بخشی از مقاله
چکیده
لایه نازک نیترید تانتالوم TaN به دلیل خواص عالی مکانیکی در دما بالا و مقاومت به سایش و خوردگی، کاربردهای بسیاری به صورت پوشش محافظ در صنایع مختلف از جمله صنایع میکروالکترونیک یافته است. در این پژوهش لایه نازک نیترید تانتالوم به روش کندوپاش مغناطیسی واکنشی ایجاد شده و با تغییر میزان نیتروژن در گاز ورودی به محفظه لایه نشانی، به عنوان یک پارامتر موثر بر لایه نشانی، پوششهای مختلف نیترید تانتالوم روی فولاد زنگ نزن ایجاد و با استفاده از آنالیز پراش اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی، ساختار و ضخامت آنها بررسی شد.
همچنین با استفاده از آزمون نانوسختی، سختی و مدول یانگ نمونهها اندازهگیری شد. نتیجه به این صورت بود که با افزایش درصد نیتروژن در گاز ورودی از %15 به %25 به محفظه لایه نشانی، نیترید تانتالوم از -TaN با ساختار هگزاگونال به -TaN با ساختار fcc تغییر فاز میدهد. سختی لایه نازک از 17/5GPa به GPa 8/92 و مدول یانگ از 180/74GPa به 128/9GPa کاهش مییابد. همچنین ضخامت لایه حاصل از 1/04 میکرومتر به 0/74 میکرومتر کاهش و اندازه دانههای کریستالی از 40 nm به 63 nm افزایش مییابد.
مقدمه
امروزه نیترید تانتالوم به دلیل دارا بودن خواص بسیار مطلوبی چون نقطه ذوب بالا، مقاومت خزشی ، استحکام دما بالای عالی، مقاومت در برابر سایش و اکسیداسیون و چقرمگی شکست بالا استفاده زیادی در صنعت پیدا کرده است.[3-1] نیترید تانتالوم با شبکه هگزاگونال و نسبت یک به یک - -TaN - از فازهای پایدار، نیترید تانتالوم با شبکه مکعبی و نسبت یک به یک - -TaN - و برخی دیگر از فازهای غنی از نیتروژن مانند Ta5N6، Ta4N5و Ta3N5 از دیگر فازهای نیمه پایدار نیترید تانتالوم هستند.[4]
به دلیل این تنوع فازی که در سیستم تانتالوم- نیتروژن وجود دارد، پوششهای نیتریدی تولید شده با این روش، گستره وسیعی از خواص مکانیکی را نشان میدهد.روشهای گوناگونی برای تولید لایه نازک نیترید تانتالیم به کار گرفته شده است مانند لایه نشانی شیمیایی از فاز بخار[5]، لایه نشانی اتمی [6] - ALD - و لایه نشانی به کمک باریکه یونی [7] اما به دلیل دیرگداز بودن این فلز، بهترین راه برای ایجاد لایههای نازک از ترکیبات آن، استفاده از روش کندوپاش است.[8] بنابراین بررسی تاثیر پارامترهای این روش بر فازهای تشکیل شده و خواص پوششی حاصل، حائز اهمیت است. یکی از این پارامترهای تاثیرگذار ترکیب گاز ورودی به محفظه لایهنشانی است.
برنولی و همکارانش[9] نحوه تغییرات ساختاری فاز تشکیل شده روی زیرلایه سیلیسیمی را با تغییر نسبت گاز نیتروژن به آرگون بررسی کردند که نتایج آزمون پرتو ایکس نشاندهنده حضور فازهای مختلف نیترید تانتالوم در نسبتهای مختلف گاز است. همچنین کیم و همکارانش[10] با ایجاد لایه نیترید تانتالوم بر زیرلایه فولاد ابزار از جنس SKD11 نشان دادند با تغییر نسبت گاز فعال به خنثی، ساختار متفاوتی از نیترید تانتالوم تشکیل خواهد شد که دارای سختی متفاوت بوده و تغییرات سختی آن با غلظت نیتروژن رابطه عکس دارد.
لی و همکارانش[11] تاثیر تغییر میزان فشار جزئی گاز نیتروژن را بر نرخ لایهنشانی نیترید تانتالوم مورد مطالعه قرار داده و نشان دادند که با افزایش میزان نیتروژن در گاز ورودی، نرخ لایه نشانی کاهش مییابد. بنابراین هدف از این پژوهش ایجاد پوشش نیترید تانتالوم بر زیرلایه فولاد زنگ نزن به روش کند وپاش مغناطیسی فعال و بررسی اثر تغییر شار نیتروژن ورودی به عنوان یکی از پارامترهای فرآیند بر ساختار، سختی و مدول یانگ لایههای حاصل میباشد.
مواد و روش تحقیق
تانتالوم با ضخامت 50 میلی متر وبا خلوص %99/95 به عنوان هدف کندوپاش آماده شده و دیسک فولاد زنگ نزن 316 آستنیتی با قطر 30 میلی متر به عنوان زیرلایه استفاده شد که تا شماره 2000 سنباده زده شد و در دوغاب آلومینا با اندازه دانه 0/1 میکرون پولیش و در حمام استون و متانول به مدت 15 دقیقه تمیز کاری شده است. لایه نشانی در حالت توان ثابت با توان 30 وات انجام شد. فشار اولیه ی محفظه حدودا 7×10-6 تور و فشار کاری تقریبا 5×10- 3 تور ثابت نگه داشته شد. سپس نمونه ها به مدت 15 دقیقه در دستگاه لایه نشانی شدند.
در ادامه به منظور بررسی اثر شار نیتروژن در گاز ورودی ، - - درصدهای مختلف شار نیتروژن از %15 تا %25 اعمال شد. نمونهها به مدت 60 دقیقه در دمای اتاق لایه نشانی شدند و فاصله هدف تا زیرلایه 100mm نگه داشته شد. به منظور بررسی فازهای ایجاد شده و ضخامت پوششها از آنالیز پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شد.
در ادامه خواص مکانیکی لایه حاصل شامل سختی و مدول الاستیک با استفاده از سختی سنجی نانو اندازهگیری شد که بیشینه نیروی اعمالی فرورونده 500 میکرو نیوتون بوده و بسته به سختی هر یک از لایه های نیترید تانتالوم، عمق فرورفتگی تغییر می کند. به منظور اطمینان از صحت نتایج برای هر نمونه در سه نقطه آزمون انجام شد.
نتایج و بحث
شکل1 - الف - آنالیز پراش پرتو ایکس نمونه TaN15 را نشان میدهد که بیانگر وجود ساختار هگزاگونال hcp-TaN و فاز میباشد. ساختار نیترید تانتالوم در این فاز به صورت پلی کریستال بوده و صفحهی - 110 - بلندترین پیک در آنالیز پرتو ایکس این فاز میباشد که در زاویه 34 قرار دارد، همچنین صفحات دیگری چون - 101 - ، - 111 - ، - 201 - و - - 211 دارای شدتهای قابل توجهی هستند. آنالیز نمونهی TaN20 نشان میدهد که نیترید تانتالوم در فاز -TaN و ساختار هگزاگونال در حال تبدیل به نیترید تانتالوم با ساختار مکعبی است. مشاهده میشود که صفحه - 111 - مربوط به TaN-fcc دارای شدیدترن پیک است.
