Аналіз існуючих моделей виникнення напружень в тонких плівках і покриттях

Abstract

Проведено аналіз існуючих моделей виникнення напружень у тонких плівках і покриттях. Напруження при досягненні певних критичних значень можуть призводити до появи в них дефектів, тріщин, відшарування їх від підкладки тощо. Проблема прогнозування і керування знаком і величиною напружень системи покриття-підкладка є актуальною незалежно від методу отримання покриттів і тонких плівок, які знайшли застосування майже у всіх галузях промисловості: оптиці, машинобудуванні, вимірювальній техніці, медицині, мікро- та наноелектроніці тощо. Дослідження нових перспективних методів формування наноструктур, наприклад отримання нанодротів в умовах плазмового середовища, потребує наявності достатньої теоретичної бази при вирішенні питань зародження й розвинення напружень. Причинами виникнення напружень у тонких плівках і покриттях можуть бути: хімічні реакції, фазові перетворення, включення і домішки, бомбардування частинками (внутрішні напруження в процесі зростання покриттів); зміна температур (термічні напруження внаслідок різних значень коефіцієнтів термічного розширення матеріалів покриттів і підкладки, можуть розвиватися після завершення процесу напилювання і охолодження системи покриття-підкладка); деформація системи покриття-підкладка тощо. Моделі виникнення напружень можна умовно поділити на такі групи: напруження, що виникають на межі поділу покриття-підкладка, в середині покриття, та на межі поділу покриття-навколишнє середовище. В роботі також наведено методики вимірювання напружень у тонких плівках і покриттях. За одержаними результатами можна зробити висновок, що існуючі моделі виникнення напружень як в процесі зростання покриттів і плівок, так і напружень, що виникають під дією зовнішніх сил, на жаль, не дозволяють зрозуміти їх комплексного впливу на напружено-деформований стан системи покриття-підкладка та потребують подальшого розвитку і уточнення. Важливими також є питання релаксації напружень для отримання нових структур і певних властивостей покриттів. Розроблення інструментів керування напруженнями можна розглядати як один із шляхів підвищення ресурсу виробів з покриттями й тонкими плівками.

The analysis of existing models of stress in thin films and coatings was carried out. While reaching critical value, stress can lead to defects, cracks, delamination of coating from substrate, etc. The task of prediction and controlling of the direction and magnitude of the stress of coating-substrate system is relevant nowadays regardless of coating and thin films deposition methods. Different types of coatings and thin films are widely used in almost all industries: optics, mechanical engineering, measuring technology, medicine, micro- and nanoelectronics, etc. Development and investigation of new promising methods for the formation of nanostructures, such as nanowires in a plasma environment, requires a sufficient theoretical basis for the origin and growing of stresses. Depending on the mechanism, the causes of stress in thin films and coatings can be: chemical reactions, phase transformations, inclusions and impurities, particle bombardment (the cause of internal stress during coating growing); temperature changes (the cause of thermal stress due to different values of coefficients of thermal expansion of coating and substrate materials); deformation of coating-substrate system, etc. Models of stress development in coatings and thin films can be divided into the following groups: stress that occur at the coating-substrate interface, internal coating stress, and stress at the coating-environment interface. The study presents methods of stress measuring in thin films and coatings. Based on the results of the current research, it can be concluded that the existing models of stress in the process of growth of coatings and films, as well as stress arising under the action of external forces, describe only the causes of the stress and unfortunately do not give an understanding of their complex effect on stress-strain state of coating-substrate system and need further development and improvement. Stress relaxation is also important to obtain new structures and certain properties of coatings. The development of stress management tools can be considered as one of the ways to increase the lifetime of products with coatings and thin films.