Assessment of the influence of ion treatment on the value of residual mechanical stresses in Al2O3/Si

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The study results of the effect of the ion treatment time of an Al2O3 thin–film coating formed on a silicon substrate on the magnitude of residual stresses in the film-substrate interface are presented. Ion etching of the film is carried out by a Penning ion source with argon ions. The interrelation between the substrate shape and the level of mechanical stresses after processing the Al2O3 coating with an ion source is shown for the first time. The negative effect of processing the dielectric Al2O3 coating with a high-energy argon ion flow on the appearance of the film is shown.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. V. Sidorova

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-3002-1246

Cand. of Sci. (Tech), Docent

Russian Federation, Moscow

A. D. Kouptsov

Bauman Moscow State Technical University

Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0002-3997-9722

Postgraduate

Russian Federation, Moscow

O. V. Novikova

National Research University "MIET"

Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0002-7549-7309

Student

Russian Federation, Zelenograd

I. V. Kushnarev

National Research University "MIET"

Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0000-8241-0553

Student

Russian Federation, Zelenograd

A. A. Epikhin

National Research University "MIET"

Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0009-0008-1620-8283

Director

Russian Federation, Zelenograd

E. E. Gusev

National Research University "MIET"

Email: sidorova@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2819-2599

Head of Laboratory

Russian Federation, Zelenograd

References

  1. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1984.
  2. Берлин Е.В., Коваль Н.Н., Сейдман Л.А. Плазменная химико-термическая обработка поверхности стальных деталей. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2012. 464 c.
  3. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. М.: Радио и связь, 1986.
  4. Рыкалин Н.Н., Зуев И.В., Углов А.А. Основы электронно-лучевой обработки материалов. М.: Машиностроение, 1978.
  5. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник. М.: Машиностроение, 1985.
  6. Грибков В.А., Григорьев Ф.И., Калин Б.А. Якушин В.П. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки материалов. М.: Издательский дом "Круглый стол", 2001. 527 c.
  7. Криштал М.М. и др. Повышение износостойкости и коррозионной стойкости оксидных слоев, формируемых микродуговым оксидированием на алюминиево-кремниевых и магниевых сплавах, 2016.
  8. Darband G.B. et al. Science and engineering of superhydrophobic surfaces: review of corrosion resistance, chemical and mechanical stability // Arabian Journal of Chemistry. 2020. Vol. 13. No. 1. PP. 1763–1802.
  9. Ерзунов К.А. и др. Получение наноразмерных цинксодержащих полифункциональных покрытий на текстильных материалах // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. 2023. Т. 66. № 9. С. 89–95.
  10. Cloutier M., Mantovani D., Rosei F. Antibacterial coatings: challenges, perspectives, and opportunities // Trends in biotechnology. 2015. Vol. 33. No. 11. PP. 637–652.
  11. Савич В.А. Наноструктурированные защитные покрытия с гидрофобными свойствами, 2016.
  12. Mirmohseni A., Rastgar M., Olad A. Preparation of PANI–CuZnO ternary nanocomposite and investigation of its effects on polyurethane coatings antibacterial, antistatic, and mechanical properties // Journal of Nanostructure in Chemistry. 2018. Vol. 8. PP. 473–481.
  13. Рузиев К.А. Принципы исследования оптических материалов для использования в лазерных системах // Science and innovation. 2024. Vol. 3. No. 36. PP. 527–531.
  14. Михайлов В.И. Получение и физико-химические свойства материалов на основе нанодисперсных оксидов алюминия и железа (III): автореф. дисс. Сыктывкар, 2016.
  15. Moore E.A., Smart L.E. Optical properties of solids // Solid State Chemistry. CRC Press, 2020. PP. 283–314.
  16. Bharti B. et al. Formation of oxygen vacancies and Ti3 + state in TiO2 thin film and enhanced optical properties by air plasma treatment // Scientific reports. 2016. Vol. 6. No. 1. P. 32355.
  17. Joshi K. et al. Band gap widening and narrowing in Cu-doped ZnO thin films // Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 680. PP. 252–258.
  18. Треушников В.М., Викторова Е.А. Основы создания биосовместимых и биостойких полимерных имплантатов (обзор) // Современные технологии в медицине. 2015. Т. 7. № 3. С. 149–171.
  19. Yang Z. et al. A critical review on thin-film nanocomposite membranes with interlayered structure: mechanisms, recent developments, and environmental applications // Environmental science & technology. 2020. Vol. 54. No. 24. PP. 15563–15583.
  20. Hah D. et al. Mechanically tunable optical filters with a microring resonator // Applied Optics. 2011. Vol. 50. No. 22. PP. 4320–4327.
  21. Li H. et al. Silicon waveguide integrated with germanium photodetector for a photonic-integrated FBG interrogator // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. No. 9. P. 1683.
