Содержание к диссертации
Стр.
^ 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ И
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ
ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ 14
1.1. Многослойные тонкопленочные покрытия и области их
применения 14
-
Микроэлектроника 14
-
Микроэлектромеханика 17
-
Оптика. 18
0 1.2. Особенности технологий формирования многослойных
нанокомпозитных тонкопленочных покрытий 29
Выводы по первой главе 52
2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ НАНОКОМПОЗИТНЫХ * СТРУКТУР И ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИХ МЕХАНИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ 54
-
Влияние структуры пленки на ее механические свойства 60
-
Влияние границ раздела поверхностей на свойства многослойной пленки 69
ф 2.4. Влияние поверхности пленки на ее свойства 74
Стр.
2.6. Проблемы измерения твердости тонких пленок посредством
микро- и наноиндентирования. 89
Выводы по второй главе . 97
^ 3.2. Промышленная установка вакуумного нанесения
тонких пленок 117
Выводы по третьей главе 133
-
-
-
Осаждение Т1/«-С:Н, Т1/«-С:НШ, Т1/Си, Т\1Си1Т\
пленочных структур на А1 основу. 144
-
-
-
Осаждение А1 и Л пленок на основу
из коррозионно-стойкой стали 148
-
-
-
Осаждение Т1/А1 многослойных структур на основу
из коррозионно-стойкой стали 157
-
-
-
Осаждение Т1 и многослойных №>ЛП нанопленок
ф на А1 основу 164
-
-
-
Осаждение многослойных пленочных структур титан/гидрогенизированный аморфный углерод 167
Выводы по четвертой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Стр. ..174 .176 .178 186
ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
В последнее время во многих областях науки и техники возрос интерес и ^ произошло расширение области применения многослойных покрытий с толщи ной слоев менее 1 мкм. Это обусловлено возможностью значительной модификации или даже принципиального изменения свойств известных материалов, а также новыми возможностями создания материалов и изделий из структурных элементов нанометрового размера.
Варьируя толщиной пленок можно независимо от химического состава управлять свойствами материалов, например, получать диэлектрические или полупроводниковые характеристики у металлов, достигать более высокой прочности и микротвердости, например, меди и алюминия по сравнению с тиф таном или сталью, а используя многокомпонентные, многофазные и многослойные пленки можно формировать нанокомпозитные материалы с очень широким диапазоном функциональных назначений.
Различного рода нанокомпозитные пленочные структуры, обладающие заданными характеристиками, являются основой для дальнейшего развития таких областей как электроника, машиностроение, микросистемная техника, оптика, энергетика, биотехнология и многих других.
Сегодня, многослойные тонкопленочные покрытия используются в каче- стве элементов сверхбольших интегральных микросхем (СБИС), рентгеновских зеркал, устройств с эффектом гигантского магнитного сопротивления (ГМС), микроэлектромеханических систем (МЭМС) - микродвигатели, зубчатые микромеханизмы, микротурбины, микропинцеты и др., кантилеверов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), обрабатывающего инструмента (сверла для печатных плат и керамики, пробойники для перфорации и т.п.). В качестве мате- % риалов таких покрытий используются металлы, например, Т\, №>, А1, Си, Р1,
Аи, а также алмазные и алмазоподобные пленки, нитриды, карбиды, оксиды и силициды металлов.
Одновременно с резким расширением ассортимента используемых материалов произошла переоценка и пересмотр требований к их параметрам, в частности, необходимым условием становится обеспечение совокупности функциональных характеристик использующихся материалов: кристаллохимической и термохимической совместимости, механической, тепловой и электрической стойкости, биосовместимости, низкой механической и термохимической усталости и электрической деградации.
При получении слоев с толщиной нанометрового диапазона возникают принципиальные трудности физического и технологического характера, в том числе связанные с методами исследования материалов и контроля изделий.
Исследованиями многослойных тонкопленочных покрытий занимались Ковалев Л. И. (квантовая электроника), Одиноков В. В. (микроэлектроника), Марахтанов М. И. (теплозащитные покрытия), Лучинин В. В. (микросистемная техника) и другие ученые. Однако в их работах не акцентировалось внимание на упрочняющие свойства наноразмерных многослойных покрытий, от которых зависит работоспособность СБИС, МЭМС, СЗМ, а также обрабатывающего инструмента для изделий электронной техники.
На сегодняшний день в области получения многослойных тонкопленочных покрытий с улучшенными механическими свойствами остаются открытыми вопросы выбора материала, толщины и количества слоев, формирования заданной структуры пленок, подготовки поверхности подложки перед осаждением покрытия и т.д.
