книги / Эволюция представлений о структурных зонах поликристаллических наноструктурированных плёнок, формируемых методами вакуумных технологий

Для формирования поликристаллической пленки TiN методом электродугового испарения необходимо сочетать оптимальные и стабильные технологические параметры; температурный интервал и скорость нагрева пленки в процессе ее осаждения, необходимых для последовательного протекания всех стадий формирования. В случае отклонения указанных характеристик от оптимальных формируется глобулярная, ячеистая либо неупорядоченная столбчатая структура.

В разработанной объединенной модели для пленки TiN, формируемой методом электродугового испарения при высокоскоростном нагреве подложки и переменном напряжении смещения на подложке в процессе осаждения пленки (рис. 3.15, б), были использованы три оси с температурными и технологическими характеристиками: Тп,

Vнагр.п и Uсм.

Рис. 3.15. Модель структурных зон (2010 г.). Метод осаждения пленки TiN – электродуговое испарение. Переменный технологический параметр – напряжение смещения

121

3.2.2.Пример построения модели структурных зон

взависимости от содержания азота в газовой смеси и температурных условий формирования пленки

На основании морфологических исследований при небольшом увеличении установлено, что пленки TiN, сформированные электродуговым испарением при изменении содержания азота в газовой смеси, имеют различную шероховатость поверхности. Результаты элек- тронно-микроскопических исследований поверхности пленок при большем увеличении позволили установить, следующее:

1. Шероховатость поверхности пленок, сформированных при различном содержании азота в газовой смеси, значительно изменяет-

ся (рис. 3.16).

а

б

в

г

Рис. 3.16. Морфология пленок TiN, сформированных электродуговым испарением при различном содержании азота в газовой смеси, %:

а – 30; б – 50; в – 70; г – 90

122

2.Причиной максимальной шероховатости поверхности пленки

сосновной гексагональной фазой TiN0,3, полученной в газовой смеси

смаксимальным содержанием аргона (70 %), послужили эрозия пленки при распылении ее поверхности и образуемые дефекты в виде нарушения сплошности на границе раздела зерен (рис. 3.17, а), растрескивания (рис. 3.17, б) и выкрашивания (рис. 3.17, в) зерен, зернограничного разрушения пленки (рис. 3.17, г) вследствие интенсивной ионной бомбардировки.

а

б

в

г

Рис. 3.17. Морфология пленки TiN, сформированной при максимальном содержании аргона (70 %) в газовой смеси, с поверхностными дефектами: а – нарушением сплошности на границе раздела зерен; растрескиванием (б) и выкрашиванием (в) зерен; г – зернограничным разрушением пленки, max зерно 4,5×29,0 мкм

3. Механизм формирования и процесс структурообразования пленки с основной гексагональной TiN0,3 либо кубической TiN фаз различен.

123

Процесс структурообразования пленки с основной гексагональной фазой TiN0,3 и стадии ее формирования при содержа-

нии азота 30 %. Формирование поликристаллической пленки в условиях интенсивной ионной бомбардировки, в области самых низких температур 625…660 К и минимальной скорости нагрева 1,6 К/мин пленки связано с обязательной последовательностью следующих стадий:

•формирование глобул (рис. 3.18, а);

•объединение глобул (рис. 3.18, б, в) с текстурированием поверхности в конечном итоге;

• формирования 3D образований с зернистой структурой

(рис. 3.18, г);

•огрубление поверхности 3D образований с зернистой структу-

рой (рис. 3.18, д);

•зародышеобразование поликристаллической составляющей пленки (рис. 3.18, е);

•наноструктурирование поликристаллической составляющей пленки (рис. 3.18, ж) с последующим их объединением в микросистемы с некогерентными границами (рис. 3.18, з);

•образование конических текстур <111> на поверхности 3D образований с пластинчатой структурой (рис. 3.18, и);

•формирование сплошной крупнозернистой пленки (рис. 3.18, к)

сзернами пластинчатого строения (рис. 3.18, л).

Сплошным пленкам TiN, сформированным при различном содержании азота, также свойственна характерная особенность ионноплазменных пленок – своеобразный «недостаток» материала для заполнения пустот, вызванный частичной или полной потерей синхронности формирования и приводящий к потере сплошности, значит, и когерентности (рис. 3.18, м).

124

а б

в

г

д

е

Рис. 3.18. Морфология пленки с основной гексагональной фазой TiN0,3 на различных стадиях: а – глобулярная (размер глобул до 9,0 мкм); б – объединение глобул с максимальным размером 7,5 мкм в образования протяженностью до l = 14,0 мкм; в – объединение глобул в островки с глобулярной структурой размером до 17,0 мкм; г – формирование 3D образований с зернистой подструктурой; д – дальнейшее огрубление их поверхности ( 12,0 мкм и 9,0 мкм соответственно); е – формирование зародышей поликристаллической составляющей пленки в виде усеченных пирамид с размером верхнего основания 120 250 нм; ж – формирование 3D образований ( 4,0 мкм) с пластинчатой структурой и сохранением когерентности границ; з – срастание 3D образований (в микросистемы ( 9,0 мкм) с пластинчатой структурой, некогерентными границами и нарушением сплошности; и – образование поверхностных конических текстур <111> в результате наноструктурирования поликристаллической составляющей пленки ( 4,3 мкм); к) формирование сплошной крупнозернистой пленки с пластинчатым строением зерен (л); м – несплошность («недостаток») материала пленки (30 % азота в газовой смеси)

(см. также с. 126)

125

ж

з

и

к

л

м

Рис. 3.18. Окончание

126

Процесс структурообразования пленки с основной кубической фазой TiN и стадии ее формирования при содержании азота

50, 70, 90 %. На основании исследования морфологических особенностей поверхности пленок установлено, что, несмотря на различное соотношение объемных долей фаз в пленке, в случае, если основной фазой является кубическая, стадии формирования пленок TiN идентичны.

