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

V – уменьшение разориентации между зернами (ОКР) текстуры, наноструктурирование кристаллитов и формирование сплошной поликристаллической пленки с гомогенной (однородной) структурой в направлении формирования.

При невыполнении вышеуказанных температурных характеристик скорость протекания стадий осаждаемой пленки уменьшается. При быстропротекающем процессе нагрева подложки и минимальных температурных характеристиках за 30 мин процесс осаждения пленки ограничивается лишь глобулярной стадией. В условиях значительного уменьшения скорости нагрева подложки и повышения начальной температуры пленки до 670 К стабилизируется структура подложки, увеличивается скорость протекания стадий и в конечном итоге процесс структурообразования пленки со столбчатой структурой смещается в область более низких температур.

Было выявлено, что помимо скорости нагрева подложки и начальной температуры пленки на процесс ее структурообразования в большей степени оказывает влияние скорость ее нагрева в процессе осаждения. Доказательством служит тот факт, что в области температур (0,16…0,18)Тпл, соответствующей зоне 1 модели Торнтона, даже при средней скорости нагрева подложки 25 К/мин, минимальной допустимой для формирования поликристаллической пленки начальной температуре пленки 670 К максимальная скорость нагрева пленки способствует упорядочению процесса зародышеобразования за счет увеличения количества зародышей; уменьшению диаметра первичных кристаллитов до 5 нм; ограничению их укрупнения в процессе объединения и геометрического отбора; стабилизации процесса структурообразования поликристаллической пленки; изменению фазового и химического состава, появлению преимущественной кристаллографической ориентации формируемой пленки.

Установлена роль ионной очистки в процессе формирования упорядоченных сплошных поликристаллических наноструктурированных пленок на основе Ti-Al-N в зоне 1 модели Торнтона при

104

гомологической температуре (не выше 0,2Тпл), начальной температуре пленки 670 К и термической подготовке подложки со скоростью не ниже 25 К/мин. Несмотря на то, что известно, что структура многокомпонентных пленок не может быть однозначно предсказана на основе МСЗ, хорошо себя зарекомендовавшей для однофазных пленок, сложно даже установить основной параметр Tо/Tпл (То – температура подложки в процессе осаждения, Tпл – температура плавления материала пленки), определяющий поверхностную подвижность осаждаемых частиц материала, в рассмотренном примере вероятность формирования сплошной пленки в низкотемпературной зоне 1 модели Торнтона основана на стабилизации структуры подложки, активизации поверхности подложки, упорядочении структуры пленки и ускорении процесса структурообразования пленки за счет уменьшения скорости проведения термической обработки подложки перед осаждением пленки [5]. При особых требованиях к чистоте упрочняемой поверхности продолжительный нагрев поверхности подложки в процессе ионной очистки должен быть заменен на способы, не ухудшающие качества ее поверхности.

Авторами [12–21] выявлено, что включение в действие различных релаксационных процессов при изменении температуры подложки приводит к тому, что вся температурная область превращения разбивается на ряд участков и возникает целый спектр превращений, различающихся по степени релаксации, а поэтому по кинетике

иморфологии. Превращениям, протекающим при больших отклонениях от равновесия, соответствует более упорядоченная морфология

иболее быстрая кинетика.

Вразработанной объединенной структурной модели для пленки Ti-Al-N, формируемой методом электродугового испарения при различной скорости нагрева подложки и напряжении смещения на подложке при осаждении пленки (рис. 3.6), были использованы три оси с температурными и технологическими характеристиками: tнагр.подл,

Тнач.п и Vнагр.п.

105

3.2. Пример построения модели структурных зон при высокоскоростной термической подготовке подложки

в зависимости от технологических и температурных условий формирования пленки

За основу при изучении структурных изменений в пленках в низкотемпературной зоне 1 модели Торнтона ((0,1…0,23)Тпл) для электродугового испарения с высокоскоростным нагревом подложки (5 мин) был положен термодинамически-технологический подход. Температурный интервал экспериментов соответствовал минимальному интервалу гомологической температуры (Тг), максимальное значение которой не превышало 0,23Тпл. Установление зависимости процесса структурообразования пленки от ее начальной температуры, скорости нагрева пленки и одного из основных регулируемых технологических параметров: давления газовой смеси, напряжения смещения на подложке, содержания азота в газовой смеси, тока дуги и расстояния катод–подложка; построение моделей МСЗ и получение сплошных высокоэкономичных однокомпонентных пленок с высоким качеством поверхности – было целью построения новой структурной модели. Исследования изменений температурных условий формирования пленки в зависимости от одного из вышеуказанных технологических параметров при постоянстве остальных позволили установить, что каждый технологический параметр приводит к увеличению температуры пленки в процессе осаждения, но с различной скоростью ее нагрева (см. табл. 3.2). Для построения МСЗ процессов формирования пленки в зоне 1 модели Торнтона была выбрана наиболее часто используемая для моделирования система TiN.

На основании рентгенодифракционного фазового анализа участков пленок TiN установлено, что независимо от величины напряжения смещения на подложке, давления газовой смеси, тока дуги, расстояния катод–подложка формируется двухфазная пленка, состоящая из основной кубической фазы TiN с направлением преимущественной кристаллографической ориентации (111) и дополнительной гексагональной фазы TiN0,3.

107

3.2.1.Пример построения модели структурных зон

взависимости от напряжения смещения на подложке и температурных условий формирования пленки

Результаты морфологических исследований с использованием электронной микроскопии высокого разрешения позволили установить стадии формирования пленок на основе TiN; их различные структурные состояния, являющиеся следствием неравновесных условий электродугового испарения при переменном напряжении смещения на подложке.

1. 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. 3.7, а–в). В созданных условиях уже начинают закладываться дефекты поверхности глобулярной структуры (см. рис. 3.7, в). Увеличение значения отрицательного напряжения смещения на подложке и, как следствие, энергии ионов, температуры

а б

Рис. 3.7. Формирование объемных образований с глобулярной структурой: стимулирование процесса смачивания поверхности подложки, увеличе-

д – 250 В, 4,8 мкм (см. также с. 109)

108

образования с подложкой (рис. 3.8, г, д). Вершины 3D образований имеют сглаженную куполообразную форму (рис. 3.8, а–в). Минимальный диаметр и минимальная высота (Н) 3D образования, соответствует пленке, сформированной при 200 и 250 В (рис. 3.8, г).

гд

Рис. 3.8. Формирование 3D образований с зернистой подструктурой: влияние напряжения смещения Uсм на форму, ориентирование относительно подложки и размер образования: а – 80 В, 1,0 мкм, Н ≈ 1,3 мкм; б –

100 В, 1,4 мкм, Н ≈ 1,5 мкм; в – 150 В, 1,4 мкм, Н ≈ 2,0 мкм; г – 200 В,720 нм…2,5 мкм; д – 250 В, 2,9 мкм

3. Стадия срастания 3D образований с зернистой структу-

рой. Условия протекания стадии: скорость нагрева пленки и ее температуры не менее 2,9 К/мин, 650 К соответственно. Площадь контакта с подложкой и высота 3D образований с зернистой структурой увеличиваются без изменения формы и ориентирования относительно подложки (рис. 3.9, а, б). Миграция межзеренной границы в процессе срастания глобул происходит в сторону меньших с текстурированием по-

110