интервале, максимальная гомологическая температура которого не превышала 0,22Тпл.
Всвязи с высокой температурой плавления пленки на основе Ti-Al-N (≈4000 К) и снижения температур осаждения пленок до зоны 1 модели Торнтона в связи с эксплуатационной необходимостью в качестве контролирующего параметра использовали не гомологическую тем-
пературу, а продолжительность нагрева подложки (Тнагр.подл), начальную температуру пленки (Тп) и скорость ее нагрева в процессе фор-
мирования (Vнагр.п).
Для установления влияния скорости нагрева подложки и начальной температуры пленки перед ее осаждением увеличивали продолжительность ионной очистки – нагрева подложки путем постепенного увеличения напряжения смещения на подложке до 0,8– 1,0 кэВ. Для повышения скорости нагрева пленки, не изменяя продолжительности ионной очистки, увеличивали окончательную величину напряжения смещения до 280 В. Все эксперименты проводились при постоянной продолжительности процесса осаждения пленки.
Результаты морфологического исследования поверхности пленки [1–11] позволили установить стадии формирования пленки как
89
функции переменных технологических параметров: скорости нагрева подложки Vнагр.подл, температуры нагрева подложки Тнагр.подл, температуры пленки Тп и скорости нагрева пленки Vнагр.п (табл. 3.1):
1. При максимальной скорости нагрева подложки 45 К/мин
вобласти низких температур пленки 620…665 К через 30 мин осаждения пленка находится на глобулярной стадии: образования и объединения изометрических структур – глобул, при протекании которой в пленке полностью отсутствует какая-либо направленность граничных областей в пространстве.
2.Процесс формирования пленки в условиях уменьшения скорости нагрева подложки до 25 К/мин соответствует стадии зарождения и коалесценции/коагуляции зародышей поликристаллической составляющей пленки. На начальных этапах стадии на глобулах зарождаются первичные поликристаллические образования в виде затравочных кристаллитов с гранями {100} (рис. 3.1, а). Покрытие глобул многочисленными мелкими гранями {100}, параллельными поверхности пленки (рис. 3.1, б), неизбежно приводит к проявлению принципа Гросса–Меллера – естественному отбору с последующим ростом кристаллитов (рис. 3.1, в). Дальнейшее протекание стадии, сопровождающееся увеличением температуры пленки с 670 до 715 К,
врезультате коалесценции (коагуляции) кристаллитов конической формы в виде пирамидок с основаниями псевдогексагональной формы способствует их укрупнению с 200 до 770 нм (рис. 3.1, г–е). Данный факт объясняет текстурирование кристаллитов на последующих стадиях формирования пленки.
3.При продолжительном термическом воздействии на подложку с нагревом ее со скоростью 15 К/мин до 900 К и поддержание температуры пленки в интервале 770…815 К происходят: изменение плотности активных центров зародышеобразования, сил межфазного взаимодействия на границе пленка–подложка, ориентационные изменения в пленке и максимальное увеличение объемной доли много-
компонентного нитрида Ti3Al2N2 (рис. 3.2).
Несмотря на то, что относительно высокая энергия двойникования границ в алюминии исключает образование многократно
90