Исследование влияния условий напыления системой инвертированных магнетронов на текстуру и остаточные напряжения в четырехслойных Ta/W/Ta/W-покрытиях

Исследованы возможности нанесения с высокой скоростью осаждения многослойных покрытий на изделия сложной формы с помощью инвертированных магнетронов. Рентгеновским методом обратных полюсных фигур и методом «sin²Ψ» оценивали формирование текстуры и остаточных напряжений в магнетронных четырехслойных  Ta/W/Ta/W-покрытиях,  нанесенных при напряжениях от 0 до –200 В на цилиндрическую и плоскую подложки из меди, имитирующие элементы поверхности изделий сложной формы. Показано, что закономерности формирования текстуры в покрытиях зависят в основном от напряжения смещения на подложке (U_п), при этом при U_п = –200 В они отличаются для слоев W и Та. При U_п = –100 В реализуется эпитаксиальный механизм текстурообразования, который в случае цилиндрической подложки приводит к интенсивной (111) текстуре всех четырех слоев, а в случае плоской – к формированию во всех слоях монокристальной (111) текстуры с шириной текстурного максимума 12°–14°. Наличие монокристальной (111) текстуры тантала соответствует максимальным значениям модуля Юнга и, соответственно, сил межатомной связи нормально плоскости покрытия, что предполагает у многослойных покрытий с внешним Та-слоем высокие трибологические характеристики. Увеличение напряжения на плоской подложке от 0 до –200 В приводит к повышению остаточных сжимающих напряжений от 0,5 до 2,7 ГПа для исследуемого четырехслойного покрытия.

1. Dooho Choi, Bincheng Wang, Suk Chung, Xuan Liu, Amith Darbal, Adam Wise, Noel T. Nuhfer, Katayun Barmak. Phase, grain structure, stress, and resistivity of sputter-deposited tungsten films. Journal of Vacuum Science & Technology: A. 2011;29(5):051512. http://dx.doi.org/10.1116/1.3622619

2. Pai Chi-Feng, Liu Luqiao, Li Y., Tseng H.W., Ralph D.C., Buhrman R.A. Spin transfer torque devices utilizing the giant spin hall effect of tungsten. Applied Physics Letters. 2012;101:122404. http://dx.doi.org/10.1063/1.4753947

3. Vüllers F.T.N., Spolenak R. Alpha-vs. Beta-W nanocrystalline thin films: A comprehensive study of sputter parameters and resulting materials’ properties. Thin Solid Films. 2015;577:26—34. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2015.01.030

4. Stelmakh V., Rinnerbauer V., Joannopoulos J.D., Soljačić M., Celanovic I., Senkevich J.J. Evolution of sputtered tungsten coatings at high temperature. Journal of Vacuum Science & Technology: A. 2013;31(6):061505. http://dx.doi.org/10.1116/1.4817813

5. Chargui A., Beainou R.El., Mosset A., Euphrasie S., Potin V., Vairac P., Martin N. Influence of thickness and sputtering pressure on electrical resistivity and elastic wave propagation in oriented columnar tungsten thin films. Nanomaterials. 2020;10(1):81. https://doi.org/10.3390/nano10010081

6. Dutta N.J., Buzarbaruah N., Mohanty S.R. Damage studies on tungsten due to helium ion irradiation. Journal of Nuclear Materials. 2014;452(1-3):51—56. http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.04.032

7. Liudas Pranevicius. Magnetron-sputter deposition of W coatings for fusion applications. Materials Science (Medžiagotyra). 2009;15(3):212—219.

