книги / Эволюция представлений о структурных зонах поликристаллических наноструктурированных плёнок, формируемых методами вакуумных технологий
..pdf
верхности объединения (рис. 3.9, а, справа увеличенный фрагмент). Дефекты, закладываемые на глобулярной стадии (рис. 3.9, в), в процессе срастания 3D образований приводят к нарушению их сплошности (когерентности) (рис. 3.9, б, справа увеличенный фрагмент). Условия для первичного упорядочения в виде псевдограней {100} на
а
б
в |
г |
д |
Рис. 3.9. Стадия срастания 3D образований с зернистой подструктурой: влияние напряжения смещения Uсм на форму, ориентирование относительно подложки, размер и протяженность объединений: а – 100 В, max 2,3 мкм,
Н ≈ 2,6 мкм и min 1,2 мкм; б – 150 В, max 2,0 мкм, Н = 3,3 мкм, в вершине min 900 нм, Н ≈ 1,3 мкм; в, г – 200 В, 2,6 3,2 мкм и объединения l = 5,0 мкм;
д – 250 В, стержневые образования l = 10 мкм, толщиной δ = 2,0 мкм
111
поверхности объединений с зернистой структурой соответствуют
скорости нагрева пленки Vнагр.п = 3,7 К/мин (рис. 3.9, в, г). Максимальное увеличение до Vнагр.п = 4,4 К/мин и температуры пленки до
745 К способствует срастанию объединений указанных образований с зернистой подструктурой в стержневые образования протяженностью до 10,0 мкм (рис. 3.9, д).
4. Стадия зарождения поликристаллической составляю-
щей пленки. При повышении энергии ионов, бомбардирующих поверхность пленки за счет увеличения напряжения смещения на подложке до 150 В и выше; увеличение температуры до 660…705 К за счет большей скорости нагрева пленки 3,4…4,4 К/мин на поверхности пленки зарождаются первичные поликристаллические образования (рис. 3.10, а) и затравочные кристаллиты с гранями {100} (рис. 3.10, б). Однонаправленные по отношению к подложке и равномерно распределенные по ней зародыши поликристаллической составляющей пленки образуются в процессе осаждения пленки с напряжением смещения на подложке 200 В и скорости нагрева пленки
3,7 К/мин (см. рис. 3.10, а).
а |
б |
в |
Рис. 3.10. Зарождение поликристаллической составляющей пленки: влияние напряжения смещения Uсм на форму, ориентирование и распределение по поверхности подложки, размер поликристаллических зародышей: а – 150 В, min 350 нм, max 1,8 мкм; б – 200 В, 1,2 мкм; в – 250 В, 1,0 мкм, Н≈ 1,4 мкм
5. Стадия островкового формирования поликристаллической пленки. Стадия зарождения поликристаллической составляющей пленки переходит в стадию формирования поликристаллических об-
112
разований – островков на поверхности пленки (рис. 3.11, б–д). Рост температуры пленки способствует многократному в конечном итоге увеличению диаметра 2D островка. Установлено, что при подаче на
а
б |
в |
г |
д |
Рис. 3.11. Формирование поликристаллических 2D образований: структурный переход при увеличении напряжения смещения Uсм от неупорядоченной к упорядоченной столбчатой структуре: а – 100 В, 18,0 мкм (справа увеличенный фрагмент); б – 150 В, 3,2 мкм; в – 200 В, от 5,3 до 8,5 мкм, высота H = 1,0 мкм; г – 250 В, 25,0 мкм, H = 2,4 мкм, на поверхности зер-
нистая глобула 9,8 мкм; д – 25,0 35,0 мкм, H = 1,5 мкм
113
подложку напряжения смещения Uсм = 200 В многократно увеличивается количество и диаметр островков, уменьшается их высота и диаметр кристаллитов. Следует отметить повторное протекание стадии формирования 3D образований с зернистой структурой на поверхности поликристаллических островков (см. рис. 3.11, б, г, д). При максимальном напряжении на подложке наблюдаются области потери сплошности, характеризуемые «недостатком» материала пленки при формировании. При температурах пленки <725 К и отсутствии предварительной стадии образования зародышей формируются либо островки с глобулярной структурой и фрактальной геометрией поверхности (рис. 3.11, а), либо островки с неупорядоченной поликристаллической структурой (см. рис. 3.11, б).
