Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические процессы модифицирования поверхности низ- 9 коэнергетическим ионным облучением перед нанесением тонких пленок. Основные теории и модели
1.1. Процессы модифицирования поверхности ионной бомбардиров - 9
кой и нанесением покрытий. Методы повышения адгезии тонких пленок к подложкам
1.2. Основные физические процессы, происходящие при ионной 34 бомбардировке
1.3. Основные физические модели процессов ионного распыления и 45 имплантации. Методы компьютерного моделирования взаимодействия ион - твердое тело
Выводы к главе 1
Глава 2. Моделирование и экспериментальное исследование зависимостей коэффициента распыления поверхности стали ионами аргона, азота, воздуха, титана и алюминия от энергииионов
2.1. Образование переходного слоя на границе покрытие - подложка 75
2.2. Оценочные расчеты коэффициентов распыления в зависимости 78 от энергии ионов, основанные на основных положениях теории распыления Зигмунда
2.3. Компьютерное моделирование процессов распыления и образо- 86 вания радиационных дефектов в результате ионной бомбардировки
2.4. Зависимость коэффициента распыления поверхности стали 90
Выводы к главе 2
Глава 3. Экспериментальное исследование состава дефектного слоя 95 на поверхности стальной подложки и глубины внедрения ионов титана и алюминия при ионном облучении с помощью Ожеспектроскопии
Выводы к главе 3 102
Глава 4. Моделирование радиационно-стимулированной диффузии, 104 учитывающей влияние колебательных возбуждений атомов, вызванных ионным облучением, на коэффициенты диффузии
Выводы к главе 4
Гдава 5. Экспериментальное исследование износостойкости углеродного покрытия в зависимости от дозы ионного облучения
5.1. Результаты экспериментальных исследований износостойкости углеродного покрытия в зависимости от дозы ионного облучения
5.2. Кинетическая модель изнашивания, учитывающая микромеханику разрушения материалов, термоактивируемые кинетические процессы и процессы образования радиационных дефектов при ионном облучении
122 Выводы к главе 5
125
- Процессы модифицирования поверхности ионной бомбардиров
- Образование переходного слоя на границе покрытие - подложка
- Экспериментальное исследование состава дефектного слоя 95 на поверхности стальной подложки и глубины внедрения ионов титана и алюминия при ионном облучении с помощью Ожеспектроскопии
- Моделирование радиационно-стимулированной диффузии, 104 учитывающей влияние колебательных возбуждений атомов, вызванных ионным облучением, на коэффициенты диффузии
- Результаты экспериментальных исследований износостойкости углеродного покрытия в зависимости от дозы ионного облучения
Введение к работе
Актуальность темы. Технология нанесения тонких пленок в вакууме используется в электронике, в точном машиностроении для повышения срока службы деталей путем модифицирования поверхности, в медицине для повы шения биологической совместимости имплантатов, а также в нанотехнологии. ь Углеродные покрытия, получаемые импульсным вакуумно-дуговым методом наиболее перспективны для применения в этих областях, так как обладают наибольшей твердостью, низким коэффициентом трения и химической инертностью. Однако эффективность применения углеродных покрытий в качестве твердых защитных покрытий в первую очередь определяется адгезионной прочностью их связи с подложкой. Поэтому вопросам повышения прочности адгезионной связи углеродных покрытий с подложкой, на которую они наносятся, посвящено большое количество исследований.
Для обеспечения достаточной прочности адгезии при нанесении углеродного покрытия химических методов очистки поверхности недостаточно, так как твердые пленки обладают высоким уровнем внутренних напряжений сжатия, приводящих к отслаиванию покрытия при достижении определенной толщины. Перспективным методом повышения прочности адгезионной связи покрытий с подложкой является облучение поверхности подложки ионными пучками. Эта операция применятся в технологии электронной промышленности, но как это ни парадоксально, анализ научной литературы показывает, что полного понимания физических процессов, происходящих на подложке и приводящих к повышению адгезионной прочности, пока нет. В частности, в научной литературе нет данных о влиянии дозы ионного облучения, применяемого перед нанесением углеродного покрытия на трибологические характеристики покрытия. Доза или флюенс определяет энергию, приносимую на подложку ионами, которая расходуется на ее нагрев, распыление поверхностного слоя, внедрение ионов в глубину материала, образование радиационных дефектов. Все перечисленные физические эффекты, в конечном итоге, и обуславливают процесс очистки по- верхности перед нанесением покрытия, повышение его адгезионной прочности и, следовательно, износостойкости.
