книги / Эволюция представлений о структурных зонах поликристаллических наноструктурированных плёнок, формируемых методами вакуумных технологий
..pdf
аб
в |
г |
д |
е |
ж |
з |
и |
Рис. 3.52. Морфология сплошных поликристаллических пленок TiN: а, г, ж – поперечный скол; б, д, з – морфология поверхности; несплошность материала пленки: в – 80 А, 3,4 мкм; е – 90 А, от 1,1 мкм до 4,5 мкм; и –
100 А, от 850 нм до 35,5 мкм
161
Стадия повторного островкового формирования поликристал-
лической пленки. Независимо от технологических и тепловых условий на поверхности пленки через 30 мин формируются 2D и 3D островковые образования столбчатого строения, покрытые более мелкими образованиями с зернистой и столбчатой подструктурой: 80 А – единичные упорядоченные (рис. 3.53, а); 90 А – многочисленные неупорядоченные (рис. 3.53, б); 100 А – двухслойные с неравновесными структурами на поверхности и по периметру (рис. 3.53, в).
аб
в
Рис. 3.53. Формирование на сплошной пленке 3D островковых поликристаллических образований: а – 80 А, 39,5 мкм; б – 90 А, 31,0 мкм; в – 100 А, 32,5 мкм и верхний 11,5 мкм
Исследовано влияние одного из основных технологических параметров процесса получения пленок методом электродугового испарения – тока дуги и его изменения на фазовый состав, структурные характеристики, направление преимущественной кристаллографиче-
162
ской ориентации, стадии формирования и процесс структурообразования поликристаллической пленки с основной кубической фазой (111)TiN. Созданные технологические условия с переменными значениями тока дуги 80…100 А соответствуют следующим температурным условиям: Тп = 640…685 К и Vнагр.п = 3,7…4,7 К/мин формирования пленки.
На основании рентгенодифракционного фазового анализа участков пленок TiN показано, что независимо от величины тока дуги на подложке формируется пленка с основной кубической фазой TiN с преимущественной кристаллографической ориентацией (111), дополнительных гексагональной TiN0,3 и тетрагональной Ti2N фаз (при токах дуги 90 и 100 А). Объемная доля основной кубической и дополнительной тетрагональной фаз незначительно уменьшается при многократном росте объемной доли гексагональной фазы.
Выявлена различная тенденция изменения структурных характеристик пленки, оказывающих влияние на ее напряженное состояние, и степень преимущественной ориентации зерен. Наименее ориентированная пленка формируется при токе дуги 90 А; степень ориентации зерен кристаллографической плоскости (111) максимальна для пленки, сформированной при максимальной скорости формирования, температуре пленки и токе дуги 100 А. Полученные данные свидетельствуют о том, что на структуру, фазовый состав и свойства поликристаллических пленок TiN, в большей степени оказывают влияние другие трудно контролируемые параметры, которые не связаны с температурными условиями формирования пленки.
На основании дополнительно проведенных морфологических исследований установлено, что с увеличением тока дуги шероховатость (а при максимальном токе дуги 100 А и загрязненность) поверхности пленок TiN увеличивается.
Установленные стадии формирования поликристаллической пленки с основной кубической фазой (111)TiN позволили выявить протекающие в ней структурные превращения в зависимости от величины напряжения на подложке, температуры и скорости нагрева пленки (рис. 3.54).
163
Глобулярная стадия 80…100 А; 3,7…4,7 К/мин: образование, формирование, укрупнение и текстурирование поверхности 2D островков с глобулярной структурой
↓
Стадии упорядочения пленки 80…100 А; 3,7…4,7 К/мин:
•формирование 2D образований с неупорядоченной зернистой структурой,
•формирование 3D образований с упорядоченной зернистой структурой,
•укрупнение / срастание 3D образований с зернистой структурой,
•покрытие поверхности 3D образований с зернистой структурой многочисленными псевдогранями {100}
↓
Стадии формирования сплошной поликристаллической пленки 80…100 А; 3,7…4,7 К/мин:
•зародышеобразование поликристаллической составляющей пленки,
•островковое формирование поликристаллической пленки,
•укрупнение и срастание островковых образований до сплошной пленки,
•повторное островковое формирование поликристаллической пленки
Рис. 3.54. Процесс структурообразования TiN с основной кубической
TiN методом ЭДИ (80 А, Тп = 645…725 К, Vнагр.п = 3,7 К/мин; 90 А, Тп = 650…735 К, Vнагр.п = 4,1 К/мин; 100 А, Тп = 655…755 К, Vнагр.п = 4,7 К/мин)
Рис. 3.55. Модель структурных зон (2011 г.). Метод осаждения пленки TiN – электродуговое испарение. Переменный технологический параметр – ток дуги
164
В разработанной объединенной модели для пленки TiN, формируемой методом электродугового испарения (ЭДИ) при высокоскоростном нагреве подложки и переменном токе дуги в процессе осаждения пленки (рис. 3.55), были использованы три оси с температурными и технологическими характеристиками: Тп, Vнагр.п и Iд.
