Содержание к диссертации
Введение
Глава I Высокочастотные разряды пониженного давления и области их применения 15
1.1 Некоторые принципиальные схемы высокочастотных плазмотронов 15
1.2 Высокочастотный разряд и его свойства 19
1.3 Высокочастотные плазмотроны 22
1.4 Экспериментальные исследования параметров индукционного диффузного разряда 24
1.4.1 Стационарный индукционный диффузный разряд 26
1.4.2 Мощность разряда 26
1.4.3 Температуры электронов, ионов и нейтрального газа 27
1.4.4 Концентрация электронов и ионов и проводимость плазмы 27
1.5 Экспериментальные исследования высокочастотных емкостных разрядов 31
1.6 Области применения ВЧ разрядов пониженного давления 35
1.7 Методы получения тонкопленочных покрытий 42
1.7.1 Газотермическое напыление 45
1.7.2 Вакуумные методы нанесения покрытий 49
1.7.3 Ионное осаждение 55
1.8 Задачи диссертации 62
Глава II Характеристики струйных вч плазмотронов пониженного давления в процессах нанесения покрытий 65
2.1 Особенности экспериментального определения характеристик струйных ВЧ плазмотронов пониженного давления 65
2.2 Методика и аппаратура для экспериментальных исследований струйного ВЧ разряда пониженного давления 67
2.3 Электрические параметры струйных ВЧ плазмотронов пониженного давления 95
2.4 Газодинамические параметры ВЧ плазмотронов пониженного давления 116
2.5 Энергетические параметры струйных ВЧ плазмотронов пониженного давления 117
2.6 Характеристики струйных ВЧ плазмотронов пониженного давления, используемых для нанесения покрытий 120
2.7 Физическая модель модификации поверхностей с помощью струи ВЧ плазмы пониженного давления 143
Глава III Математическое моделирование струйной неравновесной вч плазмы пониженного давления в процессах нанесения покрытий 155
3.1 Постановка задачи численного моделирования 155
3.1.1 Постановка задачи 155
3.1.2 Система уравнений 161
3.1.3 Граничные условия 182
3.2 Нелинейная система краевых задач. Алгоритм расчета 191
3.2.1 Совместность и разрешимость нелинейной спектральной задачи 191
3.2.2 Итерационная процедура 193»
3.2.3 Дискретизация задачи 196
3.3 Теоретическое исследование характеристик струйных ВЧ
разрядов пониженного давления в процессах нанесения покрытий 198
Глава IV Экспериментальные исследования плазменной обработки подложек перед нанесением покрытий струйными вч плазмотронами в условиях динамического вакуума 219
4.1 Аппаратура и методика проведения экспериментальных исследований 219
4.2 Плазменная обработка подложек из металлов и их сплавов 232
4.3 Плазменная обработка полупроводниковых подложек 242
4.4 Плазменная обработка диэлектрических подложек 248
4.5 Плазменная обработка тонкопленочных покрытий 255
4.6 Создание переходных слоев на подложке 268
Глава V Экспериментальные исследования характеристик покрытий, получаемых с помощью струйных вч плазмотронов в динамическом вакууме 291
5.1 Аппаратура и методика для экспериментальных исследований процесса нанесения покрытий с помощью струйных
ВЧ плазмотронов пониженного давления 291
5.2 Характеристики покрытий, нанесенных на подложки из металлов и их сплавов 304
5.2.1 Тонкопленочные покрытия 304
5.2.2 Толстопленочные покрытия 331
5.3 Характеристики покрытий, нанесенных на подложки из полупроводниковых материалов 332
5.3.1 Тонкопленочные покрытия 332
5.3.2 Толстопленочные покрытия 343
5.4 Характеристики покрытий, нанесенных на подложки из диэлектрических материалов 344
5.4.1 Тонкопленочные покрытия 344
5.4.2 Толстопленочные покрытия 361
5.5 Характеристики покрытий, нанесенных на тонкопленочные покрытия 362
5.6 Физические особенности нанесения покрытий ВЧ плазмотронами в динамическом вакууме
Глава VI Применение покрытий, полученных с помощью струйных вч плазмотронов в динами ческом вакууме 377
