Научное и технологическое обеспечение нанесения упрочняющих наноразмерных тонкопленочных покрытий для изделий электронной техники

В последнее время во многих областях науки и техники возрос интерес и ^ произошло расширение области применения многослойных покрытий с толщиной слоев менее 1 мкм. Это обусловлено возможностью значительной модификации или даже принципиального изменения свойств известных материалов, а также новыми возможностями создания материалов и изделий из структурных элементов нанометрового размера.

Варьируя толщиной пленок можно независимо от химического состава управлять свойствами материалов, например, получать диэлектрические или полупроводниковые характеристики у металлов, достигать более высокой прочности и микротвердости, например, меди и алюминия по сравнению с тиф таном или сталью, а используя многокомпонентные, многофазные и многослойные пленки можно формировать нанокомпозитные материалы с очень широким диапазоном функциональных назначений.

Различного рода нанокомпозитные пленочные структуры, обладающие заданными характеристиками, являются основой для дальнейшего развития таких областей как электроника, машиностроение, микросистемная техника, оптика, энергетика, биотехнология и многих других.

Сегодня, многослойные тонкопленочные покрытия используются в качеф> стве элементов сверхбольших интегральных микросхем (СБИС), рентгеновских зеркал, устройств с эффектом гигантского магнитного сопротивления (ГМС), микроэлектромеханических систем (МЭМС) — микродвигатели, зубчатые микромеханизмы, микротурбины, микропинцеты и др., кантилеверов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), обрабатывающего инструмента (сверла для печатных плат и керамики, пробойники для перфорации и т. п.). В качестве мате-ф риалов таких покрытий используются металлы, например, Ti, Nb, Al, Си, W, Pt,.

Au, а также алмазные и алмазоподобные пленки, нитриды, карбиды, оксиды и силициды металлов.

Одновременно с резким расширением ассортимента используемых материалов произошла переоценка и пересмотр требований к их параметрам, в частности, необходимым условием становится обеспечение совокупности функциональных характеристик использующихся материалов: кристаллохимической и термохимической совместимости, механической, тепловой и электрической стойкости, биосовместимости, низкой механической и термохимической усталости и электрической деградации.

При получении слоев с толщиной нанометрового диапазона возникают принципиальные трудности физического и технологического характера, в том числе связанные с методами исследования материалов и контроля изделий.

Исследованиями многослойных тонкопленочных покрытий занимались Ковалев JI. И. (квантовая электроника), Одиноков В. В. (микроэлектроника), Марахтанов М. И. (теплозащитные покрытия), Лучинин В. В. (микросистемная техника) и другие ученые. Однако в их работах не акцентировалось внимание на упрочняющие свойства наноразмерных многослойных покрытий, от которых зависит работоспособность СБИС, МЭМС, СЗМ, а также обрабатывающего инструмента для изделий электронной техники.

На сегодняшний день в области получения многослойных тонкопленочных покрытий с улучшенными механическими свойствами остаются открытыми вопросы выбора материала, толщины и количества слоев, формирования заданной структуры пленок, подготовки поверхности подложки перед осаждением покрытия и т. д.

Таким образом, возникла необходимость в создании научных основ выбора методов и режимов формирования упрочняющих наноразмерных многослойных тонкопленочных покрытий и измерения их характеристик для выявления взаимосвязей между структурными параметрами тонких пленок (размером наночастиц, включений, дефектов, толщины слоев и др.), морфологии границ раздела и свойствами нанокомпозитного материала в целом, а также для определения граничных условий формирования тонкопленочных структур с необходимыми функциональными характеристиками.

Цель работы.

Создание научных основ выбора методов и режимов формирования нано-размерных тонких пленок и многослойных структур с повышенными механическими свойствами и измерения их характеристик.

Для достижения этой цели в работе решались следующие основные задачи:

— анализ существующих методов и средств нанесения многослойных упрочняющих покрытий;

— теоретические и экспериментальные исследования методов и режимов нанесения наноразмерных многослойных покрытий в едином вакуумном цикле;

— теоретические и экспериментальные исследования методов измерения прочностных свойств наноразмерных многослойных тонкопленочных покрытий;

— разработка многопозиционного вакуумного оборудования для нанесения упрочняющих наноразмерных многослойных покрытий;

Научная новизна.

