CC BY
35
УДК 537.534.9:621.793
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1038-1041
ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОКРЫТИИ СгАШ, ОСАЖДАЕМОМ ИЗ СМЕШАННОГО ПУЧКА ИОНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОСТОЯННОГО И ИМПУЛЬСНОГО ПОТЕНЦИАЛА
© А.И. Калиниченко, С.С. Перепелкин, В.Е. Стрельницкий
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина,
е-mail: [email protected]
В рамках модели нелокального термоупругого пика низкоэнергетического иона анализируется процесс формирования внутренних напряжений в многокомпонентном покрытии, осаждаемом из смешанного пучка разноза-рядных ионов в режимах постоянного и импульсного потенциалов. Проведен расчет зависимости внутренних напряжений а от потенциала смещения и в покрытии СгАШ, осаждаемом из смешанного потока Сг(50%)А1(50%) ионов при различных режимах и температурах осаждения Т0. Показано, что в режиме импульсного потенциала максимум кривой а(Ц) смещается в сторону больших значений и по сравнению с режимом постоянного потенциала. Повышение Т0 ведет к обратному эффекту. Проведено сравнение теоретических результатов для покрытия СгАШ с экспериментальными данными.
Ключевые слова: плазменно-ионное осаждение покрытий; постоянный и импульсный потенциалы смещения; СгАШ покрытие; внутреннее напряжение; нелокальный термоупругий пик.
Многокомпонентные наноструктурные покрытия на основе нитридов Ti, Cr, Al и др. сочетают в себе улучшенные эксплуатационные характеристики, такие как твердость, износоустойчивость, коррозионная и радиационная стойкость [1]. Нитридные покрытия формируются, в основном, методами вакуумно-дуго-вого и плазменно-ионного осаждения, существенной особенностью которых является возникновение внутренних напряжений, вызывающих разрушение покрытий [2]. Знание величины внутренних напряжений в зависимости от параметров процесса осаждения необходимо для задания оптимального режима и контроля качества покрытий.
C.A. Davis предложил простую модель, согласно которой внутренние напряжения формируются в результате генерации напряжений за счет дефектообразо-вания при имплантации ионов и релаксации напряжений в ходе миграции дефектов в точечных тепловых пиках (ТТП) ионов [2]. Полученная в рамках модели формула дала качественное объяснение наблюдающейся зависимости напряжений от энергии ионов и удовлетворительное количественное согласие с результатами экспериментов. В то же время модель Дэвиса имеет ряд недостатков. Прежде всего, использование в ней формализма ТТП противоречит факту нелокальности передачи энергии от иона веществу мишени. В связи с этим модель принципиально не может объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость возникающих напряжений от температуры осаждения, а ее согласие с экспериментальными данными достигается при величинах энергии активации и, значительно превосходящих известные значения для процессов миграции дефектов. Модель не учитывает зависимость теплоемкости материала покрытия от температуры, разно-зарядность ионов, режим осаждения покрытия.
В [3-5] предложена модификация формулы Дэвиса, основанная на модели нелокального термоупругого пика (НТП) иона - перегретой и перенапряженной области нанометровых размеров, возникающей вокруг траектории иона в материале покрытия в результате термализации упругих потерь иона. Полученная формула позволяет рассчитывать напряжения в покрытиях, осаждаемых из потоков разнозарядных ионов в режимах постоянного и импульсного потенциалов и при различных температурах осаждения.
В настоящей работе проводится расчет внутренних напряжений в покрытии СгАШ, осаждаемом из смешанного пучка ионов в режимах постоянного и импульсного потенциала и их сравнение с экспериментальными данными.
