RU2530784C1 - Method of durability assessment for thin protective coatings on materials under high energy effects - Google Patents

Method of durability assessment for thin protective coatings on materials under high energy effects Download PDF

Info

Publication number
RU2530784C1
RU2530784C1 RU2013126202/28A RU2013126202A RU2530784C1 RU 2530784 C1 RU2530784 C1 RU 2530784C1 RU 2013126202/28 A RU2013126202/28 A RU 2013126202/28A RU 2013126202 A RU2013126202 A RU 2013126202A RU 2530784 C1 RU2530784 C1 RU 2530784C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
samples
destruction
reference sample
parameters
coating
Prior art date
Application number
RU2013126202/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Михайлович Башков
Юрий Михайлович Миронов
Павел Андреевич Михалев
Яна Борисовна Волкова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Priority to RU2013126202/28A priority Critical patent/RU2530784C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2530784C1 publication Critical patent/RU2530784C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: measuring instrumentation.
SUBSTANCE: high energy effect is achieved by focused ion beam, and scanning probe microscope with measurement result processing means is used as an instrument for determination of physical destruction parameters in small areas of samples. Destruction of thin protective submicron coatings in the form of grooves made by the focused ion beam is determined by groove depth and/or microrelief along centrelines compared with similar groove parameters of a reference sample. Further, time rate of protective coating destruction is determined for sample and reference sample. Durability of the protective coating in comparison to a reference sample material is deduced by comparing these rates.
EFFECT: developed method of comparative quantitative parametrical assessment of durability of thin submicron protective coatings under corpuscular high energy flows, mainly in vacuum, simulating open space conditions.
5 cl, 4 dwg, 1 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к способу оценки защитных свойств тонких покрытий от поверхностной деградации (разрушения, эрозии, распыления) защищаемых материалов при воздействии на них высокоэнергетических излучений, преимущественно в вакууме.The invention relates to a method for evaluating the protective properties of thin coatings from surface degradation (destruction, erosion, spraying) of protected materials when exposed to high-energy radiation, mainly in vacuum.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время большое внимание уделяется вопросам стойкости материалов внешних конструкций, применяемых в космических аппаратах (КА), к потокам корпускулярных высокоэнергетических излучений в условиях открытого космоса. В условиях открытого космоса материалы КА подвергаются воздействию таких космических факторов, как сверхвысокий вакуум, высокоэнергетические излучения, резкие перепады температуры, микрометеориты и др., которые приводят к снижению эксплуатационного срока как отдельных узлов, так и целого КА. Воздействие факторов космического пространства приводит к разрушению материалов и утрате их физико-механических характеристик, а также к увеличению продуктов газовыделения материалов внешних конструкций КА и соответственно к увеличению плотности собственной внешней атмосферы КА, которая, оседая на оптических элементах КА, вызывает ухудшение оптических характеристик приборов КА.Currently, much attention is paid to the issues of resistance of materials of external structures used in spacecraft (SC) to streams of corpuscular high-energy radiation in open space. In outer space, spacecraft materials are exposed to such cosmic factors as ultrahigh vacuum, high-energy radiation, sudden temperature changes, micrometeorites, etc., which lead to a decrease in the operational life of both individual nodes and the entire spacecraft. The influence of outer space factors leads to the destruction of materials and the loss of their physical and mechanical characteristics, as well as to an increase in the gas evolution products of materials of the spacecraft’s external structures and, accordingly, to an increase in the density of the spacecraft’s own external atmosphere, which, when deposited on the optical elements of the spacecraft, causes a deterioration in the optical characteristics of spacecraft devices .

Среди средств защиты материалов КА от воздействия факторов космического пространства выделяют, помимо подбора специальных материалов, стойких к факторам КП, также создание ионно-модифицированных поверхностных слоев с тонкими покрытиями (пленками) на материалах, применяемых в КА.Among the means of protecting spacecraft materials from the effects of outer space factors, apart from the selection of special materials resistant to KP factors, the creation of ion-modified surface layers with thin coatings (films) on materials used in spacecraft is also distinguished.

Выбор материалов осуществляют по применимости в конструкциях космических аппаратов, используемых в условиях открытого космоса. Отбор основных материалов для применения в КА производят по следующим критериям: - по параметру потери массы рекомендуется применять неметаллические материалы, используемые для внешних конструкций КА, с величиной общей потери массы не более 1,0%. Допускается применение материалов с превышением показателя общей потери массы 1,0% в случае невозможности его замены аналогичными материалами с удовлетворительными показателями.The choice of materials is carried out according to applicability in the design of spacecraft used in open space. The selection of basic materials for use in spacecraft is carried out according to the following criteria: - according to the parameter of mass loss, it is recommended to use non-metallic materials used for external structures of the spacecraft with a total mass loss of not more than 1.0%. It is allowed to use materials with an excess of the total mass loss of 1.0% if it is impossible to replace them with similar materials with satisfactory rates.

