Влияние условий конденсации ионно-плазменного потока на структуру и свойства покрытий нитрида титана, страница 3

Кроме того, вышеуказанный факт связан со сложным движением различных час6.0 h, мкмтиц в магнитном поле,создаваемом катушками5.0катодного узла установки4.0напыления и движущи3.0мися зарядами.Толщина. Толщина2.0пленок нитрида титана,1.0как показали наши исt, c0.0следования,сложным050100150200образом зависит от геоРис. 4.

Зависимость толщины покрытия TiN наметриирасположениясталях 08Х18Н10Т (■) и 12Х18Н10Т (▲) от вре- образцов в объеме вакумени осажденияумной камеры и времениионно-плазменноймодификации. Зависимостьтолщины от времени модификации показана нарис. 4 (данные образцырасполагались на расстоянии 50 см от поверхности титанового катода). При этом она хорошо согласуется с поведением параметров диРис.

5. Зависимость параметров дифракционной фракционнойлиниилинии (220) TiN от времени конденсации(220) нитрида титана(■ – ширина b; ▲ – интенсивность I; ♦ – меж(рис. 5). На зависимостиплоскостное расстояние d)толщины от времени9конденсации можно выделить две области с различными скоростями ростапленок: первая – от 10 до 70 с (vр≈0.39 мкм/мин); вторая от 70 с и выше(vр≈0.23 мкм/мин).Поведение толщины от времени можно объяснить следующим образом: на ранних стадиях ионно-плазменной обработки (ионная бомбардировка ионами аргона и титана больших энергий 0.6-0.7 кэВ) образуется множество различных дефектов. Это способствует, на начальном этапе осаждения(0÷70 с), многочисленному образованию островков – центров зародышеобразования.

В результате формируются покрытия с нано- и субмикрокристаллической структурой, которые обладают довольно развитой поверхностью.Рентгеновские дифракционные линии от таких структур имеют большие значения ширины дифракционного максимума (рис. 5). В дальнейшем, по мереувеличения времени осаждения от 70 до 200 с, происходит постепенное «залечивание» дефектных структур (наблюдается уменьшение ширины дифракционной линии). В результате формируются плёнки с более совершеннойатомно-кристаллической структурой при уменьшении скоростей роста ионно-плазменного потока (возможен переход к послойному росту).Изменение времени модификации поверхности сталей ионноплазменными потоками по схеме I (рис.

1) в интервале (10÷900) с, сопровождается постепенным переходом от преимущественного роста пленок нитридатитана от направления (110) к ориентации (111). При временах конденсациименьших 200 секунд наблюдается присутствие только дифракционного максимума от плоскости (220) ГЦК фазы нитрида титана, что говорит о вероятном изменении механизма роста в процессе осаждения (возможен переход отостровкового к послойному росту).При расчете толщины покрытия, получаемого ионно-плазменным осаждением, для различных схем расположения образцов, нами была построенамодель, в основу которой положены следующие предположения: 1. Распыленные частицы материала катода движутся по прямолинейным траекториямбез взаимодействия с частицами окружающей среды; 2. Они конденсируютсянепосредственно в точке соударения с поверхностью подложки; 3. Числочастиц (распыленных частиц, атомов ионов), покидающих поверхность катода в некотором направлении, подчиняется закону косинуса; 4.

Каждая точкаповерхности катода испускает частицы равновероятно.Величину толщины покрытия нитрида титана h или скорости роста(dh/dτ) на подложке, обусловленную взаимодействием заряженных и атомных частиц с поверхностью твердого тела, в момент времени τ можно найтииз выражения:dhcos ϕ cosψ= (α − S )Ф,dτR2где α, S – коэффициенты конденсации и распыления; Ф – геометрический параметр распылительной системы; φ, ψ – углы распыления и конденсации; R –расстояние от катода (мишени) до подложки.10Результаты теоретических расчетов и экспериментальные данные толщины при различных способах размещения подложки в вакуумной камерепредставлены на рис. 6.1.21.2h/hMAX1.01.00.80.80.60.60.40.40.20.20.0h/hMAX0.02030405060L,70 см-3-2-1012345L,6 см7Схема I (hMAX=6.2 мкм)Схема II (hMAX=9.1 мкм)Рис.

6. Зависимость h/hMAX от расстояния L, при различных схемах размещения образцов в вакуумной камере (■ – экспериментальные данные; сплошнаялиния – теория; hMAX - максимальное экспериментальное значение толщиныпленок)Для ионно-плазменных покрытий нитрида титана, полученных в объеме вакуумной камеры (схема I) и около титанового катода (схема II), расчетотносительной толщины в рамках вышеуказанной модели даёт достаточнохорошее согласие с экспериментальными данными. Учет зависимости коэффициентов распыления и конденсации от угла падения ионов на мишеньприводит к небольшим изменениям в значениях толщины покрытия (менее1%), не превышающих ошибки измерения. В случае рассмотрения схемы II(особенно для области отрицательных значений L) требуется учет влияниямагнитного поля, создаваемого стабилизирующей и фокусирующей катушками катодного узла, на траекторию движения заряженных частиц, эмитируемых с поверхности катода.Фазовый состав.