Обобщенная формула для расчета внутренних напряжений в многокомпонентных покрытиях при осаждении из смешанного пучка ионов имеет вид [5]:
(1)
_ AEy__J=i i=i
Z Z xj LftpсJ ((u+uo+eo J ))+1 - ftp kJ ((u+uo+e0i
1 — П m n
1 + Z Zxj LftpWj ((u + U 0 + Eoj )To )+ (l — ftp )wj (i(Ui + U о + Eoj )t, ) j=i .=1
Здесь Ег и П - модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала мишени; 1Р - длительность прямоугольного импульса потенциала с амплитудой и; /- частота следования импульсов; и0 - плавающий потенциал; и -потенциал, подаваемый на подложку между импульсами; и Е0д - доля ионов сорта ] с зарядом I (в единицах заряда протона) и приведенная начальная энергия, соответственно. Суммирование проводится по т сортам и по и зарядовым состояниям ионов, причем
= 1. Предполагается, что в осаждаемом
потоке присутствуют только ионы, и нет нейтральных атомов. Функция ^ ■ задает зависимость деформации
материала покрытия, вызванной дефектообразованием ионами /-го сорта, от энергии ионов Е. Функция
j (e, u,T0 )= n0vf Vj (t, E>
'kBTj (t, E,Tq )
dt
(2)
задает количество термоактивированных переходов в НТП иона /-го сорта при температуре мишени Т0. Здесь кв - постоянная Больцмана; п0 - концентрация атомов мишени; V - частота колебаний атома; тс - время жизни НТП; V ('=Е) и TJ (^ Е,Т0 ) - объем НТП иона /-го сорта и температура в нем. Функции ^ ■, V Е) и Т (¿, Е,Т) вычислялись с использованием программного кода SRIM2000 и при значениях тепловых характеристик, типичных для покрытий СгАШ микронной толщины. Параметр А определялся из сравнения теоретической зависимости с данными эксперимента.
На рис. 1 представлены кривые внутренних напряжений, возникающих в покрытии СгАШ при осаждении пучка ионов Сг(50%)А1(50%) в режимах импульсного и постоянного потенциала, рассчитанные при различных энергиях активации и. Расчет проводился при температуре необлучаемой подложки Т00 = 300 К. При расчете принималось, что температура подложки Т0 растет линейно с плотностью потока энергии Ф, вносимой пучком ионов: Т0 (и) = Т00 +Хф(и). Величина X = 0,3 К/В выбрана из условия равенства температуры осаждения ее экспериментальному значению при известной энергии осаждаемых ионов и при следующих параметрах режима импульсного потенциала: Гр = 12 мкс;/= 12 кГц; и0 = 20 В; и = 100 В. Величина: Еу = 400 ГПа, П = 0,3, а значения параметров Х/ и Е0/ брались из монографии [6].
а, ГПа
Лз
/2 \ - f\ \ 3 /Л - ^^—- П I —
- id-l 1 Ж \ 1 1 П \ * 1 •
'-и
\ * v
0
1
2
и,кВ
Рис. 1. Внутренние напряжения в покрытии CrAlN, осаждаемом при импульсном (сплошные кривые) и постоянном (пунктирные кривые) потенциалах на подложке с различными значениями энергии активации: u = 0,837, 0,937, и 1,037 эВ (кривые 1, 2, 3, соответственно). Черные символы - данные эксперимента (Г00 = 300 K)
а, ГПа
U,KB
Рис. 2. Внутренние напряжения в покрытии СгАМ, осаждаемом при импульсном (сплошные кривые) и постоянном (пунктирные кривые) потенциале на подложке с различными значениями температуры осаждения: Т00 = 300, 400 и 500 К (кривые 1, 2, 3, соответственно) (и = 0,937)
Как видно из рис. 1, при увеличении энергии активации максимум напряжений растет и сдвигается в сторону больших величин потенциала смещения и. Анализ показал, что наилучшее согласие с данными эксперимента имеет кривая напряжений, построенная при энергии активации и = 0,937 эВ, когда максимум напряжений достигается при и = 1 кэВ (рис. 1) [7]. В режиме постоянного потенциала максимум напряжений достигается при и = 300 В. При переходе к импульсному режиму максимум кривой напряжений смещается в сторону больших значений и. В режиме постоянного потенциала напряжения в покрытии уменьшаются с ростом и более резко, чем в режиме импульсного потенциала, что связано со значительно большей скоростью нарастания температуры с ростом и. Поэтому режим постоянного потенциала неприменим для осаждения покрытий на подложки с низкой температурой отпуска.