Выбор защитных тонких покрытий осуществляют на основе априорных характеристик материалов покрытий по стойкости к факторам космического пространства и их хорошей адгезии к защищаемому материалу. Способы получения и количественных оценок этих характеристик сопряжены с большими трудностями в первую очередь из-за малой микронной, субмикронной или даже наноразмерной толщины этих покрытий.The choice of protective thin coatings is carried out on the basis of the a priori characteristics of the coating materials in terms of resistance to space factors and their good adhesion to the material to be protected. The methods for obtaining and quantifying these characteristics are associated with great difficulties, primarily because of the small micron, submicron, or even nanoscale thickness of these coatings.

Для работы с такими малыми толщинами материалов в настоящее время есть ряд общих методов, среди которых можно в первую очередь выделить:To work with such small thicknesses of materials, there are currently a number of general methods, among which we can primarily distinguish:

- для контролируемых разрушений малых толщин материала - метод фокусированного ионного пучка (ФИП, английский вариант: Focused Ion Beam (FIB) или Focused Particle Beam);- for controlled fractures of small material thicknesses - focused ion beam method (FIP, English version: Focused Ion Beam (FIB) or Focused Particle Beam);

- для исследования и оценки различных характеристик таких материалов - методы сканирующей зондовой (контактной) или электронной (бесконтактной) микроскопии.- for research and evaluation of various characteristics of such materials - scanning probe (contact) or electron (non-contact) microscopy methods.

По использованию ФИП для удаления малых толщин материалов есть достаточно большое количество патентов в области литографии, например патент США 5482802 (МПК G03F 1/00, G03F 9/00, опубл. 09.01.1996) на изобретение «Удаление материала фокусированными пучками частиц» (Material removal with focused particle beams).For the use of FIP to remove small thicknesses of materials, there are a fairly large number of patents in the field of lithography, for example, US patent 5482802 (IPC G03F 1/00, G03F 9/00, published 09.01.1996) for the invention "Removing material by focused particle beams" (Material removal with focused particle beams).

Однако в этих патентах не используют метод сканирующей микроскопии.However, these patents do not use scanning microscopy.

По одновременному использованию ФИП и сканирующей микроскопии (электронной, но не зондовой) обнаружен только 1 патент США 7069155 (МПК G01B 5/00; G03F 1/00; G06K 9/00, опубл. 27.06.2006) на изобретение «Аналитический монитор реального времени для инспекции мягких дефектов на сетке» (Real time analytical monitor for soft defects on reticle during reticle inspection).According to the simultaneous use of FIP and scanning microscopy (electron, but not probe), only 1 US patent 7069155 (IPC G01B 5/00; G03F 1/00; G06K 9/00, published on 06/27/2006) for the invention "Real-time analytical monitor for inspection of soft defects on the grid ”(Real time analytical monitor for soft defects on reticle during reticle inspection).

Однако это изобретение относится к области полупроводниковой техники для химического (а не физического) анализа дефектов фотолитографических сеток.However, this invention relates to the field of semiconductor technology for chemical (rather than physical) analysis of defects in photolithographic grids.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по объекту исследований - защитному покрытию материала, физической направленности задач, последовательности действий и набору существенных признаков можно признать способ по патенту США 4704297 (МПК G01B 11/06; G01N 19/04; G01N 21/94; G01N 21/95; B05D 1/04, опубл. 03.11.1987) «Оценка порошковых покрытий» (Assessing powder coatings), включающий сфокусированное высокоэнергетическое воздействие на малые области двух образцов с покрытием и эталонное (без покрытия) для сравнения и определения параметров деструкции (эрозии) после воздействия. Данный способ предназначен для количественной оценки адгезии покрытия к подложке и оценки толщины самого покрытия. Суть прототипного способа состоит в направлении деструктивного высокоэнергетического воздействия - фокусированной гидроструи под давлением на поверхность покрытия с фиксированного расстояния в течение заданного промежутка времени. Инструментальное средство для сравнительного контроля параметров деструкции образца покрытия материала и второго эталонного образца представлено в виде источника инфракрасного излучения и детектора проходимости этого излучения сквозь области воздействия образцов после деструктивного воздействия. Преимущественно эксперименты проводят с повторами и в герметичном корпусе для исключения влияния факторов внешней среды.The closest analogue (prototype) for the object of research - the protective coating of the material, the physical orientation of the tasks, the sequence of actions and a set of essential features can be recognized as the method according to US patent 4704297 (IPC G01B 11/06; G01N 19/04; G01N 21/94; G01N 21 / 95; B05D 1/04, published 03.11.1987) “Assessing powder coatings”, which includes focused high-energy impact on small areas of two samples with a coating and a reference (without coating) to compare and determine the parameters of destruction (erosion ) after exposure. This method is intended to quantify the adhesion of the coating to the substrate and assess the thickness of the coating itself. The essence of the prototype method is in the direction of the destructive high-energy impact - focused hydrojets under pressure on the surface of the coating from a fixed distance for a given period of time. A tool for comparative control of the destruction parameters of the material coating sample and the second reference sample is presented as an infrared radiation source and a detector for the passage of this radiation through the areas of exposure of the samples after the destructive effect. Mostly experiments are carried out with repetitions and in a sealed enclosure to exclude the influence of environmental factors.