Значительные успехи в понимании явлений, происходящих на поверхности материалов в условиях радиационного воздействия, связаны с теоретическими и экспериментальными исследованиями процессов ионной имплантации полупроводников. Разработаны математические модели и компьютерные программы, позволяющие моделировать процессы образования радиационных дефектов и определять профили залегания легирующего материала в подложке. Однако до сих пор не существует единой теории, объясняющей аномально высокие коэффициенты диффузии ионов при ионной бомбардировке, что требует большого объема экспериментальных исследований при выборе вида ионов, применяемых при облучении, и их энергетических характеристик.
Кроме того, необходимы дополнительные исследования, связанные с влиянием ионного облучения на свойства поверхности (прочностные, триболо-гические, геометрические). Необходимо совершенствование и научное обоснование методов определения адгезионной прочности покрытий и их трибологи-ческих характеристик.
Исходя из вышесказанного, достижение цели поставленной в данном исследовании, возможно при решении ряда взаимосвязанных научных задач теоретического и экспериментального характера, что и определяет актуальность и научную ценность исследований в данном направлении.
Цель работы. Комплексное исследование и анализ физических процессов низкоэнергетического ионного облучения поверхности стали, применяемого перед нанесением углеродного покрытия. Определение дозы ионного облучения, необходимой для повышения его износостойкости.
Научная новизна полученных результатов. 1. Установлено, что ионное распыление (травление) поверхности ускоренными ионами газов и металлов имеет принципиальное отличие, а именно: при распылении поверхности ионами газов преобладает процесс травления поверхности. При распылении ионами металлов необходимо учитывать процесс ионного легирования поверхности ионами металла. Следовательно, с учетом полученных результатов, целесообразно проводить ионное травление поверхности в два этапа:
Травление ионами газов (аргона, азота) для удаления дефектного слоя;
Травление ионами металла с образованием переходного адгезионного слоя. При обратной последовательности существует опасность образования со единений на основе ионов металлов и адсорбированного газа в поверхностных слоях подложки на начальном этапе.
Предложено объяснение полученных экспериментально аномально высоких значений коэффициентов диффузии по сравнению с теоретически рассчитанными на основании положений модели радиационно-стимулированной диффузии, учитывающей влияние колебательных возбуждений атомов, вызванных ионным облучением, на коэффициенты диффузии. Это позволило сделать вывод о том, что при ионной бомбардировке основной вклад вносит радиацион-но-стимулированная диффузия, вызванная генерацией радиационных дефектов, а также квантово-механическими процессами, характеризующимися возникновением состояния микроскопической неравновесности, связанного с отклонением функции распределения атомов по энергии колебаний от термодинамически равновесной при радиационном воздействии.
Получена экспериментальная зависимость износостойкости углеродного покрытия от дозы предварительного ионного облучения. Предложено объяснение полученных экспериментальных результатов на основании кинетической термофлуктуационной теории прочности, основанной на представлениях микромеханики разрушения материалов и математическом аппарате кинетической термофлуктуационной теории прочности, но с учетом процессов образования радиационных дефектов при ионной бомбардировке, влияющих на прочностные свойства подложки.
4. Полученные в работе научные результаты использованы в патенте РФ №2207544 приоритет изобретения - 15 апреля 2002 г. на «Способ определения адгезии пленки к подложке». Практическая ценность работы.
