ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 7, с. 23-28
УДК 539.231:544.032.5
ВЛИЯНИЕ ДЕЙТЕРИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПРИ РАСПЫЛЕНИИ ВОЛЬФРАМА В ДЕЙТЕРИЕВОЙ ПЛАЗМЕ
МАГНЕТРОННОГО РАЗРЯДА
© 2015 г. В. М. Шарапов1, *, А. М. Зимин2, С. Е. Кривицкий2, С. В. Серушкин2, Р. Х. Залавутдинов1, В. С. Куликаускас3
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН(ИФХЭ), 119991 Москва, Россия 2 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (МГТУ), 105005Москва, Россия 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына,
119991 Москва, Россия *Е-таИ: sharapov_v_sh@mail.ru Поступила в редакцию 19.12.2014 г.
Исследованы особенности формирования вольфрам-дейтериевых пленок на кремниевой подложке в процессе распыления вольфрамовой мишени дейтериевой плазмой магнетронного разряда. С помощью растровой электронной микроскопии на поверхности пленки обнаружены вспученные участки, концентрация которых зависит от расстояния между мишенью и подложкой. От этого расстояния зависит также и концентрация захваченного в пленки дейтерия, определенная методом спектрометрии атомов отдачи. Предполагается, что удерживаемый в пленке дейтерий находится в порах и поверхностных блистерах, образующих наблюдаемые вспученные участки. Возможной причиной образования блистеров и пор является низкая растворимость дейтерия в Зьподложке и '-пленке.
Ключевые слова: дейтерий, вольфрам, соосажденные пленки, накопление изотопов водорода, маг-нетронный разряд, спектрометрия атомов отдачи.
Б01: 10.7868/80207352815070185
ВВЕДЕНИЕ
Проблема накопления изотопов водорода в материалах плазмообращенных компонентов разрядных камер установок термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы остается до сих пор актуальной в связи с использованием в будущих реакторах трития [1, 2]. Одним из важных аспектов этой проблемы является вопрос о закономерностях накопления и удержания изотопов водорода в пленках, образующихся при совместном осаждении распыляемых атомов материала облицовки камеры и распыляющих их атомов изотопов водорода плазмы (соосажденные пленки). В качестве наиболее вероятных облицовочных материалов разрядной камеры ИТЭР в настоящее время рассматриваются бериллий, вольфрам и углерод-углеродные композиты. Вольфрам привлекает к себе особое внимание, так как по имеющимся литературным данным содержание изотопов водорода в соосажденных вольфрамовых пленках [3—8] оказывается на порядки величины выше их равновесной растворимости в кристаллическом вольфраме [9]. Разброс данных по накоплению изотопов водорода в вольфрамовых пленках также достаточно велик —
отношение ат. Э(И)/ат. ' изменяется от 0.003 [3] и 0.005 [7] до 0.25 [4] и 0.4 [6]. Эта величина зависит от условий осаждения пленок. Она уменьшается при увеличении температуры подложки [3] и давления газа [4], а также зависит от мощности разряда [6]. Можно ожидать, что на величину захвата оказывает влияние и структура осаждаемой пленки, которая отличается от структуры монокристаллического вольфрама степенью дефектности, морфологией поверхности, что может пролить свет на вопрос о том, где удерживаются изотопы водорода в таких пленках.
Данная работа посвящена анализу роли дейтерия в формировании вольфрамовых пленок, образующихся в результате распыления вольфрама дейтериевой плазмой магнетронного разряда, а также захвата и удержания в этих пленках изотопа водорода.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Вольфрамовые пленки получали распылением мишени (плоского катода), изготовленной из поликристаллического вольфрама чистотой 99.95 вес. %, дейтериевой плазмой магнетронного
Характеристики осажденных пленок
№ образца Расстояние между мишенью и подложкой, мм Толщина пленки, мкм Содержание вольфрама W, х1017 ат./см2 Содержание дейтерия D, х1017 ат./см2 Отношение D/W
1 60 0.24 8.2 3.4 0.41
2 80 0.17 6.3 2.3 0.37
3 110 0.08 3.1 0.93 0.3
4 140 0.06 2.5 0.35 0.14
разряда. Кремниевая подложка, на которую осаждалась пленка, располагалась на специальном держателе перпендикулярно мишени. Расстояние между мишенью и подложкой в разных экспериментах варьировалось.
Температура подложки во время осаждения пленки во всех экспериментах поддерживалась с помощью омического нагревателя на уровне 473 K и контролировалась термопарой, закрепленной на обратной стороне держателя. Давление дейтерия во время горения разряда составляло 5 Па. Напряжение разряда ир находилось в пределах 490— 500 В, ток составлял 0.5 А, а средняя плотность тока на мишень при площади катода 2.5 см2 — около 200 мА/см2, что соответствовало потоку 1.2 х х 1018 ион D/см2 • с. Средняя энергия ионов, бомбардирующих поверхность мишени, согласно результатам исследований магнетронного разряда в среде дейтерия [10], принималась равной 0.85 ир (около 400 эВ). При таких условиях заметная часть ионов дейтерия, как показывают расчеты [11], до 50%, т.е. ~6 х 1017 ион/(см2 • с), отражается от вольфрамового катода и в виде быстрых атомов падает на подложку вместе с распыленными атомами мишени. Коэффициент распыления вольфрама ионами дейтерия для рассматриваемых энергий не превышает 5 х 10-4 [12]. Таким образом, поток распыленных атомов W составляет ~6 х 1014 ион/(см2 • с).