Однако в этом изобретении отсутствует использование метода ФИП и метода сканирующей микроскопии, которые еще практически не применялись в 1980-х гг. Поэтому данный способ не применим для оценки стойкости покрытий с толщинами менее 1 мкм, применяемых в настоящее время в космической отрасли. Поскольку используемое в указанном способе воздействие является достаточно макромасштабным, оно не позволяет достичь оценки субмикроразмерных участков, подвергнутых воздействию. Применение ФИП в качестве воздействующего излучения на покрытие и сканирующей микроскопии в качестве средства анализа позволит устранить эти ограничения и использовать предлагаемый способ для оценки микро- и наноразмерных покрытий.However, in this invention there is no use of the FIP method and the method of scanning microscopy, which were not yet practically used in the 1980s. Therefore, this method is not applicable to assess the resistance of coatings with thicknesses less than 1 μm, currently used in the space industry. Since the effect used in the indicated method is quite large-scale, it does not allow to achieve an estimate of the submicro-sized areas exposed. The use of FIP as the acting radiation on the coating and scanning microscopy as a means of analysis will eliminate these limitations and use the proposed method for evaluating micro- and nanoscale coatings.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задача изобретения - разработка способа сравнительной количественной параметрической оценки стойкости тонких субмикронных защитных покрытий материалов к воздействию корпускулярных высокоэнергетических потоков, преимущественно в условиях вакуума, моделирующих условия космического пространства.The objective of the invention is the development of a method of comparative quantitative parametric assessment of the resistance of thin submicron protective coatings of materials to the effects of corpuscular high-energy flows, mainly in vacuum, simulating the conditions of outer space.

Главным отличием предлагаемого способа от прототипного является одновременное применение в едином технологическом цикле сфокусированного ионного пучка в качестве контролируемого высокоэнергетического микровоздействия на защитные покрытия и материалы и количественной оценки стойкости различных покрытий к воздействию корпускулярного излучения ФИП за счет использования сканирующей зондовой (контактной) микроскопии или профилометрии. Преимущество применения зондового микроскопа по сравнению с прототипом, в котором нет метода определения профиля распыленной области, заключается в высоком разрешении определения глубины канавки, полученной в ходе разрушения (распыления) от воздействия ФИП, таким образом можно выявить глубину канавки с высотой до 1 нм и скоростями разрушения в несколько десятков пикометров в секунду (пм/с).The main difference between the proposed method and the prototype method is the simultaneous use of a focused ion beam in a single technological cycle as a controlled high-energy micro-action on protective coatings and materials and a quantitative assessment of the resistance of various coatings to the effects of FIP corpuscular radiation through the use of scanning probe (contact) microscopy or profilometry. The advantage of using a probe microscope in comparison with a prototype, in which there is no method for determining the profile of the sprayed area, is the high resolution of determining the depth of the groove obtained during the destruction (spraying) from the influence of FIP, thus it is possible to identify the depth of the groove with a height of up to 1 nm and speeds destruction of several tens of picometers per second (pm / s).

Суть предлагаемого способа заключается в сравнении скорости разрушения материала и материала с защитным покрытием при облучении участков поверхностей высокоэнергетическим потоком направленных ионов, преимущественно галлия, и последующем сравнительном анализе этих участков по параметрам глубины образованных от воздействия ФИП канавок и/или рельефов канавок по величинам их средних линий.The essence of the proposed method is to compare the rate of destruction of the material and the material with a protective coating when irradiating surface areas with a high-energy flow of directed ions, mainly gallium, and the subsequent comparative analysis of these areas according to the depth parameters of grooves and / or grooves formed from the influence of FIP according to the values of their middle lines .

Способ оценки стойкости тонких защитных покрытий материалов при высокоэнергетическом воздействии на них включает единый технологический цикл, состоящий из контролируемого фокусированного высокоэнергетического воздействия в течение заданного периода времени на малые области двух сравниваемых образцов: тестовый с покрытием и эталонный, инструментального определения и сравнительного анализа физических параметров разрушений в малых областях образцов в результате воздействия. При этом в качестве воздействия используют фокусированный ионный пучок, в качестве инструментального средства определения физических параметров разрушений в малых областях образцов используют сканирующий зондовый микроскоп со средствами обработки результатов измерений. Разрушение тонких защитных субмикронных покрытий в виде канавок в них от действия фокусированного ионного пучка определяют по параметрам глубины и/или микрорельефа канавок по величинам их средних линий в сравнении с аналогичными параметрами канавок эталонного образца. Далее производят определение скоростей разрушения защитного покрытия и эталонного образца во времени. По сравнению этих скоростей разрушения судят о степени стойкости защитного покрытия в сравнении с материалом эталонного образца.The method for assessing the durability of thin protective coatings of materials under high-energy exposure to them includes a single technological cycle consisting of a controlled focused high-energy exposure over a specified period of time on small areas of two compared samples: test coated and reference, instrumental determination and comparative analysis of the physical parameters of fractures in small areas of the samples as a result of exposure. In this case, a focused ion beam is used as an impact, and a scanning probe microscope with means for processing measurement results is used as a tool for determining the physical parameters of fractures in small areas of samples. The destruction of thin protective submicron coatings in the form of grooves in them from the action of a focused ion beam is determined by the parameters of the depth and / or microrelief of the grooves by the values of their middle lines in comparison with the similar parameters of the grooves of the reference sample. Next, determine the destruction rate of the protective coating and the reference sample in time. Compared to these destruction rates, the degree of resistance of the protective coating is judged in comparison with the material of the reference sample.