3.2.5. Пример построения модели структурных зон
взависимости от расстояния катод–подложка
итемпературных условий формирования пленки
На основании морфологических исследований при небольшом увеличении установлено, что пленки TiN, сформированные ЭДИ при различной высоте потока, имеют различную шероховатость поверхности: при высоте потока 270 мм формируется пленка с минимальной шероховатостью и частицами на поверхности округлой формы, размер и количество которых увеличивается с удалением подложки от испаряемого катода до 300 мм; на поверхности подложек, более удаленных от испаряемого катода (330…400 мм), формируется пленка меньшей толщины со стержневыми образованиями, количество которых с ростом высоты потока уменьшается, а протяженность увеличивается (рис. 3.56).
В результате электронно-микроскопических морфологических исследований поверхности пленок с большим увеличением установлена существенная зависимость стадий формирования и структурного состояния пленок TiN от положения подложки в потоке пленкообразующих частиц. Установлена зависимость стадий формирования и структурного состояния получаемых пленок от положения подложки в потоке пленкообразующих частиц и температурных условий осаждения:
Глобулярная стадия, которой свойственно отсутствие какойлибо направленности граничных областей в пространстве, протекает вне зависимости от положения подложки в интервале температур <620…640 К. При достижении температуры подложки 640 К возникают вандерваальсовы силы, поверхность подложки смачивается
165
а |
б |
в |
гд
Рис. 3.56. Морфология пленок TiN, сформированных ЭДИ при различной высоте потока, мм: а – 270; б – 300; в – 330; г – 360; д – 400
и формируются уплощенные глобулярные образования с величиной контакта, равной диаметру глобулы (рис. 3.57, а, б). В случае, если начальные температуры не превышают 620 К, ограниченное смачивание приводит к образованию на подложке сферических глобул (рис. 3.57, в) и минимизации в конечном итоге площади контакта глобулы с подложкой, а в сочетании с падением скорости нагрева пленки до 1,4 К/мин – к нарушению ее сплошности (рис. 3.57, г, е).
Объединение глобул в образования с глобулярной подструктурой (протекает при всех режимах). При начальных температурах
≥630 К глобулы объединяются в 2D образования (рис. 3.58, а, б); при меньших температурах – в 3D образования (330 мм) (рис. 3.58, в, г) с нарушением сплошности (330 и 360 мм) (рис. 3.58, г, д), либо с неравновесными структурами пластинчатого строения по перимет-
ру (400 мм) (рис. 3.58, д).
166
аб
вг
де
Рис. 3.57. Морфология глобул, сформированных при различной высоте потока: а – 270 мм, 1,2 мкм;
б – 270 мм, 500 нм; в – 300 мм, 7,0 мкм; г – 330 мм, 4,0 мкм; д – 360 мм, 1,4 мкм; е – 400 мм,600 нм
167
а |
б |
в |
гд
Рис. 3.58. Морфология 2D и 3D образований с глобулярной подструктурой, сформированных при различной высоте потока: а – 270 мм, 11,0 мкм;
б – 300 мм, 12,5 мкм; в – 330 мм, 9,0 мкм; г – 360 мм, 3,0 мкм; д – 400 мм,1,8 мкм
Стадия первичного упорядочения образований с глобулярной подструктурой. Протекает при температурах пленки свыше 655 К, соответствующих расстояниям 270 и 300 мм (рис. 3.59). На данной стадии система становится более сложной, а именно: возможны упорядочения, характеризуемые фрактальностью. Подтверждение этому – появление поверхностной однообразной по всей поверхности 2D образований фрактальной подструктуры, наиболее выраженной при максимальной температуре пленки (рис. 3.59, а).
168
а |
б |
Рис. 3.59. Морфология 2D образований с поверхностной фрактальной подструктурой, сформированных при различной высоте потока: а – 270 мм, 3,8 мкм; б – 300 мм,
6,5 мкм
Стадия формирования 3D образований с зернистой подструк-
турой. Протекает при температуре пленки порядка 660 К. В процессе упорядочения структуры пленки на ее поверхности формируются 3D образования: с зернистой подструктурой при 270 мм – многочисленные (рис. 3.60, а), при 300 мм – единичные (рис. 3.60, б), с различной направленностью по отношению к поверхности подложки. На подложке, удаленной от катода на 330 мм, формируются единичные 3D образования с вершиной куполообразной формы и нарушением сплошности поверхности (рис. 3.60, в).
а б в
Рис. 3.60. Морфология 3D образований с зернистой подструктурой, сформированных при различной высоте потока: а – 270 мм, 720 нм… 2,5 мкм;
б – 300 мм, 970 нм; в – 330 мм, 3,5 мкм
169
Стадия зародышеобразования поликристаллической состав-
ляющей пленки. Протекает при температуре пленки порядка 670 К. Зародышевые поликристаллические образования представляют собой затравочные кристаллиты с гранями {100} (рис. 3.61, а, б) или 3D образования с зернистой подструктурой, однонаправленные по отношению к подложке, с коническими текстурами <111> на вершине (рис. 3.61, в, г). Равномерное распределение затравочных кристаллитов на поверхности пленки соответствует скорости нагрева пленки 3,7 К/мин. Размер первичных поликристаллических образований не превышает 2,2 мкм.
аб
вг
Рис. 3.61. Морфология зародышевых поликристаллических образований, сформированных при различной высоте потока: а, б – 270 мм, 1,0 и 1,2 мкм соответственно; в, г – 300 мм, 2,2 и 2,0 мкм соответственно
Стадия укрупнения / срастания зародышевых поликристаллических образований в объединения (температура пленки порядка
680 К). При достижении минимального расстояния и максимального размера 3D образований с поверхностными коническими текстурами
170