Диагностика процесса распыления и исследование структуры покрытий оксинитридов титана, осажденных методом реактивного магнетронного распыления
|
Введение 11
1. Теоретическая часть 14
1.1 Биоматериалы и покрытия на основе оксинитридов титана 14
1.2 Метод реактивного магнетронного распыления 16
1.3 Метод определения состава и режима распыления 18
1.4 Диагностика плазмы двойным зондом Ленгмюра 21
1.5 Влияние подложки на рост пленки 23
1.6 Измерение толщины покрытия методом эллипсометрии 25
2. Описание установки магнетронного распыления 27
2.1 Установка импульсного магнетронного осаждения “УВН-200МИ” 28
2.2 Диагностика плазмы магнетронного разряда. Эмиссионная оптическая
спектроскопия 31
2.3 Двойной зонд Ленгмюра 33
2.4 Измерение температуры подложки термопарой 34
2.5 Измерение толщины покрытия спектральным эллипсометром 35
2.6 Методы структурного анализа 36
3. Результаты диагностических исследований плазмы и их обсуждение ... 37
3.1 Определение состава плазмы и режима распыления методом ОЭС 37
3.2 Исследование зависимости температуры подложки от времени 45
3.3 Измерение параметров плазмы двойным зондом Ленгмюра 47
3.3.1 Усреднение исходной вольтамперной характеристики 47
3.3.2 Характеристики плазмы 50
3.4 Измерение толщины покрытий на подложке из кремния 52
3.5 Структура и основные физико -механические характеристики
осажденных покрытий оксидов и оксинитридов титана 53
Заключение 65
Список литературы 67
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 70
Введение 70
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 70
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 70
4.1.2 Технология QuaD 71
4.1.3 SWOT-анализ 73
4.2 Планирование научно -исследовательских работ 77
4.3 Определение трудоемкости выполнения работы 80
4.4 Разработка графика проведения научного исследования 80
4.5 Бюджет научно -технического исследования 84
Вывод 89
5. Социальная ответственность 93
Введение 93
5.1 Техногенная безопасность 93
5.1.1 Микроклимат 94
5.1.2 Электромагнитное излучение 95
5.1.3 Шум 97
5.1.4 Освещенность 98
5.1.5 Электробезопасность 101
5.1.6 Пожаровзрывоопасность 104
5.2 Организационные мероприятия обеспечения безопасности 107
5.3 Охрана окружающей среды 108
5.4 Особенности законодательного регулирования проектных решений ... 108
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 110
Вывод 112
1. Theoretical part. 114
1.1 Biomaterials and coatings based on titanium oxynitrides 114
1.2 Magnetron sputtering technology 116
1.3 Method of determining plasma composition and sputtering mode 118
1.4 Langmuir double probe diagnostic of plasma 120
1.5 Impact of substrate on growth of film 122
1.6 Measurement of film thickness by using ellipsometry 124
1. Теоретическая часть 14
1.1 Биоматериалы и покрытия на основе оксинитридов титана 14
1.2 Метод реактивного магнетронного распыления 16
1.3 Метод определения состава и режима распыления 18
1.4 Диагностика плазмы двойным зондом Ленгмюра 21
1.5 Влияние подложки на рост пленки 23
1.6 Измерение толщины покрытия методом эллипсометрии 25
2. Описание установки магнетронного распыления 27
2.1 Установка импульсного магнетронного осаждения “УВН-200МИ” 28
2.2 Диагностика плазмы магнетронного разряда. Эмиссионная оптическая
спектроскопия 31
2.3 Двойной зонд Ленгмюра 33
2.4 Измерение температуры подложки термопарой 34
2.5 Измерение толщины покрытия спектральным эллипсометром 35
2.6 Методы структурного анализа 36
3. Результаты диагностических исследований плазмы и их обсуждение ... 37
3.1 Определение состава плазмы и режима распыления методом ОЭС 37
3.2 Исследование зависимости температуры подложки от времени 45
3.3 Измерение параметров плазмы двойным зондом Ленгмюра 47
3.3.1 Усреднение исходной вольтамперной характеристики 47
3.3.2 Характеристики плазмы 50
3.4 Измерение толщины покрытий на подложке из кремния 52
3.5 Структура и основные физико -механические характеристики
осажденных покрытий оксидов и оксинитридов титана 53
Заключение 65
Список литературы 67
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 70
Введение 70
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 70
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 70
4.1.2 Технология QuaD 71
