Упругие волны, возбуждаемые в металлах при ионной

Теоретическое исследование внутренних напряжений в покрытиях TiN, получаемых
при ионном осаждении
Козионов С.А. (д.ф-м.н. Калиниченко А.И.)
Теоретичне дослідження внутрішніх напружень у покриттях TiN, одержуваних при
іонному осадженні
Козіонов С.А. (д.ф-м.н. Калініченко О.І.)
Эксплуатационные характеристики покрытий, получаемых плазменно-ионными методами,
зависят от внутренних напряжений, возникающих в процессе осаждения. В [1] была предложена
модификация известной формулы Дэвиса [2] для расчета напряжений, позволившая учесть сорт
ионов и температуру осаждения. Однако полученная формула не позволяла рассчитывать
внутренние напряжения в покрытиях, получаемых в режиме импульсного потенциала.
В настоящей работе приведены результаты теоретических исследований процесса формирования внутренних напряжений при плазменно-ионном осаждении покрытий в режиме
импульсного потенциала. В модели нелокального термоупругого пика (НТП) получено выражение
для сжимающих напряжений, действующих в плоскости покрытия:
ft p ( E )  1  ft p   E1 
,
(1)
~
1  ft p w( E , u, T0 )  1  ft p w( E1, u, T0 )




где t p - длительность импульса с энергией ионов E, f - частота следования импульсов, Е1 –
энергия ионов в промежутках между импульсами. Если потенциал U, прикладываемый к
подложке, обращается в промежутках между импульсами в нуль, то E = i(U+U0) + E0 преобразуется в E1 = iU0 +E0, где i – заряд ионов, U0 – плавающий потенциал, E0 – начальная энергия
иона. Функция   E  ~ E задает зависимость деформации материала покрытия, вызванной
дефектообразованием, от энергии ионов E [2]. Функция w  E , u, T0  задает количество
термоактивированных переходов в НТП иона, определяющих скорость миграции дефектов с
энергией активации u при температуре мишени T0 [1]. Формула (1) обобщается на случай
разнозарядных ионов путем замены
 ( E )   i (iU  iU 0  E0 ) ,
(2)
i
w( E, u, T0 )   i w(iU  iU 0  E0 , u, T0 ) ,
(3)
i
где  i - доля ионов с зарядом i.
Проанализирована возможность описания возникающих напряжений, исходя из усредненного
заряда ионов, а не из реального распределения ионов по зарядам. Показано, что в случае TiN
покрытия, осаждаемого из пучка ионов Ti, оба подхода дают близкие результаты (расхождение в
максимумах кривых напряжений  U  не превышает 5%). Показано, что наибольшее
расхождение результатов двух указанных способов расчета внутренних напряжений следует
ожидать при большой дисперсии распределения ионов по зарядам.
Показано, что внутренние напряжения резко уменьшаются при возрастании температуры
осаждения. Анализ показывает, что при комнатных температурах практически невозможно
получить TiN покрытие в режиме постоянного потенциала ввиду большой величины внутренних
напряжений.
Сравнение результатов расчетов внутренних напряжений в TiN покрытии, осаждаемом из
пучка ионов Ti, с экспериментальными данными показало их качественное согласие. Осаждение в
режиме импульсного потенциала приводит к значительно меньшим напряжениям, нежели
осаждение в режиме постоянного потенциала при той же температуре. Режим импульсного
потенциала позволяет получать покрытия с малыми напряжениями при относительно невысоких
температурах осаждения, что исключает химическое разложение и/или расслоение фаз в
осаждаемом покрытии.
Литература
[1] A.I. Kalinichenko, S.S. Perepelkin, V.E. Strel’nitskij Diamond Relat. Mater.19(2010)996.
[2] C.A. Davis Thin Solid Films 226(1993)30.