Основные параметры и свойства тонких пленок

Обычно свойства пленок определяются размером тела в одном из направлений, то есть толщиной слоя. Например, механические свойства полимерных пленок зависят от их толщины d при ее значениях меньших 1,5 мм, а электрическое сопротивление пленок металлов зависит от толщины при d = 80−100 нм (рисунок 6).

Рисунок 6 — Зависимость электрического сопротивления пленки металла от ее толщины.

Это объясняется увеличением вклада поверхностей (верхней и нижней) пленки в механизм электропроводности. При этом следует учитывать, что характер размерных зависимостей определяется условиями и методикой измерения этого свойства, например, температурой материала или напряженностью электрического поля.

В общем случае, тонкую пленку можно рассматривать как среду, ограниченную двумя поверхностями (рисунок 7).

Рисунок 7 — Структура пленки на поверхности материала Участки поверхностей Z1 и Z2 в общем случае могут совпадать (на этих участках покрытие отсутствует).

Для характеристики пленок используют геометрическую толщину пленки, которая выражается из формулы (1).

dг = 1/S₀ ?(Z₂ -Z₁) dS (1).

где S₀ — площадь поверхности подложки;

dS — дифференциальный элемент этой поверхности.

Измерять dг очень сложно. При этом понятие геометрической толщины пленки не несет информацию о ее форме. Поэтому часто используется параметр эффективной толщины, который связывается с методом измерения. В общем случае, эффективной по отношению к данному физическому свойству толщиной называют толщину однородного слоя вещества, обладающего теми же свойствами, что и реальное покрытие. В общем случае dг, эффективная весовая толщина и оптическая толщина, совпадают, когда покрытие равномерное и однородное. В противном случае, при измерении толщины одного и того же покрытия получаем разные значения.

Внешняя форма определяется геометрическими размерами отдельных элементов покрытия. Внутренняя форма описывает кристаллическое строение, тип решетки, ориентацию кристаллов, их размер, дефектность. В зависимости от внешней формы различают сплошные, полусплошные и островковые или пленки. Сплошные — это пленки, для которых на всей поверхности выполняется условие Z₁? Z₂.

Полусплошные — пленки, на поверхности которых есть участки с Z₁ = Z₂, то есть нарушается его сплошность. Полусплошные пленки формируются на стадии слияния капель, микрочастиц, ионном селективном травлении тонких слоев.

Островковые пленки — покрытия, состоящие из изолированных микрочастиц (островков или кластеров) [1].

Одним из основных факторов, определяющих долговечность и надежность покрытия, является адгезия, то есть сила связи с подложкой. Простой и эффективный метод определения величины адгезии заключается в наложении на поверхность пленки специальной испытательной липкой ленты для последующего исследования процесса отрыва. При слабой адгезии лента отрывается от подложки вместе с пленкой, при сильной — пленка остается полностью на подложке. Для количественной оценки адгезии применяют метод липкой ленты и метод царапания иглой под определенной нагрузкой, методы имеет ряд методических сложностей. Величина адгезии очевидно определяется природой связи частиц пленки и подложки. Физическая адсорбция определяет слабую адгезию, хемосорбция — сильную.

Для повышения адгезии нередко специально наносят подслои окисла, современные технологии позволяют также осуществлять плавный переход состава пленки от окисла до чистого металла, что может обеспечить максимальную адгезию.

При использовании пленок в машиностроении важное значение имеют их износостойкость и коэффициент трения, которые определяются, структурой и составом пленочного покрытия. Трибологические фрикционные испытания полученных пленок часто проводятся по методу «палецповерхность» на трибометрах в условиях сухого трения. Коэффициент трения и износостойкость пленок определяются при возвратно-поступательном скольжении индентора. Скорость движения столика с образцом составляет обычно 1 — 10 мм/с, закругленный индентор выполняется из твердого сплава ВК8, нагрузка на индентор при испытаниях составляет как правило до 1 Н.

Для описания изменения коэффициента трения с ростом пути трения применяют модель по Боудену-Тейбору, которая определяется из формулы (2).

(2).

где ма — коэффициент трения, определяющиеся сопротивлением срезу поверхностных соединений;

мp — коэффициент трения, определяющиеся сопротивлением пластического оттеснения;

А — фактическая площадь контакта;

S — предел прочности на сдвиг;

W — нормальная нагрузка;

R — радиус индентора;

H — твердость пленок.

