CC BY
40
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 • 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Исследование взаимодействия дейтериевой плазмы с вольфрамовыми мишенями # 12, декабрь 2013 Б01: 10.7463/1213.0669439
Зимин А. М., Шарапов В. М., Кривицкий С. Е., Куликаускас В. С.
УДК 537.525.99:539.231:539.232:539.25:544.032.4
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация ИФХЭ им. А.Н. Фрумкина РАН, Москва, Российская Федерация НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Российская
Федерация zimin@power.bmstu.ru sharapov@ipc.rssi.ru krivitsky@power.bmstu.ru vacl av@anna 19.sinp.msu.ru
Введение
При осаждении тонких плёнок методом распыления металлических мишеней в газовом разряде (в частности, при использовании магнетронного разряда) вместе с распыляемыми металлическими атомами в растущей плёнке осаждаются и накапливаются атомы плазмообразующего газа. Эти со-осаждённые газовые атомы могут накапливаться в плёнках до высоких концентраций и оказывать влияние на их физико-механические свойства, что отражается на качестве покрытий.
В другом аспекте внимание к этой проблеме проявляется и в связи с работами по управляемому термоядерному синтезу. При взаимодействии плазмы с материалами разрядной камеры (в проектируемом термоядерном реакторе токамаке ИТЭР для плазмообращённых элементов предполагается использовать бериллий, углеродные материалы и вольфрам) распыляемые атомы этих материалов вместе с атомами изотопов водорода осаждаются в различных местах камеры. Такие соосаждённые плёнки могут стать одним из основных аккумуляторов для накопления трития. Захват и «захоронение» в плёнках трития создаёт большие проблемы как в плане безопасности, так в плане его наработки (см, напр., [1]). Поэтому исследование закономерностей поведения и оценка количества захватываемых изотопов водорода в соосаждаемых плёнках является важной физической и материаловедческой проблемой.
Данная работа посвящена изучению особенностей осаждения вольфрам-дейтериевых плёнок на кремниевую подложку при распылении вольфрамовой мишени дейтериевой плазмой магнетронного разряда.
Экспериментальная часть
Для осаждения плёнок использовалась магнетронная распылительная система. Схема эксперимента приведена на рис. 1. В качестве мишени использовался плоский вольфрамовый катод, изготовленный из поликристаллического вольфрама чистотой 99,95 вес. %. Кремниевая подложка размером 1*1 см располагалась по нормали от мишени на расстоянии г, которое в разных экспериментах изменялось от 6 до 14 см. Во время осаждения плёнки температура подложки 473 К определялась как излучением раскалённой мишени, так и омическим нагревом и контролировалась термопарой, укреплённой на обратной стороне держателя подложки. Давление дейтерия во время горения разряда поддерживалось на уровне 5 Па. Напряжение разряда ир находилось в
пределах от 490 до 500 В, ток составлял 0,5 А, а средняя плотность тока при площади
2 2 18 2 катода 2,5 см - около 200 мА/см (1,2-10 ион/(см с). Длительность эксперимента при
всех условиях была равна 4 часа. Средняя энергия ионов, бомбардирующих поверхность
мишени, согласно результатам исследований магнетронного разряда в среде дейтерия [2],
принималась равной 0,85 ир (около 400 эВ). При таких условиях заметная часть ионов
17 2
дейтерия (как показывают расчёты [3] - до 50 %, т.е. ~ 610 ион/(см с)) в виде атомов отражается от вольфрамового катода. Коэффициент распыления чистого вольфрама ионами дейтерия для рассматриваемых энергий не превышает 5.10-4 [4]. Таким образом,
14 2
поток распыленных атомов W составляет ~ 610 ион/(см с).
Вакуумная ф Подача газа 02 камера . ,
Плазма 31-подложка
X Откачка
Рис. 1. Схема эксперимента
Полученные плёнки анализировались различными методами. Масса напылённой вольфрамовой плёнки определялась взвешиванием подложки до и после эксперимента на весах фирмы Sortorius с точностью 0,1 мкг. Толщина плёнки измерялась с помощью профилометра Tencor Instruments. Содержание дейтерия определялось методом ядер отдачи (МЯО).
Результаты и обсуждение
В табл. 1 приведены результаты измерения массы и толщины плёнок, формирующихся на кремниевых подложках, находившихся на различных расстояниях от W-мишени (образец № 1 - z = 8 см, № 2 - z = 11 см и № 3 - z = 14 см).