Преимущественно в качестве эталонного образца выбирают тот же защищаемый покрытием материал подложки, но уже без покрытия.Advantageously, the same backing material protected by the coating is selected as a reference sample, but already without coating.

В качестве тонких защитных покрытий могут использовать покрытия, полученные осаждением из углеродных, или металлических, или полупроводниковых, или полимерных материалов.As thin protective coatings, coatings obtained by deposition from carbon, or metal, or semiconductor, or polymeric materials can be used.

Могут производить повторные испытания одних и тех же образцов с варьированием контролируемых параметров воздействия фокусированного ионного пучка и времени его воздействия на образцы в одних тех же или в разных малых областях образцов.They can carry out repeated tests of the same samples with varying the controlled parameters of the focused ion beam exposure and the time of its exposure to the samples in the same or in different small areas of the samples.

Преимущественно производят испытания образцов в герметичных условиях вакуума с возможностью моделирования факторов космического пространства.Mostly test samples in sealed vacuum conditions with the possibility of modeling the factors of outer space.

Перечень фигурList of figures

Фиг.1 - внешний вид установки для реализации способа.Figure 1 - external view of the installation for implementing the method.

Фиг.2 - схема расположения покрытия и подложки при воздействии ФИП.Figure 2 - arrangement of the coating and substrate when exposed to FIP.

Фиг.3 - схема сканирования зондом покрытия и подложки с канавками после воздействия ФИП.Figure 3 - scheme of scanning probe coating and substrate with grooves after exposure to FIP.

Фиг.4 - 3D-модель микроскопического рельефа участка поверхности покрытия и подложки с канавками после воздействия ФИП.Figure 4 - 3D model of the microscopic relief of the surface area of the coating and the substrate with grooves after exposure to FIP.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Для осуществления предлагаемого способа необходимо использовать методы ФИП и сканирующей зондовой микроскопии, реализованные в едином технологическом цикле. Для этого был использован литографический нанотехнологический комплекс «Нанофаб-100» производства компании «НТ-МДТ» (Россия, г.Зеленоград МО), в котором есть камера загрузки образцов и предварительного вакуумирования, система транспортировки и перемещения образцов, шлюзования система и рабочие камеры фокусированного ионного пучка и сканирующей зондовой микроскопии. На фиг.1 представлен внешний вид этого комплекса, состоящего из вакуумной системы 1, шлюзовой камеры загрузки образцов материалов 2, шлюзовой камеры загрузки зондовых датчиков 3, транспортной системы перемещения образцов 4, рабочей камеры фокусированного ионного пучка 5 и рабочей камеры сканирующей зондовой микроскопии 6. В состав вакуумной системы входит форвакуумный и ионный насосы, обеспечивающие вакуум 2·10-7 Па. Система перемещения образцов осуществляет точное позиционирование образца под воздействие высокоэнергетического пучка излучения и перемещение образца от камеры загрузки в рабочую камеру.To implement the proposed method, it is necessary to use the methods of FIP and scanning probe microscopy, implemented in a single technological cycle. To do this, we used the Nanofab-100 lithographic nanotechnological complex manufactured by NT-MDT (Russia, Zelenograd MO), which has a chamber for loading samples and preliminary evacuation, a system for transporting and moving samples, locking systems and focused working chambers ion beam and scanning probe microscopy. Figure 1 shows the appearance of this complex, which consists of a vacuum system 1, a lock chamber for loading samples of materials 2, a lock chamber for loading probe sensors 3, a transport system for moving samples 4, a working chamber for a focused ion beam 5, and a working chamber for scanning probe microscopy 6. The vacuum system includes fore-vacuum and ion pumps providing a vacuum of 2 · 10 -7 Pa. The sample transfer system performs precise positioning of the sample under the influence of a high-energy radiation beam and moves the sample from the loading chamber to the working chamber.

Параметры рабочей камеры фокусированного ионного пучка:Parameters of the working chamber of a focused ion beam:

источник ионов ion source GaGa давление в камере chamber pressure ≤1.3×10-9 Па≤1.3 × 10 -9 Pa рабочее давление в камере ФИП FIP operating pressure ≤10-6 Па≤10 -6 Pa энергия ионного пучка ion beam energy 3…30 кВ3 ... 30 kV ионный ток ion current от 1 пА до 40 пА1 pA to 40 pA минимальный размер пятна minimum spot size <10 нм при токе 1 пА<10 nm at a current of 1 pA

