научная статья по теме ТЕКСТУРА ПЛЕНОК БОРИДОВ, НИТРИДОВ И СИЛИЦИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ ИОННОГО ОСАЖДЕНИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ТЕКСТУРА ПЛЕНОК БОРИДОВ, НИТРИДОВ И СИЛИЦИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ ИОННОГО ОСАЖДЕНИЯ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2007, том 43, № 4, с. 405-409

УДК 546.471.2.539.23

ТЕКСТУРА ПЛЕНОК БОРИДОВ, НИТРИДОВ И СИЛИЦИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ

ИОННОГО ОСАЖДЕНИЯ

© 2007 г. П. И. Игнатенко*, А. А. Гончаров**, Д. Н. Терпий**

*Донецкий национальный университет, Украина **Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, Украина

e-mail: postmaster@univ.Donetsk.ua Поступила в редакцию 22.03.2006 г.

Проанализирована текстурированность боридных, нитридных и силицидных пленок переходных металлов, полученных разными методами ионного осаждения. Установлено, что формирование текстур в пленках обусловлено в первую очередь энергией конденсируемых атомов, структурным состоянием подложки и температурой напыления. Выявлены ориентационные соотношения между решетками подложек и нарастающих фаз.

ВВЕДЕНИЕ

Пленки боридов, нитридов и силицидов переходных металлов вызывают повышенный интерес благодаря ряду их ценных механических и физико-химических свойств [1-12]. Эти свойства существенно зависят от степени структурного совершенства пленок, в том числе от степени совершенства формируемых текстур роста. В [13], исходя из анализа появления преимущественной ориентировки кристалликов нарастающих пленок фаз внедрения, сделан вывод о том, что определяющую роль в образовании текстур играет радиационный фактор.

В наших работах [14-19] изучалось влияние дефектной структуры напыляемых пленок на их свойства. Однако состояние текстурированности пленок не рассматривалось.

Цель данной работы - исследование текстур роста, которые формируются в пленках боридов, нитридов и силицидов переходных металлов, полученных разными методами ионного осаждения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для получения пленок использовали следующие методы ионного осаждения:

- ионно-плазменное распыление (ИПР);

- высокочастотное реактивное и нереактивное магнетронное распыление (ВЧРМР, ВЧНРМР);

- ионную имплантацию (ИИ),

- конденсацию и ионную бомбардировку (КИБ).

Мишенями служили диски VB2, ZrB2, С^2, ТаВ2, изготовленные из порошка химических соединений методом спекания, и пластинки Т1 Реактивным газом был азот, а рабочим - аргон. В каче-

стве подложек были взяты монокристаллы (111), (100) Si, (100) NaCl, а также поликристаллические пластинки Ta, Ti, Mo, Ni, W и Ст. 3.

Структуру, текстуру, фазовый и элементный состав наращиваемых пленок исследовали методом рентгеновской дифракции (ДРОН-4), электронной микроскопии (УЭМВ-100 АК) и вторичной ионной масс-спектроскопии (МС-7201).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты исследований сведены в таблицу, в которой отмечены лишь основные фазы, образуемые при напылении пленок и граничащие с подложкой. Данные свидетельствуют о том, что кристаллиты наращиваемых фаз имеют определенную степень преимущественной ориентировки, которая не зависит от материала подложки (особенно в методе КИБ), но на которую существенно влияет кристаллическое состояние подложки и ее температура. В частности, с повышением структурного совершенства подложки и ее температуры (до некоторой критической, называемой эпитаксиальной) наблюдается повышение кристаллического совершенства наращиваемых пленок (фаз): в виде поликристалла со слабой текстурой, поликристалла с совершенной текстурой и монокристалла (содержащего двойники и другие дефекты).

Монокристаллические и сильно текстуриро-ванные пленки образуются (рис. 1) на монокристаллических подложках кремния и каменной соли при небольшом несоответствии сопрягаемых решеток (в пределах 3.4-11.7%) и температурах напыления 300-600°C, когда максимально эпитаксиаль-ное влияние подложки (методы КИБ, ИПР). При

Режимы напыления, фазовый состав и текстуры в пленках

Метод напыления

Режимы напыления

Нарастающие фазы Текстура

VB2 (001)

(100)

ТаВ2 (001)

VN (110)

™ (111)

W2N, Т^ -

№3Т1, №34 -

Та^, Т^ -

Мо^, Ti2N -

TiN (011)*

SiзN4, Ti5Siз -

SiзN4 (110)

CrSi2 (100)

NiSi2 (110)

ВЧНРМР

ВЧРМР

КИБ

ИИ

Ш = 200 Вт, и = 300 В, I = 0.3 А,

р = 0.15-0.65 Па, исм = -100-0 В, t = 20-100°С

Аг + N2, Ш = 200-600 Вт, и = 300 В, I = 0.4 А, р = 0.4 Па, исм = -50-50 В, t = 20°С

Аг + N2, Ш = 200 Вт, и = 400 В, I = 0.4 А, р = 0.3 Па, исм = -40-0 В, I =

и = 300 В, I = 80 А, р = 0.4 Па, t = 400-600°С

На газовом разряде и = 400 В, I = 0.5 А; на мишени и = 1-3 кВ, I = 60 мА; на подложке и = 20 кВ, I = 8-15 мА, доза ионов 5-300 х 1016 ион/см2, t = 20-200°С

20°С

ИПР

Ш = 300 Вт, и = 3-5 кВ, I = 1-3 А, р = 0.1-0.5 Па, t = 150-300°С

Примечание. Ш - мощность разряда, и - напряжение, I - ток, р - давление рабочего газа, исм - смещение на подложке, t -температура распыления.