6. Стадия формирования сплошной поликристаллической пленки. На основании электронно-микроскопических исследований
морфологии поверхности пленки показано, что |
сплошная пленка |
с ячеистой структурой формируется в интервале |
температур Т = |
= 675…715 К и скоростей нагрева Vнагр.п = 2,1…3,4 К/мин. В направлении увеличения вышеприведенных значений отмечено уменьшение диаметра ячеек (рис. 3.12, а, в, д) и переход структуры в мелкозернистую (рис. 3.12, ж, и). Известно, что ячеистая структура часто встречается в пленках, причины образования которой разные: от напряжений (чаще всего), неудовлетворительной обработки поверхности, остатков островных структур или признаков фрактальности (для металлов). Можно предположить, что увеличение температуры пленки способствует стабилизации ее структуры.
Сплошным пленкам TiN, сформированным при всех напряжениях смещения, свойственна характерная особенность ионно-плаз- менных пленок – своеобразный «недостаток» материала для заполнения межстолбчатых пустот, вызванный частичной или полной потерей синхронности формирования столбчатых структур и приводящий к потере сплошности (значит, и когерентности) (рис. 3.12, г, е,
з, к).
Минимальный размер кристаллита, не превышающий 20 нм (рис. 3.12, з – увеличенный фрагмент справа), и минимальный размер
114
а |
б |
в |
г |
д |
е |
ж |
з |
ик
Рис. 3.12. Формирование сплошной пленки: а, б – 80 В, ячейка от 0,7 до 3 мкм, протяженность несплошности до 10,4 мкм; в, г – 100 В, ячейка от 800 нм до
2,2 мкм, несплошность 5,0 мкм; д, е – 150 В, ячейка 500 нм, несплошность 3,3 мкм; ж, з – 200 В, несплошность 3,4 мкм (с увеличенным фрагментом справа); и, к – 250 В, протяженность несплошности от 2,0 до 35,0 мкм
115
несплошности пленки характерен для условий формирования Uсм = = 200 В (см. рис. 3.12, з). Максимальный размер несплошности обнаружен у пленки, сформированной при Uсм = 250 В.
7. Стадия формирования стержневых образований на по-
верхности сплошной пленки. Независимо от технологических и тепловых условий на поверхности пленки через 30 мин формируются микрообразования стержневой формы, образуемые в процессе срастания 2D и 3D образований с глобулярной или зернистой структурой (рис. 3.13). Максимальные по протяженности (l) стержневые образования с глобулярной структурой формируются при подаче на подложку в процессе осаждения пленки напряжения смещения 80 В (рис. 3.12, а). С минимальным увеличением напряжения Uсм = 100 В помимо образований с глобулярной или зернистой структурой на поверхности пленки формируется двухслойное образование со столбчатой структурой у подложки и глобулярной структурой – у поверхности пленки (рис. 3.13, б). При напряжении Uсм, равном 150 и 200 В, структурные образования характеризуются упорядоченной столбчатой структурой с уменьшением протяженности до 20 мкм (рис. 3.13, д, ж). Многочисленные и протяженные структурные образования, максимальное количество несплошностей поверхности характерно для условий формирования пленки при напряжении 250 В (рис. 3.13, и).
Исследования тонкой структуры поверхности сплошной пленки выявили зеренную структуру пленки, дисперсность которой уменьшается с ростом ее температуры (рис. 3.13, б, г, е, з, л).
Установлены стадии формирования пленки TiN в зависимости от величины напряжения смещения на подложке, температуры
искорости нагрева пленки (рис. 3.14).
