Исследование условий осаждения покрытий на основе нитрида хрома при работе магнетрона с горячей мишенью

В данной магистерской диссертации были исследованы механизмы формирования потоков атомарных частиц хрома, эмитируемых с поверхности горячей хромовой мишени в зависимости от мощности магнетрона. Была изучена кинетика поступления частиц на поверхность растущей пленки при формировании покрытий на основе CrN, а также проведен анализ потоков энергии и изменения температуры подложки в зависимости от мощности магнетрона.
В результате исследований были получены зависимости скорости роста покрытий из хрома и на основе нитрида хрома от мощности магнетрона, которые показали, что за счет возникновения сублимации на поверхности мишени скорость осаждения покрытий увеличивается в несколько раз.

Введение ………………………………………………………………………………………………. 15

Глава 1. Анализ существующих методов осаждения покрытий на основе
нитрида хрома и постановка задачи исследований …………………………………… 18

1.1 Вакуумно-дуговое испарение ………………………………………………………. 18

1.2 Ионное распыление ……………………………………………………………………. 20

1.3 Магнетронное распыление в атмосфере аргона и азота …………………. 21

1.4 Особенности осаждения металлических плёнок при работе
магнетрона с испарением или сублимацией вещества мишени ………………. 27

1.5. Постановка задачи исследований…………………………………………………… 29

Глава 2. Описание экспериментального оборудования и расчётных методов32

2.1 Описание экспериментального и диагностического оборудования …… 32

2.1.1 Оснастка вакуумно-плазменной установки и конструкция
магнетрона с теплоизолированной хромовой мишенью ……………………… 32

2.1.2 Диагностическое оборудование ………………………………………………… 36

2.1.3 Порядок проведения экспериментов по измерению тока и
напряжения в цепи МРС с горячей мишенью и измерению температуры
подложки ………………………………………………………………………………………… 39

2.2. Описание расчётных методик и использованных программных кодов 40

2.2.1. Модель эрозии мишени с сублимирующей хромовой мишенью и
методика Ламберта-Кнудсена …………………………………………………………… 40

2.2.2. Описание комплекса программ для расчёта скоростей эрозии и
осаждения при работе магнетрона с теплоизолированной мишенью …… 42

2.2.3. Программы SIMTRA и SRIM …………………………………………………… 46

Глава 3. Результаты исследований и их анализ ………………………………………… 48
3.1. Исследование состава потоков атомарных частиц хрома, эмитируемых
с поверхности горячей хромовой мишени в зависимости от мощности
магнетрона…………………………………………………………………………………………. 48

3.1.1 Расчёт и анализ изменения температуры на поверхности мишени . 49

3.1.2 Расчёт скоростей распыления и сублимации; выявление вклада
обеих компонент эрозионного потока в осаждении ……………………………. 51

3.1.3. Эксперименты по измерению скорости роста хромовых покрытий
………………………………………………………………………………………………………. 59

3.2. Структура потоков энергии и частиц на поверхности подложки в
процессе формирования CrN покрытия (в зависимости от мощности
магнетрона). ………………………………………………………………………………………. 63

3.2.1. Структура баланса энергии и частиц при осаждении хромового
покрытия ………………………………………………………………………………………… 63

3.2.2. Анализ кинетики поступления потоков частиц разного вида на
подложку при формировании покрытия на основе нитрида хрома………. 69

3.3. Зависимость скорости роста покрытия на основе нитрида хрома от
мощности магнетрона с горячей мишенью …………………………………………… 76

3.3.1. Экспериментальные результаты о скорости роста покрытия на
основе CrN в зависимости от мощности магнетрона и их анализ. ……….. 76

3.3.2. Анализ вклада распыления растущей плёнки в уменьшении
скорости осаждения в условиях подачи отрицательного смещения на
подложку ………………………………………………………………………………………… 80

3.3.3 Оценка рассеяния распылённых частиц при их движении от мишени
к подложке ……………………………………………………………………………………… 83

Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение………………………………………………………………………………… 90

4.1 Предпроектный анализ ……………………………………………………………….. 90
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………….. 90