Работа установкиInstallation work

В рабочих камерах постоянно поддерживается сверхвысокий вакуум. Загрузку осуществляют через загрузочную камеру, вакуумируют образцы до давления 2·10-7 Па. Образцы с помощью манипуляторов транспортируют в рабочую камеру фокусированного ионного пучка. В режиме высокоэнергетического ионного облучения выбранного участка образца в оптимальном режиме ток эмиссии ионов составляет от 1 пА до 40 нА. Ионы ускоряются до номинальной энергии 30 кэВ. Часть пучка вырезается апертурной диафрагмой и фокусируется электростатическими линзами. Для отклонения пучка и коррекции астигматизма служит дефлектор-стигматор.Ultra-high vacuum is constantly maintained in the working chambers. Loading is carried out through the loading chamber, samples are vacuumized to a pressure of 2 · 10 -7 Pa. Samples using manipulators are transported into the working chamber of a focused ion beam. In the regime of high-energy ion irradiation of the selected portion of the sample in the optimal mode, the ion emission current is from 1 pA to 40 nA. Ions are accelerated to a nominal energy of 30 keV. Part of the beam is cut out by an aperture diaphragm and is focused by electrostatic lenses. To deflect the beam and correct astigmatism, a stigma-deflector is used.

Параметры высокоэнергетического ионного излучения:Parameters of high-energy ion radiation:

энергия ионов Ga+ ion energy Ga + 30 кэВ30 keV время time варьируемоеvariable напряжение на экстракторе extractor voltage 9±0.3 кВ9 ± 0.3 kV напряжение на супрессоре suppressor voltage 1±0.1 кВ1 ± 0.1 kV напряжение на конденсоре capacitor voltage 10 кВ10 kV напряжение на объективе lens voltage 15888±10 В15888 ± 10 V апертура aperture 10 мкм10 microns ток пучка beam current 2 мкА2 μA рабочее давление operating pressure 10-9 мбар10 -9 mbar диаметр пучка beam diameter 10 нм10 nm

При подготовке к сравнительным испытаниям осуществляют выбор двух образцов материала без покрытия и материала с тонким защитным покрытием, которые помещают в вакуумную камеру.In preparation for comparative tests, two samples of uncoated material and a material with a thin protective coating are selected, which are placed in a vacuum chamber.

Для реализации предлагаемого способа в отличие от технологии чистой литографии, для которой изначально предназначен «Нанофаб-100», потребовалось внести ряд существенных изменений и регулировок в исходную работу комплекса, а именно для создания высокоэнергетического воздействия с целью определения стойкости тонких защитных покрытий была осуществлена дополнительная настройка ионной колонны источника для контроля параметров пучка, поскольку оценка стойкости микроразмерных покрытий в результате воздействия требует повторяемости и контролируемости параметров воздействия, а для литографии это практически не требуется. А также в установку был подготовлен и встроен специальный столик для образцов с целью прецизионного контроля их положения при проведении точного сравнительного анализа образцов методом сканирующей зондовой микроскопии после воздействия ФИП. Область воздействия образца имеет микроразмерные параметры, что требует высокой точности позиционирования в отличие от литографии, где воздействие носит групповой характер по площади, что на два порядка больше микроразмерных областей воздействия по предлагаемому способу.To implement the proposed method, in contrast to the technology of pure lithography, for which Nanofab-100 was originally intended, it was necessary to make a number of significant changes and adjustments to the initial operation of the complex, namely, to create a high-energy effect in order to determine the durability of thin protective coatings, an additional adjustment was made the ion column of the source to control the beam parameters, since the assessment of the resistance of micro-dimensional coatings as a result of exposure requires repeatability and troliruemosti parameters of influence, and lithography is practically required. And also, a special table for samples was prepared and built into the unit for the purpose of precise control of their position during accurate comparative analysis of the samples by scanning probe microscopy after exposure to FIP. The area of influence of the sample has microdimensional parameters, which requires high accuracy of positioning in contrast to lithography, where the impact is of a group nature in area, which is two orders of magnitude more than the microdimensional areas of exposure according to the proposed method.

Пример осуществления способаAn example of the method

На фиг.2, 3 представлены схемы воздействия ФИП на образцы и сканирования зондом образцов с канавками после действия ФИП (подложка 7, покрытие 8, ФИП 9, зонд 10), на фиг.4 - 3D-модель микроскопического рельефа участка поверхности покрытия и подложки после воздействия ФИП.Figure 2, 3 shows the scheme of the FIP effect on the samples and scanning with a probe samples with grooves after the FIP action (substrate 7, coating 8, FIP 9, probe 10), figure 4 is a 3D model of the microscopic relief of the coating surface and substrate after exposure to FIP.