  22. Yao J.Z. et al. Micromachined low-loss microwave switches, IEEE J. MEMS. 1999. Vol. 8. PP. 129–134.
  23. Li M., Ling J., He Y. et al. Lithium niobate photonic-crystal electro-optic modulator. Nat Commun 11. 2020. Vol. 4123. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17950-7
  24. Аникин В.И., Житков П.М. Оптический волновод на основе структуры Si-SiO2. ЖТФ, 1990. Т. 16. Вып. 9. С. 89–93.
  25. Дудчик Ю.И., Комаров Ф.Ф., Константинов Я.А. Излучательные потери в тонкопленочных гамма-волноводах. ЖТФ. 1992. Т. 62. Вып. 8. С. 110–116.
  26. Selvaraja S.K., Sethi P. Review on optical waveguides // Emerging Waveguide Technology. 2018. Vol. 95. P. 458.
  27. Гилев Д.Г., Салгаева У.О., Волынцев А.Б. Моделирование распространения оптического излучения в приподнятом и гребенчатом волноводах на подложке из LiNbO3.
  28. Воропаев К.О. и др. Полосковые оптические волноводы на основе тонких пленок Si3N4 c решеточными элементами ввода-вывода излучения // Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 2017. № 7 (105). С. 4–8.
  29. Павельев В.С., Саноян А.Г., Котляр В.В. Интегральная оптика [Электронный ресурс]: электрон. учеб. псобие. М-во образования и науки РФ, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т).
  30. Сосунов А.В. и др. Влияние структуры приповерхностного слоя ниобата лития на характеристики оптических волноводов // Кристаллография. 2020. Т. 65. № 5. С. 818–823.
  31. Купцов А.Д., Сидорова С.В. Морфология подложки и пленки как способ влияния на остаточное напряжение структуры // Будущее машиностроения России 2022. 2023. С. 368–370.
  32. Бобрович О.Г., Ташлыков И.С., Тульев В.В. Влияние параметров ионно-ассистируемого осаждения на формирование Ме/si-структур // Труды БГТУ. 2014. № 6 (170). Серия 3. Физико-математические науки и информатика.
  33. Терещук О.И. и др. Ионное ассистирование при нанесении вакуумно-плазменных электродуговых покрытий на эндопротезы, 2016.
  34. Kaufman H.R., Harper J.M.E. Ion-assist applications of broad-beam ion sources // Advances in Thin Film Coatings for Optical Applications. International Society for Optics and Photonics, 2004. Vol. 5527. PP. 50–68.
  35. Лучкин А.Г., Лучкин Г.С. Очистка поверхности подложек для нанесения покрытий вакуумно-плазменными методами // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 15. С. 208-210.
  36. Галяутдинов Р.Т., Елхин М.В., Кашапов Н.Ф. Аномальный тлеющий разряд в вакууме в процессе изготовления высокоотражающих стоматологических зеркал. Казань. 2010. Вестник КГТУ. № 2. С. 335–339.
  37. Luchkin G.S., Galyautdinov R.T., Kashapov N.F. Formation of protective coatings for aluminium mirrors by magnetron sputtering. Welding International. 2003. Vol. 17 (8). PP. 655–658.
  38. Nikolaev I.V. et al. The Influence of Argon Cluster Ion Bombardment on the Characteristics of AlN Films on Glass-Ceramics and Si Substrates // Nanomaterials. 2022. Vol. 12. No. 4. P. 670.
  39. Егорова С.И., Купцов А.Д., Сидорова С.В. Влияние режимов ионной обработки на шероховатость металлических поверхностей // Вакуумная техника, материалы и технология. 2022. PP. 140–145.
  40. Фельде А.А., Мальцев В.С., Сидорова С.В. Влияние ионно-плазменной обработки на характеристики эластичного сегнетоэлектрического датчика температуры. 2024. Тезисы XVIII международной научно-технической конференции "Вакуумная техника, материалы и технология". 106 c.
  41. Ремнев Г.Е., Тарбоков В.А., Павлов С.К. Модифицирование материалов при воздействии мощных ионных пучков. Физика и химия обработки материалов. 2021. № 2. С. 5–26. https://doi.org/10.30791/0015-3214-2021-2-5-26
  42. Vlcak P. et al. Influence of surface pre-treatment with mechanical polishing, chemical, electrochemical and ion sputter etching on the surface properties, corrosion resistance and MG-63 cell colonization of commercially pure titanium // Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 115. P. 111065.
  43. Babushkin A., Selyukov R., Amirov I. Effect of Ar ion-plasma treatment on residual stress in thin Cr films // International Conference on Micro-and Nano-Electronics 2018. SPIE. 2019. Vol. 11022. PP. 542–549.
  44. Сидорова С.В., Купцов А.Д., Новикова О.В., Кушнарев И.В., Епихин А.А., Гусев Е.Э. Оценка влияния толщины покрытия на величину остаточных механических напряжений в Al2O3/Si. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 6. С. 372–381. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.6.372.381
  45. Stoney G.S. Proc. Royal Soc. Ser. A. 1990. Vol. 82. NA553. PP. 172–175.
  46. Технология тонких пленок: Справочник / Под ред. Л. Майселла, Р.Глэнга. Т. 1. М.: Сов. радио, 1977.
  47. Купцов А.Д., Сидорова С.В. Оценка неравномерности толщины тонкопленочных покрытий, сформированных методом магнетронного распыления. Вакуумная техника, материалы и технология: Тезисы XVIII международной научно-технической конференции, Москва, ЦВК "Экспоцентр", 09–11 апреля 2024 года. М.: ООО "Электровакуумные технологии", 2024. С. 90.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig.1. Intra-chamber equipment: a – substrate holder; b – magnetron

