РАЗДЕЛ 2
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Описание методов приготовления тонких пленок
Объекты исследования представляли собой образцы металлов, сплавов и соединений
металлов. Условно все образцы разделяются на три группы. В первую группу входят
тонкие пленки Al, Ti, Ni, Hf и W, а также Ti-Al, Ti-N, Ti-Cr-N, Cr-N, W-C и
Ta-Si. Пленки изготовляли методом вакуумного осаждения из пара навесок-мишеней
высокой и сверхвысокой чистоты (99,9…99,99). В качестве подложек использовали
сколы монокристаллов: кремния Si, лейкосапфира a-Al2O3, синтетической слюды
фторфлогопит KMg3[Si3AlO10]F2 (ФФ), а также ситала, стекла и полированные
поверхности поликристаллических стали и меди. Для изготовления пленок
использовали два принципиально разных метода.
2.1.1. Осаждение пленок металлов в условиях близких к равновесным. Пленки Ti,
Al, Ni, Ti-Al толщиной 150…1000 нм были осаждены в оригинальной вакуумной
камере со скоростью w от 0,1 до 2 нмЧс-1. Использовали электронно-лучевой
метод испарения в сверхвысоком Р ~10-5...10-7 Па вакууме. Подложки из ФФ
прогревали до температуры ~673…873 К. В этих условиях формировались
монокристаллические эпитаксиальные пленки. Особенности структуры
монокристаллических пленок a-Ti , конденсированных в сверхвысоком вакууме даны
в работе [156]. Согласно положениям, изложенным в трудах [22, 23, 157, 158],
такие пленки растут в условиях близких к равновесным.
2.1.2. Формирование пленок ионно-плазменными методами. Вторая часть пленок была
получена при давлении Р~10-1...10-3 Па и существенно более высокой скорости
осаждения с использованием различных методов ионно-плазменного распыления.
Эксперименты проводили в промышленных установках "Булат-5","Булат-3Т" и в
оригинальных вакуумных установках. В качестве распыляющего газа использовали
аргон или ксенон, которые очищали от активных примесей. При ионно-плазменнх
методах осаждения поверхность и приповерхностные слои конденсата подвержены
бомбардировке заряженными и нейтральными частицами с энергией превышающей
тепловую [159-164]. Такие условия осаждения обычно считаются отличающимися от
равновесных. Схема установки для изготовления вакуумно-дуговых пленок
представлена на рисунке 2.1, а схема получения магнетронных конденсатов — на
рис.2.2.
Пленки Ti толщиной до 6 мкм наносились вакуумно-дуговым способом на
металлические подложки. Вакуумно-дуговое осаждение производилось из
сепарированного ионного потока при давлении остаточных газов в вакуумной камере
1,3Ч10-3 Па, что на два порядка ниже давления характерного для магнетронного
распыления. Отделение капельной составляющей осуществлялось путем подачи
потенциала смещения на подложку, расположенную в стороне от прямого плазменного
потока. Осаждение производилось при "плавающем" потенциале смещения, равном
-25 В, а так же при -50 В и -70 В. Энергия осаждаемых частиц регулируется
величиной потенциала. Радиационный нагрев подложки не превышал 300°С.
Покрытия на основе систем Ti-N, Cr-N, Ti-Cr-N толщиной 1,5ё10 мкм были получены
на подложках из стали 20 вакуумно-дуговым способом на установке «Булат-3Т».
Метод включает два основных этапа. На первом этапе производилась очистка и
активизация поверхности подложки ионами осаждаемого материала при потенциале
смещения 1000-1400 В. На втором этапе осаждалось покрытие путем распыления
катодов из титана или хрома в среде очищенного азота при давлении 0,3 Па.
Потенциал смещения на подложке и ионный ток составляли 200 В и 1,5 А при
осаждении титана и 150 В 0,8 А при осаждении хрома. Радиационный нагрев
подложки не превышал 773 К.
Рис. 2.1. Схема установки для изготовления вакуумно-дуговых пленок [163]:
1 – водоохлаждаемый катод;
2 – экран; 3 – соленоид стабилизации дуги;
4 – анод;
5 – силовые линии электрического поля;
6 – соленоид холловского ускорителя;
7 – электронный поджиг;
8 - расположение подложки при нанесении титановых пленок;
9 - расположение подложки при нанесении пленок нитридов.
Рис. 2.2. Схема установки для изготовления однослойных и многослойных пленок
методом магнетронного распыления [161]:
1 - вакуумная камера;
2 - магнетронные источники;
3 – мишени;
4 – карусель; 5 – подложка;
6 - вал привода;
7 – двигатель;
8 – заслонки;
9 – нагреватель.
Толщина покрытий регулировалась увеличением времени осаждения от 5 до 15 мин.
Покрытия на основе системы Ti-Cr-N получались при одновременном распылении
мишеней титана и хрома. Однослойные и многослойные вольфрамовые пленки
осаждались методом прямоточного магнетронного распыления. Однослойные пленки W
толщиной 0,3-6 мкм наносились на монокристаллические подложки Al2O3 с
ориентацией плоскостей (101) и Si с ориентацией (111) параллельно поверхности
методом магнетронного распыления. Расстояние между вольфрамовой мишенью и
подложкой составляло 5 см. Давление очищенных рабочих газов аргона (99,99%) и
ксенона (99,95%) изменялось в диапазоне 0,14ё2 Па. Предварительная откачка
камеры осуществлялось до давления ~10-4 Па. Перед нанесением покрытия
поверхность подложек очищали распылением ионами рабочего газа или путем
прогрева до температуры ~473 К галогенной лампой. Температура подложки во время
напыления не превышала 473єК. Скорость осаждения конденсатов рассчитывали
исходя из толщины пленки и времени напыления. Аналогично производили осаждение
пленок TaSi2 толщиной ~1 мкм.
Многослойные периодические композиции (МПК) W/Si с периодами 1ё40 нм осаждали
на подложки из монокристаллического кремния и полированного стекла
(шероховатость поверхности 0,3-0,5 нм) при давлении аргона ~0,35 Па. В качестве
мишеней использовали поликрис