ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 10, с. 12-15
УДК 621.793.18
ВЛИЯНИЕ ПОТОКА АЗОТА НА МИКРОТВЕРДОСТЬ И МИКРОСТРУКТУРУ ПОКРЫТИЙ НАНЕСЕННЫХ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ ИМПУЛЬСАМИ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ
© 2015 г. А. С. Мамаев1, *, А. В. Чукин2
Институт электрофизики УрО РАН, 620016 Екатеринбург, Россия 2Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина, 620002 Екатеринбург, Россия
*Е-таИ: alexander.sm@mail.ru Поступила в редакцию 21.01.2015 г.
Нанесены покрытия ТЖ на подложки из нержавеющей стали АК1430 в среде Аг + N с постоянным общим давлением 0.5 Па при переменном потоке азота /(М2) от 0.5 до 10 см3/мин и амплитуде тока магнетронного распылителя 1т = 10, 30 и 100 А. Получены зависимости микротвердости, уровня макронапряжений и скорости роста покрытий от /(М2) и 1т. Обнаружены два максимума микротвердости при /(М2) = 1 и 4 см3/мин и 1т = 30 А. Максимальная микротвердость покрытий достигала 32 ± 5 ГПа при максимальной величине макронапряжений 7 ГПа.
Ключевые слова: магнетронное распыление, ТЫ", микротвердость, макронапряжения, микроструктура. БОТ: 10.7868/80207352815100157
ВВЕДЕНИЕ
Пленки нитрида титана хорошо исследованы и широко применяются в промышленности для упрочнения поверхности изделий [1]. В последние годы интерес исследователей сосредоточен на изучении свойств покрытий UN, получаемых методом магнетронного распыления импульсами высокой мощности (High Power Impulse Magnetron Sputtering, HiPIMS). Особенностью этого метода является высокое отношение потока ионов распыленного материала мишени f к потоку нейтральных атомов fn, осаждаемых на поверхности подложки [2, 3]. Известно, что отношение f/f является одним из ключевых факторов, определяющих свойства осаждаемого покрытия [4]. В работе [5] было показано, что повышение амплитуды тока магнетронного разряда Im от 5 до 30 А приводит к изменению преимущественной ориентации кристаллитов, т.е. вместо ориентации (111) получаем (200), что обусловлено изменением зарядового и массового состава плазмы. При этом микротвердость H покрытий линейно возрастала с ростом тока и достигала 40 ГПа при Im = 30 А. Однако в данной работе была получена зависимость H только от Im при фиксированных значениях скорости потока азота f(N2). Из работ [6, 7] известно, что состав рабочего газа также влияет на структуру растущего покрытия и, соответственно, на его микротвердость. Целью данной работы является определение микротвердости H и изучение микроструктуры покрытий UiN, полученных при различных значениях Im иf(N2).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Схема установки приведена на рис. 1. Камера откачивалась турбомолекулярным насосом до остаточного давления 10-2 Па. Магнетронный распылитель с плоской мишенью диаметром 80 мм работал в режиме распыления импульсами высокой мощности в среде Аг и смеси Аг + N с общим давлением 0.5 Па. Напряжение горения магнетронного разряда Лт составляло 500—600 В при 1т = 10—100 А. Характерные осциллограммы импульсов ит и 1т приведены на рис. 2. Во всех экспериментах при изменении Лт, 1т, длительности т (100—200 мкс) и частоты следования импульсов / (200—800 Гц) средняя мощность разряда поддерживалась постоянной на уровне 800 Вт.
Источник электронов на основе разряда с самонакаливаемым полым катодом, принцип действия и характеристики которого описаны в [8], применялся для генерации плазмы в объеме вакуумной камеры. Пучок электронов низких энергий (50—100 эВ) с сечением диаметром 80 мм и током 10 А формировался в слое пространственного заряда в области сетки плазменного катода. Ионы извлекались из плазмы, генерируемой электронным пучком, и ускорялись в слое катодного падения потенциала у поверхности образцов.
Покрытия были нанесены на подложку из нержавеющей стали А181430 размером 20 х 20 мм в три этапа: ионная очистка поверхности подложки от загрязнений, нанесение титанового подслоя толщиной 100 нм, нанесение покрытия ТЫ. Электрически изолированный держатель образцов, температура которого измерялась с помощью термопары, находился внутри вакуумной ка-
, 5 .6 2
200 т, мкс
Рис. 1. Схема установки для нанесения покрытий: 1 — источник электронов; 2 — магнетронный распылитель; 3 — держатель образцов; 4 — пучок электронов; 5 — плазма; 6 — поток распыленных частиц.
меры на расстоянии 100 мм от сетки источника электронов и мишеней магнетронов. На этапе ионной очистки в течение 10 мин на образец подавалось импульсное (50 кГц) отрицательное напряжение смещения Ub амплитудой 300 В. Затем электронный источник выключался и наносился титановый подслой при Ub = 0 В в течение 3 мин. Покрытие TiN наносилось при скорости потоков азота /(N2) от 0.5 до 10 см3/мин в трех режимах:
1) Im = 10 А, т = 200 мкс, f= 800 Гц; 2) Im = 30 А, т = = 100 мкс, f = 700 Гц; 3) Im = 100 А, т = 100 мкс, f= = 200 Гц. Температура образцов не превышала 200°C. Толщина покрытия составляла 5 ± 1 мкм.