1. Впервые для ряда металлических (Al, Си, Ti, Nb) и углеродных алмазо-подобных (а-С:Н) пленок получены количественные характеристики повышения механических свойств (микротвердость) наноразмерных тонких пленок (наноэффект) по сравнению с пленками микрометрового диапазона и массивными материалами.

2. Экспериментально обнаружено, что независимо от метода осаждения с уменьшением толщины пленки проявляется наноэффект повышения микротвердости, однако степень ее повышения от метода осаждения зависит. щ 3. Впервые для таких материалов электронной техники, как Ti и Nb экспериментально установлено, что обеспечить высокую твердость многослойной композиции на основе наноразмерных пленок возможно при объединении в одном многослойном покрытии сверхтонких пленок с толщиной не более 10. 15 нм.

Практическая ценность работы.

1. В результате анализа существующих методов нанесения тонкопленочных покрытий установлено, что для формирования широкого спектра многофункциональных тонкопленочных покрытий наиболее перспективно объединение методов магнетронного распыления, импульсного дугового и ионно-лучевого осаждения в одном технологическом цикле.

2. Получены технологические режимы и показана практическая возможность одновременного функционирования нескольких источников с принципиально различными методами осаждения тонких пленок, такими как магнетрон-ное распыление и ионно-лучевое осаждение.

3. В результате исследований установлено, что в многослойных компози-* циях рекомендуется объединять слои и пленки материалов, которые значительно отличаются по механическим характеристикам (твердость), обладают высокой стабильностью свойств и обеспечивают прочную связь (адгезия) между слоями, например, Ti и а-С:Н.

Методы исследования.

В работе использованы теория планирования эксперимента и математической статистики, теоретические модели расчета механических свойств тонких пленок.

Экспериментальная часть работы выполнялась в лабораториях МГТУ им. Н. Э. Баумана, МИСиС и ОАО «Московский завод «СПРИНТ».

Достоверность результатов.

Достоверность результатов диссертационных исследований обеспечивается использованием современного аналитического и измерительного оборудование, анализом и учетом возможных источников погрешностей и статистической обработкой результатов измерений.

Вклад автора.

Диссертационная работа представляет собой обобщение результатов исследований, полученных автором лично и совместно с сотрудниками МГТУ им. Н. Э. Баумана Бойченко М. К. и Быковым Ю. А., а также с сотрудниками МИСиС Петржик М. И. и Штанским Д. В. и с сотрудниками ОАО «Московский завод «СПРИНТ» Бусловым В. Ю. и Свистуновым С. В.

Научный руководитель Панфилов Ю. В. и научный консультант Булыги-на Е. В. принимали участие в постановке задач, обсуждении полученных результатов и редактировании статейБойченко М. К. — в проведении совместных исследований твердости покрытий посредством микроиндентированияПетржик М. И. — в проведении совместных исследований твердости покрытий посредством наноиндентирования и анализе полученных результатов.

Апробация.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной молодежной научной конференции «XXVII Гага-ринские чтения» (Москва, 2001), на 4-ом Международном симпозиуме «Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2001), на 6-ом Всероссийском совещании-семинаре «Инженерно — физические проблемы новой техники» (Москва, 2001), на III Всероссийской научной конференции «Молекулярная физика неравновесных систем» (Иваново, 2001), на УП, VIII, IX Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» (Москва, 2001;2003), на VIII, IX, X научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Москва, 2001;2003), на 14,15-ом Международном симпозиуме «Тонкие пленки в оптике и электронике» (Харьков, 2002;2003), на 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, 2002), на NATO-Russia Advanced Research Workshop «Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings» (Moscow, 2003), на XVI Международном симпозиуме «Тонкие пленки в электронике» (Москва, 2004).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в научных журналах, а также в материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 78 наименований и 1 приложения. Работа содержит 186 страниц машинописного текста, в том числе 20 таблиц и 103 рисунка.

Выводы по четвертой главе.

