Изучение влияния технологических параметров электродугового испарения на температуру поверхности конденсации, фазовый состав, структуру и свойства пленок на основе ZrN (стр. 2 )

Для уточнения полученных экспериментальных результатов были дополнительно исследованы морфологические особенности пленок с помощью сканирующей зондовой микроскопии (рис. 4, рис. 5, рис. 6).

Таблица 2

Технологические параметры процесса осаждения (Тпр), температура

поверхности конденсации и микротвердость композиции пленка-подложка

(начальная температура поверхности конденсации - 613 К)

Переменный технологический параметр - ток дуги

а) б) в) г) д)

Рис. 2. Микротвердость композиции пленка ZrN-подложка при изменении технологических параметров: а) тока дуги; б) напряжения смещения на подложке; в) расстояния - дистанции подложка – источник плазмы; г) соотношения газов газовой смеси N2/Ar, %: 90/10 = 9; 70/30 = 2,3; 50/50 = 1; 30/70 = 0,43; д) давления газовой смеси

Таблица 3

Положение дифракционных максимумов и фазовый состав пленок ZrN на подложках из Р6М5, расположенных в вертикальной плоскости (Iд = 80 А; Iд = 90 А)

а) б)

Рис. 3. а) Морфологические особенности поверхности пленки ZrN, полученной при Iд=100 А (оптический микроскоп «ЕС МЕТАМ РВ-21»), б) Рентгеновские дифрактограммы (Cu Кa-излучение) пленок ZrN, полученных на подложке из Р6М5:

при Iд = 80 А (толщина пленки 15 мкм); Iд = 90 А (толщина пленки 18 мкм)

(рентгеновский дифрактометр Shimadzu XRD-6000)

а) б) в) г)д) е)

Рис. 4. Морфологические особенности поверхности пленки ZrN, полученной при Iд=90 А: а) образование полос волокнистого строения с направленностью в плоскости, параллельной поверхности подложки, с б) дендритной и в) фрактальной поверхностной структурой; г) нарушение сплошности столбчатой структуры, справа – увеличенный фрагмент; д) образование фрактальной структуры на поверхности пустот (атомно-силовой микроскоп Наноскан) (Подложка расположена в вертикальной плоскости, перпендикулярной потоку пленкообразующих частиц)

Результаты исследований морфологических особенностей пленок показали, что неравновесные условия электродугового испарения и изменение одного из основных параметров данного метода приводят к высокой анизотропии скоростей формирования пленки по различным направлениям и, как следствие, формированию структурно неоднородных пленок:

- для пленок, сформированных при токах дуги 80 и 90 А, проявляется характерная особенность ионно-плазменных процессов - своеобразный "недостаток" материала для заполнения межстолбчатых пустот (рис. 4, д, рис. 5, а).

а) б)

в) г) д)

Рис. 5. Морфологические особенности поверхности пленки ZrN, полученной при: Iд=80 А: а) высокая анизотропия скоростей формирования пленки по различным направлениям, б) объединение нанокристаллитов со столбчатой текстурой в ансамбли и сохранение когерентности границ (наночастиц), образование трубчатых структур на поверхности столбчатой структуры (в) и в промежуточных зонах между участками плотной пленки столбчатого строения (г); д) твердотельное образование в виде конуса. (атомно-силовой микроскоп Наноскан). (Подложка расположена в вертикальной плоскости, перпендикулярной потоку пленкообразующих частиц)

а) б) в)

г) д) е) ж)

Рис. 6. Морфологические особенности поверхности пленки ZrN, полученной при Iд=80 А: а) образование столбчатой (волокнистой) структуры с переменной шероховатостью поверхности; б) объединение ансамблей нанокристаллитов со столбчатой текстурой в макросистемы с некогерентными границами и нарушением сплошности; в) объединение нанокристаллитов в ансамбли c сохранением когерентности границ (наночастиц); г) образование поверхностной пористой фрактальной структуры; образование трубчатых структур на поверхности столбчатой структуры (д) и в промежуточных зонах между участками плотной пленки столбчатого строения (г); ж) образование ансамблей трубчатой структуры, ориентированной под углом к поверхности подложки (сканирующий туннельный микроскоп УМКА) (подложка расположена в горизонтальной плоскости, под углом 2,50 к потоку пленкообразующих частиц)

- на поверхности пленки столбчатого строения при токе дуги 90 А обнаружены полосы волокнистого строения с направленностью в плоскости, параллельной поверхности подложки (рис. 4, а, г). Следует отметить, что поверхность светлых волокон покрыта дендритной структурой (рис. 4, б), шероховатость более темных волокон (а также и поверхность межстолбчатых пустот) - развивается до фрактальной геометрии (рис.4, в, е).