В качестве покрытия подложки - пластины кремния был выбран углеродный алмазоподобный материал с толщиной 80 нм. Выбранный материал в качестве покрытия на пластине кремния облучают высокоэнергетическим сфокусированным потоком ионов галлия так, чтобы облучению одновременно подвергались материал покрытия и подложка кремния. Таким образом, воздействие высокоэнергетических корпускулярных ионизированных потоков моделирует фактор открытого космического пространства. Это позволяет облучать материал ионизированными потоками и контролировать скорость разрушения материала. Для создания высокоэнергетического сфокусированного потока ионов галлия используют специальный отдельный источник, представляющий собой конструкцию колонны, включающей блок жидкометаллических источников ионов (ЖМИИ) из галлия, который обеспечивает высокую однородность, интенсивность и управляемость потока, и электронно-магнитную систему линз. При поступлении высокого отрицательного напряжения на вытягивающий электрод ЖМИИ подвергается воздействию электрического поля. Электрическое поле достаточной силы формирует из покрывающего подложку галлия конус Тейлора. Деформация жидкого металла на подложке в конус происходит только после воздействия электрического поля достаточной мощности. После достижения такого критического напряжения формируется конус и начинается эмиссия ФИП. При начале эмиссии происходит повышение тока до значения примерно 200 мкА/кВ приложенного напряжения. На данном этапе плотность тока на поверхности жидкости достигает примерно 108 A на один квадратный сантиметр. Очень маленькое острие (зарождающаяся струя) с радиусом на конце примерно 20 Å выступает из конца конуса. В данной точке зарождения струи происходит ионная эмиссия из-за испарения в электрическом поле. Источник имитирует корпускулярное излучение в диапазоне энергий от 3 до 30 кэВ.A silicon diamond-like material with a thickness of 80 nm was chosen as a coating for the substrate — a silicon wafer. The selected material as a coating on a silicon wafer is irradiated with a high-energy focused flux of gallium ions so that both the coating material and the silicon substrate are irradiated. Thus, the impact of high-energy corpuscular ionized flows simulates the factor of open space. This allows you to irradiate the material with ionized streams and control the rate of destruction of the material. To create a high-energy focused flux of gallium ions, a special separate source is used, which is a column design that includes a block of liquid metal ion sources (LMMI) from gallium, which provides high uniformity, intensity and controllability of the flow, and an electronic magnetic lens system. Upon receipt of a high negative voltage on the extracting electrode, the LMIC is exposed to an electric field. An electric field of sufficient strength forms a Taylor cone from the gallium substrate covering the substrate. The deformation of a liquid metal on a substrate into a cone occurs only after exposure to an electric field of sufficient power. After reaching such a critical voltage, a cone is formed and the emission of the FIP begins. At the beginning of the emission, the current rises to about 200 μA / kV of the applied voltage. At this stage, the current density on the surface of the liquid reaches approximately 10 8 A per square centimeter. A very small tip (incipient stream) with a radius at the end of about 20 Å protrudes from the end of the cone. At this point in the nucleation of the jet, ion emission occurs due to evaporation in an electric field. The source simulates corpuscular radiation in the energy range from 3 to 30 keV.

Воздействию этого высокоэнергетического ионного излучения подвергались образцы исходного материала (пластин кремния) и материала с защитным тонким покрытием (из алмазоподобного углерода) в количестве по три области на каждый образец с размером области воздействия, превышающей размер ионного пучка. Облучению сфокусированным потоком ионов галлия подвергался участок размером до 400 мкм шириной и 400 мкм длиной. После этого образцы передавались в рабочую камеру сканирующей зондовой микроскопии, где производилось сканирование областей после воздействия ФИП (см. фиг.4). В процессе сканирования определялись глубины образовавшихся канавок и параметры шероховатости микрорельефа области воздействия ионов - среднее отклонение профиля. По результатам определения величин глубины и микрорельефа поверхности канавок проводили оценку сравнительной скорости разрушения тонких защитных покрытий при моделирующем воздействии на них высокоэнергетических излучений.This high-energy ion radiation was exposed to samples of the starting material (silicon wafers) and a material with a protective thin coating (diamond-like carbon) in an amount of three regions for each sample with an irradiation area larger than the size of the ion beam. A section of up to 400 μm wide and 400 μm long was irradiated by a focused flux of gallium ions. After that, the samples were transferred to the working chamber of a scanning probe microscopy, where the regions were scanned after exposure to FIP (see Fig. 4). During the scan, the depths of the formed grooves and the roughness parameters of the microrelief of the ion exposure region — the average deviation of the profile — were determined. Based on the results of determining the depth and surface microrelief of the surface of the grooves, we estimated the comparative rate of destruction of thin protective coatings under the simulated effect of high-energy radiation on them.

Подложка кремния выступает в качестве эталонного образца с известной и постоянной скоростью разрушения (распыления, эрозии) и служит для сравнительной оценки скорости разрушения покрытия относительно скорости разрушения подложки. Поскольку кремний является достаточно хорошо изученным материалом в настоящее время в области распыления фокусированным ионным пучком с известными расчетными данными, то применение данного способа для оценки различных тонких защитных покрытий, в том числе композиционных, в сравнении с известными данными по кремнию может характеризовать материал покрытия на стойкость к воздействию корпускулярных высокоэнергетических потоков.The silicon substrate acts as a reference sample with a known and constant rate of destruction (sputtering, erosion) and serves to comparatively evaluate the rate of destruction of the coating relative to the rate of destruction of the substrate. Since silicon is a fairly well-studied material at present in the field of sputtering by a focused ion beam with known calculated data, the use of this method for evaluating various thin protective coatings, including composite ones, in comparison with known data on silicon can characterize the coating material for resistance to the effects of corpuscular high-energy flows.