1. Экспериментально подтверждено:

— механические свойства материала пленки (в данном случае твердость) сильно зависят от ее размеров (наноэффект);

— пленки с нанометровыми толщинами обладают твердостью, которая в несколько раз превышает значение твердости обычных массивных материалов;

— с уменьшением толщины слоев многослойной композиции уменьшается значение критической нагрузки, вызывающей образование трещин в покрытии;

2. Экспериментально установлено:

— в многослойном покрытии может происходить разупрочнение сверхтонких пленок при выборе материалов составляющих слоев случайным образом;

— для сохранения наноэффекта в многослойном покрытии необходимо избирательно подходить к определению толщины каждого конкретного слоя;

— при объединении в одном многослойном покрытии сверхтонких пленок с толщиной до 10. 15 нм не происходит разупрочнения всей пленочной композиции, а наблюдается прирост ее твердости;

— наноэффект проявляется на тонких пленках (50. 150 нм) независимо от материала пленки, материала основы и метода нанесения покрытия;

— на проявление наноэффекта для однослойных металлических пленок практически не оказывает влияния температура предварительного нагрева основы в пределах 100 °C.350 °С;

— для многослойных композиций на основе металлических пленок с увеличением количества слоев в покрытии и с увеличением процентного содержания более твердой составляющей, твердость покрытия снижаетсяи наоборот, с увеличением процентного содержания более пластичной составляющей, твердость покрытия повышается;

— с увеличением толщины пластичного слоя твердость многослойной композиции незначительно уменьшается, но одновременно с этим возрастает значение критической нагрузки, т. е. композиция становится менее хрупкой и восприимчивой к высокой скорости деформации;

— посредством наноиндентирования можно обнаружить межфазные границы раздела между слоями в многослойном покрытии при достаточно низких скоростях деформирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные научные и экспериментальные исследования показали, что формирование многослойных наноразмерных материалов возможно только с помощью специальных технологий, отличительной чертой которых является избирательный характер выбора маршрута, метода и режимов осаждения пленок.

В настоящей работе были получены следующие основные результаты:

1. Проведенный анализ состояния, тенденций развития и областей применения многослойных покрытий, а также оборудования и методов их формирования показал, что наиболее востребованными и перспективными для получения наноразмерных пленок являются методы магнетронного распыления, импульсного дугового и ионно-лучевого осаждения, позволяющие в пределах одного рабочего цикла воспроизводимо изменять толщину и количество слоев.

2. Проведенные исследования показали, что для повышения механических свойств (микротвердость) ряда металлических (Al, Си, Ti, Nb) и углеродных алмазоподобных (а-С:Н) пленок необходимо уменьшать их толщину до нанометровых размеров (10. 150 нм), при которых независимо от материала пленки, материала и температуры основы (в пределах 373.623 К) микротвер-достъ повышается в 1,5.4 раза (наноэффект) по сравнению пленками микрометровой толщины и монолитным материалом.

3. В результате исследований установлено, что в многослойных тонкопленочных покрытиях рекомендуется объединять слои материалов, которые значительно отличаются по механическим характеристикам, обладают высокой стабильностью свойств и обеспечивают прочную связь (адгезия) между слоями, например, Ti и а-С:Н.

4. Посредством микрои наноиндентирования получены результаты исследований многослойной структуры Ti/a-C:H/Ti/a-C:H/Ti, согласно которым для управления прочностью и пластичностью тонких пленок необходимо создавать в пленочных материалах дислокационные барьеры (межфазные поверхности раздела) и регулировать расстояние между ними.

5. Впервые для таких материалов электронной техники, как Ti и Nb экспериментально установлено, что для повышения твердости многослойной композиции на основе наноразмерных пленок необходимо объединение в одном многослойном покрытии сверхтонких пленок с толщиной не более 10. 15 нм.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Считаю своим долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю д.т.н., профессору Панфилову Ю. В. и научному консультанту к.т.н., доценту Булыгиной Е. В. за постоянное внимание и поддержку. Бусло-ву В. Ю., Свистунову С. В., Карабанову Ю. В., Пинчукову В. С. и Хореву А. А. — за помощь в проведении экспериментов и наладке промышленного оборудования. Бойченко М. К., Быкову Ю. А., Петржик М. И., Штанскому Д. В. — за помощь в исследовании полученных пленок. Выражаю глубокую благодарность Пащенко П. В., Моисееву К. В., Залесову А. Н. и Прасолову С. Н. за помощь в проведении экспериментов и наладке оборудования. Выражаю глубокую благодарность Пащенко П. В., Колесникову А. Г., Воронову В. В. за помощь во внедрении результатов на промышленных предприятиях и их использовании в учебном процессе.