- на большей части поверхности пленки (ток дуги 80 А) прослеживается объединение нанокристаллитов со столбчатой текстурой в ансамбли и сохранение когерентности границ (наночастиц) (рис. 5, б, рис. 6, в), а самих ансамблей - в макросистемы с некогерентными границами и с нарушением сплошности, в конечном итоге (рис. 5, а, рис. 6, б) [4]. На поверхности ансамблей нанокристаллитов также образуются неравновесные структуры в виде трубчатых образований (рис. 5, в, рис. 6, д), либо между последними (рис. 5, г, рис. 6, е). В случае расположения подложки в вертикальной плоскости, перпендикулярной потоку пленкообразующих частиц, и Iд=80 А на поверхности пленки обнаружены единичные твердотельные образования в виде конуса (рис. 5, д).

3.2.1.3. Изучение влияния направленности потока пленкообразующих частиц на фазовый состав, структуру и свойства пленок на основе ZrN

Для установления оптимального положения подложки относительно потока пленкообразующих частиц изучались пленки ZrN на тестовых образцах, расположенных в горизонтальной плоскости, которая составляла 2,50 относительно центральной оси потока пленкообразующих частиц. Технологические параметры процесса осаждения приведены в таблице 2. На рис. 7 представлены рентгеновские дифрактограммы пленок ZrN, в табл.4 приведены положения дифракционных максимумов и фазовый состав пленок ZrN на подложках из Р6М5, расположенных в различных плоскостях (Iд = 80 А).

Рис. 7. а) Рентгеновская дифрактограмма (Cu Кa-излучение) пленки ZrN толщиной

10 мкм, полученной при Iд = 80 А на подложке из Р6М5, расположенной в

горизонтальной плоскости; б) рентгеновские дифрактограммы пленок ZrN,

полученных при Iд = 80 А на подложках из Р6М5, расположенных в

различных плоскостях (рентгеновский дифрактометр Shimadzu XRD-6000)

С уменьшением температуры подложки (см. табл. 2) с 706 до 690 К и изменениием положения подложки относительно потока пленкообразующих частиц путем перемещения подложки из вертикальной плоскости в горизонтальную увеличивается интенсивность отражений (111) ZrN, приведенная к толщине пленки I111/h с 5,6 до 10 отн. ед./мкм, что свидетельствует об изменении механизма формирования пленки. Установлено, что изменение положения подложки относительно потока пленкообразующих частиц вследствие двумерного механизма формирования и большой свободной энергии приводит к образованию пленки ZrN с плотноупакованной структурой, представляющей собой смесь фаз: ZrN с ГЦК решеткой симметрии Fm-3m (225) и параметром решетки а = 4.578 Å и Zr с гексагональной решеткой с симметрией P63/mmc (194) и параметрами а = 3.232 Å и с = 5.147 Å. Образование указанной структуры объясняется тем, что энтальпия обеих фаз мало отличается друг от друга [5].

Таблица 4

Положение дифракционных максимумов и фазовый состав пленок

ZrN на подложках из Р6М5, расположенных в различных плоскостях

Пленка/плос-кость расположения подложки	Р, Па	Фазовый состав	2J / Интенсивность, отн. ед. / I111/h, отн. ед./мкм
(111)	(200)	(220)	(311)	(222)	(400)
ZrN/ вертикальная	1,0	ZrN	33,95/ 100/ 5,6	39,55/ 6,8	56,92/ 0,3	67,70/ 26,2	70,95/ 9,4	-
ZrN/ горизонтальная	1,0	ZrN	33,85/ 100/ 10	39,50/ 47,5	56,77/ 36,9	67,85/ 21,1	71,20/ 9,6	84,64/ 3,2
Zr	(100)	(002)	(101)	(102)	(103)	(004)	(202)
31.85/ 7,0	34.75/ 30,8	36.50/ 18,7	48.00/ 4,0	63.43/ 4,4	73.23/ 4,4	77.55/ 2,9

Уменьшение микротвердости композиции пленка-подложка с 21,6 ГПа до 11,4 ГПа при горизонтальном расположении подложки объясняется не только увеличением дистанции и скорости осаждения, но и наличием фазы Zr с меньшей микротвердостью.