Толщина осажденных покрытий измерялась с помощью прибора Calotest (CSM Instruments, Switzerland). Скорость нанесения покрытий вычислялась из значения измеренной толщины и общего времени нанесения покрытия и была приведена к величине, соответствующей работе маг-нетронного распылителя со средней мощностью разряда 1 кВт. Микротвердость H измеряли на приборе Nanotest 600 (Micromaterials Ltd.) с алмазной пирамидкой Берковича при нагрузке 100 мН. Скорость прикладывания нагрузки выбирали так, чтобы время от начала нагружения до достижения заданного значения составляло 20 с. Время удержания на максимальной нагрузке составляло 5 с. Для анализа кривых нагрузка-деформация использовали метод Оливера и Фарра [9]. Результаты измерений усреднялись минимум по пяти значениям. Фазовый состав и основные структурные характеристики пленок определяли на дифрактометре XRD-7000 Shimadzu (Япония) (Cu^-излучение, графитовый монохроматор)
Рис. 2. Осциллограммы импульсов тока и напряжения магнетронного разряда.
на вторичном пучке. Остаточные напряжения определяли методом наклонной съемки по методике sin2y на дифрактометре X'Pert PRO MPD (PANalytical) (Нидерланды). Коэффициент текстуры определялся из выражения: Thkl = = (1ш/Яш)/[1/иД1ш/Яш)], где 1Ш и Яш — экспериментальная и расчетная интенсивности рефлекса, а n — число рефлексов на дифрактограм-ме. Значения периодов кристаллической решетки были получены методом экстраполяции с учетом влияния инструментальной ошибки на положение линий дифракции в соответствии с аппроксимацией Нельсона—Райли.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Микротвердость и скорость нанесения покрытия TiN зависели от амплитуды тока магнетронного разряда и содержания азота в газовой Ar + N2 смеси (рис. 3). С увеличением f(N2) росло парциальное давление азота в камере. Повышение f(N2) выше 2—3 см3/мин приводило к образованию на поверхности распыляемой титановой мишени магнетрона частиц нитрида титана и, как следствие, к снижению скорости распыления материала мишени. Увеличение Im c 10 до 100 А тоже приводило к снижению максимальной скорости нанесения покрытия V от 6 до 2 мкм/ч соответственно, что обусловлено эффектами разрежения газа и самораспыления поверхности мишени [10, 11]. Плотность ионного тока, поступающего на поверхность подложки, линейно возрастала от 10 до 25 мА/см2 с ростом Im от 10 до 100 А.
Влияние потока азота на микроструктуру покрытий TiN изучалось с помощью рентгенофазо-вого анализа (РФА), результаты которого приведены в таблице. При f(N2) более 1 см3/мин формировался нитрид титана с кубической решеткой типа NaCl. В образцах TiN30-1.5, TiN30-2 и TiN30-3 отсутствует сильная текстура по какой-либо плоскости, размеры кристаллитов примерно
14
МАМАЕВ, ЧУКИН
30 20 10 30
а
Е 20 10 30 20 10
6 4 2
6т В к
4 /ч м/
к
м 2 ^
6 4 2
30
Па20 Г
10
10 8
а
6 Па Г
2468 /(N2), см3/мин
10
2 4 6 8 10 /(N2), см3/мин
Рис. 3. Зависимость микротвердости Н и скорости нанесения покрытия V от скорости потока азота /(N2) при 1т = 10 (1), 30 (2) и 100 А (3).
одинаковые (11—25 нм). Образец Т!К30-4 выделяется сильной текстурой по плоскостям (111) и относительно большой областью когерентного рассеяния (25 нм). В образцах Т1Ш0-6 и Т!Ш0-10 размеры области когерентного рассеяния существенно меньше (9—13 нм), а также присутствует выраженная текстура по плоскостям (200). Особенностью образца Т№0-1 является заметная преимущественная ориентация плоскостей (420) и небольшой размер кристаллитов (8 нм).
Характер зависимости микротвердости покрытий хорошо коррелирует с полученной зависимостью уровня макронапряжений (рис. 4). Поскольку единственной фазой для образцов Т№0-1-'ТШ30-10 является кубическая фаза ТЫ, можно предположить, что изменение величины Н
Рис. 4. Зависимость микротвердости Н и величины остаточных напряжений ст от скорости потока азота /(N2) при 1т = 30 А.
обусловлено образованием текстуры у покрытий ТШ с различным уровнем макронапряжений [7, 12].
Согласно работам [5, 13], повышение 1т приводит к увеличению плотности плазмы магне-тронного разряда, отношения // и концентрации ионов (Т1+, №, Аг+) с одновременным повышением их средней энергии. Отношение Т1+/Т увеличивается с ростом тока магнетронного разряда 1т и при 1т = 30 А достигает 1.5. Дополнительная ионизация газовой фазы применяется в системах напыления конденсацией из газовой фазы для увеличения // и изменения структуры наносимых пленок [11], а также смещения режима работы магнетронных распылителей в область меньших скоростей потоков /(N2), что позволяет повысить скорость нанесения покрытий V. Однако при магнетронном распылении импульсами высокой мощности увеличение 1т также приводит к снижению скорости нанесения покрытия V. При /(N2) = 4 см3/мин с ростом 1т от 10 до 100 А скорость нанесения покрытия Vуменьшается с 4 до 0.5 мкм/ч, а при /(N2) = 1 см3/мин V уменьшается с 6 до 2 мкм/ч.
Наиболее интересным для изучения является режим с 1т = 30 А, поскольку в зависимости Н от
0
0
0
Результаты РФА покрытий ТЖ, нанесенных при 1т = 30 А
Образец 1т, А /(N2), см3/мин Фаза Текстура ОКР, нм а, А
Т1Ш0-0 30 0 а-Т1 (001) 30 -
Т1Ш0-0.5 30 0.5 Т1 + ТШ* + Т!^ (111) 26 4.219
Т1Ш0-1 30 1 ТШ х (420) 8 4.262
Т1Ш0
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.