Одной из задач современного материаловедения является создание новых материалов с многофункциональными покрытиями. Материалы с такими покрытиями находят широкое применение в различных областях техники, таких как строительство, энергетика, микроэлектроника, авиация и других.
Метод магнетронного распыления широко применяется для нанесения как различных промышленно значимых покрытий, таких как декоративные, износостойкие или защитные покрытия толщиной несколько микрометров, так и для получения сложных, многослойных оптических конструкций с толщинами слоев в несколько десятков нанометров или электропроводящих покрытий, свойства и структуры которых магнетронные системы распыления позволяют задавать и варьировать в требуемых диапазонах.
Магнетронное распыление характеризуется высокой повторяемостью и стабильностью осаждаемых покрытий как по скорости распыления, так и по характеристикам получаемых пленок. Эта особенность магнетронных систем, в отличие, например, от электронно-лучевого испарения, при хорошо подобранных и поставленных режимах нанесения отдельных слоев, позволяет получать достаточно сложные многослойные оптические конструкции без систем контроля толщины осаждаемого покрытия. Помимо этого, получаемые покрытия обладают низким внутренним напряжением, что является существенным фактором при осаждении покрытия на тонкие полимерные подложки или стеклянные изделия, где требуется сохранить высокое качество оптической поверхности. Благодаря высоким энергетической эффективности и степени ионизации магнетронное распыление позволяет добиться получения «плотных» слоев вещества, например, оксидов с высоким показателем преломления, на холодной подложке, что имеет существенное значение для материалов подложек, которые не допускают нагрева.
Большой научно-практический интерес к пленкам TiN вызван уникальным сочетанием ихсвойств: высокие значения показателей твердости и упругости, температуростойкости и химической инертности, высокие электро- и теплопроводность. Тонкие пленки TiN используются для создания диодов Шоттки с малым падением напряжения при прямом включении в быстродействующих интегральных схемах для пассивации поверхности алюминия, в качестве барьерных слоев, предотвращающих диффузию Al в Si, защитных масок при травлении фоторезиста в кислородной плазме. Для осаждения тонких пленок TiN (1 нм - 1 мкм) наилучшим образом подходит метод магнетронного распыления, который позволяет получать покрытия без капельной фракции с высокими функциональными характеристиками при скоростях осаждения, сравнимых с методом дугового испарения. При магнетронном распылении температурное воздействие на подложку незначительно.
Для обеспечения стабильности реактивных процессов осаждения бинарных соединений металлов (TiN, TiO2 и др.) выгодно использовать импульсные магнетронные распылительные системы (МРС) дуального типа. При этом достигается существенное повышение производительности плазменной установки.
Схема экспериментальной установки для нанесения слоев нитрида титана методом реактивного магнетронного распыления при пониженном давлении: ИИ – ионный источник, МРС – магнетронная распылительная система, БП – блок питания; РРГ – регулятор расхода газа
Исследования проводили на ионно-плазменной установке серии «Яшма» при остаточном давлении в рабочей камере 5·10-3 Па. Для осаждения пленок TiN был использован дуальный магнетрон с титановыми катодами марки ВТ1-0 (200х94 мм2) и среднечастотный импульсный источник питания переменного тока (66 кГц). Была выбрана замкнутая конфигурация магнитного поля МРС. Осаждение производилось в режиме ограничения мощности (3 кВт) при поддержании постоянным значение потока аргона. Материал подложки – полированные пластины монокристаллического кремния. Очистка поверхности подложек производилась пучком ионов при рабочих параметрах источника питания: U =2500 В и I =0,25 А в течение 1 минуты. Толщина пленок TiN – 0,4 мкм. Для оценки влияния плазмы магнетронного разряда на процесс формирования пленок TiN и ихфизико-механические свойства расстояние между мишенью и подложкой (ds-t) варьировалось: 100 и 50 мм.
Результаты рентгеноструктурных исследований опытных образцов представлены на рисунке. Согласно представленным графикам, пленки TiN имеют поликристаллическую структуру с ориентацией по кристаллографическим направлениям (111), (200), (220). Пики интенсивностей (311) и (222) проявляются слабо.