Таблица 1 -Характеристики осажденных W-D-пленок
№ образца Масса плёнки, 10-5 г/см2 Толщина плёнки, нм Содержание D-атомов, ат/см2 Содержание W-атомов, ат/см2
1 21,0 170 2,35.1017 6,9-1017
2 10,3 74 0,93.1017 3,4-1017
3 8,3 57 0,35-1017 2,8-1017
Здесь также представлены данные по количеству атомов вольфрама, рассчитанные в предположении, что масса плёнки определяется, в основном, содержанием вольфрама, и по содержанию дейтерия, полученные методом ядер отдачи. Спектры МЯО для трёх образцов показаны на рис. 2.
Рис. 2. Спектры МЯО для трёх образцов, находившихся на разных расстояниях z от
мишени: 1 - 8 см; 2 - 11 см; 3 - 14 см
На основе полученных данных были рассчитаны средние скорости роста плёнок, скорости осаждения атомов вольфрама и дейтерия и плотность плёнок на подложках, находившихся на различных расстояниях от мишени. Эти величины представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Параметры формирования плёнок
№ образца Скорость роста плёнки, нм/с Скорость осаждения 2 атомов W, ат/см с Скорость осаждения атомов Б, ат/см с Плотность плёнок, г/см3
1 1,2-10-2 4,8-1013 1,6-1013 12,3
2 0,5-10-2 2,4-1013 0,65-1013 13,9
3 0,4-10-2 1,9-1013 0,24-1013 14,6
Из данных табл. 2 видно, что поток осаждаемых на подложку атомов дейтерия на несколько порядков ниже, чем поток отраженных от мишени в сторону подложки атомов
17 2
Б (6-101' ат/(см2 с). Это можно объяснить тем, что последние теряют энергию и рассеиваются в результате столкновений с другими атомами и молекулами. Чем больше расстояние между мишенью и подложкой, тем больше таких столкновений и тем меньше атомов дейтерия в итоге накапливается в растущей плёнке. Такой же эффект наблюдается и при изменении давления в камере. В работе были проведены также эксперименты по осаждению плёнок при фиксированном расстоянии между мишенью и подложкой, но при различных давлениях дейтерия. Оказалось, что наибольшее содержание дейтерия в плёнке было при 2 Па (2,81017 ат/см2), а наименьшее (1,391016 ат/см2) - при 8 Па, что также объясняется увеличением количества столкновений при увеличении давления.
Плотность полученных в экспериментах плёнок (табл. 2) оказалась значительно ниже, чем плотность кристаллического вольфрама (19,3 г/см ), что отражает несовершенство кристаллической структуры плёнок. Одним из факторов, влияющих на эту характеристику, является наличие пор.
Поэтому было проведено исследование плёнок с помощью сканирующей электронной микроскопии. На рис. 3 показана микрофотография поверхности образца № 1, предоставленная Р.Х. Залавутдиновым. Видно, что на поверхности имеется большое количество вздутий. Этими вздутиями могут быть и поверхностные блистеры, и поры, как закрытые, так и сквозные, проходящие через всю толщину плёнки. Микроанализ показал, что черные кружки на микрофотографии - это кремний (материал подложки), т.е. зафиксирована сквозная (вскрывшаяся) пора. По-видимому, именно эти блистеры и поры оказывают наибольшее влияние на плотность плёнок.
Рис. 3. Микрофотография поверхности плёнки на образце № 1
Похожие исследования соосаждённых вольфрамовых плёнок, полученных методом распыления вольфрама в радиочастотной дейтериевой плазме, были выполнены в [5]. В работе были сделаны оценки плотности плёнок. Оказалось, что плотность плёнок зависит от давления газа в камере, экспоненциально уменьшаясь от 13,2 г/см при 2 Па до 6,74 г/см при давлении дейтерия 220 Па. В этой работе была сделана также оценка степени пористости в предположении, что на тех участках плёнки, где пор нет, плотность соответствует плотности кристаллического вольфрама. Используя такой подход, была оценена степень пористости плёнок, полученных в нашей работе. Для образца № 1 она оказалась равной 36 %, для образца № 2 - 28 % и для образца № 3 - 25 %.
Авторы [5] считают, что пористость и плотность плёнок определяется поверхностной диффузией атомов вольфрама, которая, в свою очередь, зависит от энергии, которую передают поступающие на подложку атомы распыленного металла и соосаждающегося газа. При увеличении давления атомы дейтерия испытывают между мишенью и подложкой многочисленные столкновения с частицами плазмообразующего газа, передавая, таким образом, атомам поверхностного слоя металла лишь малую долю своей начальной энергии. В результате поверхностная диффузия ослабевает, а образующаяся плёнка оказывается не такой плотной и содержит большое количество пор. В то же время рассеяние распылённых атомов вольфрама в силу их значительно большей массы несущественно.
