VLIV KOROZNÍHO PORUŠENÍ NA PRUBEH DEPOSICNÍHO PROCESU A VLIV NA VÝSLEDNÉ VLASTNOSTI. Petr Fialka, Ivo Štepánek, Klára Jacková, Jirí Hána

Transkript

1 VLIV KOROZNÍHO PORUŠENÍ NA PRUBEH DEPOSICNÍHO PROCESU A VLIV NA VÝSLEDNÉ VLASTNOSTI Petr Fialka, Ivo Štepánek, Klára Jacková, Jirí Hána Západoceská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, Plzen, CR, ivo.stepanek@volny.cz Abstrakt Príspevek se zabývá hodnocením vlivu korozního porušení na základním materiálu na prubeh deposicního procesu a finální vlastnosti a chování systému tenká vrstva substrát. Základní materiál je vystaven pred deposicním procesem koroznímu pusobení pro vznik korozního porušení na povrchu. Takto modifikovaný povrch základního materiálu je vystaven deposicnímu procesu a to v prvém prípade samotnému iontovému bombardu a následne též deposicnímu procesu. Iontový bombard modifikuje pocátecní korozní napadení povrchu v závislosti na energii dopadajících iontu. Je sledován vliv modifikovaného povrchu vlivem korozního porušení a následne iontovým bombardem na finální vlastnosti a chování tenkovrstvých systému. Deposice je realizována pomocí nízkonapetového reaktivního obloukového odparování ve vakuu. The paper is devoted by evaluation of influence of corrosive failure on surface of basic material on running of deposition proces and finally properties and behaviour of systems thin film substrate. Corrosive environment act on surface of basic material before deposition proces and corrosive failure create on surface of basic material. This modificated surface of basic material is exposed deposition proces or/and ion bombard proces. Ion bombard proces modificate initiation of corrosive failure on surface in dependence on energy of impact ions. There is evaluated influence of modification by corrosion and by ion bombard proces on finally properties and behaviour of thin film systems. Deposition proces is realised by low voltage reactive arc evaporation in vacuum. 1. ÚVOD Rostoucí požadavky na reprodukovatelnost a riditelnost deposicních procesu pro tvorbu tenkých vrstev vedou k charakterizaci celé rady deposicních parametru, které prímo ci neprímo ovlivnují proces deposice a finální vlastnosti a chování vytvárených tenkovrstvých systému. Deposicní proces je ovlivnován radou parametru a to makro parametru a mikro parametru, z nichž nekteré je nutno rídit, nekteré jsou neriditelné a je nutno znát jejich stav a parametry, které jsou i težko kontrolovatelné. Jedním z nejvýznamnejších parametru deposicního procesu je samotný základní materiál, na který se má tenká vrstva deponovat [1]. Základní materiál ovlivnuje deposicní proces, ale i finální chování celého systému tenká vrstva substrát. Základní materiál prodelává radu zmen behem prípravy pred deposicním procesem. Postupy prípravy ovlivnují finální vstupní povrch základního materiálu, který je stavebním kamenem pro následný rust tenkých vrstev. 2. DEPOSICNÍ PROCES NÍZKONAPETOVÉHO REAKTIVNÍHO OBLOUKOVÉHO ODPAROVÁNÍ VE VAKUU Celkove deposicní proces je rozdelen do celé rady kroku a jedním zkroku je pak samotná deposice tenké vrstvy [2]. Pred samotnou deposicí, která je realizována ve vakuové komore, je nutno cerpací systém a reaktivní komoru pro tento proces pripravit. Délka celého deposicního procesu od zacátku až do konce je ovlivnována celou radou faktoru. Mezi temito 1

