Tenké vrstvy Sn-Cu-O a Sn-Cu-N vytvářené magnetronovým naprašováním

Abstract

Tato disertační práce se zabývá problematikou tenkých vrstev Sn-Cu-O a Sn-Cu-N připravených metodou reaktivního magnetronového naprašování. Hlavní pozornost byla věnována nalezení korelací mezi depozičními parametry, prvkovým složením připravených vrstev, jejich strukturou a následně vlastnostmi. Po provedení přehledu literatury a zhodnocení současného stavu problematiky ve druhé kapitole, jsou ve třetí kapitole definovány cíle této disertační práce. Následně je ve čtvrté kapitole podrobně popsána metodologie provedených experimentů a analýz. Hlavní pátá kapitola předložené práce sestává z pěti vzájemně souvisejících studií, které dávají odpovědi na otázky související s cíli práce stanovenými ve třetí kapitole. V první studii byly připraveny vrstvy Sn-Cu-O s různým obsahem mědi (<11 at. %), které byly složeny z fází SnO2 a amorfního CuO. Bylo zjištěno, že vrstvy Sn-Cu-O připravené na plovoucím potenciálu (Us = Ufl) a při Ts = 500 °C vykazují vyšší krystalinitu a vyšší hodnoty mechanických vlastností (nejvyšší hodnoty: H = 19,4 GPa, E* = 197 GPa, We = 64,9 % a H/E* = 0,110) oproti vrstvám připraveným při Ts = RT (nejvyšší hodnoty: H = 15,1 GPa, E* = 160 GPa, We = 59,4 % a H/E* = 0,097). Nejvyšší hodnoty tvrdosti lze přičítat struktuře vrstev, tedy optimální velikosti zrn 10 nm a určitý vliv může mít i tlakové pnutí (nejvyšší 1,06 GPa). Koeficient tření u vrstev osciluje v poměrně širokém rozsahu ~0,5-1, a to při Ts = RT i při Ts = 500 °C. Nejnižší hodnoty koeficientu tření ~0,5 vykazují vrstvy Sn-Cu-O s nízkým obsahem Cu (<0,4 at. %). Koeficient tření klesá s nárůstem tvrdosti H a efektivního Youngova modulu E*. Hodnoty otěru vrstev Sn-Cu-O jsou velmi nízké, ~1e-7 mm3/Nm, v případě několika vrstev vyšší, ale nikdy nepřekročily 1e-6 mm3/Nm. Vrstvy Sn-Cu-O jsou transparentní s nejnižší elektrickou rezistivitou 1e-4 Ohmm a tomu odpovídajícím extinkčním koeficientem 1e-4 (při vlnové délce 550 nm). Nižší rezistivitu obecně vykazují vrstvy Sn-Cu-O deponované při Ts = RT. Zvyšování parciálního tlaku kyslíku pO2 vede k nárůstu rezistivity, přičemž vrstvy Sn-Cu-O obsahující střední a vysoký obsah Cu (0,6 at. %) deponované při parciálním tlaku kyslíku pO2 > 0,4 Pa jsou elektricky nevodivé. Ve druhé studii byly vrstvy Sn-Cu-O připravovány s použitím různého předpětí na substrát Us. Bylo ukázáno, že s použitím předpětí na substrát -200 V bylo dosaženo nejvyšších hodnot mechanických vlastností (H = 23,9 GPa, E* = 189 GPa, We = 73,8 %, H/E* = 0,127) a nízké hodnoty koeficientu tření 0,58. Ve třetí studii byla zkoumána odolnost vrstev Sn-Cu-O vůči vzniku trhlin. Bylo zjištěno, že použitím výhřevu substrátu na Ts = 500 °C, předpětí Us, či jejich vzájemnou kombinací lze docílit elastické vratnosti We > 63 % a poměru tvrdosti a efektivního Youngova modulu H/E* > 0,1, kdy vrstvy Sn-Cu-O/Al vykazují zvýšenou odolnost vůči vzniku trhlin při ohybovém testu. Tato odolnost je silně spjata s nanokrystalinitou vrstev, kdy se velikost zrn ve vrstvách pohybuje kolem 10 nm. Čtvrtá studie se zabývá vlivem podmínek při tribologickém testu na hodnoty koeficientu tření a otěru u vrstev Sn-Cu-O. Byl zjištěn významný vliv použité tribologické kuličky, zátěže, teploty i vlhkosti na výsledné hodnoty koeficientu tření a otěru. V páté studii byly připraveny vrstvy Sn-Cu-N s různým obsahem mědi. Bylo zjištěno, že vrstvy Sn-Cu-N připravené při Ts = RT jsou amorfní, vrstvy připravené při Ts = 500 °C mají složitou strukturu. Nejvyšší tvrdosti 14,1 GPa a efektivního Youngova modulu 153 GPa bylo dosaženo při Ts = 500 °C, Us = Ufl a pN2 = 0,8 Pa, a tato vrstva rovněž vykazovala nejnižší hodnotu koeficientu tření je 0,37. Vrstvy Sn-Cu-N připravené při Ts = 500 °C byly elektricky vodivé (3,4e-5-3,4e-6 Ohmm) a při Ts = RT elektricky nevodivé.