6.1 Типовые изделия, подвергаемые модификации с помощью струйных ВЧ плазмотронов в динамическом вакууме 378
6.2 Технологические процессы подготовки поверхности 384
6.2.1 Процессы очистки с помощью струйного ВЧ плазмотрона пониженного давления 384
6.2.2 Технологические процессы плазменной очистки с удалением рельефного и трещиноватого слоев 398
6.2.3 Технологические процессы создания переходных слоев на поверхности подложки , 401
Образование диффузных переходных слоев 401
Образование переходного слоя обработкой первого нанесенного слоя покрытия ВЧ плазмой, насыщенной кис
лородом 414
6.3 Технологические процессы нанесения покрытий с помощью струйного ВЧИ плазмотрона в динамическом вакууме 418
6.4 Технологический процесс нанесения покрытий с послойной плазменной обработкой- 426
6.5 Технологический процесс нанесения многослойных покрытий без плазменной обработки 431
Общие выводы 439
Приложение 1 442
Библиография 449
- Стационарный индукционный диффузный разряд
- Электрические параметры струйных ВЧ плазмотронов пониженного давления
- Совместность и разрешимость нелинейной спектральной задачи
- Плазменная обработка подложек из металлов и их сплавов
Стационарный индукционный диффузный разряд
Одним из важнейших параметров газовых разрядов является давление в РГС Разряд при низких давлениях (р от 1,33 Па до 1,33-102 Па) является диффузным. В случае предварительной ионизации плазмообразующего газа диффузный разряд горит и при более низких давлениях вплоть до 0,133 Па. При давлениях, близких к атмосферному, разряд становится контрагированным и по существу представляет собой нестационарный дуговой разряд. При средних давлениях (р от 665.. .1330 до (339. . .532) -102 Па) разряд будет иметь переходную форму.
Основы для современных экспериментальных исследований были.заложены Г. И. Бабатом [6] - [8]. Начиная с 1961 - 1963 г.г. в нашей и зарубежной печати появляется много работ, посвященных экспериментальному исследованию индукционных разрядов атмосферного давления как в замкнутых сосудах, так и в потоке газа [9] - [23]. Большой вклад в исследования высокочастотной индукционной плазмы атмосферного давления в потоке газа внесли ученые института металлургии и материаловедения РАН - Рыкалкин Н.Н., Кулагин И.Д., Цветков Ю.В., Сорокин Л.М. и др. [24] - [27]. Этот коллектив продолжает интенсивные исследования индукционных плазмотронов и в настоящее время [28] - [30].
Плазма высокочастотного индукционного разряда при атмосферном давлении нашла широкое практическое применение и в области ее использования постоянно расширяются [31] - [56]. Обширные исследования высокочастотного индукционного разряда в потоке газа при атмосферном давлении проведены Дресвиным С.В., Донским А.В., Клубни- киным В.С. Основные результаты этих авторов приведены в [2].
Разряд при средних давлениях занимает промежуточное положение по своим свойствам между разрядами при пониженном и атмосферном давлениях. Потери электронов из разряда при средних давлениях обусловлены не только их диффузией и рекомбинацией на стенках камеры, но и объемной рекомбинацией. При средних давлениях необходимо учитывать такой механизм теплоотвода, как теплопроводность [17]. .Наиболее полные экспериментальные исследования ВЧИ разряда в этом диапазоне давлений проведены авторами работ [17, 18, 57] - [59].
Впервые вопрос о возможности применения емкостного разряда возник, когда Г. Бабат наблюдал в некоторых режимах горения ВЧ емкостного разряда интенсивное образование оксидов азота [7]. В этом направлении работают ИНХС РАН им. Топчиева, ИТФ СО РАН, ИМП РАН, а также целый ряд зарубежных фирм: “Kolusai - Elektric” (Япония), “International Standart -Corporation” (США), “STEL” (Франция), “Humphreys Corporation” (Англия) и др. [60] - [62].