4.1.3 SWOT-анализ 73
4.2 Планирование научно -исследовательских работ 77
4.3 Определение трудоемкости выполнения работы 80
4.4 Разработка графика проведения научного исследования 80
4.5 Бюджет научно -технического исследования 84
Вывод 89
5. Социальная ответственность 93
Введение 93
5.1 Техногенная безопасность 93
5.1.1 Микроклимат 94
5.1.2 Электромагнитное излучение 95
5.1.3 Шум 97
5.1.4 Освещенность 98
5.1.5 Электробезопасность 101
5.1.6 Пожаровзрывоопасность 104
5.2 Организационные мероприятия обеспечения безопасности 107
5.3 Охрана окружающей среды 108
5.4 Особенности законодательного регулирования проектных решений ... 108
5.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 110
Вывод 112
1. Theoretical part. 114
1.1 Biomaterials and coatings based on titanium oxynitrides 114
1.2 Magnetron sputtering technology 116
1.3 Method of determining plasma composition and sputtering mode 118
1.4 Langmuir double probe diagnostic of plasma 120
1.5 Impact of substrate on growth of film 122
1.6 Measurement of film thickness by using ellipsometry 124
Проблема биосовместимости материалов, применяемых в имплантологии, является одной из актуальных проблем медицинского материаловедения. По результатам современных исследований, взаимодействие между имплантатом и организмом носит характер агрессии. Имплантат вторгается в организм, а организм его принимает как инородное тело и пытается ударить его из тела. В связи с этим существует насущная необходимость в нанесении на материалы медицинских имплантатов биосовместимых покрытий, обладающих свойствами бионейтральности или биоактивности, которые при введении в человеческий организм не только не ухудшает его деятельность, а наоборот, стимулируют процессы регенерации тканей.
На сегодняшний день биосовместимые покрытия на основе оксидных материалов широко используются в области медицины благодаря своим уникальным свойствам. По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы разделяются на 3 подгруппы: биотолерантные, биоинертные и биоактивные. Титан и его сплавы относятся к биоинертным. Нанесение покрытий на основе титана и оксинитридов титана на медицинские имплантатыв настоящее время служит хорошим вариантом для решения проблемы их биосовместимости. Например, покрытия на основе оксинитридов титана используются в сосудистой хирургии, в качестве покрытий на стенты и способны улучшить антитромбогенные свойства сердечно -сосудистых имплантатов. [1]
Существует много методов нанесения покрытия на имплантаты: метод термического испарения, метод дугового распыления, метод магнетронного распыления, и химические, например золь -гель метод и др.[2] С учетом требований к биосовместимым покрытиям широко используется метод реактивного магнетронного распыления, который имеет следующие преимущества: позволяет контролировать роста покрытий, избежать от перегрева подложки и загрязнения пленки большой степени, и позволяет получить равномерные по толщине пленки на большой площади подложки.
В случае нанесения покрытий методом магнетронного распыления состояние полученных покрытий прямо связано с плазмой разряда, при этом для создания покрытий с заданными свойствами необходимо провести диагностику плазмы при различных режимах распыления. Это позволит контролировать параметры получаемых покрытий, как следствие прогнозировать параметры покрытий до их нанесения.
В модели магнетронного распыления для плазмы определенного состава ее состояние определяется, главным образом, температурой и концентрацией электронов, и на эти 2 параметра оказывают влияние мощность разряда, давление газа, плотность тока разряда, смещение и др. Кроме этого, температура подложки, ее состав и степень частоты тоже влияют на процесс осаждения покрытия и ее качество.
Спектральный состав плазмы позволяет получить метод оптической эмиссионной спектрометрии (ОЭС) для определения состава плазмы и зондовый метод Ленгмюра для определения температуры и концентрации электронов.
После отработки модели распылительной системы, необходимо убедиться в целостности и отлаженности модели распыления. Для этого при моделированных режимах напыления были получены пленки с ожидаемыми свойствами и проведено их физико-механическое испытание.
