ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 7, с. 61-65
УДК 621.315.592
РФЭС-ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛЕНОК НИТРИДА ТИТАНА, СФОРМИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ МЕТОДОМ
© 2015 г. А. З. Хамдохов*, Р. Ш. Тешев, З. М. Хамдохов, Э. З. Хамдохов, З. Х. Калажоков, Х. Х. Калажоков
Кабардино-Балкарский государственный университет, 360004 Нальчик, Россия
*Е-таИ: hamdokhov@mail.ru Поступила в редакцию 19.12.2014 г.
Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии исследован фазовый состав поверхностного слоя пленок Т и Т1Ы толщиной ~3 нм, осажденных электродуговым распылением титанового катода в атмосфере азота в присутствии магнитного поля. Показано, что поверхностный слой пленок содержит фазы ПК, ТШ^, ТЮх, 1Ю2, Т1ЫхОу. Предложен механизм, объясняющий формирование пленок нитрида титана.
Ключевые слова: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, пленки Т1 и ТЫ", электродуговое распыление титана в атмосфере азота.
БО1: 10.7868/80207352815070094
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время бурно развиваются методы получения и исследования субмикронных пленок нитрида титана, необходимых для развития микроэлектроники [1]. В частности, пленки ТЫ используются в микроэлектронике в качестве диффузионных барьеров. Лучший способ синтеза пленок нитрида титана хорошего качества — электродуговое распыление титана в атмосфере азота с использованием магнитной сепарации титановой плазмы [2—4].
Известно, что состояние поверхностного слоя является важным фактором, оказывающим влияние на свойства тонких пленок, причем влияние тем больше, чем меньше толщина пленок. Однако в литературе нет достаточных данных о составе поверхностных слоев нитрида титана субмикронной толщины.
В настоящее время метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии успешно применяется для определения элементного состава и химического состояния атомов в поверхностных слоях материалов. Поэтому представляется важным исследование методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) пленок нитрида титана, осажденных электродуговым методом.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для РФЭС-исследований использовались пленки Т и ТЫ на кремниевой подложке, ранее полученные в [2]. Толщина покрытий на основе
нитрида титана для всех образцов составляла 0.1— 0.2 мкм.
Исследования образцов проводились на спектрометре системы K-Alpha в Кабардино-Балкарском государственном университете (г. Нальчик). В качестве источника возбуждения спектров РФЭС использовали рентгеновское излучение А1К"а12-линии (hv = 1486.6 эВ). Спектры измеряли в режиме постоянного абсолютного энергетического разрешения электростатического полусферического анализатора при энергии пропускания 50 эВ. Во время проведения экспериментов вакуум в измерительной камере был не выше 4.5 х х 10-9 мбар. Точность измерения энергии связи фотоэлектронов составила 0.1 эВ. Глубина отбора аналитической информации методом РФЭС, которая зависит от длины свободного пробега электронов в пленке нитрида титана, составляла ~3 нм [5]. Зарядка поверхности учитывалась по положению CLs-линии с энергией связи 284.5 эВ.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Обзорные спектры РФЭС исследуемых образцов показали наличие на поверхности пленок следующих химических элементов: углерода, кислорода, титана, азота (рис. 1).
На рис. 2 представлены результаты прецизионных исследований Т2р-уровня титана. Пики при значениях энергии 455.87 и 455.18 эВ обусловлены наличием соединений TN и TNX соответственно. Также наблюдаются дополнительные пики, указывающие на содержание в анализируе-
оь
1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Энергия связи, эВ
Рис. 1. Обзорный РФЭС-спектр поверхности исследуемого образца.
474 472 470 468 466 464 462 460 458 456 454 452 450 448
Энергия связи, эВ
Рис. 2. РФЭС-спектр 2р-состояний атомов титана.
РФЭС-ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛЕНОК НИТРИДА ТИТАНА
63
/У-д-
*р*ег3?
410 408 406 404 402 400 398
Энергия связи, эВ
Рис. 3. РФЭС-спектр ^-состояний атомов азота.
396
394
392
мом слое оксидов титана ТЮ2 (458.76 эВ), Т1ОХ (456.83 эВ, 457.97 эВ) и оксинитридов титана ТМОу (460.98, 461.87 и 463.97 эВ) [5-8]. Металлический титан на поверхности пленок не обнаружен. Из этих результатов следует, что титан образуется в поверхностном слое пленок преимущественно в окисленном состоянии. Это происходит вследствие того, что с точки зрения термодинамики формирование оксида титана более благоприятно, чем нитрида [9], и, таким образом, небольшое количество кислорода, адсорбированного на поверхности пленки, легко реагирует с титаном. Источником кислорода являются остаточная газовая среда в камере и атмосфера.
На рис. 3 представлены результаты исследований №,у-уровня азота. При разложении спектра наблюдается пик с максимальной интенсивностью при энергии связи 397.45 эВ, который соответствует азоту в нитриде титана. Также наблюдаются дополнительные пики, обусловленные наличием соединений Т1М (396.44 эВ) и ТМО (399.44 эВ).
