CC BY
19
УДК 538,95
А.Л.Каменева
Пермский государственный технический университет,
Научный центр порошкового материаловедения Пермского государственного технического университета
УСТАНОВЛЕНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ СВЯЗИ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ Т!-ДЬ-М МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРЕНИЯ И ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ НА ПОВЕРХНОСТИ ИСПАРЯЕМЫХ КАТОДОВ
Изучены процессы, протекающие в приповерхностных слоях испаряемого материала титанового и алюминиевого катодов в условиях электродугового испарения. Установлено, что все процессы, участвующие в формировании пленки, неравновесные. Равномерность и постоянство температуры поверхности катода способствует равномерному стравливанию его материала, позволяет управлять и контролировать процесс получения пленок со стабильной структурой и свойствами.
Многочисленными комплексными исследованиями накоплен большой опыт по установлению взаимосвязи состава, структуры и условий осаждения многокомпонентных пленок Т1—А1—N методом электродугового испарения [1-4]. За последние десятилетия исследователи добились значительного повышения надежности изделий с указанными пленками; были выяснены и устранены многие факторы, ухудшающие их эксплуатационные характеристики, однако проблема их стабилизации находится на стадии совершенствования. В определенной степени невоспроизводимость результатов закладывается уже в процессе формирования пленки. Для повышения эффективности технологического процесса и получения пленок с контролируемой структурой и стабильными свойствами существует необходимость в экспериментальном изучении процессов, протекающих не только на поверхности формируемой пленки, но и на поверхности испаряемых катодов. Представляет значительный интерес изучение морфологических особенностей областей испарения катодов для выявления структурных свойств, наследуемых в процессе осаждения пленок.
Целью настоящей работы являлось изучение процессов, протекающих в приповерхностных слоях материала титанового и алюминиевого катодов
в условиях электродугового испарения, и установление их взаимосвязи с процессом формирования пленки на основе Ti-Al-N.
Методика проведения эксперимента. Рельеф поверхности титанового и алюминиевого катодов после процесса испарения электродуговым испарителем при оптимальных технологических условиях исследовали на растровом электронном микроскопе BS 300 с приставкой для микроанализа EDAX Genesis 2000. Использовали различные способы охлаждения катодов: комплексной и оборотной водой для установления влияния температурного состояния поверхности катодов в процессе их испарения. Экспериментально установили, что при охлаждении поверхности катода комплексной водой ее температура на входе (Тохл.вод) соответствовала ~ 291-292 К, на выходе ~ 293294 К; оборотной водой: на входе — 299-300 К, на выходе — 301-302 К.
Результаты эксперимента и обсуждение. Установлено [5], что на процессы, протекающие на поверхности катодов в результате их испарения и пленок в процессе их формирования методом электродугового испарения, оказывают влияние функциональные характеристики материалов катодов ( таблица).
Функциональные характеристики распыляемых материалов [5]
Параметр Al Ti
Пространственная группа Fm3m C6mmc
Параметр элементарной ячейки, нм 0,4040 a-Ti: a = 0,2951, с = 0,4697
Температура плавления, К 933 1944
Коэффициент распыления, атом/ион 1,24 0,33
Показано [6], что при длительной эксплуатации катода происходит ее деформирование и, как следствие, нарушение теплоотвода от отдельных участков, ведущее к локальному плавлению поверхностного слоя области распыления катода, перераспределению концентрации фаз по поверхности катода и значительному отличию состава сформированной пленки от состава катода. Металлические однофазные однокомпонентные катоды со средним размером кристаллитов (областей когерентного рассеяния рентгеновского излучения) 20-100 нм имеют гладкую поверхность области испарения. На изучаемых поверхностях областей испарения однофазных катодов со следами механообработки на исходной поверхности, изготовленных методом ковки и имеющих средний размер кристаллитов несколько миллиметров (рис. 1, а), из-за анизотропии скорости испарения различно кристаллографически ориентированных зерен формируется рельефная поверхность (рис. 1, б). Для катода, изготовленного из легкоплавкого материала А1 с размером зерен до 5 мм, наблюдается различная картина рельефа поверхности различно ориентированных зерен (рис. 1, в).
В условиях охлаждения испаряемого алюминиевого катода комплексной водой (Гохл.вод к 291-292 К) в области испарения образуются локальные области рекристаллизации катода, являющиеся следствием недостаточного охлаждения катода (рис. 2).
Внешняя и внутренняя граница области испарения
Рис. 1. Состояние поверхности алюминиевого катода: до (а) и после (б) технологического процесса осаждения пленки
:• ' ' . ' . * * і „ ' "Г ч ' -к . . ‘ . " .. ‘ V ' >-> • *4 » ч . . ' І и / р.- Л у ■ _ \ ^ 4кУ '■ -і*?
'= '4 мкм -• 4мм мм и
400 нм
4 мкм
Рис. 2. Морфологические особенности области испарения алюминиевого катода с локальными областями рекристаллизации катода (Гохлвод = 291-292 К): а - общий вид; б, в - тонкое строение выделенных фрагментов
Следует отметить, что даже незначительное увеличение поверхности алюминиевого катода при охлаждении его оборотной водой (Гохлвод к 299-300 К)
в процессе электродугового испарения приводит к возникновению в области его испарения термических (часто называемые внешними) напряжений и механических напряжений, вызванных различием в коэффициентах термического расширения материалов пленки и подложки или различными фазами внутри пленки, и, как следствие, протеканию пластической деформации с развитием характерного рельефа (рис. 3, а-в). Шероховатость поверхности катода развивается до фрактальной геометрии (рис. 3, г). Характерные ступеньки разрушения катода свидетельствуют о его хрупком разрушении (рис. 3, д).