При данных условиях испытаний с большой достоверностью можно сказать, что радиус индентора, твердость пленки, предел прочности на сдвиг пленки являются постоянными величинами. Следовательно, коэффициент трения зависит только от площади фактического контакта индентора с поверхностью пленки. Вследствие одинаковых условий трибоконтакта, изменение площади фактического контакта и объемного износа пленки за единицу времени постоянно, поэтому изменение коэффициента трения является линейной зависимостью от времени истирания или пути трения. Следовательно, угол наклона и длина пути линейного участка зависимости коэффициента трения определяются величиной объемного износа пленки за единицу времени или износостойкостью пленки. С ростом объемного износа пленки и соответственно уменьшения ее износостойкости будет увеличиваться угол наклона и уменьшаться длина пути трения участка линейной зависимости коэффициента трения от пути трения. Следует отметить, что радиус кривизны индентора намного превышает толщину пленки, следовательно, изменение значения коэффициента трения с ростом пути трения будет иметь линейный характер до того момента, пока индентор не достигнет подложки [3].

Так же на пленку действуют напряжения. Напряжения могут быть сжимающими (пленка как бы стремиться расшириться параллельно поверхности), в предельном случае она может изогнуться выпукло. Растягивающие напряжения в пределе могут привести к разрыву пленки. Для температур осаждения от 50 до сотен градусов по Цельсию типичные величины растягивающих напряжений в металлических пленках 108 — 1010 дин/см2, причем для тугоплавких металлов значения близки к верхнему пределу, а для мягких (медь, золото, алюминий) — к нижнему. Для диэлектрических пленок напряжения часто оказываются сжимающими с несколько меньшими значениями. Причины возникновения напряжений: термическая, возникающие при охлаждении; влияние подложки, несоответствие структур подложки и пленки; напряжения поверхности из-за изменения межатомных расстояний у поверхности пленки; граница кристаллитов движется из пленки.

Во многих случаях пленки оказываются прочнее (примерно в 200 раз), чем объемный материал, что связано предположительно с особыми свойствами поверхности (рисунок 8).

Рисунок 8 — Зависимость предела разрушения от толщины напыленной никелевой пленки Таким образом, прочность возрастает с увеличением роли поверхности. Упругость пленок и объемного материала примерно одинаковы и характеризуются нагрузкой до возникновения пластических деформаций. Для измерений упругости пленку необходимо отделить от подложки.

В соответствии с современной квантовой теорией проводимость в металлах определяется электронами, а электрическое сопротивление обусловлено рассеянием электронов при взаимодействии с решеткой. Из-за своей волновой природы электроны могут проходить сквозь совершенную решетку без затухания, поэтому удельное сопротивление является мерой совершенства структуры кристаллической решетки. В реальности, по ряду причин совершенной структуры не бывает, поэтому электроны подвергаются рассеянию, среднее расстояние, которое электроны проходят между соударениями, называется средним свободным пробегом. Даже если решетка не имеет структурных дефектов, но вследствие тепловых колебаний атомов около своих средних положений решетка не будет совершенной для дрейфа электронов. Электроны будут взаимодействовать с различными видами колебаний решетки (фононами), что и будет определять электросопротивление.

Атом примеси или вакансия как правило имеют эффективный электрический заряд существенно отличающийся от основного заряда металла, поэтому он будет служить дополнительным источником рассеяния электронов. Удельное сопротивление повышается с увеличением концентрации примесей и достигает максимума при 50% концентрации [5].

В пленках в процессе формирования может остаться значительно большее количество примесей, чем будет захвачено в равновесном состоянии. Поэтому можно часто наблюдать увеличение удельного сопротивления в несколько сотен раз. Кроме того, высокие значения удельного сопротивления пленок, могут быть обусловлены образованием изолирующей фазы (например окисла), которая беспорядочно распределяется по всей пленке из-за плохой вакуумной гигиены.

Дефекты структуры (дислокации и границы зерен) мало влияют на удельное сопротивление в сравнении с влиянием вакансий и дефектов внедрения. Исключение составляет случай образования изолирующей фазы по границам зерен.