Таким образом, возникла необходимость в создании научных основ выбора методов и режимов формирования упрочняющих наноразмерных многослойных тонкопленочных покрытий и измерения их характеристик для выявления взаимосвязей между структурными параметрами тонких пленок (размером наночастиц, включений, дефектов, толщины слоев и др.), морфологии границ раздела и свойствами нанокомпозитного материала в целом, а также для определения граничных условий формирования тонкопленочных структур с необходимыми функциональными характеристиками.
Цель работы
Создание научных основ выбора методов и режимов формирования нано- размерных тонких пленок и многослойных структур с повышенными механическими свойствами и измерения их характеристик.
Для достижения этой цели в работе решались следующие основные задачи: анализ существующих методов и средств нанесения многослойных упрочняющих покрытий; теоретические и экспериментальные исследования методов и режимов нанесения наноразмерных многослойных покрытий в едином вакуумном цикле; теоретические и экспериментальные исследования методов измерения прочностных свойств наноразмерных многослойных тонкопленочных покрытий; разработка многопозиционного вакуумного оборудования для нанесения упрочняющих наноразмерных многослойных покрытий;
Научная новизна
1. Впервые для ряда металлических (А1, Си, Т1, №>) и углеродных алмазо- подобных (а-С:Н) пленок получены количественные характеристики повышения механических свойств (микротвердость) наноразмерных тонких пленок (наноэффект) по сравнению с пленками микрометрового диапазона и массивными материалами.
2. Экспериментально обнаружено, что независимо от метода осаждения с уменьшением толщины пленки проявляется наноэффект повышения микротвердости, однако степень ее повышения от метода осаждения зависит. щ 3. Впервые для таких материалов электронной техники, как Ti и Nb экс периментально установлено, что обеспечить высокую твердость многослойной композиции на основе наноразмерных пленок возможно при объединении в одном многослойном покрытии сверхтонких пленок с толщиной не более 10... 15 нм.
Практическая ценность работы
В результате анализа существующих методов нанесения тонкопленочных покрытий установлено, что для формирования широкого спектра многофункциональных тонкопленочных покрытий наиболее перспективно объединение методов магнетронного распыления, импульсного дугового и ионно- лучевого осаждения в одном технологическом цикле.
Получены технологические режимы и показана практическая возможность одновременного функционирования нескольких источников с принципиально различными методами осаждения тонких пленок, такими как магнетрон- ное распыление и ионно-лучевое осаждение.
В результате исследований установлено, что в многослойных компози- * циях рекомендуется объединять слои и пленки материалов, которые значительно отличаются по механическим характеристикам (твердость), обладают высокой стабильностью свойств и обеспечивают прочную связь (адгезия) между слоями, например, Ti и а-С:Н.
Методы исследования |! В работе использованы теория планирования эксперимента и математи ческой статистики, теоретические модели расчета механических свойств тонких пленок.
Экспериментальная часть работы выполнялась в лабораториях МГТУ им. Н. Э. Баумана, МИСиС и ОАО «Московский завод «СПРИНТ».
Достоверность результатов
Достоверность результатов диссертационных исследований обеспечивается использованием современного аналитического и измерительного оборудование, анализом и учетом возможных источников погрешностей и статистической обработкой результатов измерений.
Вклад автора
Диссертационная работа представляет собой обобщение результатов исследований, полученных автором лично и совместно с сотрудниками МГТУ им. Н. Э. Баумана Бойченко М. К. и Быковым Ю. А., а также с сотрудниками МИСиС Петржик М. И. и Штанским Д. В. и с сотрудниками ОАО «Московский завод «СПРИНТ» Бусловым В. Ю. и Свистуновым С. В.
Научный руководитель Панфилов Ю. В. и научный консультант Булыги- на Е. В. принимали участие в постановке задач, обсуждении полученных результатов и редактировании статей; Бойченко М. К. - в проведении совместных исследований твердости покрытий посредством микроиндентирования; Петржик М. И. - в проведении совместных исследований твердости покрытий посредством наноиндентирования и анализе полученных результатов.
Апробация
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной молодежной научной конференции «XXVII Гага- ринские чтения» (Москва, 2001), на 4-ом Международном симпозиуме «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2001), на 6-ом Всероссийском совещании-семинаре «Инженерно - физические проблемы новой техники» (Москва, 2001), на III Всероссийской научной конференции «Молекулярная физика неравновесных систем» (Иваново, 2001), на УП, VIII, IX Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» (Москва, 2001-2003), на VIII, IX, X научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Москва, 2001-2003), на 14,15-ом Международном симпозиуме «Тонкие пленки в оптике и электронике» (Харьков, 2002-2003), на 8-ой Всероссийской научно- технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, 2002), на NATO-Russia Advanced Research Workshop «Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings» (Moscow, 2003), на XVI Международном симпозиуме «Тонкие пленки в электронике» (Москва, 2004).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в научных журналах, а также в материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 78 наименований и 1 приложения. Работа содержит 186 страниц машинописного текста, в том числе 20 таблиц и 103 рисунка.
