РАЗДЕЛ 2
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ФАЗОВОГО СОСТАВА, СТРУКТУРЫ,
СУБСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНДЕНСАТОВ ВОЛЬФРАМА, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ
НЕРАВНОВЕСНЫХ УСЛОВИЯХ ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ
Имея самые высокие среди металлов температуру плавления, твердость, модуль
упругости, вольфрам является наиболее перспективным материалом защитных
износостойких покрытий, диффузионных барьерных слоев, элементов
высокотемпературных деталей двигателей, конструкционного материала внешнего
контактирующего с плазмой покрытия стенок токамаков и др. [48 ? 53].
В отличие от термических методов получения пленок, при которых энергия
конденсирующихся частиц не превышает долей электронвольта, при осаждении из
ионно-плазменных потоков энергия собственных атомов может достигать десятков
электронвольт, а энергия бомбардирующих растущее покрытие атомов аргона – сотен
электронвольт [54]. Как известно [55], средняя пороговая энергия смещения для
металлов составляет 10…50 эВ, причем вольфрам обладает одной из наиболее
высоких энергий смещения 38…42 эВ. В связи с этим следует ожидать, что
определяющими для элементного и фазового состава, структуры конденсированных
пленок будут физико-химические процессы, протекающие в приповерхностной области
под влиянием высокоэнергетических осаждаемых частиц.
Характерной особенностью конденсации из ионно-плазменных потоков является
попадание при осаждении в объем растущего конденсата атомов остаточной и
рабочей атмосферы. При широко используемом ранее для получения вакуумных
конденсатов термическом способе осаждения инертные газы не оказывают влияния на
формирование структуры пленок. Это связано с тем, что в случае термического
способа осаждения из-за малой теплоты физической адсорбции атомы инертных газов
задерживаются в адсорбированном состоянии на фронте осаждения растущей плёнки
слишком мало времени, чтобы оказаться замурованными в его решётке [44]. При
ионном же распылении может происходить замуровывание частиц распыляющего газа в
пленках в результате бомбардировки растущей поверхности конденсата
нейтрализованными ионами распыляющего газа, отраженными от поверхности катода.
По мере повышения давления всё меньше таких атомов достигает подложки с
энергией, достаточной для внедрения в растущий конденсат.
При использовании инертного распыляющего газа отраженные от мишени атомы
инертного газа (при ионном распылении используются Ar, Kr, Xe), внедряясь в
пленку, образуют вакансионно-примесные комплексы, которые при повышении
давления газа служат центрами образования и роста пор. Газы с высокой
химической активностью (O, N, а также CH-группы), попадая в конденсат как
элемент внедрения, приводят к формированию твердого раствора внедрения или
образуют химические соединения с атомами распыляемого материала.
Отмеченные выше процессы не только приводят к значительному расширению области
предельной растворимости примесных атомов в материале конденсата, но могут
стабилизировать в пленке фазовое состояние, не свойственное равновесной
диаграмме состояния.
Поэтому столь актуально изучение закономерностей формирования структурного
состояния ионно-плазменных конденсатов вольфрама, влияния на него
физико-химических факторов, а также поиск путей повышения функциональных
свойств вследствие управления структурой, фазовым составом и напряженным
состоянием при осаждении и постконденсационном изменении при термо-радиационном
воздействии.
2.1. Условия получения конденсатов вольфрама
Для получения конденсатов вольфрама использовались две схемы ионного
распыления: магнетронная и низковольтная триодная. Конденсация покрытий
проводилась как при относительно невысокой температуре (до 500 К), так и при
дополнительном разогреве до 800 К. Давление остаточной атмосферы составляло для
магнетронной схемы распыления 2•10-3 Па, а для триодной схемы ?
(7...8)•10-3 Па.
Используемые для получения конденсатов режимы приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Условия получения конденсатов вольфрама
Рабочий газ
Тип распылительной системы
Давление P, Па
Плотность тока j, мА/см2
Скорость конде-нсации V, нм/с
Ar
Магнетронное распыление
0,23
0,42
16
1,40
0,73
0,25
0,30
16
0,9
2,01
0,35
16
0,95
Триодное распыление
0,47
0,13...0,9
Xe
Магнетронное распыление
0,14
0,50
16
2,0
0,33
0,20
16
1,44
0,90
0,20
16
0,80
Наглядная картина динамики изменения скорости конденсации от рабочего давления
и плотности тока распыления приведена на рис. 2.1. На этом же рисунке для
сравнения представлены соответствующие зависимости, полученные при распылении
мишени карбида вольфрама.
Рис. 2.1. Влияние рабочего давления аргоновой атмосферы при магнетронном
распылении на скорость осаждения конденсатов: 1,3 –W; 2,4 ? WC; а ? плотность
тока на мишень 16 мА/см2; б ? плотность тока на мишень 3…4 мА/см2
Следует отметить, что увеличение скорости конден-сации при наибольшем давле-нии
рабочей атмосферы явля-ется достаточно характерным эффектом при ионном
рас-пылении вольфрама. Основ-ной причиной этого является его сильное окисление
при высоких давлениях распыля-ющей атмосферы. Подобный эффект увеличения
скорости конденсации с увеличением доли кислородных атомов в распыляющей
атмосфере был недавно описан в работе [56] для конденсации
магнетрон-но-распыленого вольфрама в смешанной атмосфере аргона и кислорода.
Таблица 2.2
Значения плотности потока пленкообразующих частиц, полученные при разных
давлениях рабочей атмосферы и изменении плотности тока распылен
- Київ+380960830922