Сувеличением напряжения смещения и энергии ионов, бомбардирующих подложку, наблюдается рост скорости протекания стадий формирования пленки, вызванный увеличением скорости нагрева пленки, смещением температурного интервала формирования пленки в область больших температур. Изменение последних отражается на процессе структурообразования пленки. Изменение фазового состава
116
а |
б |
в |
г |
д |
е |
ж |
з |
и |
к |
л |
Рис. 3.13. Формирование на сплошной пленке структурных образований
ввиде объемных полос: а, б – 80 В, глобулярная полоса протяженностью l =
=130,0 мк, толщиной δ = 14,0 мкм, светлые зерна min 60 до 400 нм; в, г –
100 В, полоса с зернистой подструктурой l = 15 мкм, δ = 1,6 мкм и верхней
глобулярной l = 9 мкм, δ = 2,5 мкм, светлые зерна min 30 до 300 нм; д, е – 150 В, полоса со столбчатой структурой l = 26,5 мкм, δ = 4,0 мкм, светлое зерно 40…200 нм и темные зерна 60…300 нм; ж, з – 200 В, полосы со столбчатой структурой l = 20 мкм, δ = 3,3 мкм, светлые зерна 30 нм и темные зерна 50 нм; и, к, л – 250 В, полосы со столбчатой структурой l = 53 мкм, δ = 5,0 мкм и l = 25 мкм, δ = 6,7 мкм (увеличенный фрагмент справа с кристал-
литами 10 нм, светлые зерна 25…40 нм и темные зерна 35 нм)
117
Тп = 625…675 К, Uсм = 80 В, Vнагр.п = 2,1 К/мин
Глобулярная стадия с минимальным смачиванием поверхности подложки
↓
Формирование 3D образований с неупорядоченной зернистой структурой
↓
Коагуляция/коалесценция 3D образований с нарушением сплошности
↓
–
↓
Формирование 2D островков с глобулярной структурой
↓
Формирование сплошной пленки с ячеистой структурой
↓
Формирование на сплошной пленке стержневых образований с глобулярной структурой
Тп = 635…700 К, Uсм = 100 В, Vнагр.п = 2,9 К/мин
Глобулярная стадия с минимальным смачиванием поверхности подложки
↓
Формирование 3D образований под углом к подложке с упорядоченной зернистой структурой
↓
Коагуляция/коалесценция 3D образований с текстурированием поверхности
↓
–
↓
Формирование 2D островков с неупорядоченной столбчатой структурой
↓
Формирование сплошной пленки с ячеистой структурой
↓
Формирование на сплошной пленке стержневых образований с глобулярной неупорядоченной столбчатой структурой
Рис. 3.14. Стадии формирования пленки TiN в зависимости от температуры, величины напряжения на подложке и скорости нагрева пленки
(см. также с. 119, 120)
118
Тп = 640…715 К, Uсм =150 В, Vнагр.п = 3,4 К/мин
Глобулярная стадия с минимальным смачиванием поверхности подложки и нарушением сплошности
↓
Формирование 3D образований под углом к подложке с упорядоченной зернистой структурой
↓
Коагуляция/коалесценция 3D образований с первичным упорядочением
↓
Зарождение поликристаллической составляющей пленки
↓
Формирование 2D поликристаллических островков
↓
Формирование сплошной пленки с ячеистой структурой
↓
Формирование на сплошной пленке стержневых образований с упорядоченной столбчатой структурой
Тп = 645…725 К, Uсм =200 В, Vнагр.п = 3,7 К/мин
Глобулярная стадия со смачиванием поверхности
↓
Формирование 3D образований под углом к подложке с упорядоченной зернистой структурой
↓
Коагуляция/коалесценция 3D образований с первичным упорядочением
↓
Зарождение поликристаллической составляющей пленки
↓
Формирование 2D поликристаллических островков
↓
Формирование сплошной пленки
↓
Формирование на сплошной пленке стержневых образований с упорядоченной столбчатой структурой
Рис. 3.14. Продолжение
119
Тп = 670…745 К, Uсм = 200 В, Vнагр.п = 4,4 К/мин
Глобулярная стадия со смачиванием поверхности
↓
Формирование 3D образований под углом к подложке с упорядоченной зернистой структурой
↓
Коагуляция/коалесценция 3D образований с первичным упорядочением
↓
Зарождение поликристаллической составляющей пленки
↓
Формирование 2D поликристаллических островков
↓
Формирование сплошной пленки
↓
Формирование на сплошной пленке стержневых образований с упорядоченной столбчатой структурой
Рис. 3.14. Окончание
сводится к увеличению объемной доли кубической фазы (111)TiN и минимизации гексагональной фазы TiN0,3 в пленке.
Зависимость механических свойств пленки от технологических, температурных и структурных характеристик носит экстремальный характер. Максимальная микротвердость композиции соответствует пленке, сформированной при напряжении смещения 200 В, температурном интервале 645…725 К, скорости нагрева пленки Vнагр.п = = 3,7 К/мин и характеризующейся минимальной шириной дифракционных рентгеновских конусов (111)TiN и (101)TiN0,3, оптимальным соответствием межплоскостного расстояния табличным значениям, разнородным внутренним напряжением в пленке. Превышение оптимального значения напряжения смещения приводит к формированию на поверхности пленки многочисленных и протяженных структурных образований, максимальных по размеру и количеству несплошностей поверхности.
120