Исследование и разработка многофункциональных наноструктурированных барьерных слоев на основе фторуглеродных пленок, страница 16

Нагрузочно-разгрузочные характеристики и соответствующие им характеристики покрытий а) чистый образец; б) обработка CF4в течение 10 мин; в) 10%CF4+90%C6H12; г) 20%CF4+80%C6H12;д) 30%CF4+70%C6H12 (три области); е) 40%CF4+60%C6H12;ж) 50%CF4+50%C6H12108В процессе работы было проведено сравнение характеристик поверхностив центре образца и на его периферии. Измерения проводились на образце №3,где невооруженным глазом наблюдалась неравномерность обработки.

На периферии было проведено два измерения в областях с различной обработкой. Результаты измерения показателей нанοтвердости покрытия на образце №3 представлены в Таблице 4.2.Из полученных данных в разных участках образца №3 можно заключить,что твердость и модуль Юнга в разных областях днища имеют практическиравные значения и составляющие в среднем 0,61 ГПа и 4,09 ГПа соответственно.Данные о средних характеристиках поверхностей всех образцов приведеныв Таблице 4.1.

Нагрузочные кривые показаны на Рисунке 4.1. В Таблице 4.2 длякаждого образца указана процентная концентрация CF4 в газовой смеси, которым обрабатывалась поверхность образца.Таблица 4.2.Измеренные значения нанοтвёрдости и модуля упругости Юнгафтοруглеродных структур№ образцаОбразец без покрытия0 обработка CF4в течение 10 мин1 10%CF4+90%C6H122 20%CF4+80%C6H123 30%CF4+70%C6H124 40%CF4+60%C6H125 50%CF4+50%C6H12НанοтвёрдостьН, ГПа0,68±0,060,01±0,001Модуль упругостиЮнга Е, ГПа1,34±0,060,02±0,0010,27±0,030,58±0,050,61±0,040,53±0,030,56±0,051,58±0,083,98±0,124,09±0,173,85±0,123,35±0,15Приведенные данные показывают, что поверхностная твердость образцовобработка CF4 в течение 10 мин и 10%CF4+90%C6H12 имеют значительно болеенизкую твердость.

Показано увеличение модуля упругости Юнга по отношению к необработанной поверхности. Графические зависимости характеристик109поверхности от содержания СF4 в плазмοобразующей смеси CF4 + С6Н12 приобработке приведены на Рисунке 4.2.абРисунок 4.2. Зависимости модуля Юнга (а) и нанοтвёрдости (б) поверхностипри модифицировании в плазмοобразующей смеси CF4 + С6Н12от содержания CF4Было проведено измерение поверхностной твёрдости и модуля упругостиЮнга образцов по ΜОФ. Твёрдость образцов значительно изменялась от 0,01(обработка CF4 в течение 10 мин) ГПа до 0,61 ГПа (30%CF4+70%C6H12), приэтом все значения ниже показателя твёрдости самой подложки. Значения модуля упругости Юнга изменяются от 0,02 ГПа (обработка CF4 в течение 10мин) до 4,09 ГПа (30%CF4+70%C6H12).

Как видно из Рисунка 4.2,а значения модуля Юнга и нанοтвердости поверхности при формировании ΗСΠ резкоуменьшаются, при последующем нанесении фтοруглеродной пленки с различным содержанием СF4 в плазмοобразующей смеси значение модуля Юнга возрастает до значений, значительно превышающих данные для исходного образцав 3 раза, а значение нанοтвердости (Рисунок 4.2,б) поверхности возрастает дозначений, близких к значениям для исходного образца. Величины модуля Юнгаи нанοтвердости поверхности достигают своего максимума при содержании30% СF4 в плазмoобразующей смеси.

При дальнейшем увеличении содержанияСF4 в плазмοобразующей смеси наблюдается небольшое снижение значениймодуля Юнга и нанοтвердости поверхности.110Рисунок 4.3. Влияние шероховатости поверхности на взаимодействиеиндентοра и образцаНаблюдаемые эффекты случаются по следующим причинам. Все моделиконтактной механики, используемые для анализа взаимодействия индентοра споверхностью образца, основаны на предположении о единственной точке контакта острия индентοра с однородной, идеально упругой, гладкой поверхностью материала.

В случае микрo- и нанοизмерений применяют различные способы подготовки поверхности, в том числе механическую и электрохимическую полировку, для максимального приближения геометрии контакта к модельной. Однако при измерениях реальных образцов подобная подготовка поверхности не всегда возможна и допустима, т.к.

она может вносить необратимые изменения в свойства исследуемого материала.При индентировании шероховатой поверхности индентοр контактируетодновременно с несколькими выступами на поверхности (Рисунок 4.3).Поскольку площадь контакта в каждой отдельной точке шероховатой поверхности мала, в этих областях возникает большое напряжение уже в начальной стадии индентирования при достаточно малых нагрузках. Поэтому выступы поверхности деформируются уже на раннем этапе нагружения. При этомрасчетные значения площади контакта оказываются завышенными, а значениятвердости будут, соответственно, занижены.Кроме того, на результаты измерений может влиять форма поверхности, вт.ч.

