Основные параметры тонких покрытий

Тонкие пленки и их классификация.

Конденсированные объекты, в зависимости от их формы, геометрических

размеров можно условно классифицировать на:

1) одномерные;

2) двухмерные;

3) трехмерные.

Одномерные объекты – микрочастицы конденсированной фазы (кластеры,

островки, микрокапли), свойства которых зависят от их размера, по крайней мере, в 2-х направлениях.

Двухмерные -тонкие пленки и покрытия, свойства которых зависят от их раз- мера в одном из направлений (толщины пленки или покрытия).

Трехмерные -твердые тела и жидкости в больших объемах, свойства которых не зависят от размеров тел. Например, плотность жидкости в ведре или стакане одинакова и поэтому жидкость в таком количестве следует рассматривать как трехмерный объект.

В зависимости от способа получения покрытий их разделяют на три группы:

1. Покрытия, формируемые из газовой фазы. В данную группу входят покры- тия, осаждаемые из газовой фазы, генерация которой осуществляется, как пра- вило, в результате:

а) ионного распыления вещества в вакууме;

б) испарения в вакууме;

в) проведения химических транспортных реакций;

г) пиролиза сложных химических соединений;

д) диспергирования полимеров или олигомеров в результате действия на них концентрированного потока энергии (электронов, ионов, электромагнитно-

го излучения).

Образование покрытия происходит при взаимодействии частиц газовой фазы с поверхностью подложки.

2. Покрытия, формируемые из жидкой фазы. В эту группу входят:

а) лакокрасочные покрытия;

б) покрытия, образованные при монолитизации (затвердевании) расплавов вещества;

в) покрытия, осаждаемые из газокапельной фазы, например, методами плазменного, газопламенного, электродугового напыления;

г) пленки Лэнгмюра-Блоджет;

д) электролитические покрытия и т. д.

3. Покрытия, при осаждении которых в качестве исходного материала ис- пользуются вещества в твердом состоянии. Они образуются, например, в ре- зультате припекания или приклеивания фольги, переноса вещества при трении и т. д.

В зависимости от природы материала различают следующие покрытия:

а) металлические;

б) полупроводниковые;

в) керамические;

г) полимерные;

е) композиционные, которые в свою очередь разделяют на однослойные, многослойные, комбинированные и т. д.

Определим тонкие покрытия как объекты, свойства которых зависят от размера тела в одном из направлений (толщины слоя). Отнесение данного по- крытия к тонкому или толстому является достаточно условным. Оно определя-

ется свойством, зависимость которого от толщины мы определяем. Например, механические свойства полимерных покрытий зависят от их толщины d при ее значениях меньших 1,5 мм. Электрическое сопротивление покрытий металлов зависит от толщины при d = 80-100 нм. (рис. 2).

rэл

Рис. 2. Зависимость электрического сопро- тивления пленки от её толщины.

80 d,нм

При этом следует учитывать, что характер размерных зависимостей определя- ется условиями и методикой измерения этого свойства, например, температу- рой материала или напряженностью электрического поля (при определении электрофизических свойств).

1 Основными геометрическими параметрами тонких пленок и покрытий явля- ются толщина пленки, ее форма. В общем случае, тонкую пленку можно рас-

сматривать как среду, ограниченную двумя поверхностями (рис.3).

Рис.3

Z1=F (X, Y)- поверхность материала подложки. Z2=F (X, Y)- поверхность покрытия.

Z2

пленка

Z1

Участки поверхностей Z1 и Z2 в общем случае могут совпадать (на этих участ- ках покрытие отсутствует).

Для характеристики покрытий используют следующие основные параметры:

1. Геометрическая толщина покрытия:

dг = 1/S0∫∫(z2 -z1) dS, S

где S0 – площадь поверхности подложки;

dS- дифференциальный элемент этой поверхности.

2. Эффективная толщина покрытия.

Измерять dг очень сложно. При этом понятие геометрической толщины покры- тия не несет информацию о его форме. Поэтому часто используется параметр эффективной толщины, который связывается с методом измерения. В общем случае, эффективной по отношению к данному физическому свойству толщи- ной 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 од- нородное. В противном случае, при измерении толщины одного и того же по- крытия получаем разные значения.

3. Внутренняя и внешняя формы покрытия:

Внешняя форма определяется геометрическими размерами отдельных элемен- тов покрытия.

Внутренняя форма описывает кристаллическое строение, тип решетки, ориен- тацию кристаллов, их размер, дефектность и т. д.

В зависимости от внешней формы различают сплошные, полусплошные и островковые или диспергированные покрытия.

Сплошные - это покрытия, для которых на всей поверхности выполняется ус-

ловие z1¹z2 (рис.2).

Полусплошные - покрытия, на поверхности которых есть участки с z1 = z2,т.е. нарушается его сплошность. Полусплошные покрытия формируются, напри-

мер, на стадии коалесценции (слияния капель, микрочастиц), ионном селектив- ном травлении тонких слоев.

Островковые или диспергированные покрытия - покрытия, состоящие из изо- лированных микрочастиц (островков или кластеров).

В общем случае для полного описания состояния тонких покрытий необхо- димо знать следующие их основные характеристики:

1.Степень покрытия подложки пленкой θ (степень заполнения) - долю по-

верхности, занятой пленкой. Из определения следует, что 0< θ£1. При θ=1 име- ем сплошное покрытие.

2.Поверхностную плотность островков.

Различают среднюю плотность n0 =N /S (N -число островков, S -площадь) и дифференциальную плотность n =d N /d S (dN-число островков, находящихся на площади dS).

3.Кристалическую структуру, степень дефектности, характер ее распределе- ния по объему покрытия.

4.Функцию распределения островков по размерам f(r)= dN/ dr (dN-число час- тиц, имеющих размер в пределах от r до r+dr). Характерная для металлических островковых пленок функция распределения по размерам представлена на рис.4. Поверхности реальных тел, на которых формируется покрытие, неодно-

родны. Поэтому распределение частиц металлической фазы по поверхности также неоднородно, а, соответственно, неодинаковы и свойства пленок в от- дельных локальных участках.

D N

D r

rB r

Рис.4. Распределение частиц конденсирован- ной фазы по размерам; rВ - наиболее вероят- ный размер.

5. Форму и ориентацию кристаллографических осей зерен материала, микро- частиц.

Данные характеристики определяют только геометрические свойства покрытия и для полного его описания необходима информация о химическом составе, структуре и свойствах материала подложки структуре и свойствах граничных слоев и других физико-химических параметрах системы.

Дата добавления: 2013-12-12