8. Esteve J., Zambrano G., Rincon C., Martinez E., Galindo H., Prieto P. Mechanical and tribological properties of tungsten carbide sputtered coatings. Thin Solid Films. 2000;373(1—2):282—286. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(00)01108-1

9. Nygren R.E., Raffray R., Whyte D., Urickson M.A., Baldwin M., Snead L.L. Making tungsten work— ICFRM-14 session T26 paper 501. Journal of Nuclear Materials. 2011;417(1-3):451—456. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.12.289

10. Smid I., Akiba M., Vieider G., Plöchl L.. Development of tungsten armor and bonding to copper for plasmainteractive components. Journal of Nuclear Materials. 1998;258-263(1):160—172. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(98)00358-4

11. Dias M., Mateus R., Catarino N., Franco N., Nunes D., Correia J. B., Carvalho P. A., Hanada K., Sarbu C., Alves E. Synergistic helium and deuterium blistering in tungsten—tantalum composites. Journal of Nuclear Materials. 2013;442(1-3):69—74. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2013.08.010

12. Colin J.J., Abadias G., Michel A., Jaouen C. On the origin of the metastable b-Ta phase stabilization in tantalum sputtered thin films. Acta Materialia. 2017;126:481—493. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.12.030

13. Gladczuk L., Patel A., Paur C.S., Sosnowski M. Tantalum films for protective coatings of steel. Thin Solid Films. 2004;467(1-2):150—157. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.04.041

14. Lee S.L., Windover D., Lub T.-M., Audino M. In situ phase evolution study in magnetron sputtered tantalum thin films. Thin Solid Films. 2002;420-421:287—294. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(02)00941-0

15. Lin J., Moore J.J., Sproul W.D., Lee S.L., Wang J. Effect of negative substrate bias on the structure and properties of Ta coatings deposited using modulated pulse power magnetron sputtering. IEEE Transactions on Plasma Science. 2010;38(11):3071—3078. https://doi.org/10.1109/TPS.2010.2068316

16. Navid A.A., Hodge A.M. Nanostructured alpha and beta tantalum formation—Relationship between plasma parameters and microstructure. Materials Science and Engineering: A. 2012;536:49—56. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.12.017

17. Myers S., Lin J., Souza R.M., Sproul W.D., Moore J.J. The β to α phase transition of tantalum coatings deposited by modulated pulsed power magnetron sputtering. Surface & Coatings Technology. 2014;214:38—45. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.10.061

18. Fritze S., Hans M., Riekehr L. Osinger B., Lewin E., Schneider J.M., Jansson U. Influence of carbon on microstructure and mechanical properties of magnetron sputtered TaW coatings. Materials and Design. 2020;196:109070. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109070

19. Konuru S.L.K., Umasankar V., Sarma A. Deposition of tungsten—tantalum composite coating on RAFM steel by sputtering deposition process. Fusion Engineering and Design. 2020;160:111972. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2020.111972

20. Konuru S.L.K., Umasankar V., Sarma A. Development and characterisation of W and W—25%Ta composite coatings on steel material. Journal of Surface Science and Technology. 2020;36(3-4):103—108. https://doi.org/10.18311/jsst/2020/20109

21. Emmerlich J., Mráz S., Snyders R., Jiang K., Schneider J.M. The physical reason for the apparently low deposition rate during high-power pulsed magnetron sputtering. Vacuum. 2008;82(8):867—870. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2007.10.011

22. Thornton J.A., Hedgcoth V.L. Tubular hollow cathode sputtering onto substrates of complex shape. Journal of Vacuum Science & Technology. 1975;12: 93—97. https://doi.org/10.1116/1.568631

23. Lozovan A.A., Lenkovets A.S., Ivanov N.A., Alexandrova S.S., Kubatina E.P. System of inverted magnetrons for the formation of multilayer composites on axisymmetric small-sized substrates. Journal of Physics: Conference Series. 2018;1121:012020. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1121/1/012020

24. Lozovan A.A, Betsofen S.Ya., Lenkovets A.S., Grushin I.A., Labutin A.A., Pavlov Yu.S. Research of the effect of bias voltage on the morphology, structure and lattice spacings of the Nb coatings deposited by inverted magnetron. Journal of Physics: Conference Series. 2018;1121:012019. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1121/1/012019

25. Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Качанов Е.Б., Толораия В.Н., Гаврилин О.С. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. М.: Машиностроение, 1997. 336 с.

26. Бецофен С.Я., Лозован А.А., Ленковец А.С., Лабутин А.А., Грушин И.А. Исследование формирования текстуры и остаточных напряжений в магнетронных Mо-, Nb- и Nb/Mo-покрытиях. Металлы. 2021;4:87—98. https://doi.org/10.1134/S0036029521070028