В настоящее время, в связи с развитием неравновесной плазмохимии и потребностями ряда отраслей промышленности в изделиях, к эксплуатационным характеристикам которых предъявляются повышенные требования (износостойкость и коррозионная стойкость, высокая твердость, однородность микроструктуры поверхности), все большее практическое применение находит плазма ВЧИ и ВЧЕ разрядов пониженного давления. ВЧИ и ВЧЕ разряды, обладая всеми перечисленными преимуществами, имеют ряд специфических свойств, присущих разрядам при пониженных давлениях: существенный отрыв электронной температуры от ионной, повышенная стерильность окружающей среды, возможность получения сверхзвуковых высокотемпературных потоков. Поэтому в последующих параграфах обзора более подробно рассмотрим состояние экспериментальных исследований и практических применений этих разрядов.
Аналогично дуговым плазмотронам ВЧИ плазмотроны можно разделить на одноразрядные и многоразрядные. Одноразрядные плазмотроны имеют одну разрядную камеру. Для многоразрядных плазмотронов характерно наличие нескольких разрядных камер, работающих совместно на один технологический реактор.
При пониженных давлениях наиболее распространенными являются ВЧИ плазмотроны с кварцевыми водоохлаждаемыми разрядными камерами. На рис. 1.2 представлена конструкция плазмотрона, пред- назанченного для обработки поверхностей. Его основными частями являются индуктор 7, разрядная камера 6 и рубашка охлаждения 5. Индуктор, представляет собой катушку, изготовленную из медной трубки внутри которой течет охлаждающая вода. Индуктор закрепляется на специальном кронштейне, который позволяет перемещать его вдоль разрядной камеры. Разрядная камера изготовлена из кварцевой трубки. Один торец разрядной камеры открыт, а другой — профилирован и имеет штуцер для подсоединения шланга, подводящего рабочий газ. Стенки камеры охлаждаются водой. Разрядная камера и рубашка охлаждения представляют собой прозрачную цельносварную конструкцию. Особенностью описанной конструкции является отсутствие металлических частей. Рубашка охлаждения крепится в отверстии плиты 1 вакуумного блока установки. Ее крепление и герметизация осуществляется с помощью прижимных фланцев 2 и 4 уплотнительного кольца 3 из вакуумной резины. Рубашка охлаждения имеет оливки для подвода воды в полость охлаждения и отвода из нее. Оливки расположены у закрытого торца разрядной камеры. Такое расположение дает возможность перемещения индуктора вдоль камеры и уменьшения его диаметра почти до диаметра рубашки. Отбор воды из верхней полости рубашки, а также пузырьков, образующихся во время работы плазмотрона, осуществляется через кварцевые трубки. Для предохранения от вибрации под воздействием пузырьков трубки одним концом привариваются к отводящей оливке, а другим — к стенке рубашки.
Для реализации ВЧЕ разряда применяются плазмотроны различных конструкций: с воздушным зазором между разрядной камерой и электродами; с размещением электродов в охлаждаемой полости разрядной камеры. Разрядные камеры изготовлены с рубашкой охлаждения из кварца, так как этот материал обладает хорошей оптической прозрачностью, достаточно термостоек и механически прочен, а также обладает малыми диэлектрическими потерями. Один конец камеры открыт, а другой профилирован и имеет оливки для соединения с системой питания рабочим газом (СПРГ) и оливки для подачи и слива охлаждающей воды. Конструкции ВЧ плазмотронов пониженного давления представлены на рис. Г.З а, б, в. Эти конструкции разработаны в ЛПИ им. М.И. Калинина.
Особенности конструкций плазмотронов предопределили некоторое различие в подводе электроэнергии в разряд из-за разных межэлектродного промежутка, то есть емкости межэлектродного промежутка С.,. Разные е получаются из-за наличия воздушного зазора либо уплотнительной резины, а также за счет размещения электрода (образца тепловой трубы) непосредственно в разрядной камере. Геометрические размеры ВЧЕ плазмотронов определяют емкость связи Сса — о1//(1п Дэ/с1р), характеризующую связь между электродами и разрядом. Поэтому при выборе размеров плазмотрона необходимо руководствоваться как технологическими соображениями, так и энергетическими, которые часто вступают в противоречие. Выбор длины межэлектродного промежутка обусловлен решаемыми прикладными задачами с учетом емкостной связи электродов с разрядом. В условиях диффузионного разряда и в используемых конструкциях плазмотрона выполняется условие Дэ с1р, что повышает емкость связи.
