Кляхина Н.А., Крылова И.Г.

Рубежанский филиал Восточноукраинского национального университета

Получение многослойных покрытий методом

корпускулярного легирования

Введение

В настоящее время все более широкое применение находят защитные и функциональные покрытия, сфера их применения в различных областях технологии постоянно расширяется. Однако существует целый ряд областей, в которых, в силу эксплуатационных особенностей, необходимо комплексное использование различных типов напылительного оборудования и технологий, что вызывает известные трудности. Усовершенствовать технологический процесс получения подобных покрытий позволяет разработка и применение соответствующих методов и оборудования. К их числу относится метод корпускулярного легирования [1,2]. Настоящая статья посвящена обсуждению некоторых вопросов, касающихся подбора оптимальных режимов получения пленок этим методом, который основан на принципе бомбардировки поверхности подложки ионами высоких и средних энергий.

Оборудование и эксперимент.

Ионизация рабочего газа осуществляется при помощи аксиальной пеннинговской ячейки постоянного тока, из которой ионы «вытягиваются» электрическим полем в противоположных направлениях – на мишень и подложку. Распыленные атомы мишени на пути к подложке также проходят через область этого разряда, в которой большая часть их ионизируется, а затем ускоряется в направлении подложки. Таким образом, на поверхность конденсации поступают ионные потоки двух веществ. Изменяя ускоряющее напряжение на мишени возможно менять соотношение потоков ионов рабочего газа и материала мишени, поступающих на подложку (за счет изменения коэффициента распыления материала мишени).

Расчет значений коэффициента распыления можно осуществлять по известным полуэмпирическим формулам [3]. Подача потенциала на поверхность подложки (в пределах нескольких кэВ) приводит к распылению ее поверхностных слоев и субплантации, что в конечном итоге обеспечивает эффективную очистку поверхности конденсации от посторонних примесей и созданию модифицированного поверхностного слоя подложки, обогащенного соединениями атомов подложки с атомами рабочего газа и мишени. Толщина этого слоя будет определяться длиной проективного пробега иона данного вида в материале подложки (при энергии соответствующей ускоряющему потенциалу), а также коэффициентами термической и радиационно - стимулированной диффузии. В результате создается переходной слой толщиной в несколько сот нанометров, который обеспечивает высокий уровень адгезии пленки и подложки а также значительно снижает величину напряжений несоответствия получаемой системы. Время образования этой области зависит от интенсивности падающих на подложку потоков и обычно составляет несколько минут.

Изменение химического состава поверхности в результате этих процессов, неизбежно приведет и к изменению коэффициента распыления, который можно оценить при помощи известных выражений, приведенных в работах [4,5]. Кинетика дальнейшего нарастания пленки, состав которой преимущественно определяется составом приходящих на подложку потоков ионов, обусловливается коэффициентами самораспыления, которые, в свою очередь, зависят от величины ускоряющего потенциала.

Рис. 1.

По приведенной методике методом ионной имплантации были получены многослойные пленки толщиной в несколько микрометров на различных металлических подложках [6], средняя величина адгезии которых была не меньше 40 МПа. Исследование состава этих пленок методом ВИМС (вторично ионной масс спектрометрии) показали, что все они имели типичную структуру (рис. 1), причем толщина слоя 2 во всех случаях была различной и составляла порядка 10 длин проективного пробега ионов Ti в данном металле при использовавшемся ускоряющем напряжении (15 кВ).

Заключение.

Таким образом, используя предложенную методику оценки толщин и структуры пленок, получаемых методом ионной имплантации можно достаточно уверенно разрабатывать технологию функциональных покрытий с хорошей адгезией. Возможность легкой смены рабочего газа обеспечивает получение многослойных структур (карбидов, нитридов и т.д.).

Литература.

1. Ионная имплантация. Под ред. Дж.К. Хирвонена.- М.: Металлургия.- 1985.- 392с.

2. И.П. Васильев, В.Н. Злобин, В.И. Бондаренко. Ионная имплантация катализаторов// Тонкие пленки в электронике: доклады 8-го международного симпозиума, Харьков, 22-24 апреля 1997 г. (Тр. укр. вакуумного общества). - –997.- т.3.- с.70-72.

3. Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей// М.: Энергоатомиздат. –1986. –С.74-77.

4. Бажин А.И., Корнич Г.В., Теплов С.В. Модели преимущественного распыления многокомпонентных мишеней // Препр. ДонФТИ-88-25. -1988. –34с.

5. Кукушкин С.А., Осипов А.В. Формирование и эволюция фазового состава и связанных с ним свойств в процессе роста тонких пленок// ЖТФ. –1997. –Т.67,№10. –С.112-120.

6. Игнатенко П.И., Кляхина Н.А., Бадекин М.Ю. Фазовый состав, кинетика нарастания и свойства нитридных покрытий молибдена, вольфрама и тантала, полученных методом реактивного распыления// Материаловедение. – 2003, №4 (73). – с. 36 – 42.