Download (354KB)
Indexing metadata
3. Fig.2. The technological route for measuring mechanical stresses of the structure: a – initial substrate before the technological cycle; b – final cleaning with an ion beam; c – deposition of an aluminum oxide coating; d – ion treatment of an aluminum oxide coating with argon; e, f – measurements of the structure with an optical profilometer

Download (117KB)
Indexing metadata
4. Fig.3. The introduced curvature of the surface of the Al2O3 film surface: a – before ion treatment, b – after ion treatment for b - 120 and c – 600 s

Download (136KB)
Indexing metadata
5. Fig.4. Dependence of the level of mechanical stresses of the film-substrate system on the time of ion treatment of the coating

Download (82KB)
Indexing metadata
6. Fig.5. Concave silicon substrates with Al2O3 films of 150 nm (a, c) and 430 nm (b, d) thickness before (a, b) and after (c, d) ion beam treatment for 600 s

Download (171KB)
Indexing metadata
7. Fig.6. Convex silicon substrates with Al2O3 films of 150 nm (a, c) and 430 nm (b, d) thickness before (a, b) and after (c, d) the ion beam treatment process for 600 s

Download (152KB)
Indexing metadata
8. Fig.7. Dependence of the level of mechanical stresses of the film-substrate system on the shape of the initial substrate (convex/concave) with a processing time of a – 0 s; b – 120 s; c – 600 s

Download (193KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Sidorova S.V., Kouptsov A.D., Novikova O.V., Kushnarev I.V., Epikhin A.A., Gusev E.E.