Глобулярная стадия, при протекании которой в пленке полностью отсутствует какая-либо направленность граничных областей в пространстве. В области низких температур до 625 К в условиях ограниченного смачивания поверхности подложки формируются сферические глобулы с минимальной площадью контакта глобулы с подложкой (рис. 3.19, а). Несмотря на то, что уменьшение содержания аргона в газовой смеси приводит к уменьшению плотности ионов и их подвижности, увеличение содержания азота способствует росту скорости нагрева пленки и возникновению вандерваальсовых сил, способствующих процессу смачивания поверхности подложки и формированию уплощенных глобулярных структур с площадью контакта, равному диаметру глобулы (рис. 3.19, б, в). Глобулы с минимальной высотой и диаметром формируются при содержании азота в газовой смеси 90 %.

а

б

в

Рис. 3.19. Морфология пленки TiN на глобулярной стадии: а – 50 % N2,

1,0 мкм; б – 70 % N2, 1,2 мкм; в – 90 % N2, 1,2 мкм

127

Стадия формирования 2D островковых образований с глобу-

лярной подструктурой. При достижении температуры пленки 650 К на поверхности подложки формируются 2D островковые образования, размер которых при развитии стадии увеличивается. Форма данных образований с течением времени без изменения температуры пленки изменяется до неравномерных по высоте 3D образований с глобулярной подструктурой и более мелкими образованиями на поверхности (рис. 3.20).

а

б

в

Рис. 3.20. Морфология пленки TiN на стадии формирования 2D образований с глобулярной подструктурой: а – 50 % N2, 10,0 мкм;

б – 70 % N2, 16,5 мкм; в – 90 % N2, 11,0 мкм

Стадия первичного упорядочения глобулярной структуры –

структурный переход от глобулярной к зернистой подструктуре

(рис. 3.21).

а

б

в

Рис. 3.21. Морфология пленки TiN на стадии первичного упорядочения 2D образований с глобулярной подструктурой: а – 50 % N2,

18,5 мкм; б – 70 % N2, 16,5 мкм; в – 90 % N2, 3,3 мкм

128

Переход от глобулярной структуры, в которой отсутствует какая-либо направленность граничных областей в пространстве к зернистой структуре. На поверхности пленки формируются 3D образования в направлении, перпендикулярном поверхности подложки (рис. 3.22). Комплексное увеличение температуры пленки и скорости протекания плазмохимических реакций за счет роста скорости ее нагрева и содержания азота в газовой смеси соответственно способствует упорядочению зернистой структуры. Минимальный диаметр и высота 3D образований с упорядоченной зернистой структурой соответствуют пленке, сформированной при содержании азота в газовой смеси 90 % (рис. 3.22, в).

аб

в

Рис. 3.22. Морфология пленки TiN на стадии формирования 3D образований с зернистой подструктурой:

а– 50 % N2, 3,5 мкм, Н = 500 нм; б – 70 % N2,3,0 мкм; в– 90 % N2, 720…2,5 мкм, 3,3 мкм

129

Стадия срастания 3D образований с зернистой структурой.

Увеличение продолжительности формирования пленки приводит к срастанию глобул с зернистой структурой в объединения различной конфигурации: при минимальных скоростях нагрева пленки

Vнагр.п = 1,9 К/мин – в 3D образования и уплощенные островки с зернистой структурой (рис. 3.23, а), Vнагр.п = 2,2 К/мин – в объединения 3D образований с зернистой структурой и первичным упорядочени-

ем их поверхности (рис. 3.23, б), при максимальном увеличении со-

держания азота в газовой смеси до 90 %, Vнагр.п до 3,7 К/мин и Тп до 725 К – в объединения 3D образований с зернистой структурой с псевдогранями {100} на поверхности (рис. 3.23, в).

а

б

в

Рис. 3.23. Морфология пленки TiN на стадии срастания глобул с зернистой структурой в объединения: а – 50 % N2, 2,7 мкм; б – 70 % N2, объединения протяженностью l = 2,5 мкм из глобул с 1,0 и 1,5 мкм; в – 90 % N2, объединения протяженностью l = 5,0 мкм из глобул 3,0 и 2,0 мкм

Стадия зарождения поликристаллической составляющей пленки с основной кубической фазой (111)TiN. Протекает в интервале температур 650…670 К при скорости нагрева пленки 2,2…3,7 К/мин. Максимальная температура и скорость нагрева пленки способствуют многократному увеличению количества зародышей и уменьшению диаметра кристаллита. Поликристаллические образования в виде затравочных кристаллитов с гранями {100}, однонаправленные по отношению к подложке и равномерно распределенные по ней, зарож-

130