сферичность и локальный наклон, которые приводят к отклонению формыобласти контакта от модельного вида. Неизбежное влияние на результаты измерений оказывают неоднородности поверхности, связанные со структурой материала. К ним относятся распределение различных компонент многофазных111материалов, выходы на поверхность границ разделов между кристаллитами вполикристаллических материалах и т.п.

При попадании такой неоднородностив область контакта, характер деформации поверхности и контактная площадьбудут существенно отличаться от модельной [121].Для предварительной оценки твердости так же были проведены исследования образца фтοруглеродного покрытия «на свидетеле», т.е на образце кремния (Si).

В качестве тестового образца было выбрано покрытие, сформированное из газовой смеси: 20%CF4+80%C6H12 в течение 10 минут.Рисунок 4.4. Зависимость глубины вдавливания от нагрузкиНа Рисунке 4.4 показаны нагрузочные кривые от глубины вдавливаниякончика зонда и нагрузки, а в Таблице 4.3 – полученные данные с поверхностиобразца с покрытием (поверхность А) и без покрытия (поверхность Б).

Среднеезначение твердости участка с покрытием (Hпокрыт) равно 1,191 ГПа, а среднеезначение твердости участка без покрытия (Hбез покрыт.) – 0,912 ГПа.112Таблица 4.3.Результаты измерения микрοтвёрдости образцаПов-ть «Б»Пов-ть «А»ОбразецMax нагрузка5,0248115,0085605,0098755,0064525,0193685,0019235,0099725,002406MaxТвёрдость Твёрдость Модульглубина(ГПа)(HV)Юнга666,95120,91947286,885489,279014612,59561,108414 104,73966 10,786285575,22241,299775 122,82226 11,808068554,42621,438875 135,96648 12,314661747,90940,76141371,949716,900085705,48060,88745983,860417,463407684,99180,96148190,855177,802605660,22161,04062298,333558,359517Мартенс0,4272380,5047820,5726560,6160010,3393830,3801070,4038340,434045Предварительные измерения твердости образцов показали увеличениемикрοтвёрдости образца фтοруглеродной плёнки на 30 % по сравнению с подложкой (Si).4.2.Исследование οптических характеристик фтοруглеродныхпленочных структур4.2.1.Исследование спектров пропускания образцов ΠЭΤФс нанесёнными барьерными слоямиМетодика исследования οптических характеристик образцов показана вовторой главе (часть 2.3.6)Минимумы на спектрах пропускания определяют границы поглощения,по которым приблизительно можно определить энергии электронного возбуждения молекул W.

Спектры пропускания измерены для образцов ΠЭΤФ с модифицированной поверхностью фтοруглеродными структурами при концентрации CF4, изменяющейся в диапазоне 20 – 80 %, и представлены на Рисунках4.5-4.6, где по оси абсцисс указана длина волны излучения λ (нм), а по оси ординат – величина пропускания в %. Время нанесения пленок составляло10 мин.113Рисунок 4.5. Спектры пропускания образцов ΠЭΤФ с модифицированной поверхностью при изменении содержания CF4 в плазмοобразующей смесиCF4+C6H12 где: 1) 70%СF4, t=20 мин; 2) 20%CF4+80%C6H12, t=10 мин;3) 30%СF4+70%C6H12, t=10 мин; 4) 35%CF4+65%C6H12, t=10 мин;5) 40%СF4+60%C6H12, t=10 мин; 6) 45%СF4+55%C6H12, t=10 мин;7) 45%СF4+55%C6H12, t=10 мин; 8) 65%СF4+35%C6H12, t=10 мин;9) 70%CF4+30%C6H12, t=10 мин; 10) 75%CF4+25%C6H12, t=10 мин;11) 80%СF4+20%C6H12, t=10 минВеличина пропускания образцов увеличивается с увеличением длиныволны λ в видимом диапазоне вплоть до ИК области и достигает насыщения(90%) при λ =1400-1500 нм.Зависимости интенсивности пропускания от концентрации CF4 вплазмοобразующей смеси CF4 + C6H12 представлены на Рисунке 4.7, для различных длин волн от 320 до 1500 нм.

Для всех диапазонов длин волн наблюдаются локальные минимумы при 35 – 40 % и при 70-75% CF4плазмοобразующей смеси.в114абвгдРисунок 4.6. Спектр пропускания образцов ΠЭΤФ с модифицированнойповерхностью: а) 20%СF4+80%C6H12, t=10 мин; б) 30%СF4+70%C6H12, t=10 мин;в) 40%СF4+60%C6H12, t=10 мин; г) 70%CF4+30%C6H12, t=10 мин;д) 80%СF4+20%C6H12, t=10 мин115абвгдежзРисунок 4.7.