На рис. 2 представлены результаты расчетов напряжений а(Ц) в покрытии СгАШ, осаждаемом в режимах импульсного (сплошная кривая) и постоянного (пунктирная кривая) потенциалов при различных температурах осаждения: Т00 = 300, 400, 500 К (кривые 1, 2, 3, соответственно) и и = 0,937 эВ.
Как видно из рис. 2, величина напряжений а и форма зависимости а(Ц) существенно зависит от режима и температуры осаждения. При увеличении Т00 максимум напряжений уменьшается и смещается в сторону меньших потенциалов.
Выводы. 1. Результаты расчетов внутренних напряжений в покрытии СгАШ, полученные для режима импульсного потенциала при энергии активации миграции дефектов и = 0,937 эВ, согласуются с экспериментальными данными. 2. Осаждение покрытия в режиме импульсного потенциала приводит к значительно меньшему напряжению в максимуме кривой а(Ц), чем осаждение в режиме постоянного потенциала при той же температуре.
3. В режиме импульсного потенциала максимум кривой а(Ц) смещается в сторону больших значений потенциала и по сравнению с режимом постоянного
8
6
u
4
w
0
2
0
1
2
8
6
4
2
потенциала. Повышение температуры осаждения T0 ведет к обратному эффекту.
4. Использование импульсного потенциала позволяет получать покрытия с малыми напряжениями при относительно невысоких температурах осаждения, что в свою очередь позволяет осаждать покрытия на материалы с низкой температурой отпуска и существенно расширяет номенклатуру материалов, используемых в качестве подложек.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Погребняк А.Д., Шпак А.П., Азаренков Н.А., Береснев В.М. Структура и свойства твердых и сверхтвердых нанокомпозитных покрытий // УФН. 2009. Т. 179. С. 35-64.
2. Davis C.A. A simple model for the formation of compressive stress in thin films by ion bombardment // Thin Solid Films. 1993. V. 226. P. 30-34.
3. Kalinichenko A.I., Perepelkin S.S., Strel'nitskij V.E. Dependence of intrinsic stress and structure of ta-C film on ion energy and substrate
temperature in model of the non-local thermoelastic peak // Diamond & Related Materials. 2010. V. 19. P. 996-998.
4. Kalinichenko A.I., Perepelkin S.S., Strel'nitskij V.E. Intrinsic stresses in DLC coatings deposited in modes of DC and pulse bias potentials // Problems of atomic science and technology. Series: «Plasma Physics» (21). 2015. № 1 (95). P. 252-255.
5. Kalinichenko A.I., Kozionov S.A., Strel'nitskij V.E. Intrinsic stress formation in multicomponent coatings produced by plasma ion deposition in modes of DC and pulse bias potentials // Problems of atomic science and technology. Series: «Vacuum, pure materials, superconductors». 2016. № 1 (101). P. 149-152.
6. Аксенов И.И., Андреев A.A., Белоус В.А. и др. Вакуумная дуга: источники плазмы, осаждение покрытий, поверхностное модифицирование. Киев: Наукова думка. 2012. 728 с.
7. Васильев В.В., Лучанинов А.А., Решетняк Е.Н. и др. Структура и свойства нитридных покрытий, осажденных из фильтрованной ва-куумно-дуговой плазмы с использованием порошкового катода Cr0,5Alo,5 // Журнал физики и инженерии поверхности. 2016. Т. 1. № 1. С.' 62-80.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 537.534.9:621.793
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1038-1041
INTRINSIC STRESS IN CrAlN COATING DEPOSITED FROM MIXED ION BEAM WITH USE OF DIRECT CURRENT AND PULSE BIAS POTENTIAL
© A.I. Kalinichenko, S.S. Perepelkin, V.E. Strelnitskiy
National Science Center "Kharkov Institute of Physics and Technology", Kharkov, Ukraine, e-mail: strelnitskij @kipt.kharkov.ua
In model of nonlocal thermoelastic peak of low-energy ion the formation of intrinsic stresses in the multi-component material deposited from the mixed beam of differently charged ions in modes of direct current and pulsed bias potentials is analyzed. Calculation of the intrinsic stress a depending on bias potential U in CrAlN coating deposited from the mixed ion beam Cr(50%)Al(50%) is carried out at different modes and deposition temperatures T0. It is shown that in pulse bias potential mode the maximum of the curve a(U) displaces toward higher values of U compared to direct current potential mode. Increasing of T0 leads to the opposite effect. The results are obtained for CrAlN coating agree qualitatively with the experimental data. Key words: plasma - ion coating deposition; direct current and pulse bias potentials; CrAlN coating; intrinsic stress; nonlocal thermoelastic peak.