В первой главе представлены результаты анализа состояния, тенденций развития и перспективных направлений применения многослойных нанораз- мерных тонкопленочных покрытий, а также особенностей оборудования и технологий их формирования. Показано, что наноструктурные пленки обладают комплексом уникальных характеристик: ультравысокими твердостью и прочностью, высокой упругостью восстановления и вязкостью, повышенной коррозионной стойкостью. В результате анализа существующих методов нанесения тонкопленочных покрытий установлено, что для формирования широкого спек- тра многофункциональных тонкопленочных покрытий наиболее перспективно объединение методов магнетронного распыления, импульсного дугового и ионно-лучевого осаждения в одном технологическом цикле.
Во второй главе представлены физико-химические аспекты формирования многослойных тонкопленочных наноразмерных структур. Теоретически обоснована зависимость прочности многослойных тонкопленочных композиций от энергии связи (адгезии) пластичных и хрупких (упрочняющих) слоев. Показано, что с помощью выбора материала и температуры подложки можно варьировать величину и знак внутренних напряжений в пленках. В результате аналитических исследований установлено, что в многослойных композициях рекомендуется объединять слои и пленки материалов, которые значительно отличаются по механическим характеристикам, обладают высокой стабильностью свойств и обеспечивают прочную связь (адгезия) между слоями. Проведен анализ существующих теоретических моделей расчета твердости. Исследованы проблемы измерения твердости тонких пленок посредством микро- и наноин- дентирования.
Третья глава посвящена разработке технологического оборудования для нанесения многослойных тонких пленок. Разработаны технологические и конструкционные варианты, реализованные на модернизированном и специально созданном многопозиционном оборудовании для нанесения тонких пленок в вакууме. Экспериментально подтверждено, что несколько принципиально различных методов осаждения тонких пленок могут быть успешно объединены в одном технологическом цикле, что позволяет расширить спектр формируемых многофункциональных тонкопленочных покрытий.
В четвертой главе представлены результаты исследований одно- и многослойных наноразмерных пленочных структур, полученных на экспериментальном оборудовании. В результате исследований было подтверждено, что механические свойства материала пленки (в данном случае твердость) сильно зависят от ее размеров. Пленки с нанометровыми толщинами обладают твердостью, которая в несколько раз превышает значение твердости обычных массивных материалов. Исследования показали, что наноэффект проявляется на тонких пленках (0,05...0,15 мкм) независимо от материала пленки и материала основы. Интересным феноменом, обнаруженным впервые, является влияние метода осаждения тонких пленок на характер и величину наноэффекта. Механические свойства пленок (твердость) из одного и того же материала, сформированные на одной и той же основе, но принципиально различными методами осаждения, существенно отличаются друг от друга. Впервые для ряда материалов экспериментально установлено, что сохранить высокую твердость многослойного покрытия на основе наноразмерных пленок возможно при объединении слоев с толщиной не более 10... 15 нм.
В заключении анализируются полученные результаты и приводятся общие выводы по работе.
На защиту выносятся:
Результаты исследований современной технологии тонких пленок, согласно которым наиболее перспективными методами формирования многослойных наноразмерных тонкопленочных покрытий с повышенными механическими свойствами являются магнетронное распыление и ионно-лучевое осаждение, реализуемые в едином вакуумном цикле модернизированного или вновь созданного технологического оборудования.
Результаты исследования взаимосвязей между технологическими факторами формирования тонкопленочных покрытий и их свойствами, согласно которым повышение механических свойств (наноэффект) проявляется на тонких пленках (10... 150 нм) независимо от материала пленки, материала и температуры основы (в пределах 373...623 К).
3. Результаты исследований механических свойств многослойных нано- размерных тонкопленочных покрытий посредством микро- и наноиндентиро- вания, согласно которым создание в пленочных материалах дислокационных барьеров (межфазные поверхности раздела) и регулирование расстояний между ними позволяют управлять прочностью и пластичностью этих покрытий.
Похожие диссертации на Научное и технологическое обеспечение нанесения упрочняющих наноразмерных тонкопленочных покрытий для изделий электронной техники
-
-
-
-
-
-
-
-
-