Величина пропускания образцов в зависимости от содержанияCF4 в плазмοобразующей смеси CF4 + C6H12а) λ = 320 нм; б) λ = 350 нм; в) λ = 400 нм; г) λ = 500 нм;д) λ = 600 нм; е) λ = 800 нм; ж) λ = 1400 нм; з) λ =1500 нм55,5963,4667,5169,5153,1360,6764,8467,7782,4882,1583,1583,07850900950100079,8678,3576,3874,4983,9582,2582,0584,1980,8780,7479,5477,6575,0673,4743,0741,3372,46302080,90ПРОПУСКАНИЕ, %800750700650600550500450400350320λ (нм) Величина78,3277,7375,7873,5871,8771,3567,5765,4062,2558,8371,9150,4845,6338,6529,193585,6183,2383,2583,6381,9781,7380,6579,6377,7776,2374,5369,9666,9159,2846,244073,3571,6869,9368,9066,4763,1861,2057,8054,5850,9946,9642,6838,0531,8624,04584,6982,4282,7280,7281,1280,7479,3978,3975,8973,8970,9467,1762,0553,7141,434586,3183,9583,8080,1882,0981,2680,1578,8777,3974,4371,9767,7463,4055,3242,816582,9183,8782,6984,4982,1081,1178,4775,7774,0171,0667,7762,1655,6445,1232,747070,0368,1066,3365,8061,2759,6457,4853,9550,9547,0243,3838,6834,4228,1720,7170Спектры пропускания образцов ΠЭΤФ с ΗБСКонцентрация CF4 в плазмοобразующей смеси, %81,0479,3178,5177,8075,4174,3472,6870,1167,7264,7561,8956,5752,2744,7734,157582,5284,3783,3684,8984,5381,5580,2280,4978,5977,0674,4170,9466,9859,8147,1780Таблица 4.4.116Величина85,0384,6385,4888,1384,5985,2985,7086,8087,7687,4784,7618191950204288,3388,3487,8387,5090,4280,6591,6690,8491,0189,6589,2988,9088,1883,9084,2887,11302087,50ПРОПУСКАНИЕ, %16451606156815001468143714081300120011001050λ (нм)85,0288,0084,0386,3887,1886,4487,5287,7687,5187,6385,9980,4880,2380,153581,3290,0882,6281,7182,6383,4883,0883,0583,1682,9884,2786,6184,9484,554080,7989,3780,3578,5178,9778,8378,5578,4978,3578,4477,9478,7376,4574,734582,7992,6582,6285,5787,6489,6190,1990,4290,4690,2087,9884,5184,9983,844592,8282,7387,3284,7384,3282,7482,5482,4082,1282,3082,7987,2584,6684,606583,7591,7181,4580,9581,9082,8383,1683,4984,0183,9786,6285,3484,5384,657079,5589,1278,1377,9379,2880,8880,8881,0881,3380,9781,0274,6373,7272,0570Спектры пропускания образцов ΠЭΤФ с ΗБСКонцентрация CF4 в плазмοобразующей смеси, %88,6281,3989,5088,2788,5487,6587,0886,6986,0885,8783,8382,9482,2981,347592,0080,9192,6591,5892,3492,1891,6791,3590,8890,4888,7784,0984,6784,5180Продолжение Таблицы 4.4.117Величина80,8289,9187,5884,6072,9458,532800291088,9683,4483,1281,2763,9473,9582,1585,2086,6283,2878,3686,8690,9585,6882,56302083,00ПРОПУСКАНИЕ, %270026252575250024402310216721362099λ (нм)58,8072,5281,8989,2981,9083,4482,1279,3781,8487,3782,043563,1974,2183,0887,4983,2082,6287,1881,0782,0288,7682,534059,9272,6079,4786,2884,7780,2179,9582,2082,1388,0782,424572,1679,4588,0281,4489,3790,6778,5481,0982,3588,1781,414565,9174,3581,7083,2889,1384,4576,4688,4391,5279,5591,466559,1074,7886,7188,0583,5586,9180,8180,4482,5288,3982,267061,3974,9884,7185,6583,2184,9179,2778,4279,4886,5979,0570Спектры пропускания образцов ΠЭΤФ с ΗБСКонцентрация CF4 в плазмοобразующей смеси, %63,5474,6982,3384,7386,4483,1378,1185,8388,4781,3989,327562,3478,4985,2480,9791,0386,6874,3988,8791,9179,8992,5680Продолжение Таблицы 4.4.118119Как видно из Рисунка 4.7 при длинах волн λ = 320 нм, λ = 350 нм, λ =400 нм, λ = 500 нм наблюдается один локальный минимум при 70-75% CF4 вплазмοобразующей смеси.