Проведённые рентгенофазовые исследования покрытий, полученных в объеме вакуумной камеры (схема I) показали, что плёнкисостоят из δ-фазы нитрида титана. Данная фаза представляет собой гранецентрированную кубическую решётку типа NaCl. Присутствие других фаз (кроме линий материала подложки) системы Ti - N и соединений титана с элементами подложки не обнаружено. Не выявлено также зависимости фазовогосостава от времени ионно-плазменной обработки и местоположения образцав вакуумной камере.

Наблюдается лишь изменение соотношений между интегральными характеристиками дифракционных максимумов (интенсивность, полуширина, положение центра масс), соответствующих линиям сразличными индексами Миллера (hkl). Отметим, что по мере удаления образца от катода наблюдается переход преимущественной ориентации роста нитрида титана от (111) к (110) (см. рис. 7). Данная смена направления роста,11TiN (200)возможно, связана c изменением соотношения между поверхностной энергией, энергией деформации и энергией торможения, которое определяется дефектной структурой, раз1.0 ηмером зерна и толщиной0.9пленок.

При этом мини0.8муму энергии деформации соответствует пре0.7имущественная ориента0.6ция (111); минимуму по0.5верхностной энергии –0.4рост в направлении (100).L, см.Ориентация (110) TiN0.320304050607080проявляется в основномпри малых толщинах (доРис. 7. Зависимость отношения интенсивностей величин порядка микроη=I111/(I111+ I220) линий нитрида титана, полуметра), что согласуется сченных по схеме I от местоположения образца в литературными данными.вакуумной камереКонденсат,полученный по схеме II, характеризуется более сложным фазовым составом (рис.

8), чем покрытия,осажденные по схеме I.ПодложкаTi (101)Ti (100)TiN (111)200 имп./сL= 4 смL= 2 смL= 0 смL= -2 см32343638404244462θθ , град48Рис. 8. Участки рентгеновской дифракционной картины от покрытий нитрида титана и титана, полученных при различных расстояниях L (схема II)Во-первых, отмечаются бóльшие значения интегральной интенсивности дифракционной линии (200) TiN, по сравнению с аналогичными линиямиот покрытий, полученными в объеме вакуумной камеры.

Во-вторых, помимолиний нитрида титана на дифракционной картине обнаружено присутствиелиний, соответствующих α-фазе чистого титана (ГПУ решетка). В-третьих,12для ряда образцов, полученных вблизи плоскости катода, кроме линий Ti,TiN и материала подложки, присутствует дополнительный рефлекс с брегговским углом отражения около 2Θ=38.2º. Данный максимум соответствуетинтерметаллическому соединению железо-титан (Fe2Ti).

Его появление, вероятно, обусловлено взаимодействием атомарных и заряженных частиц титана с поверхностью подложки при ионной очистке (потенциал смещенияболее 500 В) и на начальной стадии формирования плёнки.Как показано выше, для покрытий системы титан-азот, полученных ввакуумной камере по схеме I, появление линий, соответствующих α-фазе титана отмечено не было (покрытия были получены при тех же параметрахосаждения). Можно предположить, что присутствие на дифракционной картине линий титана от покрытий, полученных по схеме II, обусловлено наличием частиц капельной фазы и непрореагирующего титана в получаемом покрытии.

Вследствие этого отношение интенсивностей дифракционных картин от титана и нитрида титана может служить количественной оценкой содержания капельной фазы в TiN-покрытии. Среднее содержание капельнойфазы, вычисленное таким образом, составляет от 9 до 35 %, что удовлетворительно согласуется с литературными данными для пленок, полученными ваналогичных условиях.Субструктура. Рентгеновские дифракционные линии TiN-покрытий,полученных при различных способах расположения образцов в вакуумнойкамере, характеризуются большими значениями углового уширения.

Дляконденсации по схеме I методом аппроксимаций показано, что это обусловлено как значительными микродеформациями, так и малостью размеров областей когерентного рассеяния. Результаты расчетов параметров субструктуры в зависимости от расстояния до катода представлены на рис.

9.Уменьшение размеров блоков с увеличением расстояния до катода может быть объяснено изменением плотности ионного тока при ионноплазменном осаждении покрытий нитрида титана.ε , 10-35.090D, нм80704.0603.0502.040301.02030405060L,70см. 80а)2030405060L,70см. 80б)Рис. 9. Зависимость величины микродеформаций (а) кристаллической решётки и размера субзерен (б) нитрида титана от местоположения образцав вакуумной камере (схема I)13Рост микродеформаций в образцах, расположенных на расстояниях от22 до 46 см до катода, возможно, связан с увеличением объемной доли материала покрытия, приходящегося на границы зерен (удельной поверхности).Об этом косвенно свидетельствуют изменения толщины (рис.