Электрические параметры струйных ВЧ плазмотронов пониженного давления
Мощность ВЧ генератора (Р) и мощность вакуумной системы. ( Риак.) определяют потребляемую мощность (РП0тР.) плазменных установок пониженного давления. Мощность вакуумной системы определяется в основном мощностью насосов. Изменение потребляемой мощности применяемых насосов незначительно (1,5±0,15 кВт) в случае выхода на режим в течение 10-15 минут, для изменения в исследованных пределах давлений и расходов газа.
Существенно влияние на согласование генератора с нагрузкой оказывает нелинейность плазменной нагрузки ВЧ генераторов. Для экономичности разработанных процессов, т.е. собственно плазменной модификации необходимо, чтобы ВЧ генератор легко регулировался в установленных режимах модификации для повышения его к.п.д.
Величина мощности струи Рстпр. оказывает непосредственное влияние на диапазон температур, до которых может быть нагрет образец, введенный в плазменную струю. На рис. 2.34, б показано поле эффективной температуры Тэфф , полученное при Рр =2,4 кВт, йг = 0,1 г/с. Тэфф равна температуре термопары, введенной в плазму ВЧ индукционного разряда.
При введении образца в плазменную струю эффективная температура по радиусу струи выравнивается и отклонение от осевого значения составляет 20 - 25 %. Следовательно, при воздействии на образен плазменной струи пониженного давления его поверхность находится в практически одинаковых условиях. Анализ экспериментальных данных показал, что в исследованном диапазоне параметров образец в струе плазмы ВЧ разрядов пониженного давления может быть нагрет до температур от нескольких десятков до тысяч градусов по шкале Цельсия. Время установления равновесной температуры образца составляет 3-15 мин. Возрастание температуры образца после помещения его в плазму, а также охлаждения его после выключения плазмотрона происходит по экспоненциальному закону.
Мощность разряда определялась как сумма мощностей: теряемой на боковых стенках разрядной камеры Ррк, выносимой струей плазмы Рстр. И МОЩНОСТИ излучения Ризл. При этом, Рипл. для ВЧИ, ВЧЕ и комбинированного типа разряда при пониженных давлениях составила только 4 - б % от мощности разряда. В процессе напыления материала струей ВЧ плазмы происходит уменьшение мощности разряда при одновременном увеличении доли, приходящейся на мощность излучения.
С увеличением расхода газа Рстр. достигает своего максимального значения при GЕ — 0,08 — 0,085 г/с. При этом максимум Рр несколько смещен в сторону больших расходов. Это связано с газодинамикой разряда и объясняется более интенсивным выносом тепла в этом диапазоне Сг. Оптимальный диапазон Gz при увеличении колебательной мощности смещается также в сторону увеличения. расхода газа. КПД ВЧЕ плазмотрона, определяемое как отношение PcmpjPv, при Сг = 0,1 — 0,12 г/с достигает 50 %.
Исследования показали (рис. 2.35), что мощность разряда приближенно линейно зависит от Рпотр. ПРИ изменении последней от 14 до 18 кВт. Режим плазменной обработки, таким образом, можно регулировать ПО Рпотр. В воздушном разряде при Рпотр. = 14,1 кВт Рр на 12 % меньше, чем в аргоновой плазме. При Рпотр. 15 кВт, мощность разряда в воздушной плазме становится больше, чем в аргоновой. При увеличении частоты электромагнитного поля происходит незначительное уменьшение Рр. что обусловлено повышением доли энергии, идущей на ионизацию. В аргоновой плазме мощность, поступающая от ВЧ генератора, расходуется только на ионизацию. В .воздушной плазме, кроме ионизации, мощность идет и на возбуждение колебательных, уровней молекул газа. Поэтому при малых значениях Рпотр_ в воздушной плазме имеет место Д-форма разряда. При увеличении Рпотр разряд в воздухе переходит в Я-форму.