* Слабая.

этом выявлены следующие ориентационные соотношения:

(111) Si || (001)УВ2, (111) Si || (100) ZrB2, (111)Si || (111) TiN, (111^ || (110) NiSi2, (100)NaCl || (110)V2N, (100)NaQ || (001)VB2, (100ЖаС1 || (001) ТаВ2,

(111)Si || (100)ZrB12, (111)Si || (001)ТаВ2, (111)Si || (100)CrSi2,

(111^ || (100)SiзN4 (100)NaQ || (001) ZrB2, (011)NaQ || (111)TiN, (100ЖаС1 || (110)Si3N4.

Эти соотношения свидетельствуют о большой роли структурного состояния подложки и температуры напыления в процессах текстурообразования наращиваемых пленок. Снижение структурного совершенства подложки или ее температуры приводит к уменьшению степени совершенства текстуры в пленке. Это иллюстрирует рис. 2, на котором показано ослабление текстурированности пленки NiSi2 при удалении температуры подложки от эпитаксиальной (~450°С). Изменение температуры напыления и кристаллического совершенства подложки ведет к изменению пересыщения материнской фазы и, как следствие, к изменению ме-

Рис. 1. Микроэлектронограммы пленки (010) С^2, полученной методом ИПР (а), и пленки (010) ZrB2, полученной методом ВЧНРМР (б).

Рис. 2. Микроэлектронограммы пленки (110) NiSi2, полученной методом ИПР при температурах 150 (а) и 400°С (б).

(111) (003)(110)

ханизма нарастания фаз. При этом в процессе нарастания пленок на границе пленка/подложка возникают значительные, чаще всего, сжимающие макронапряжения, вызывающие смещение дифракционных линий в сторону меньших брэг-говских углов как материала подложек, так и наращиваемых фаз (рис. 3). Эти напряжения существенно снижают адгезию пленок на подложках. Смещение линий минимально в случае подложек вольфрама и тантала, кристаллические решетки которых имеют очень высокие значения энергии связи.

Помимо действия эпитаксиального фактора текстура в пленке может быть вызвана действием терморадиационного фактора [13]. Наиболее заметно это проявляется в методах КИБ и ВЧНР-МР (энергия ионов в котором в 3 раза больше, чем в методе ВЧРМР [4]) и в меньшей степени в методах ИПР и ВЧРМР. В "чистом" виде этот фактор проявляется при использовании поликристаллических подложек. В результате действия этого фактора в пленках формируются нанокристалли-ческие фазы со столбчатой структурой.

Например, в методе ВЧНРМР на Ст. 3 при использовании мишени ТаВ2 кристаллиты нарастающей фазы ТаВ2 формируются в виде волокон диаметром 5-10 нм и высотой 200-600 нм, расположенных перпендикулярно поверхности подложки в направлении [001] (рис. 3), свидетельствуя о большой скорости роста зародышей нарастающей фазы в указанном направлении. При этом, как показал элементный анализ по толщине пленки, атомы титана и азота присутствуют примерно в равных количествах.

Возникновение столбчатой структуры, на наш взгляд, связано с направлением отвода тепла или потока конденсируемых атомов из зоны реакционной диффузии вблизи поверхности подложки.

Если направление этого потока нормально к поверхности подложки, то наиболее резко повышается пересыщение материнской фазы диффундирующим компонентом, что создает благоприятные условия для реализации нормального механизма роста пленок и формирования преимущественно столбчатой структуры нарастающих фаз. В случае монокристаллических подложек текстура в пленке может формироваться как за счет действия терморадиационного фактора, так и вследствие эпитаксиального влияния подложки. Взаимодействие этих факторов может приводить к усилению или ослаблению результирующей текстуры или к ее усложнению.

В случае пленок, получаемых с помощью метода ИИ, образования текстур в пленках практически не наблюдается, что, по нашему мнению, связано с процессами интенсивного внедрения в подложку ионов титана и азота и их последующего перемешивания благодаря их высокой скорости осаждения и подвижности. В таких условиях напыления оба фактора (терморадиационный и эпи-таксиальный) сведены к минимуму, что и приводит к образованию в наращиваемых пленках многофазных мелкодисперсных и нетекстурированных (иногда аморфно-кристаллических) структур, содержащих определенное количество дефектов.

Сам метод распыления может оказывать значительное влияние не только на фазовый состав, но и на структурное совершенство наращиваемых фаз. Это подтверждается, в частности, сравнительным анализом пленок, полученных методами ИИ и КИБ на одинаковых подложках и с использованием одной и той же мишени (титана). Как известно [4], эти методы отличаются энергией (на порядок) и плотностью потока ионов азота и титана, а также температурой напыления. При наращивании пленок методом ИИ сильное внед-

(а)

110 002

101

011

100

У^-^

50

40

30

20, град

(б)

60

50

40

30

20, град

Рис. 3. Дифрактограммы пленки ТаВ2, полученной методом ВЧНРМР (а), и пленки ТШ, полученной методом ВЧРМР (б); заштрихованные пики относятся к массивным образцам тех же фаз.

рение ионов в подложку и их интенсивное перемешивание создает неравновесное состояние, особенно при больших дозах ионного облучения. Распределение атомов титана и азота по толщине

пленки, как показал элементный анализ, оказывается неоднородным. Все это и ведет к образованию в наращиваемых пленках многофазных не-текстурированных структур с сильной адгезией на подложке. При использовании же метода КИБ в основном протекают процессы конденсации, и пленки оказываются сильно текстурированными и однофазными, состоящими независимо от материала подложки только из нитрида титана

На тип текстуры и степень ее совершенства сущест

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.

Показать целиком