Физико-химические и технологические основы нанесения покрытий вакуумными методами. Механизмы роста покрытий

3 осн. модели зарождения и роста покрытия в вакууме:

1. Фольмера-Вебера

2. Франка и Ван дер Мерве

3. Крастанова-Странского

Качественный энергетический критерий определяется в 1-ом приближении из условия из условия минимизации пов-ной энергии системы подложка-пленка, изменение кот. связано с образованием поверхности пленки (энергия γ_s), межфазной границы подложка-пленка (γ_i-s) и с убылью пов-ти подложки (γ_s).

1-ый механизм:

зарождение пленки путем образования изолированных трехмерных островков – зародышей; дальнейший рост, сопровождающегося увеличением размеров островков, их коалесценцией (в процессе кот. происходит наиб. существенные морфологические и ориентационные превращения, образование дефектов различных типов); в итоге в зависимости от сочетания поли- или монокристаллическая пленка.

Условие реализации: γ_s<γ_i+γ_i-s

2-ой механизм: характерно зарождение на пов-ти кристаллической подложки соответствия параметров кристаллических решеток пленки и подложки; при дальнейшем росте происходит релаксация упругой деформации путем введения на межфазную границу подложка-пленка дислокаций, компенсирующих несоответствие параметров сопрягающихся решеток и поэтому называющихся дислокациями несоответствия. Структура и ориентация пленки определяется структурой и ориентацией пов-ти подложки.

Условие реализ. механизма: γ_s≥γ_i+γ_i-s

3-ий механизм предполагает двухмерное зарождение пленки с образованием трехмерных островков при последующем росте.

Условие реализ. механизма: γ_s> γ_i+γ_i-s

Мех-м роста	Хар-р сопряжения	Примеры систем
1	Слабая связь Некогерентный	Ме на диэлектрических и некоторых п/п кристаллах (из ГК, слюды, MoS2, CaF2, MgO, халькогениды Sn и Pb и др), п/п на диэлектрических кристаллах.
2	Сильная связь Когерентный (псевдоморфизм) Частично когерентный (при наличии дислокаций несоответствия)	Родственные материалы с малым несоответствием параметров решеток (Ме на Ме, п/п на п/п) То же
3	Частично когерентные Некогерентные	Ni-Cu Si-Au, Ge-Au, Si-Ag, Ge-Ag, Mo-Ag

С труктурно-морфологические превращения пленок.

1. По механизму Фольмера-Вебера.

1-подложка 2-пленка

2 . По механизму Ван-дер-Мерве

а,б- межплоскостное расстояние для сопрягающихся плоскостей пленки и подложки равны, толщина пленки меньше критической.

в- межплоскостные расстояния равны, толщина пленки больше критической; показано образование дислокаций несоответствия.

С ростом толщины покрытия уменьшается прочность его сцепления с подложкой.

3. По механизму Крастанова-Странского.

а,б – образование слоев

в – образование островков

г – поликристаллическая пленка

1 – подложка

2 – монослойное покрытие

3 – островки

Эти мех-мы – зарождение пленки. Затем она растет и может формировать различные виды структуры, которая зависит от Т.

Методом термического испарения наносили толстые покрытия Ni, Ti, W, ZrO₂, изучали зав-ть от Т и по результатам создали модель структурных зон.

Схема распределения структурных зон для металлических покрытий (W-Ni)

I . Т<0,3Тпл для Ме

Т<(0,2-0,26)Тпл для окислов => рыхлые осадки, конусообразные кристаллиты

II столбчатые кристаллиты (их ширина увелич с увеличением Т)

Т =(0,45-0,5)Тпл

III равноостные кристаллы Т>0,5Тпл

Рис:H_M - микротвердость

σ_в - временное сопротивление

Т_п - Тнапыления изд

δ - относительное удлинение

Структура влияет на св-ва.

Рис 2: 400 кг/мм²

<50 кг/мм²

До 1000 кг/мм²

1)для оксидов;

2)для металлов.

Позднее была добавлена зона Торнтона.

Модель структурных зон Мовчана-Демчишина-Тортона

1- пористая стр-ра из конусообразных кристаллитов, разделенных пустотами, 2- переходная стр-ра из плотноупакованных волокнистых зерен, 3- столбчатые зерна, 4- стр-ра из рекристаллизованных зерен.

1- Т=(0,1-0,4)Тпл,

зона Т- Т=(0,4-0,7)Тпл,

2- Т=(0,7-0,8)Тпл,

3- Т=(0,8-1)Тпл.

С точки зрения механич.свойств наиболее благоприятна равноосная стр-ра.

И онная бомбардировка влияет на модель стр-рных зон. При усилении ионной бомбардировки возрастает внутренняя энергия системы.

Обратная модель структурных зон.

Напряжение смещения и температура позволяют регулировать модели.

Все модели применимы только для одно- и двухкомпонентных систем (Ме,оксид,нитрид).

Для сложных (многокомпонентных) систем (Barma&Adamik).

а) низкая концентрация третьего элемента(1,2% Cu) – нет игольчатой структуры

б) средняя конц-ция,

в) высокая конц-ция (20% Cu).

Cu не растворяется в ZrN. Если >>20% Cu, то не будет кристаллической структуры (будет аморфная).

Т.е. при увеличении содержания компонента при увеличении Т будет большее кол-во равноосных зёрен.

Концепции получения наноструктурных покрытий.

В двухкомпонентную систему на основе тугоплавких соединений вводят третий компонент, имеющий ограниченную растворимость.

Типичные фазы системы

Ti-B-N: TiN, Ti₂N, TiB₂, TiB, BN, B, Ti.

Ti-Si-N: TiN, Ti₂N, TiSi₂, Ti₅Si₃, TiSi, Si₃N₄, Si, Ti

Тройных соединений в равновесном состоянии не существует!

Формирование покрытий

А) в случае двухкомп.систем - на подложку осаждают Ti и N, вырастает TiN один на другом, формируется субструктура. Формируются грубые зерна со столбчатой структурой.

Б) в случае 3-х или многокомпонентных систем - формирование покрытий в случае трех: атом B садится на TiN (не растворяется в нем), формируются слои TiN и B => меньше размер кристаллитов и подавляется образование столбчатых зерен. Бор может внедряться в решетку TiN, замещая позиции азота в решетке. => -рост зерен, -рост кластеров, -замещение бором азота.