Исследования показали, что и для емкостного разряда зависимость Р.р от Рпотр. практически линейна (рис. 2.35). Это достигается соответствующей настройкой генератора.
С помощью калориметров проточного типа определялась зависимость плотности теплового потока д,; на изделие от параметров установки. Исследования показали, что минимальные значения д; кз 5 103 Вт/м2 достигаются в струе плазмы при расходах газа менее 0,06 г/с, максимальные наблюдались при измерениях на срезе разрядной камеры. Зависимость д.; от Рр представлена на рис. 2.36. Плотность теплового потока при неизменных значениях Рр возрастает в ряду металлы — полупроводники ;— диэлектрики. При переходе от обработки к напылению дг снижается для всех материалов подложек в среднем на 8-15 %.
Для более подробного аналйза характеристик струйных ВЧ плазмотронов имеющих непосредственное влияние на процесс получения покрытий, рассмотрим результаты спектральных исследований плазмы ВЧ разряда.
Предварительный анализ качественного состава плазмы проводился с целью определения содержания примесной атмосферы в объеме, а также условий излучения атомов и молекул в зависимости от давления и мощности Б разряде.
Установлено, что качественный состав спектров излучения плазмы существенно изменяется по длине потока и зависит от давления газа в камере и подводимой к разряду мощности. Основные данные о составе спектра излучения сведены в табл. 1, 2 приложения 1.
В спектре плазмы присутствует большое количество линий нейтрального и ионизированного аргона, интенсивность и число которых определяется расходом газа, мощностью в разряде и расстоянием от индуктора.
Наблюдаемые линии Аг I соответствует главным образом переходам 5Р — 45 и 65 — 45 с энергией верхних уровней 14,5 - 15 эВ. Для линий Аг II энергии верхних уровней составляют 19 (4 5), 21 (4Р), 24-(55) и даже 26,3 (7 с?) эВ.
Содержание примесей в газе обусловлено только наличием их в составе аргона. Влияние остаточной атмосферы в вакуумном объеме исключалось длительным обезгаживанием системы и плазменной очисткой. Концентрация кислорода, азота, паров воды в техническом аргоне составляет 1%. При давлениях 7 Па зарегистрированы полосы Ог, N 2 в области индуктора. В объеме полосы видны только при р 50 Па и при больших временах воздействия ( 15-20 мин). В то же время не были обнаружены в разряде линии атомов нейтрального и ионизированного азота и кислорода, а также линии двукратно ионизированного аргона.
С увеличением мощности в разряде при постоянном давлении интенсивность линий и полос растет по всей длине струи (рис. 2.37, 2.38), что характерно для газовых разрядов в постоянном и переменном электрическом ноле для любых давлений.
Зависимость 10тн. от расхода газа различна для области возбуждения разряда и последующей части плазменного потока. В зоне индуктора максимальное количество линий и полос, а также их интенсивность, наблюдается при давлениях 1-7 Па.
Совместность и разрешимость нелинейной спектральной задачи
При отсутствии продува газа распределения основных характеристик плазмы практически симметричны относительно центра разряда (рис. 3.7). Небольшая асимметрия наблюдается вблизи концов разрядной камеры, что связано с существенными различиями протекающих здесь процессов. При z — —L в данной модели происходит рекомбинация заряженных части на стенке разрядной камеры, а при г = 0 это явление отсутствует.
При наличии продува распределения характеристик ВЧ плазмы пониженного давления становятся несимметричными. Асимметрия растет при увеличении скорости продува. Когда скорость газа достигает значений 150 м/с, наблюдается заметное смещение максимума пе вниз по потоку. При этом наблюдается максимальное увеличение концентрации электронов в струе. Последующее увеличение скорости приводит к уменьшению пе в струе, в связи с преобладанием процесса конвективного переноса заряженных частиц над процессом их рождения. При этом также происходит рассогласование нагрузки ВЧ генератора с плазмой, что приводит к значительному увеличению потребляемой разрядом мощности. Когда скорость потока увеличивается до 450 - 500 м/с,, в математической модели происходит потеря устойчивости, что интерпретируется как срыв разряда.