Ориентация роста пленок по одному из кристаллографических направлений сопряжена с вариацией энергии распыленных частиц и ионов, падающих на подложку. Увеличение энергии осаждаемых частиц стимулирует формирование покрытий нитрида титана по следующей схеме: TiN(200) → TiN(111) → TiN(220).
Кристаллографическое направление (220) становится преобладающим в нитридном покрытии, когда удельные потери энергии осаждаемых частиц становятся значительными. Пленки TiN, полученные при ds-t =100 мм, в большей степени ориентированы по осям (111) и (200). При приближении подложки к мишени (50 мм), становятся значительными пики интенсивности (220). Различие дифракционных спектров тонких пленок TiN при различном ds-t свидетельствует об ином энергетическом состоянии частиц, падающих на подложку, и разнице в их количестве. Формирование пленок TiN спреобладающей ориентацией (111) происходит в газовой среде N2, без подачи Ar. Изменение скорости потока азота в рабочую камеру стимулирует снижение интенсивности рефлексов (200) и (220) для расстояния «мишень-подложка» 100 и 50 мм, соответственно.
Морфология поверхности зависит от расстояния «мишень-подложка». При удаленном расположении подложки от плоскости мишени, поверхность покрытия имеет большое число конусных пиков. В случае приближения подложки к мишени формируется более сглаженная структура, снижается шероховатость поверхности Ra.
Также принимается во внимание распределение силовых линий магнитного поля дуальной МРС.
АСМ-фотографии поверхности пленок TiN: а – образец 1-1; б – образец 2-1
Механические параметры экспериментальных образцов представлены в табл. 2. По данным микроиндентирования установлено, что полученные методом реактивного магнетронного распыления пленки обладают показателями твердости Н и упругости E, характерными для TiN. Явной зависимости механических свойств покрытий от потока N2 не наблюдается.
Уменьшение расстояния «мишень-подложка» стимулирует снижение показателей механических свойств покрытий. По всей видимости, при ds-t =50 мм помимо усиления плотности потока ионов, повышается и тепловое воздействие на подложку. В силу последнего обстоятельства имеет место эффект термического отжига структурных дефектов. В свою очередь, это приводит к изменению положения адатомов структуры покрытия (из областей с повышенной плотностью атомов) и соответствующему снижению микронапряжений в пленках. Происходит формирование покрытия с менее плотными локальными областями структуры.
Список литературы
1. Михневич, К.С. Исследование свойств пленок TiN, полученных с помощью дуальной МРС при различных парциальных давлениях азота и конфигурациях магнитного поля / К.С. Михневич, Ю.Н. Юрьев, О.С. Тупикова // Известия вузов. Физика. 2014. Т. 57, № 3/3. С. 207-210.
2. Костин, Е.Г. Осаждение пленок TiN и TiO2 в обращенном цилиндрическом магнетроне методом реактивного распыления / Е.Г. Костин, А.В. Дем- чишин // Технология и конструирование в элек- тронной аппаратуре. 2008. № 4. С. 47-51.
3. Берлин, Е.В. Ионно-плазменные процессы в тонкоплёночной технологии / Е.В. Берлин, Л.Н. Сейдман. – М.: Техносфера, 2010. 528 c.
4. Хохлов Ю.А., Богатов В.А., Крынин А.Г. Влияние распределения магнитного поля на свойства ITO покрытия, получаемого на полимерной пленке методом реактивного магнетронного осаждения // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №12. Ст. 11. URL: https://viam-works.ru (дата обращения: 09.10.2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-12-11-11.
5.Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982. 72 с.
6. Берлин Е.В., Сейдман Л.А. Получение тонких пленок реактивным магнетронным напылением. М.: Техносфера, 2014. 256 с.
7.Богатов В.А., Кондрашов С.В., Хохлов Ю.А. Многофункциональные оптические покрытия и материалы // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 343–348.