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

• Автор: Панькин, Николай Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Саранск
• Количество страниц: 118 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Глава 1. Покрытия нитрида титана: структура и свойства
1.1. Микроструктура поверхности покрытий нитрида титана
1.2. Фазовый состав и структура покрытий ТПМ
1.3. Преимущественная ориентация роста покрытий нитрида титана
1.4. Остаточные напряжения в покрытиях ТТЫ
1.5. Твердость покрытий нитрида титана
Выводы по главе
Глава 2. Получение и методы исследования поверхностных слоев
2.1. Выбор материала и методика исследования
2.2. Теория рассеяния рентгеновских лучей
2.3. Определение остаточных макронапряжений в тонких плёнках
2.4. Определение параметров субструктуры
2.5. Измерение микротвёрдости тонких плёнок
Глава 3. Влияние условий конденсации ионно-плазменного потока на структуру и свойства покрытий нитрида титана
3.1. Взаимодействие ионов с поверхностью твёрдого тела
3.2. Микроструктура модифицированной поверхности
3.3. Толщина ПИ-покрытий
3.4. Состав и структура модифицированной поверхности
3.4.1. Покрытия, полученные в объеме вакуумной камеры
3.4.2. Покрытия, полученные вблизи катода
3.5. Остаточные напряжения и микротвердость ТПЧ-покрытий
Основные результаты и выводы
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
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 вакуумное пространство реактивных газов (азота, ацетилена, метана 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 карбонит-ридов переходных металлов IVB группы периодической системы элементов Д.И.Менделеева (Ti, Hf и Zr). Среди них 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, можно назвать 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 ТьИ, 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 субмикрокристалличе-ских плёночных систем на основе соединений титана с азотом и выявление закономерностей их формирования, а также исследование атомнокристаллической 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 (метод КИБ) 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.

Рис. 1.25. Зависимость твёрдости и модуля Юнга от содержания азота в покрытии [65]
30 29 -28 27 -26 25 24
Н, ГПа

Скорость напуска азота, см /мин
Рис. 1.26. Зависимость микротвёрдости покрытий нитрида титана от скорости напуска азота в камеру [33]
тие имеет почти одинаковые значения твёрдости, приблизительно равные 20 ГПа. Эта область включает в себя и стехиометрический состав ТТЛ [65]. Кроме того, существенный вклад вносят искажения кристаллической решётки, которые приводят к уменьшению скорости перемещения дислокаций.
Существование различных примесей в вакуумной камере (остаточной атмосферы) также влияют на величину твёрдости [65]. Они вызывают ло-