После получения покрытий на подложке следует исследовать их возможность применения. При этом необходимо исследовать структуру полученных покрытий, чтобы выбрать оптимальные режимы распыления.
В связи с вышеизложенным может быть сформулирована основная задача исследований. Диагностика плазмы магнетронного разряда, отработка режимов напыления оксинитридных покрытий титана и исследование основных физико-механических характеристик покрытий. Данные о параметрах плазмы могут быть использованы для дальнейшего построения модели импульсного реактивного магнетронного разряда при изменяемых параметрах напыления.
На сегодняшний день биосовместимые покрытия на основе оксидных материалов широко используются в области медицины благодаря своим уникальным свойствам. По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы разделяются на 3 подгруппы: биотолерантные, биоинертные и биоактивные. Титан и его сплавы относятся к биоинертным. Нанесение покрытий на основе титана и оксинитридов титана на медицинские имплантатыв настоящее время служит хорошим вариантом для решения проблемы их биосовместимости. Например, покрытия на основе оксинитридов титана используются в сосудистой хирургии, в качестве покрытий на стенты и способны улучшить антитромбогенные свойства сердечно -сосудистых имплантатов. [1]
Существует много методов нанесения покрытия на имплантаты: метод термического испарения, метод дугового распыления, метод магнетронного распыления, и химические, например золь -гель метод и др.[2] С учетом требований к биосовместимым покрытиям широко используется метод реактивного магнетронного распыления, который имеет следующие преимущества: позволяет контролировать роста покрытий, избежать от перегрева подложки и загрязнения пленки большой степени, и позволяет получить равномерные по толщине пленки на большой площади подложки.
В случае нанесения покрытий методом магнетронного распыления состояние полученных покрытий прямо связано с плазмой разряда, при этом для создания покрытий с заданными свойствами необходимо провести диагностику плазмы при различных режимах распыления. Это позволит контролировать параметры получаемых покрытий, как следствие прогнозировать параметры покрытий до их нанесения.
В модели магнетронного распыления для плазмы определенного состава ее состояние определяется, главным образом, температурой и концентрацией электронов, и на эти 2 параметра оказывают влияние мощность разряда, давление газа, плотность тока разряда, смещение и др. Кроме этого, температура подложки, ее состав и степень частоты тоже влияют на процесс осаждения покрытия и ее качество.
Спектральный состав плазмы позволяет получить метод оптической эмиссионной спектрометрии (ОЭС) для определения состава плазмы и зондовый метод Ленгмюра для определения температуры и концентрации электронов.
После отработки модели распылительной системы, необходимо убедиться в целостности и отлаженности модели распыления. Для этого при моделированных режимах напыления были получены пленки с ожидаемыми свойствами и проведено их физико-механическое испытание.
После получения покрытий на подложке следует исследовать их возможность применения. При этом необходимо исследовать структуру полученных покрытий, чтобы выбрать оптимальные режимы распыления.
В связи с вышеизложенным может быть сформулирована основная задача исследований. Диагностика плазмы магнетронного разряда, отработка режимов напыления оксинитридных покрытий титана и исследование основных физико-механических характеристик покрытий. Данные о параметрах плазмы могут быть использованы для дальнейшего построения модели импульсного реактивного магнетронного разряда при изменяемых параметрах напыления.
В выполненной работе методом ОЭС определены характерные линии элементов: аргона (Ar) с длиной волны 750,4, 763,5 и 810,4 нм; кислорода (O2) 524, 558, 595, 777 и 848 нм; азота (N2) 336,9 и 357,5 нм. Были определены точки перехода распыления: из металлического в оксидный при значении объемного расхода кислорода 4.6мл/мин, из металлического в нитридный при значении объемного расхода азота 4.7мл/мин.
