исследование зависимости физико-механических свойств ионно

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НИТРИДА ТИТАНА
ОТ РАССТОЯНИЯ "КАТОД-ПОДЛОЖКА"
Н.А. Панькин, Н.А. Смоланов
Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва,
430000, г. Саранск, ул. Большевистская, 68, e-mail: pankin@freemail.mrsu.ru
Study of Physicomechanical Properties of Titanium Nitride Covers
Obtained by Ion-Plasma Sputtering Method
N.A. Pan’kin, N.A. Smolanov
Mordovia State University, Bol’shevitskay str. 68, Saransk, Russia, 430000
Titanium nitride phase composition, micro deformation and temper values have
been studied as a function of distance between cathode and substrate in a process of ionplasma sputtering.
Плёнки нитрида титана нашли широкое распространение в различных областях
современной науки и техники. Их используют в качестве декоративных, защитных и
упрочняющих покрытий на различных подложках – сталях, чугунах, стёклах и т.п. [1,
2]. Эксплуатационные характеристики плёнок определяют атомно-кристаллическая
структура и физико-механические свойства – фазовый состав, текстура, остаточные
напряжения, микротвёрдость, микродеформации и т.д. Они задаются технологическими
параметрами осаждения - давлением реакционного газа, потенциалом смещения, током
дуги, температурой подложки и т.д. [2]. Важным фактором, влияющим на свойства
ионно-плазменных покрытий, является местоположение подложки относительно
катода [3]. Неоднородность плазменного потока в объёме вакуумной камеры,
приводящей к различным условиям формирования покрытий в месте конденсации,
недостаточно полно отражена в известных нам исследованиях и обзорах [4, 5].
Поэтому целью настоящей работы являлось исследование физико-механических
свойств покрытий нитрида титана в зависимости от расстояния «катод-подложка» L
вдоль радиального направления в вакуумной камере.
Рентгенографическое исследование проводили на дифрактометре ДРОН-6 в
медном излучении. Расчёт параметров тонкой кристаллической структуры (ТКС) –
величина микродеформаций ε и размер блоков D, производили в рамках метода
аппроксимаций профиля рентгеновской дифракционной линии. Измерение величины
остаточных напряжений σост осуществляли с помощью метода sin2ψ [6]. Значения
модуля Юнга и коэффициента Пуассона рассчитывали в соответствии с выбранной
дифракционной линией (hkl) при известных упругих постоянных Sij [7, 8]. Структуру
поверхности исследовали на оптическом микроскопе ЕС МЕТАМ-21.
Рентгенографическое исследование фазового состава полученных ионноплазменных покрытий показало, что они состоят из δ-фазы нитрида титана. Участок
рентгенограммы приведён на рис 1. Изменение фазового состава по мере увеличения
расстояния до катода не обнаружено. Выявлен эффект расщепления дифракционной
линии (111) при несимметричной съёмке (ψ=15º) на две дифракционные линии (см. рис.
2). Как было установлено в [9] это, вероятно, связано с различием в напряжённом
состоянии зерен основной текстуры.
288
TiN (222)
FeCr (220)
TiN (311)
FeCr (200)
1000
TiN (220)
TiN (200)
FeCr (110)
10000
FeCr (211)
I,
имп./с
TiN (111)
100000
100
2θ
10
30
40
50
60
70
80
90
100
Рис. 1. Рентгенограмма образца с покрытием нитрида титана
(расстояние до катода 22 см.)
Рис. 2.
300
I,
Дифракционная
I,
280
260 имп./с
линия (111) TiN
имп./
240
(а – симметричная
с
220
съёмка;
200
б – несимметрич180
ная съёмка, ψ=15º)
160
50000
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
35
36
37
2θ 38
140
120
100
35
36
37
2θ
38
б
а
а
б
в
г
Рис. 3. Морфология поверхности образцов с покрытием TiN (а – 22 см от катода; б – 30 см; в –
38 см; г – 72 см)
На рис. 3 представлены фотографии участков поверхности образцов,
расположенных на различных расстояниях от катода. Как видно, в материале покрытия
присутствуют частицы капельной фазы, имеющие сферическую форму с диаметром
около 15 мкм. Отмечено, что по мере удаления от катода размеры капель убывают при
одновременном увеличении их числа. При L>32 см присутствие частиц не обнаружено.
289
Наличие капельной фазы создаёт поля искажений кристаллической решётки,
которые вносят вклад в величину микродеформаций. Увеличение числа капель
сопровождается ростом ε. Результаты расчёта микродеформаций представлены на рис.
4. Как видно, для ионно-плазменных плёнок нитрида титана характерно наличие
высоких микдеформаций ~10-3. Кроме этого определённый вклад в величину ε вносят
избыточное содержание титана и азота в структуре формируемой плёнки. Уменьшение
микродеформаций при расстояниях больших 32 см связано, вероятно, с формированием
структуры близкой к стехиометрическому составу.
2,3
2,1
9,00
ε, 10-3
8,00
1,9
7,00
1,7
6,00
1,5
5,00
1,3
4,00
1,1
3,00
0,9
2,00
0,7
L, см.
0,5
20
24
28
32
36
1,00
L, см.
0,00
20
40
Рис. 4. Зависимость величины микродеформаций
от расстояния до катода.
σ, ГПа
24
28
32
36
40
Рис. 5. Зависимость величины остаточных
напряжений от расстояния «катод-подложка»
Зависимость величины остаточных напряжений в материале покрытия от L
представлена на рис. 5. Для плёнок нитрида титана характерны высокие значения σост –
1-8 ГПа. Значения термических напряжений рассчитанных согласно [9] составляют 760
МПа. Из этого следует, что основной вклад вносят ростовые напряжения, связанные, по
всему, с неравновесностью процесса конденсации. Ход зависимости σост= σост(L) можно
объяснить поведением величины микродеформаций при изменении расстояния до
катода. Увеличение ε приводит к уменьшению подвижности дефектов
кристаллического строения, тем самым, повышая сопротивление внешним нагрузкам и
росту напряжений [10].
ЛИТЕРАТУРА
1. Б.С.Данилин. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких
плёнок, Москва: «Энергоатомиздат», 1989.
2. Mattnews A., Lefkov A.R. //Thin Solid Films. 1985. V. 126. P. 283.
3. Shiao M.-H., Kao S.-A., Shieu F.-S.//Thin Solid Films. 2000. V 375. P. 163.
4. Кустов В.В., Марахтанов М.К. //ФХОМ. 1994. №6. С. 155.
5. Лунёв В.М. //ЖТФ. 1977. Т. 47. С. 1486.
6. Васильев Д.М., Трофимов В.В. //Заводская лаборатория. 1984. № 7. С. 20.
7. Бецофен С.Я., Петров Л.М., Ильин А.А., Банных И.О., Луценко А.Н. //Поверхность.
2004. №1. С. 39.
8. Matsue T., Hanabusa T., Miki Y., Kusaka K., Maitani E. //Thin Solid Films. 1999. V. 343344. P. 257.
9. Бецофен С.Я., Петров Л.М. //Металлы. 1991. № 1. С. 179.
10.
Huang J.-H., Lau K.-W.,. Yu G.-P //Surf. and Coat. Technol. 2005. V. 191. P. 17.
290