Осевая составляющая уг вектора скорости газа резко возрастает в области плазменного сгустка и уменьшается при выходе из разрядной камеры (рис. 3.14). Причиной роста скорости в области плазменного сгустка является увеличение температуры газа. Вследствие интенсивного охлаждения стенок разрядной камеры, после прохождения плазменного сгустка, температура тяжелых частиц уменьшается, и поток замедляется. В области рабочей камеры причиной дальнейшего замедления потока является его резкое расширение и связанное с этим охлаждение.
У поверхности твердого тела, соприкасающегося с плазмой, происходит также разделение зарядов. Если это тело — диэлектрик или изолированный от внешних цепей проводник, то, в силу большей подвижности электронов, на нем накапливается избыточный отрицательный заряд. Тело при этом принимает плавающий потенциал, хсоторый ниже потенциала плазмы на величину те ль но вектора напряженности электрического поля Е в разряде. При этом \и0\ распределится в соответствии с пространственным изменением потенциала плазмы и Те.
Разделение зарядов в плазме около поверхностей электродов подробно изучено в условиях тлеющего разряда постоянного тока. Особенность ВЧ разряда состоит в пульсирующем характере его приэлектрод- ных (рассматривая при этом обрабатываемое тело как дополнительный “пассивный” электрод) скачков потенциала, амплитуда которых зависит от подведенной мощности, площади электрода, коэффициента вторичной электродной эмиссии для ионной бомбардировки.
С увеличением приэлектродного скачка потенциала возрастает ток ионов на электрод, увеличивается толщина приэлектродного слоя положительного заряда. Ток электронов из плазмы, тормозящихся в при- электродном слое, практически равен нулю. После прохождения максимального значения потенциала исл,тах потенциальный барьер опускается ниже 1/( _. При этом ионный ток уменьшается, а электронный нарастает. Оба тока выравниваются по величине при а при дальнейшем уменьшении Vсл электронный ток резко нарастает до уровня максимума ионного тока на другом электроде. Ток вторичных электронов при максимуме ионного тока увеличивает суммарную величину тока разряда и усиливает процессы ионизации на границе. квазинейтральной зоны разряда.
В плазме ВЧ разряда направление вектора Е меняется на противоположное с рабочей частотой. В результате скачок потенциала между плазмой и телом пульсирует, а нелинейное электрическое сопротивление слоя положительного заряда приводит к выпрямлению ВЧ флуктуаций потенциального барьера и увеличению эффективного ВЧ плавающего потенциала до величины
Данное выражение может быть использовано для оценок как квазиплавающего потенциала крупного электроизолированного тела в ВЧ плазме, так и для величины скачка потенциала на слое положительного заряда около поверхностей электродов разряда.
Численные оценки толщины приэлектродного слоя объемного заряда, необходимые в инженерной практике для выяснения ожидаемого характера технологического процесса на поверхности изделия, можно выполнить с помощью формулы Чайлда-Ленгмюра, выведенной для постоянного тока заряженных частиц, двигающихся в слое без столкновений:
где и — скачок потенциала на слое; у; — плотность ионного тока на поверхность изделия. Выражение (3.82) в случае ВЧЕ разряда, характеризует некоторую постоянную составляющую толщины пульсирующего приэлектродного барьера.
Численные оценки проводили на примере размещения образцов в плазме ВЧ разряда, генерируемого на частоте /- = 1,76 МГц. Для Е 10 В/см и До Ю В постоянный скачок потенциала равен 15 В. Таким образом, суммарная энергия Ир положительных ионов, поступающих на поверхность пластин, равна 1Т;-= 25 эВ. Учитывая приближенный характер оценок, можно считать, что энергия ионов находится в. диапазоне 10 - 30 эВ. В такой ситуации наблюдается интенсификация взаимодействия плазмы с поверхностью обрабатываемого изделия.