Методом зонда Ленгмюра была исследована зависимость параметров плазмы магнетронного разряда от мощности разряда и состава реактивной газовой смеси при распылении титановой мишени. Значения температуры электронов Te находятся в интервале 3.5эВ - 5.7эВ, концентрация ионов nil 0.25 - 2.4x10 м- . Рост мощности разряда приводит к увеличению концентрации ионов и уменьшению температуры электронов, с увеличением мощности от 300Вт до 1000Вт, ni при металлическом режиме увеличивается от 0.65x10 м- до 2.4x10 м- . При реактиыных режимах концентрация ионов ниже, чем при металлическом, а температура электронов выше, ni при металлическом режиме и мощности 1000Вт на 1x10 м- выше, чем при оксидном режиме. Соотношение парциальных давлений реактивных газов не оказывает существенного влияния на параметры плазмы.
Результаты измерения температуры подложки показал, что с ростом времени распыления температура подложки увеличивается, наивысшая температура наблюдается в случае распыления в кислороде при мощности 1.2кВт, равная 87.10С; увеличение мощности разряда приводит к повышению температуры подложки; состав газовой смеси оказывает влияние на температуру подложки.
По результатам измерения толщины покрытий можно сделать заключения: приложение отрицательного смещения к подложке оказывает влияние на толщину покрытий; увеличение мощности разряда приводит к увеличению толщины толщина пленки; добавление азота не оказывает заметного влияния на толщину; наивысшая скорость распыления наблюдается в случае TiON 1-1, Р=1.2кВт, исм=-100В, и составляет 3,84нм/мин.
Результаты исследования топографий покрытий и структурного анализа показали, что рост парциального давления азота приводит к: 1) измельчению структурных элементов покрытий от 115нм для TiO2 до 28нм для TiON 1-3; изменению формы зерен от сферичечкой для TiO2 до стержнеподобной для TiON 1-3; 3) изменению фазового состава покрытий, объемная доля фазы рутила увеличивается от 38% для TiO2 до 68% для TiON 1-3.
По результатам исследования полученные покрытия могут быть отнесены к классу нанокомпозитных материалов с улучшенными физико -механическими свойствами, такими как высокая твёрдость (Н > 40 ГПа), упругое восстановление (We > 70 %).
Методом зонда Ленгмюра была исследована зависимость параметров плазмы магнетронного разряда от мощности разряда и состава реактивной газовой смеси при распылении титановой мишени. Значения температуры электронов Te находятся в интервале 3.5эВ - 5.7эВ, концентрация ионов nil 0.25 - 2.4x10 м- . Рост мощности разряда приводит к увеличению концентрации ионов и уменьшению температуры электронов, с увеличением мощности от 300Вт до 1000Вт, ni при металлическом режиме увеличивается от 0.65x10 м- до 2.4x10 м- . При реактиыных режимах концентрация ионов ниже, чем при металлическом, а температура электронов выше, ni при металлическом режиме и мощности 1000Вт на 1x10 м- выше, чем при оксидном режиме. Соотношение парциальных давлений реактивных газов не оказывает существенного влияния на параметры плазмы.
Результаты измерения температуры подложки показал, что с ростом времени распыления температура подложки увеличивается, наивысшая температура наблюдается в случае распыления в кислороде при мощности 1.2кВт, равная 87.10С; увеличение мощности разряда приводит к повышению температуры подложки; состав газовой смеси оказывает влияние на температуру подложки.
По результатам измерения толщины покрытий можно сделать заключения: приложение отрицательного смещения к подложке оказывает влияние на толщину покрытий; увеличение мощности разряда приводит к увеличению толщины толщина пленки; добавление азота не оказывает заметного влияния на толщину; наивысшая скорость распыления наблюдается в случае TiON 1-1, Р=1.2кВт, исм=-100В, и составляет 3,84нм/мин.
Результаты исследования топографий покрытий и структурного анализа показали, что рост парциального давления азота приводит к: 1) измельчению структурных элементов покрытий от 115нм для TiO2 до 28нм для TiON 1-3; изменению формы зерен от сферичечкой для TiO2 до стержнеподобной для TiON 1-3; 3) изменению фазового состава покрытий, объемная доля фазы рутила увеличивается от 38% для TiO2 до 68% для TiON 1-3.
По результатам исследования полученные покрытия могут быть отнесены к классу нанокомпозитных материалов с улучшенными физико -механическими свойствами, такими как высокая твёрдость (Н > 40 ГПа), упругое восстановление (We > 70 %).