В приведенном примере характер распыления под воздействием ионного пучка как материала подложки (кремний), так и материала покрытия (алмазоподобный углерод) оказался таковым, что облученная поверхность имеет минимальную шероховатость поверхности рельефа (см. фиг.4, отдельные высокие столбики на 3D-модели - это единичные сбои в работе зондового микроскопа, которые не следует принимать в расчет). Поэтому в данном случае для оценки скорости распыления материала определялись глубины канавок (см. таблица 1). Возможны случаи, когда характер распыления материала таков, что поверхность рельефа дна канавок после воздействия будет иметь очень большую шероховатость. Например, это характерно для полимерных материалов. В таком случае для определения скорости распыления материала потребуется статистическая обработка данных о топологии поверхности, подвергнутой ионному воздействию, с целью определения средней глубины распыления.In the given example, the character of sputtering under the influence of an ion beam of both the substrate material (silicon) and the coating material (diamond-like carbon) turned out to be such that the irradiated surface has a minimum roughness of the relief surface (see Fig. 4, individual high columns in the 3D model these are single failures in the operation of the probe microscope, which should not be taken into account). Therefore, in this case, to assess the spraying speed of the material, the depths of the grooves were determined (see table 1). There are cases when the nature of the spraying of the material is such that the surface relief of the bottom of the grooves after exposure will have a very large roughness. For example, this is characteristic of polymeric materials. In this case, to determine the spraying speed of the material, statistical processing of data on the topology of the surface exposed to ionic exposure will be required in order to determine the average spraying depth.

Для приведенного примера получены результаты, позволяющие говорить о более высокой стойкости покрытия к ионному воздействию в сравнении со стойкостью монокристаллического кремния. Так, скорость распыления подложки кремния (от 40 до 53 пм/с) оказалась от 2 до 2,5 раз выше, чем скорость распыления материала покрытия (от 15 до 26 пм/с), что свидетельствует о достаточно высокой стойкости и потенциальной применимости покрытия для материалов, используемых на аппаратах в открытом космосе.For the given example, the results obtained suggesting a higher resistance of the coating to ionic effects in comparison with the resistance of single-crystal silicon. Thus, the sputtering rate of the silicon substrate (from 40 to 53 pm / s) was 2 to 2.5 times higher than the spraying rate of the coating material (from 15 to 26 pm / s), which indicates a sufficiently high resistance and potential applicability of the coating for materials used on spacecraft.

Таблица 1Table 1 № областиArea number Ток ФИП, пАFIP current, pA Зона воздействия, мкмZone of influence, microns Общее время воздействия ФИП, сThe total time of exposure to FIP, s Глубина распыленного материала в зоне воздействия ФИП, нмDepth of sprayed material in the zone of influence of FIP, nm Скорость распыления, пм/сSpraying speed, pm / s расчетная для подложкиcalculated for the substrate реальная для подложкиreal for the substrate реальная для покрытияreal to cover подложкиthe substrate покрытияcoverings 1one 46,546.5 10×3010 × 30 325325 15,3815.38 1313 55 4040 15fifteen 22 47,347.3 661661 31,8231.82 3131 11eleven 4747 1717 33 47,047.0 13211321 63,1963.19 7070 3535 5353 2626

В результате предлагаемый способ может применяться для оценки стойкости защитных покрытий с толщиной менее 1 мкм и обладает высокой степенью воспроизводимости результатов за счет точного задания параметров фокусированного воздействия и сканирующей зондовой микроскопии.As a result, the proposed method can be used to assess the resistance of protective coatings with a thickness of less than 1 μm and has a high degree of reproducibility of the results due to the precise setting of the parameters of the focused action and scanning probe microscopy.

Claims (5)