На рис. 3.8 - 3.13 приведены графики сечений распределений основных параметров плазмы ВЧИ разряда в процессе напьшения и в процессе обработки изделий. Для удобства сравнения все графики даны относительно значений этих параметров плазмы в процессе обработки. Расчеты проводились при фиксированной мощности.
Из рис. 3.8 видно, что при введении в плазменный сгусток стержня из напыляемого материала пе уменьшается по всему объему плазмы. Связано это с тем, что часть энергии, вводимой в разряд, затрачивается на распыление и разложение молекул SiO 2 Качественное поведение распределения пс по объему разрядной камеры сохраняется.
Электронная температура в процессе напыления выше, чем в. процессе ВЧ плазменной обработки (рис. 3.9). Это обусловлено тем, что при фиксированной мощности разряда и уменьшении п,, меньшая доля энергии передается тяжелым частицам, (слагаемое вида к5испе(Те—Т.) в уравнении электронной теплопроводности), в связи с чем электроны “перегреваются”.
Напряженности магнитного поля и электрического поля в процессе напыления также выше, чем в процессе обработки (рис. ЗЛО, 3.11), при этом качественное поведение графиков сохраняется. Это связано с тем, что при фиксированной мощности разряда для его поддержания необходим подвод большей энергии для компенсации затрат и на процессы диссоциации молекул напыляемого вещества.
Плазменная обработка подложек из металлов и их сплавов
Оптические постоянные пористой пленки, поры которой заполнены парами воды, определяются из спектрофотометрических измерений в результате численного решения системы уравнений (5.5). Количество сорбированного пара или влагосодержание д, а следовательно, и пористость пленок, вычисляется из соотношения (5.12).
Средняя скорость роста пленки определялась как отношение толщины покрытия к продолжительности его напыления. Емкость и тангенс угла диэлектрических потерь ТПК измерялась на приборе Е7-4.
Эксплуатационные характеристики покрытий (тепловая и климатическая стойкость, механическая и лучевая прочность,и т.д.) в значительной мере определяются свойственными им остаточными напряжениями. Общее напряжение пленки описывается выражением: где от — температурная составляющая напряжения, ос — структурная составляющая напряжения.
Термические напряжения в пленках возникают из-за различия линейных коэффициентов теплового расширения пленки апл и подложки ап, когда температура подложки при конденсации покрытия и в процессе измерения различны. Вклад температурной составляющей от в общее напряжение пленки определяется выражением [510]: где,Епл и ипл — модуль Юнга и коэффициент Пуассона пленки; АТ = Т\ — Т2; Т\ —- температура подложки во время нанесения пленки, Т2 — температура подложки с пленкой во время измерения напряжения.
Модуль Юнга и коэффициент Пуассона массивного образца и пленки одного и того же материала не совпадают. Отклонение от плоскостности (прогиб) ПОДЛОЖКИ С пленкой Ш? ПОД действием Ох определяется выражением [511]: где Еп и ип — модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала подложки; кпл — геометрическая толщина пленки; кп — толщина подложки. Изготовив две идентичные пленки на подложках из различного материала, будем иметь две величины прогиба аду и д 2т- Разрешая систему двух уравнений (5.15) относительно и н2х, получаем выражения:
Значения внутренних напряжений в пленках определялись интерферометрическим методом по прогибу круглых полированных пластин из стекла К8 диаметром 45 - 50 мм и толщиной l - 1,5 мм. Измерения проводились на интерферометре ИКП-100. Общее напряжение определялось согласно выражению [511] где ип — прогиб подложки с пленкой.
Отклонение от плоскостности (прогиб) шп определялось с точностью не менее 0,1 полосы. Длина зондирующего излучения составляла Л = 0,6328 мкм (Не - N0 лазер). Отклонение поверхности подложек рассчитывалось по формуле шп = то А/2, где то —7 прогиб подложки в долях полос.