Результаты экспериментальных исследований, полученные в работе, расширяют представления о закономерностях воздействия ионного облучения на свойства поверхности стали, что может быть использовано для совершенствования технологии нанесения тонких углеродных пленок. Полученные в работе данные могут быть использованы для разработки методов повышения и измерения адгезии пленок к подложке и расширения области применения углеродных покрытий.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
Результаты моделирования и экспериментальных исследований зависимости коэффициента распыления поверхности стали ионами аргона, азота, титана и алюминия от энергии ионов..
Результаты экспериментальных исследований с помощью Оже-спектроско-пии состава дефектного слоя на поверхности стальной подложки и глубины внедрения ионов титана и алюминия при ионном облучении.
Результаты расчетов коэффициентов диффузии на основе теории радиаци-онно-стимулированной диффузии, учитывающей влияние колебательных возбуждений атомов, вызванных ионным облучением.
Результаты экспериментальных исследований износостойкости углеродного покрытия в зависимости от дозы ионного облучения. Объяснение полученных экспериментальных результатов на основании кинетической термо-флуктуационной теории прочности, основанной на представлениях микромеханики разрушения материалов и математическом аппарате кинетической термофлуктуационной теории прочности, но с учетом процессов образования радиационных дефектов при ионной бомбардировке.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научно-технических конференциях:
Научно-практическая конференция материаловедческих обществ России по проблеме "Создание материалов с заданными свойствами: методология и моделирование". - М.: МИФИ, 22 - 26 ноября, 2004.
Международная молодежная научная конференция "XXXI Гагаринские чтения". -М.: МАТИ, 5-10 апреля, 2005. XV Петербургские чтения по проблемам прочности. - СПб., 12-14 апреля, 2005. VI Международная научно-практическая конференция "Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении". - Харьков: НЩ ХФТИ, 16-20 мая, 2005. XLIV Международная конференция "Актуальные проблемы прочности". -Вологда: ВоГТУ, 3-7 октября, 2005.
Международная школа-конференция молодых ученых "Физика и химия на-номатериалов". - Томск: Томский государственный университет, 13-16 декабря, 2005.
Международная молодежная научная конференция "XXXII Гагаринские чтения". -М.: МАТИ, 4-8 апреля, 2006.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в четырех статьях, одном патенте на изобретение и восьми тезисах докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Полный объем работы составляет 153 страницы машинописного текста.
Процессы модифицирования поверхности ионной бомбардиров
Алмазоподобные углеродные покрытия (АЛЛ), получаемые импульсным вакуумно-дуговым методом наиболее перспективны для применения во многих областях, так как обладают наибольшей твердостью, низким коэффициентом трения, а также соответствуют основным технологическим требованиям, относящимся к тонким защитным покрытиям. Однако на пути разработки технологии их нанесения неизбежно приходится преодолевать значительные трудности, связанные, в частности, с обеспечением их прочного сцепления с изделием [1].
Понимание процессов, приводящих к повышению адгезионной прочности углеродных покрытий, невозможно без рассмотрения вопросов, связанных с причинами потери адгезионной связи на границе раздела "тонкая пленка - подложка".
Причинами могут быть: 1. Наличие неровностей и шероховатостей на поверхности подложки [2,3].
2. Наличие загрязнений органического и неорганического типа на поверхности подложки [4-8].
3. Несоответствие физико-химических свойств пленки и подложки (коэффициента термического расширения, модуля упругости, химического состава и т.д.) [9,6,10-13].
4. Условия формирования пленки (например, в случае углеродных покрытий -высокие внутренние напряжения) [5,6,14-18].
Таким образом, выбор метода повышения адгезионной прочности тонкой пленки к подложке должен быть основан на анализе свойств пленки и причине потери адгезионной связи на границе раздела пленка-подложка, а также выборе метода ее устранения.
Образование переходного слоя на границе покрытие - подложка
В главе приведены результаты моделирования и экспериментальных исследований зависимости коэффициента распыления поверхности стали ионами аргона, азота, воздуха, титана и алюминия от энергии ионов. Основные положения существующих физических моделей взаимодействия ускоренных ионов с поверхностью твердого тела использованы для оценочных расчетов коэффициентов распыления, глубины залегания имплантированных атомов, а также количества радиационных дефектов с использованием программ компьютерного моделирования, основанных на методе Монте-Карло. Эти данные использованы для выбора диапазона энергий и вида ионов используемых для модифицирования поверхности.