REFERENCES
1. Pogrebnyak A.D., Shpak A.P., Azarenkov N.A., Beresnev V.M. Struktura i svoystva tverdykh i sverkhtverdykh nanokompozitnykh pokrytiy. Uspekhi fizicheskikh nauk — Physics-Uspekhi (Advances in Physical Sciences), 2009, vol. 179, pp. 35-64.
2. Davis C.A. A simple model for the formation of compressive stress in thin films by ion bombardment. Thin Solid Films, 1993, vol. 226, pp. 30-34.
3. Kalinichenko A.I., Perepelkin S.S., Strel'nitskij V.E. Dependence of intrinsic stress and structure of ta-C film on ion energy and substrate temperature in model of the non-local thermoelastic peak. Diamond & Related Materials, 2010, vol. 19, pp. 996-998.
4. Kalinichenko A.I., Perepelkin S.S., Strel'nitskij V.E. Intrinsic stresses in DLC coatings deposited in modes of DC and pulse bias potentials. Problems of atomic science and technology. Series: "Plasma Physics" (21). 2015, no. 1 (95), pp. 252-255.
5. Kalinichenko A.I., Kozionov S.A., Strel'nitskij V.E. Intrinsic stress formation in multicomponent coatings produced by plasma ion deposition in modes of DC and pulse bias potentials. Problems of atomic science and technology. Series: "Vacuum, pure materials, superconductors", 2016, no. 1 (101), pp. 149-152.
6. Aksenov I.I., Andreev A.A., Belous V.A. i dr. Vakuumnaya duga: istochniki plazmy, osazhdenie pokrytiy, poverkhnostnoe modifitsiro-vanie. Kiev, Naukova dumka Publ., 2012. 728 p.
7. Vasil'ev V.V., Luchaninov A.A., Reshetnyak E.N. et al. Struktura i svoystva nitridnykh pokrytiy, osazhdennykh iz fil'trovannoy va-kuumno-dugovoy plazmy s ispol'zovaniem poroshkovogo katoda Cr0,5Al0,5. Zhurnal fiziki i inzhenerii poverkhnosti - Journal of Surface Physics and Engineering, 2016, vol. 1, no. 1, pp. 62-80.
Received 10 April 2016
Калиниченко Александр Иванович, Институт физики твердого тела материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected] Kalinichenko Aleksander Ivanovich, Institute of Solid State Physics, Materials Science and Technology of National Science Centre "Kharkov Institute of Physics and Technology", Kharkov, Ukraine, Doctor of Physics and Mathematics, Senior Research Worker, Leading Research Worker, e-mail: [email protected]
Перепелкин Сергей Степанович, Институт физики твердого тела материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Perepelkin Sergey Stepanovich, Institute of Solid State Physics, Materials Science and Technology of National Science Centre "Kharkov Institute of Physics and Technology", Kharkov, Ukraine, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Research Worker, e-mail: [email protected]
Стрельницкий Владимир Евгеньевич, Институт физики твердого тела материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, начальник лаборатории, e-mail: [email protected]
Strelnitskiy Vladimir Evgenevich, Institute of Solid State Physics, Materials Science and Technology of National Science Centre "Kharkov Institute of Physics and Technology", Kharkov, Ukraine, Doctor of Physics and Mathematics, Senior Research Worker, Head of Laboratory, e-mail: [email protected]