Для контроля стехиометрии и структуры проводились рентгенографические, рентгеноструктурные, ЭПР и электронографические анализы диэлектрических и металлических пленок. Рентгено - и электро- нограммы снимались с пленок, толщиной 1 мкм, на отражение. Рентгеноструктурный анализ проводился при помощи дифрактометров “ДРОН-2“, “ДРОН-УМ-1“, “ДРОН-З“ в нефильтрованном железном и хромовом и отфильтрованном медном излучениях. Электронографические исследования проводились на электронном микроскопе “TESLA BS-500“.
Для анализа химического состава пленкообразующего материала и получаемых пленок использовался многоканальный анализатор эмиссионного спектра. Анализатор состоит из фотоприемногО блока, включающего в себя 16 термостатированных фотодиодных линеек, систему усиления, аналого-цифровой преобразователь и систему передачи данных, интерфейса связи с персональным компьютером и блока питания. Каждая фотодиодная линейка содержит 520 фотодиодов. Спектральный диапазон прибора — 0,23 - 0,34 мкм. Многоканальный анализатор установлен на спектрографе ДФС-458 с дифракционной решеткой 1200 шт/мм.
Дифракция рентгеновских лучей является основным методом фазового анализа твердых тел [512], т.е. диагностики присутствия в объекте тех или иных кристаллических фаз. При этом используется метод порошка, который обычно реализуется на порошковых рентгеновских дифрактометрах общего назначения с геометрией рентгеновского тракта, при которой плоская поверхность образца сама фокусирует дифрагирующий луч на входную щель детектора.
Диагностической характеристикой каждой кристаллической фазы является ее дифракционная картина — совокупность рефлексов с определенными значениями межплоскостных расстояний 7 и относительных интенсивностей I. Условия возникновения острого максимума в интенсивности рассеяного излучения заключаются в следующем: 1) рентгеновские лучи должны испытывать зеркальное отражение от ионов каждой плоскости, 2) лучи, отраженные от соседних плоскостей должны интерферировать. Разность хода двух лучей равна 2(7 БШ#, где в — угол падения. Чтобы лучи интерферировали с усилением, разность хода должна составлять целое число длин волн, что приводит к условию Брэгга [513]: пБ1)\ = 2(1ктв (5.19) где пБр — порядок соответствующего отражения.
Процедура рентгенографического фазового анализа компьютеризирована и основана на прямом сопоставлении с карточками интернациональной базы порошковых дифрактометрических данных базы (базы ЛСРББ), содержащей значения I и 7 эталонных минералов. Они опе- лиругот к единственной исходной дифрактометрической кривой, полученной с разориентированного препарата.
Состав пленок контролировался также по спектрограммам на отражение, полученным на приборе “ХШ-20“. Коэффициент отражения измерялся лабораторным многоходовым рефлектометром.
Нагревом подложки до 350 С и резким ее охлаждением до 50 0С исследовалась реакция пленки на термоудар. Влагостойкость определялась выдержкой образца в камере с относительной влажностью 97 % в течение 48 часов. Испытания на морской туман производились аналогично, но в соответствующей атмосфере.
Пассивирующие свойства оксидного слоя оцениваются по результатам измерения пористости и стойкости пленки к воздействию агрессивных сред (кислоты, щелочи, травители). Плотность пор определяется методом электрографии или путем декорирования поверхности атомами меди с последующей обработкой информации под микроскопом.
Исследование электрических свойств пленок БЮп, ТЮг и АДОз производилось на МДМ - структурах. В качестве нижней обкладки использовались стальные (класс обработки поверхности 12) или си- талловые подложки с предварительно нанесенными металлическими пленками. Верхней обкладкой служил слой N1 - \У - Сг, получаемый методом БМР. Выбор этого материала обусловлен высокой температурной стабильностью электрофизических свойств данного сплава.
Сопротивление изоляции контролируется омметром и из расчета вольт-амперных характеристик. Результаты обоих методов совпадают в пределах 5 %. Вольтамперные характеристики снимаются по традиционной схеме с баластным сопротивлением 60 МОм. Источник напряжения - У 1136, контроль тока - по микроамперметру Ф 116.