На рис. 4 представлен спектр РФЭС ^-состояний атомов углерода. Наличие пика с максимальной интенсивностью при энергии связи 285.19 эВ свидетельствует о присутствии аморфного углерода [10], который образовался в поверхностном слое пленки в результате разложения паров масла диффузионного насоса. Также наблюдаются дополнительные пики, обусловленные, по-видимому, наличием соединений С—О=С и С—Н (286.43
эВ), О—С=О и карбоксильных групп (288.77 эВ) [11—13].
На рис. 5 показаны спектры О1«-уровня кислорода. Наиболее интенсивная полоса спектра при энергии 530.16 эВ указывает на присутствие связей кислорода с титаном [14]. Максимумы при 531.84 и 531.92 эВ, по-видимому, относятся, соответственно, к ОН-группам, адсорбированным на поверхности, и органическим формам, содержащим кислород [15].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ранее [5] методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии было выявлено, что содержание кислорода в остаточной газовой среде достаточно для формирования пленок ТМО на-норазмерной толщины, полученных ионно-луче-вым распылением титановой мишени в атмосфере азота. В [3, 7] было показано, что обработка поверхности пленки нитрида титана ионами азота из плазмы уменьшает содержание металлического титана и кислорода в пленке.
Приведенные экспериментальные данные и результаты настоящего исследования позволяют предположить, что рост пленки при распылении титана в атмосфере азота включает несколько стадий. На начальной стадии образуется ультратонкая пленка толщиной в несколько нанометров, которая содержит фазы Т1, ТШ, Т!^, ТЮХ, Т1О2, ТгМ^О.,,. Затем в процессе осаждения пленки
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
298 296 294 292 290 288 286 284 282 280
Энергия связи, эВ
Рис. 4. РФЭС-спектр ^-состояний атомов углерода.
545 543 541 539 537 535 533 531 529 527 525
Энергия связи, эВ
Рис. 5. РФЭС-спектр 1^-состояний атомов кислорода. ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ № 7 2015
РФЭС-ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛЕНОК НИТРИДА ТИТАНА
ионы азота из плазмы диффундируют в глубину. Насыщение пленки атомами азота, обладающими высокой реакционной способностью, и прогрев пленки благодаря высокой температуре титановой дуги вызывают изменение ее фазового состава. В результате этого фазы титана, оксидов и оксинитридов титана в растущей пленке превращаются в нитридную фазу до тех пор, пока не образуется пленка из Ti и TN.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. // Наноструктурные материалы. М.: Академия, 2005. С. 164.
2. Хамдохов А.З., Тешев Р.Ш., Хамдохов З.М., Кулика-ускас В.С., Черных П.Н. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2013. № 8. С. 37.
3. Хамдохов А.З., Тешев Р.Ш., Хамдохов З.М., Кулика-ускас В.С., Черных П.Н. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2013. № 10. С. 95.
4. Патент № 2497977 (РФ) от 10 ноября 2013 г. Способ получения однофазных пленок нитрида титана / Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова (RU).
65
Хамдохов А.З., Хамдохов Э.З. http://www.free-patent.ru/patents/2497977. 10.11. 2013
5. Стервоедов А.Н., Береснев В.М. // Вюник Харьювского ушверситету. 2010. № 887. С. 104.
6. Стервоедов А.Н., Фареник В.И. // Вюник Харьювского ушверситету. 2005. № 657. С. 85.
7. Чапланов А.М., Щербакова Е.Н. // ЖТФ. 1999. Т. 69. Вып. 10. С. 102.
8. Кузнецов М.В., Журавлев Ю.В., Губанов В.А. // Поверхность. 1992. № 2. С. 86.
9. Lu F.-H., Chen H.-Y. // Thin Solid Films. 1999. V. 355-356. P. 374.
10. Paul K. Chu, Liuhe Li // Mater. Chem. Phys. 2006. V. 96. P. 253.
11. Быстров С.Г., Шуклин С.Г. // Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т. 13. № 4. С. 511.
12. Болотов В.В., Корусенко П.М., Несов С.Н., Повороз-нюк С.Н. // ФТТ. 2014. Т. 56. Вып. 4. С. 17.
13. Pirlot Ch., Willems I., Fonseca A., Naqy J.B., Delhalle J. // Adv. Eng. Mater. 2002. V. 4. № 3. P. 109.
14. Datsyuk V., Kalyva M., Papagelis K., Parthenios J., Tasis D., Siokou A., Kallitsis I., Galiotis C. // Carbon. 2008. V. 46. P. 833.
15. Зырянов С.С., Кружалов А.В., Нешов Ф.Г., Рябухин О.В., Кузнецов М.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2013. № 4. С. 29.
XPS Research of TiN Films Formed by Electric Arc Technique
A. Z. Khamdokhov, R. Sh. Teshev, Z. M. Khamdokhov, E. Z. Khamdokhov, Z. H. Kalajokov, H. H. Kalajokov
A phase composition of the 3 nm surface layer of Ti and TiN films is studied by X-ray photoelectron spectroscopy. The films are deposited by electric arc sputtering of titanium cathode in a nitrogen atmosphere under magnetic field. It is shown that the film surface layer contains TiN, TiNx, TiOx, TiO2, TiN^O^ phases. The mechanism which explain the formation of titanium nitride films is proposed.
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.