Планируя эксперимент и располагая данными аналитического обзора, мы выбрали ионы газов и металлов, с учетом того, что ионы металлов будут не только производить распыление (травление) поверхности, но и образовывать переходной слой между подложкой и покрытием, способствующий улучшению адгезии.
Экспериментальное исследование состава дефектного слоя 95 на поверхности стальной подложки и глубины внедрения ионов титана и алюминия при ионном облучении с помощью Ожеспектроскопии
В методах электронной спектроскопии информацию о свойствах поверхности получают из анализа распределения электронов по энергии. Для анализа пригодны лишь те электроны, вышедшие из твердого тела, которые не потеряли энергию на своем пути в результате многократных хаотических неупругих столкновений [175-177].
В отличие от других частиц электроны не изменяют состава остаточной атмосферы сверхвысоковакуумных камер, в которых проводятся исследования, легко регистрируются и поддаются счету. Последнее обстоятельство позволяет достаточно просто проводить количественный анализ поверхности, то есть получать, например, данные о концентрациях атомов различных элементов [178].
Среди всех электронно-спектроскопических методик нами была выбрана оже-электронная спектроскопия. Поскольку метод оже-электронной спектроскопии является методом анализа элементного состава тонкой приповерхностной области толщиной 0,5-2,0 нм. Это свойство, а также быстрота получения информации, высокая чувствительность, возможность получения сведений обо всех элементах на поверхности при z 2, о состоянии и количестве этих элементов делают метод ОЭС весьма эффективным методом исследования.
Основными задачами ОЭС являются: количественный химический анализ поверхности твердого тела, качественный химический анализ (химический состав поверхности и приповерхностных слоев), распределение элементов по толщине образца, исследование процессов диффузии примесей из объема к поверхности и миграции их по поверхности, изменение состояния поверхности при электронной и ионной бомбардировке.
Моделирование радиационно-стимулированной диффузии, 104 учитывающей влияние колебательных возбуждений атомов, вызванных ионным облучением, на коэффициенты диффузии
В главе приведена качественная модель радиационно-стимулированной диффузии, учитывающая влияние колебательных возбуждений атомов, вызванных ионным облучением, на коэффициенты диффузии. Эта модель использована для объяснения полученных результатов, связанных с аномальными глубинами залегания атомов при облучении поверхности ионами низких энергий, а также оценочных расчетов коэффициентов диффузии.
Для объяснения полученных результатов, связанных с аномальными глубинами залегания атомов при облучении поверхности ионами низких энергий, воспользуемся основными положениями теории диффузии в твердых телах, изложенными вработах Степанова В.А. [180], КирсановаВБ. [181]иАхиезераИ.А. [182].
В.А. Кирсанов при исследовании атомных механизмов диффузии в качестве основного механизма рассматривал вакансионный механизм, что подтверждается равенством энергии миграции атомов и энергии миграции вакансий (примерно 1 эВ).
Очевидно, что ионная бомбардировка приводит к образованию радиационных дефектов, ускоряющих диффузию. Однако глубина залегания вакансий при энергиях ионов порядка нескольких кэВ не превышает 10 — 20 А. Таким образом, ускорение диффузионных процессов возможно только на такой глубине от поверхности мишени. Используя при расчетах энергии активации диф-фузии для вакансий значения, соответствующие термодинамически равновесным процессам, мы не сможем объяснить явление ускоренной диффузии при ионном облучении.
Результаты экспериментальных исследований износостойкости углеродного покрытия в зависимости от дозы ионного облучения
В главе приведены результаты экспериментальных исследований износостойкости углеродного покрытия в зависимости от дозы ионного облучения, а также предпринята попытка объяснения полученных экспериментальных результатов на основании кинетической термофлуктуационной теории прочности с учетом процессов образования радиационных дефектов при ионной бомбардировке.