2 faktory jsou stav cerpacího systému, stav reaktivní komory, stav katod, ze kterých se materiál odparuje, velikosti povrchove upravovaných soucástí, jejich cistota apod. Deposicní proces je možné rozdelit na cerpání, které je realizováno cerpacím systémem rotacní, Rootsovou a difúzní vývevou, ohrevem a chlazením reaktivní komory, prípravou soucástí na substrátový stolek, ocištením ve vakuové komore, ohrevem ve vakuové komore, deposicním procesem, chlazením posamotné deposici, ohrevem vakuové komory zavzdušnením a opetovným odcerpáním na požadované vakuum. 3. MODIFIKACE POVRCHU A DEPOSICE TENKÉ VRSTVY Základní materiál v celém procesu deposice prochází celou radou zmen, které mohou výrazne menit povrchové vlastnosti základního materiálu. Prípravou již je výroba, tepelné zpracování, povrchová príprava broušením a prípadne leštením, chemickým cištením a deposicním procesem. V našem prípade vzorky prodelávají zmeny tepelným zpracováním, metalografickým hrubým a jemným broušením, metalografickým leštením do zrcadlového lesku, chemickým predcištením pred samotným vložením do vakuové komory, cištením ve vakuové komore procesem iontového bombardu [3], ohrevem na deposicní teplotu, deposicí tenké mezivrstvy mezi základním materiálem a tenkou vrstvou, deposicí tenkých vrstev (jednoduchých, sendvicových, gradientních, multivrstev), chlazením na výstupní teplotu. Ukazuje se, že jednotlivé kroky výše uvedené mohou mít výrazný vliv na finální vlastnosti a chování systému tenká vrstva substrát. 4. CHEMICKÉ PREDCIŠTENÍ Základní materiál pred deposicí tenkých vrstev prochází procesem chemického cištení. V prubehu chemického predcištení je povrch ocišten od anorganických i organických necistot. Negativní vliv chemického predcištení se muže projevovat nekolika ruznými faktory. Za prvé je kvalita predcištení nedostacující a na povrchu zustávají i nadále puvodní necistoty. Za druhé dojde k predcištení a tím odstranení puvodních necistot z povrchu základního materiálu ovšem dojde k sedimentaci chemického cistidla na takto ocištený povrch. Za tretí muže dojít k ocištení povrchu od puvodních necistot a odstranení povrchových ochran pred korozním pusobením. Následkem odstranení muže dojít ke korozi na povrchu ocišteného substrátu. Vlivem prechodu od ekologicky závadných médií na cištení pomocí médií na bázi jiné ekologicky nezávadné muže dojít k tomu, že povrch je nutno navíc sušit pred samotným vložením do vakuové komory. Rozlišujeme jednotlivé stavy povrchu pred vložením do vakuové komory. 5. CIŠTENÍ POVRCHU SUSBTRÁTU IONTOVÝM BOMBARDEM PRED DEPOSICNÍM PROCESEM V návaznosti na chemické cištení dochází k cištení iontovým bombardem ve vakuové komore. Urcitý druh necistot lze na základe tohoto procesu odstranit z povrchu. Záleží na druhu necistot, aby nedocházelo k ovlivnení cerpacího procesu ci k usazování uvolnovaných necistot v komore. Napr. muže dojít k degradaci oleje vcerpacím systému. Podle energie dopadajících iontu na povrch rozlišujeme nekolik procesu. Pri nízkých energiích dopadajících iontu dochází k deposici tenkých vrstev z techto iontu. Pri nárustu energie dopadajících iontu dochází k odprašování necistot slabe vázaných zpovrchu základního materiálu, pri dalším rustu energie dochází k odprašování povrchu základního materiálu a mohou být odstraneny povrchové modifikace, pri dalším nárustu energie muže docházet k implantaci iontu do 2

3 povrchu základního materiálu a v závislosti na energii a teplotních podmínkách muže docházet k difúzním procesum. Na ruzne znecišteném povrchu byl realizován proces iontového bombardu. Na obr. 1 obr. 4 a bzl sledován stupen modifikace a cištení takovéhoto povrchu vlivem iontového bombardu Ti ionty. Obr. 1 Povrch znecišteného vzorku Obr. 2 Povrch špatne vycišteného vzorku Obr. 3 Skoro cistý povrch vzorku Obr. 4 Dokonale cistý povrch vzorku 6. VLIV ZNECIŠTENÍ POVRCHU A POCÁTECNÍ KOROZE NA PROCES DEPOSICE V soucasné dobe je zamerena cinnost na vznik korozního porušení na povrchu základního materiálu pred samotným procesem iontového bombardu, vývoj koroze a její vliv na další prubeh. Otázkou je modifikace iniciovaného korozního porušení na povrchu substrátu procesem iontového bombardu a následne vliv takto modifikovaného povrchu na finální vlastnosti a chování systému tenká vrstva substrát. Predevším se jedná o studium lokálních mechanických vlastností a chování indentacními metodami zkoušení zejména pak nanoindentacními. Tyto experimenty navazují na experimenty vlivu necistot, usazenin apod. i po aplikaci iontového bombardu na proces deposice. Výše uvedené povrchy byly vystaveny deposicnímu procesu a na obr. 5 obr. 9 je videt povrch po deposici na ruzne ocištený povrch chemickou cestou po aplikaci stejného procesu iontového bombardu. 3