Полученные пленки анализировались различными методами. Масса напыленной вольфрамовой пленки определялась взвешиванием подложки до и после эксперимента на весах фирмы Sar-torius с точностью 0.1 мкг, толщина пленки измерялась с помощью профилометра Tencor Instruments. Содержание дейтерия определяли методом спектрометрии атомов отдачи (САО), а элементный состав пленки оценивался методом обратного резерфордовского рассеяния (РОР).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование элементного состава полученных пленок ядерными методами, а также их микроанализ в растровом электронном микроскопе (РЭМ)
показали, что помимо вольфрама и дейтерия в состав пленок в незначительных количествах входят железо, кислород, углерод и водород. Железо появляется в результате распыления держателя мишени, изготовленного из стали. Кислород, углерод и водород попадают в пленку частично из остаточной атмосферы в камере, где происходит осаждение пленки, но, главным образом, во время снятия спектров РОР и САО. Это заключение подтверждается первоначальным микроанализом пленок в растровом микроскопе, где эти элементы (за исключением водорода) регистрируются на уровне нескольких процентов.
В экспериментах по осаждению вольфрамовых пленок варьируемым параметром было расстояние между мишенью и подложкой, которое в различных экспериментах составляло 60, 80, 110 и 140 мм. Давление дейтерия поддерживалось постоянным (5 Па), время распыления равнялось четырем часам.
Элементный состав. Результаты измерения содержания вольфрама и дейтерия в пленках, осажденных на подложках, находившихся на разных расстояниях от мишени, приведены в таблице. При определении содержания дейтерия методом спектрометрии атомов отдачи использовались ионы гелия с энергией 2.5 МэВ. Содержание вольфрама вычислялось по результатам весовых измерений. Использование весовых методов в данном случае оказалось более удобным при достаточно высокой точности измерения, так как сравнительный анализ результатов весовых измерений и данных РОР показал, что вклад атомов вольфрама в общий вес пленки составляет более 90%.
Из таблицы видно, что содержание дейтерия в пленках уменьшается при увеличении расстояния между мишенью и подложкой, а полученные данные по захвату дейтерия сравнимы с результатами, приведенными в цитированных выше работах [3-8].
Высокое содержание удерживаемого в вольфрамовых пленках дейтерия не может быть объяснено образованием твердого раствора D-W, когда атомы дейтерия находятся в межузельных положениях. Равновесная растворимость изотопов
Рис. 1. РЭМ-изображение поверхности пленки ' на
кремнии, образец № 1.
водорода в вольфраме очень низка. По данным Р. Фрауенфельдера [9] (чаще всего именно на эту работу ссылаются при использовании данных по диффузии и растворимости изотопов водорода в вольфраме), концентрация водорода в вольфраме при температуре 1000 К и давлении 1 атм равна 0.9 х 10-7 ат. Н/ат. ' Эта величина более чем на семь порядков ниже значений, приведенных в таблице. Учитывая, что равновесная растворимость изотопов водорода в вольфраме растет с ростом температуры (Т = 500 К) и давления (для дейтерия — несколько Па), в условиях наших экспериментов эта разница будет еще на несколько порядков больше. Следовательно, такую высокую концентрацию дейтерия в соосажденных пленках нельзя объяснить его содержанием в твердом растворе.
Морфология поверхности. На рис. 1 представлена микрофотография поверхности пленки № 1, осажденной при расстоянии между '-мишенью и 81-подложкой, равном 60 мм. Видно, что на поверхности имеется большое количество выпуклых округлых образований различных размеров от 2.5 до 7.5 мкм. На рис. 2а, б представлены микрофотографии, снятые в различных точках поверхности пленки на образце № 2, находившемся на расстоянии 80 мм от мишени. Сравнивая изображения, приведенные на рис. 1 и 2, можно отметить, что размеры выпуклых образований в обоих случаях примерно одинаковы, но их концентрация в образце № 2 меньше, чем в образце № 1. На поверхности образца № 2 видны также черные пятна (рис. 2б). Микроанализ пятен показал, что это кремний, материал подложки. Можно сделать вывод, что в этом месте вздутие вскрылось и наблюдается сквозная пора, проходящая от кремниевой подложки через всю толщу пленки. Рядом две такие соседние поры объединены.
Рис. 2. Морфология поверхности пленки ' на кремнии, образец № 2: а — округлые образования (вздутия); б — темные участки на месте разрушенных пузырей.
Еще меньшее количество выпуклых образований такого же размера на образце № 3, находившемся от мишени на расстоянии 110 мм (рис. 3а, б). При этом здесь наблюдаются также большие образования, размеры которых составляют от нескольких единиц до десятков микрон. Среди них есть вздутия почти правильной геометрической формы (окружности), некоторые
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.