4.1.2 Анализ конкурентных технических решений …………………………….. 91

4.2 SWOT анализ ………………………………………………………………………………… 92

4.3 Планирование научно-исследовательский работ ……………………………… 94

4.3.1 Структура работ в рамках научного исследования……………………… 94

4.3.2 Определение трудоемкости выполнения работы………………………… 95

4.3.3 Разработка графика проведения научно-технического исследования
………………………………………………………………………………………………………. 96

4.4 Бюджет научно-технического исследования………………………………….. 100

4.4.1 Расчет материальных затрат……………………………………………………. 100

4.4.2 Расчёт амортизационных отчислений ……………………………………… 101

4.4.3 Расчёт заработной платы и отчислений во внебюджетные фонды 102

4.5 Определение ресурсной (ресурсосберегающей) эффективности
исследования ……………………………………………………………………………………. 105

4.5.1 Интегральный показатель финансовой эффективности …………….. 105

4.5.2 Интегральный показатель ресурсоэффективности ……………………. 106

4.5.3 Интегральный показатель эффективности вариантов исполнения
разработки …………………………………………………………………………………….. 107

Выводы по разделу «Финансовый менеджмент, ресурсосбережение и
ресурсоэффективность» ……………………………………………………………………….. 109

Глава 5. Социальная ответственность ……………………………………………………. 111

5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности . 112

5.1.1. Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя)
правовые нормы трудового законодательства ………………………………….. 112

5.1.2. Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя ……………………………………………………………………………….. 113
5.2 Производственная безопасность …………………………………………………… 114

5.3 Обоснование мероприятий по снижению уровней воздействия
опасных и вредных факторов на исследователя (работающего)……………. 115

5.3.1. Недостаточная освещенность рабочей зоны ………………………….. 116

5.3.2 Отклонение показателей микроклимата в закрытом помещении119

5.3.3 Повышенный уровень электромагнитного излучения ……………. 121

5.3.4 Повышенный уровень шума …………………………………………………… 123

5.3.5 Повышенная температура поверхностей оборудования, изделий
5.3.6 Повышенное значение напряжения в электрической цепи,
замыкание которой может произойти через тело человека ……………….. 124

5.4 Экологическая безопасность ……………………………………………………… 126

5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………. 128

Выводы по разделу «Социальная ответственность» ……………………………….. 130

Заключение …………………………………………………………………………………………. 131

Список использованных источников …………………………………………………….. 132

Приложение A …………………………………………………………………………………….. 136

В результате проведённых исследований можно сделать следующие
выводы.
1. При мощности источника питания Q˃800 Вт сублимация вносит
существенный вклад в увеличение скорости роста хромовых покрытий. Так,
при Q=1600 Вт скорость осаждения за счёт сублимации увеличивается почти в
5 раз по сравнению с распылением.
2. Основным потоком энергии, поступающим на подложку при осаждении
покрытий на основе Cr и CrN в условиях работы магнетрона с горячей
мишенью, является тепловое излучение со стороны мишени.
3. При получении покрытий на основе нитрида хрома зависимость
скорости осаждения от мощности источника питания приобретает нелинейный
характер при Q˃800 Вт, что свидетельствует о значительной роли сублимации в
этих процессах.
4. За счет распыления растущего покрытия при подаче смещения на
подложку Ubias= -50 В толщина Cr-N покрытия может уменьшиться до 50%; с
увеличением мощности МРС доля распылённой плёнки уменьшается.
5. Существует проблема с формированием однородных по
стехиометрическому составу CrN покрытий при использовании магнетронов с
сублимирующей мишенью, так как поток атомов хрома на подложку является
весьма интенсивным.
Проведённые исследования позволяют считать доказанным следующее
положение. В диапазоне плотности мощности МРС от 18 до 33 Вт/cм2
сублимация на поверхности сильно разогретой хромовой мишени приводит к
существенному увеличению скорости осаждения покрытий из Cr и CrNx. При
этом наиболее вероятно, что покрытия на основе Cr-N, будут иметь
неоднородный по толщине элементный состав.