RTG DIFRAKČNÍ ANALÝZA TENKÝCH POLYKRYSTALICKÝCH VRSTEV

M. Dopita

Univerzita Karlova, Matematicko-fyzikální fakulta, 121 16 Praha 2, Ke Karlovu 5

Tenké polykrystalické vrstvy hrají v dnešní době, díky svým specifickým chemickým, mechanickým, optickým i fyzikálním vlastnostem, nezastupitelnou roli v celé řadě technických oborů. Jako příklady lze vyjmenovat jejich užití v elektronice a elektrotechnice, kde jsou využívány jako nejrůznější typy elektronických součástek, polovodičů, čipů, paměťových médií apod.

Předmětem zájmu našeho studia byly tenké vrstvy nitridu titanu. Tyto jsou specifické zejména kvůli svým mechanickým a chemickým vlastnostem, jako například: nízká chemická afinita – odolnost proti oxidaci, vysoká mechanická pevnost, tvrdost, vysoká otěruvzdornost, nízký koeficient tření. Je nutné poznamenat, že tenké vrstvy nitridu titanu si tyto výhodné vlastnosti uchovávají i při relativně vysokých teplotách, což je přímo předurčuje, v kombinaci s bulkovými materiály vysoké houževnatosti a pevnosti, jako krycí vrstvy nejrůznějších řezných nástrojů, obráběcích nožů, vrtáků, atd. Za zmínku také stojí jejich využití, vzhledem k příznivým optickým i výše jmenovaným vlastnostem, a v neposlední řadě také relativně nízkým výrobním nákladům, v designérství a estetické i funkční povrchové úpravě.

Modifikací výrobního procesu – změnou výrobních podmínek, lze strukturní a mikrostrukturní vlastnosti (velikost krystalitů, preferenční orientace krystalitů, stechiometrie, velikost mřížového parametru, přítomnost zbytkových napětí) a s nimi spjaté vlastnosti mechanické (tvrdost, pevnost, otěruvzdornost) ovlivňovat a také zásadně měnit.

Studovaným materiálem jsou tenké vrstvy nitridu titanu nanesené na podložce vyrobené z hexagonálního karbidu wolframu. Pro tyto vrstvy, tloušťky řádově několika mikrometrů, se rentgenová difrakce, vzhledem k penetrační schopnosti rentgenového záření, jeví jako jedna z mála vhodných metod studia.

Vzorky byly charakterizované pomocí rentgenové difrakce v několika rozlišných geometrických uspořádáních. Na práškovém difraktometru Seifert XRD 7, osazeném rentgenovou lampou s měděnou anodou byla provedena měření pomocí konvenčního Braggova-Brentanova uspořádání. Stejný difraktometr, ovšem s kvaziparalelní optikou, byl použit pro měření při konstantním úhlu dopadu g (glancing angle X-ray diffraction). Následně byla provedena měření na difraktometru Philips, vybaveném měděnou lampou a goniometrickou hlavičkou s možností změny úhlu y (psi-goniometr). Data získaná měřením na prvním jmenovaném goniometru byla užita ke kvalitativní fázové analýze, byly určeny parametry reálné struktury substrátu, dále byly u kubického nitridu titanu určeny texturní indexy. Pomocí Cohenova-Wagnerova grafu byly stanoveny extrapolované mřížové parametry, z Wiliamsonova-Hallova grafu určeny velikosti koherentně difraktujících oblastí a mikrodeformace. Data získaná z měření při malém konstantním úhlu dopadu, jejichž výhodou je, že hloubka průniku primárního záření nezávisí na difrakčním úhlu, avšak je citlivá vůči úhlu dopadu primárního svazku, tudíž získané informace, difraktované příslušnými krystalografickými rovinami {hkl}, ukloněnými o úhel y = 2q - g vůči normále k povrchu vzorku, pocházejí vždy ze stejné hloubky materiálu, byla užita k určení zbytkového mechanického napětí, metodou sin²y.