1. Способ оценки стойкости тонких защитных покрытий материалов при высокоэнергетическом воздействии на них, заключающийся в едином технологическом цикле, состоящем из контролируемого фокусированного высокоэнергетического воздействия в течение заданного периода времени на малые области двух сравниваемых образцов: тестовый с покрытием и эталонный, инструментального определения и сравнительного анализа физических параметров разрушений в малых областях образцов в результате воздействия, отличающийся тем, что в качестве воздействия используют фокусированный ионный пучок, в качестве инструментального средства определения физических параметров разрушений в малых областях образцов используют сканирующий зондовый микроскоп со средствами обработки результатов измерений, разрушение тонких защитных субмикронных покрытий в виде канавок в них от действия фокусированного ионного пучка определяют по параметрам глубины и/или микрорельефа канавок по величинам их средних линий в сравнении с аналогичными параметрами канавок эталонного образца; далее производят определение скоростей разрушения защитного покрытия и эталонного образца во времени, по сравнению этих скоростей разрушения судят о степени стойкости защитного покрытия в сравнении с материалом эталонного образца.1. A method for assessing the resistance of thin protective coatings of materials under high-energy exposure to them, consisting in a single technological cycle consisting of a controlled focused high-energy exposure over a specified period of time on small areas of two compared samples: test coated and reference, instrumental determination and comparative analysis physical parameters of damage in small areas of the samples as a result of exposure, characterized in that as the impact and use a focused ion beam, as a tool for determining the physical parameters of destruction in small areas of the samples, use a scanning probe microscope with means for processing measurement results, the destruction of thin protective submicron coatings in the form of grooves in them from the action of the focused ion beam is determined by the parameters of depth and / or microrelief grooves according to the values of their midlines in comparison with similar parameters of the grooves of the reference sample; Further, the destruction rates of the protective coating and the reference sample are determined in time, compared with these destruction rates, the degree of resistance of the protective coating is judged in comparison with the material of the reference sample. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве эталонного образца выбирают тот же защищаемый покрытием материал подложки, но уже без покрытия.2. The method according to claim 1, characterized in that as the reference sample, the same substrate material protected by the coating is selected, but already without coating. 3. Способ по п.1 или п.2, отличающийся тем, что в качестве тонких защитных покрытий используют покрытия, полученные осаждением из углеродных, или металлических, или полупроводниковых, или полимерных материалов.3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the coatings obtained by deposition from carbon, or metal, or semiconductor, or polymeric materials are used as thin protective coatings. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят повторные испытания одних и тех же образцов с варьированием контролируемых параметров воздействия фокусированного ионного пучка и времени его воздействия на образцы в одних тех же или в разных малых областях образцов.4. The method according to claim 1, characterized in that repeated tests of the same samples are performed with varying the controlled parameters of the focused ion beam exposure and the time of its exposure to the samples in the same or in different small areas of the samples. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят испытания образцов в герметичных условиях вакуума с возможностью моделирования факторов космического пространства. 5. The method according to claim 1, characterized in that the test samples in sealed vacuum conditions with the possibility of modeling space factors.
RU2013126202/28A 2013-06-07 2013-06-07 Method of durability assessment for thin protective coatings on materials under high energy effects RU2530784C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013126202/28A RU2530784C1 (en) 2013-06-07 2013-06-07 Method of durability assessment for thin protective coatings on materials under high energy effects

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013126202/28A RU2530784C1 (en) 2013-06-07 2013-06-07 Method of durability assessment for thin protective coatings on materials under high energy effects

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2530784C1 true RU2530784C1 (en) 2014-10-10

Family

ID=53381777

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013126202/28A RU2530784C1 (en) 2013-06-07 2013-06-07 Method of durability assessment for thin protective coatings on materials under high energy effects

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2530784C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4704297A (en) * 1984-05-08 1987-11-03 National Research Development Corporation Assessing powder coatings
US20040154744A1 (en) * 2003-01-20 2004-08-12 Takashi Kaito Method and system for surface or cross-sectional processing and observation
JP2004245660A (en) * 2003-02-13 2004-09-02 Seiko Instruments Inc Manufacture of chip sample, and method and system for observing wall surface of the same
US20080142711A1 (en) * 2006-12-14 2008-06-19 Credence Systems Corporation Methods and systems of performing device failure analysis, electrical characterization and physical characterization

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4704297A (en) * 1984-05-08 1987-11-03 National Research Development Corporation Assessing powder coatings
US20040154744A1 (en) * 2003-01-20 2004-08-12 Takashi Kaito Method and system for surface or cross-sectional processing and observation
JP2004245660A (en) * 2003-02-13 2004-09-02 Seiko Instruments Inc Manufacture of chip sample, and method and system for observing wall surface of the same
US20080142711A1 (en) * 2006-12-14 2008-06-19 Credence Systems Corporation Methods and systems of performing device failure analysis, electrical characterization and physical characterization

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI631343B (en) Methods and devices for examining an electrically charged specimen surface
CN104303257B (en) Preparation of sections for tem observation
US10600615B2 (en) Enhanced FIB-SEM systems for large-volume 3D imaging
JP4730875B2 (en) Proximity deposition method and system
US9202665B2 (en) Charged particle beam apparatus for removing charges developed on a region of a sample
US9318303B2 (en) Charged particle beam apparatus
WO2011151116A1 (en) A method for determining the performance of a photolithographic mask
US8815474B2 (en) Photomask defect correcting method and device
US8257887B2 (en) Photomask defect correcting method and device
US9245713B2 (en) Charged particle beam apparatus
US6603120B2 (en) Test method of mask for electron-beam exposure and method of electron-beam exposure
EP3207555B1 (en) Apparatus for determining, using, and indicating ion beam working properties
Schnitzler et al. Focusing a deterministic single-ion beam
WO2011058950A1 (en) Sample observation method using electron beams and electron microscope
RU2530784C1 (en) Method of durability assessment for thin protective coatings on materials under high energy effects
JPH08313244A (en) Method of measuring thickness of thin film
JP4238072B2 (en) Charged particle beam equipment
JP2001272363A (en) Surface analyzing method for high resistance sample and analyzer
TWI842136B (en) High resolution, low energy electron microscope for providing topography information and method of mask inspection
KR20090120636A (en) A method for thickness measurement of polymer resin insulating film on the bonding wire
Sangwan et al. Characterizing voltage contrast in photoelectron emission microscopy
JP2014149921A (en) Ion beam device, and sample observation method
WO2023048958A1 (en) Fib delayering endpoint detection by monitoring sputtered materials using rga
TW202335022A (en) High resolution, low energy electron microscope for providing topography information and method of mask inspection
TW202411790A (en) Training a model to generate predictive data

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190608