4 Z obrázku 3 je patrné, že již pri iontovém bombardu došlo k modifikaci povrchu vzorku. Vlivem urychlených iontu muže docházet k odprašování povrchu. Po iontovém bombardu došlo i k vizuální zmene povrchu, jak je zrejmé porovnáme-li vzniklý povrch s cistým povrchem vzorku. Následující obrázky ukazují vzorky deponované vrstvou TiN. Na obrázku 5 jsou dobre patrná místa kde není prilnutá vrstva na substrát (1), vrstva TiN (2) a vrstva TiN s velkým množstvím necistot (3). Obr. 5 Deponovaná vrstva na znecištený vzorek (20 sekund ultrazvuk) Obr. 6 Vzorek cištený 35 sekund v UZ Obr. 7 Vzorek cištený 50 sekund v UZ Obr. 8 Deponovaný cistý vzorek 3 Obr. 9 detail cistého vzorku ( 200x ) Z výše uvedených obrázku je patrné, že se zvyšující se cistotou povrchu vzrustá i samotná prilnavost a kvalita vzniklé vrstvy TiN. 4

5 Obr. 10 Kalotest ve vzorku (v necistote) Obr. 11 Kalotest ve vzorku (v cistém míste) Na uvedených obrázcích kalotestu je videt (obr. 10 a obr. 11), že s klesající velikostí necistoty na puvodním povrchu vzorku pred depozicí roste velikost adhezních sil k substrátu. Ulpené necistoty negativne ovlivnují i kohezní síly uvnitr vlastní tenké vrstvy TiN, což je z obrázku rovnež patrné. Obdobne zmeny adhezivne kohezivního chování systému tenká vrstva substrát jsou patrny na obr. 12, kde jsou postupne vrypy v ruzne cistém povrchu pred deposicí. 5

6 Obr. 12: Výrezy vrypu vzniklých pri rovnomerném zatežování na scratch-testeru pro ruzne znecištené povrchy vzorku. Na tomto obrázku je patrné, že u nejvíce znecišteného vzorku došlo témer na samém zacátku vrypu již k odhalení substrátu. 6

7 7. ZÁVER Výsledky ukazují, že základní materiál prodelává radu modifikací behem príprav pred samotným deposicním procesem a jeho povrchové modifikace mohou mít významný vliv na další prubeh komplexního technologického proces. Dále se ukazuje, že proces iontového bombardu muže výrazne ovlivnit povrchové vlastnosti základního materiálu, silne napomáhá k ocištení povrchu, ale silne závisí na druhu a charakteru povrchových necistot. Do procesu však mohou vstupovat nejen necistoty, ale i pocátecní korozní napadení, které vlivem prechodu od ekologicky závadných cistících médíi se mohou casteji objevovat. Na deposicní proces nemá vliv jen cistota deposicního procesu, ale silne proces ovlivnuje stav povrchu substrátu, který je velice duležitým deposicním parametrem. V nekterých prípadech muže silne napomoci proces iontového bombardu a zachránit svým zpusobem nedostatky chemického predcištení. Vzhledem ke stavu povrchu je však nutno jej modifikovat. Literatura Príspevek je presentován v rámci rešení grantu GA CR c. 106/02/ ŠTEPÁNEK, I., Correlation between deposition parameters and method for evaluation properties and behaviour systém of thin film substrate, mezinárodní konference Matrib 2000, str , Vela Luka Chorvatsko, 2000, ISBN ŠTEPÁNEK, I., Arc evaporation deposition proces from point of view nanotechnology and nanomaterials, sborník mezinárodní konference Matrib 2003, str , Chorvatsko Vela Luka 2003, ISBN NEMEC, R., ŠTEPÁNEK, I., Nanoindentation measurement in microlocation different substrate before and after application ion bombardment, sborník mezinárodní konference Matrib 2000, str , Vela Luka Chorvatsko 2000, ISBN