Zbytkové mechanické napětí (residual stress) je jednou z veličin, která má na vlastnosti tenkých vrstev zásadní vliv, a leží v popředí zájmu našeho studia. Grafy závislosti a_y^hkl vs. sin²y vykazují vějířovitý rozptyl mřížových parametrů, jehož původ se zřejmě odvíjí od silné krystalové anizotropie tenké vrstvy. Tato relativně rychlá a spolehlivá metoda určování zbytkového napětí, z jednoho jediného asymetrického difrakčního záznamu, tudíž není pro naše vzorky příliš vhodná, a výsledky její pomocí obdržené, lze považovat za pouze orientační první přiblížení.

K přesnějšímu určení zbytkového mechanického napětí, přítomného ve vyšetřovaných vzorcích, byla použita data získaná z měření na y-goniometru. Tento typ difraktometru umožňuje měřit příslušné reflexe {hkl} pro různé hodnoty úhlu y, a z naměřených dat konstruovat funkční závislosti a počítat napětí i pro jednotlivé reflexe {hkl}. Tímto způsobem lze ověřit vhodnost a platnost různých metod a modelů užívaných pro určování napětí pomocí rentgenové difrakce.

Vztah mezi mechanickým napětím, a deformací je zprostředkován pomocí tzv. mechanických elastických konstant s₁^mech a s₂^mech , které se pro polykrystalický vzorek, sestávající z elasticky anizotropních krystalitů, obecně liší od tzv. difrakčních elastických konstant s₁^hkl a s₂^hkl. Pro výpočet těchto konstant, z monokrystalických elastických konstant, existuje několik modelů, jež se navzájem liší předpoklady interakce zrn ve vzorku. Mezi nejužívanější modely patří model Voigtův, Reussův, Neerfeldův-Hillův a Eshelbyův-Kroenerův. Vhodnost a platnost jednotlivých modelů je v této práci diskutována. Metody užité v této studii k určení zbytkového makroskopického napětí přítomného ve vzorcích, lze principiálně rozdělit do dvou skupin: 1.) Metody založené na difrakčních elastických konstantách – jedná se zde o tři metody: a.) klasická sin²y metoda, b.) f(y) metoda – metoda skupiny krystalitů a c.) tzv. G - metoda. 2.) Metody založené na mechanických elastických konstantách – zde byly opět užity tři metody: a.) metoda „přímého řešení“, b.) modifikovaná sin²y metoda, c.) modifikovaná G - metoda. Principy, výhody i nevýhody, požadavky a výsledky jednotlivých metod jsou v této práci shrnuty, porovnány a diskutovány.

Literatura:

[1] I. C. Noyan, J. B. Cohen: Residual Stress, Springer Verlag, Berlin, 1987.

[2] R. Kužel, R. Černý, V. Valvoda, M. Blomberg and M. Merisalo: Complex XRD microstructural studies of hard coatings applied to PVD-deposited TiN films, Part I. Problems and methods, Thin Solid Films, 247, 1994, 64-78.

[3] R. Kužel, R. Černý, V. Valvoda, M. Blomberg, M. Merisalo, S. Kadlec: Complex XRD microstructural studies of hard coatings applied to PVD-deposited TiN films, Part II. Transition from porous to compact films and microstructural inhomogenity of layers, Thin Solid Films, 268, 1995, 72-82.

[4] D. Rafaja, V. Valvoda, R. Kužel, A.J. Perry, J.R. Treglio: XRD characterization of ion-implanted TiN coatings, Surf. Coat. Technol., 86-87, 1996, 302-308.

[5] I. Kraus, V. V. Trofimov: Rentgenová tenzometrie, Academia, Praha 1988.

[6] J. D. Kamminga: Origin and Measurement of Stresses in Thin Layers, PhD thesis

[7] A. Saerens, P. Van Houtte, B. Meert and C. Quaeyhaegens: Assessment of different X-ray stress measuring techniques for thin titanium nitride coatings, J. Appl. Cryst., 33, 2000, 312-322