Рис. 3. Морфологические особенности области испарения алюминиевого катода в условиях ограниченного охлаждения (Гохлвод к 299-300 К) (а). Тонкое строение выделенных фрагментов (б, г, е). Развитие фрактальной поверхностной структуры
(г, д); излом катода (е)
Установлено, что при испарении титанового катода не образуются столбчатые подструктуры, а происходит равномерное стравливание материала катода с выявлением ямок травления в местах выхода различных дефектов (рис. 4, а, в). В ямках травления образуются первичные неравновесные структуры (рис. 4, г). Шероховатость поверхности области испарения катода развивается до фрактальной геометрии (рис. 4, б). В условиях ограниченного охлаждения (Гохлвод к 291-292 К) в процессе электродугового испарения материал катода находится в напряженном состоянии, вследствие чего при изготовлении тестового образца из области испарения катода обнаружен участок с протяженной сквозной трещиной (рис. 4, д).
г д
Рис. 4. Морфологические особенности области испарения титанового катода (Гохл.вод ~ 291-292 К): а - общий вид; б, в - тонкое строение выделенных фрагментов; г - участок катода с сквозной трещиной
В результате исследования электронно-микроскопических снимков области испарения титанового катода установлено, что при охлаждении его в процессе испарения оборотной водой (Гохлвод к 299-300 К) наблюдается совершенно отличный от предыдущих опытов механизм испарения материала катода (рис. 5). Выявлено, что каплевидные образования в области испарения титанового катода с диаметром менее 2 мкм испаряются, при большем радиусе - служат зародышами трубчатых (рис. 5, б) и стержневых образований (рис. 5, в-ж). Шероховатость поверхности плоских участков титанового ка-
тода после испарения развивается до фрактальной геометрии (рис. 5, з). Аналогичные структуры наблюдались на поверхности сформированной пленки Т1—А1—N в неравновесных условиях электродугового испарения.
ж з е
Рис. 5. Морфологические особенности области испарения титанового катода с каплевидными образованиями (Гохл вод к 299—300 К): а — общий вид; б-з — тонкое строение выделенных фрагментов
Сделаем следующее заключение. Процесс электродугового испарения легкоплавкого алюминиевого катода наиболее чувствителен к температуре охлаждающей воды. Процессы рекристаллизации, протекающие в пленке в процессе осаждения вследствие низкой температуры поверхности подложки или ее высокой скорости нагрева в испаряемом материале алюминиевого катода вызваны недостаточным охлаждением катода. Возникающие термические и механические напряжения в материале алюминиевого катода приводят к пластической деформации или хрупкому разрушению, а термические и ме-
ханические напряжения в материале подложки - к формированию неравновесных стержневых и трубчатых структур пленки. Неравновесные процессы, протекающие на поверхности катода и пленки, вызваны динамикой изменения тепловых условий процессов.
Установлено, что охлаждение в процессе электродугового испарения тугоплавкого титанового катода комплексной водой способствует равномерному стравливанию материала катода. Ограниченное охлаждение поверхности титанового катода приводит к образованию каплевидных и стержневых образований на поверхности катода, а впоследствии - на поверхности пленки, что ухудшает качество ее поверхности. Шероховатость поверхности титанового катода, как и шероховатость пленки Ti-Al-N, развивается до фрактальной геометрии.
Впервые выявлены процессы, оказывающие влияние на формирование пленки. Установлена наследственность процессов, непосредственно участвующих в формировании пленки: на поверхности испаряемых катодов и формируемой пленки.
Впервые установлено, что на повторяемость состава и строения материала катода и пленки оказывает влияние способ охлаждения и постоянство температуры катода. Подструктуры на поверхности пленки Ti-Al-N, сформированной при оптимальных технологических параметрах электродугового испарения, аналогичны структурам, образуемым на поверхности катода. Таким образом, прослеживается наследственность между процессами, участвующими в формировании пленки.
Все процессы, участвующие в формировании пленки, неравновесные, равномерность и постоянство температуры поверхности катода способствует равномерному стравливанию его материала, позволяет контролировать процесс получения пленок со стабильной структурой и свойствами.
Список литературы
1. Mayrhofer P.H., Music D., Schneider J.M. Influence of the Al distribution on the structural properties and phase stabilities of supersaturated Ti1-xAlxN. J. // Appl Phys, submitted for publication.
2. Xia Q., Xia H., Ruoff A. Pressure-induced rocksalt phase of aluminum nitride: a metastable structure at ambient condition // J. Appl. Phys. 1993; 73:8198-200.
3. Skriver H.L. LMTO method: muffin-tin orbital and electronic structures. Springer series in solid state sciences. - Vol. 41. - Berlin: Springer, 1984.
4. Self-organized nanostructures in the Ti-Al-N system / P.H. Mayrhofer [et. al.] // Appl. Phys. Lett. 2003;83 (10):2049-51.
5. Белянин А.Ф., Самойлович М.И. Тонкие пленки алмазоподобных материалов как наноструктурированные системы // Наноматериалы ОАО ЦНИ-ТИ «Техномаш». — М., 2006. — 241 с.
6. Морфологические особенности рельефа на поверхности мишеней при бомбардировке ионами / А.Ф. Белянин // Высокие технологии в промышленности России (материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники): Москва, 9—11 сент. 2004 г. / ОАО ЦНИТИ «Техномаш». — М., 2004. — С. 302—310.
Получено 15.07.2010