Полученные в настоящей работе данные показывают, что уменьшение степени пористости от образца № 1 к образцу № 3 коррелирует с уменьшением содержания дейтерия в этих образцах (табл. 1). Это, на наш взгляд, указывает на то, что причиной появления пористости и её изменения в зависимости от расстояния между мишенью и подложкой является высокое содержание дейтерия, накапливающегося в растущей плёнке, а не диффузионные процессы на её поверхности, как считают в [5].
Уменьшение энергии ускоренных атомов за счёт столкновений приводит к уменьшению захвата налетающих атомов плёнкой, что и происходит при увеличении расстояния между мишенью и подложкой.
Заключение
Исследованы особенности формирования тонких вольфрамовых плёнок, образующихся в результате распыления вольфрамовой мишени дейтериевой плазмой магнетронного разряда.
Установлено, что в вольфрамовой плёнке содержание захваченного дейтерия сравнимо с содержанием осаждённых атомов вольфрама. Предполагается, что захваченный дейтерий находится в порах, формируемых в процессе роста плёнки. Показано, что расстояние между распыляемой мишенью и подложкой, на которой формируется плёнка, является важным параметром, определяющим плотность плёнок и их пористость. При увеличении расстояния между мишенью и подложкой уменьшается количество соосаждённого дейтерия, что приводит к уменьшению пористости и увеличению плотности плёнок.
Список литературы
1. Loarer T., Brosset C., Bucalossi J., Tsitrone E., Coad P., Morgan Ph., Widdowson A., Esser G., Philipps V., Hogan J., Likonen J., Mayer M., Rohde V., Roth J., Rubel M. Gas balance and fuel retention in fusion devices // Nucl. Fusion. 2007. Vol. 47, no. 9. P. 1112-1120. DOI: 10.1088/0029-5515/47/9/007
2. Elistratov N.G., Zimin A.M. Energy spectrum of ions entering onto cathode of low-pressure discharge in crossed E-H fields // 3d Intern. Conf. on Physics of low temperature plasma: abstracts. Kiev, 2003. No. 7.5.11.
3. Ziegler J.F., Biersack J.P., Ziegler M.D. SRIM - The Stopping and Range of Ions in Matter. SRIM Co., Chester, MD, USA, 2008.
4. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. 1. Физическое распыление одноэлементных твердых тел / под ред. Р. Бериша; пер. с англ. под ред. В. А. Молчанова. М.: Мир, 1984. 336 c. [Behrisch R., ed. Sputtering by Particle Bombardment. 1: Physical Sputing of Single-element Solids. Berlin: Springer-Verlag, 1981. 281 p. (Ser. Topics in Applied Physics; vol. 47.). DOI: 10.1007/3-540-10521-2 ].
5. Katayama K., Kasahara S., Ishikawa S., Fukada S., Nishikawa M. Hydrogen incorporation in tungsten deposits growing by deuterium plasma sputtering // Fusion Engineering and Design. 2011. Vol. 86, is. 9-11. P. 1702-1705. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2011.04.032
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Investigation of interaction of deuterium plasma with tungsten targets
# 12, December 2013 DOI: 10.7463/1213.0669439
Zimin A.M., Sharapov V.M, Krivickii S.E., Kulikauskas V.S.
Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation A.N. FRUMKIN INSTITUTE OF PHYSICAL CHEMISTRY AND ELECTROCHEMISTRY
OF THE RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES, Moscow SKOBELTSYN INSTITUTE OF NUCLEAR PHYSICS LOMONOSOV MOSCOW STATE
UNIVERSITY zimin@power.bmstu.ru sharapov@ipc.rssi.ru krivitsky@power.bmstu.ru vacl av@anna 19.sinp.msu.ru
Assessment of retention of hydrogen isotopes in co-deposited films is of great interest for the problem of selecting materials for plasma-facing components of International Thermonuclear Experimental Reactor. The purpose of this work was to study deposition peculiarities of tungsten-deuterium films formed on silicon substrates by sputtering tungsten targets in deuterium plasma of magnetron discharge. Deuterium content in films was determined by the Elastic Recoil Detection method; tungsten concentration was calculated from the measurements of the film's weight; the film's thickness was determined by a profilometer. It was established that deuterium content in co-deposited films is comparable with that of tungsten atoms. It was suggested that the retained deuterium is located in the pores formed during the film growth. Increase in the distance between the target and substrate leads to decrease in the deuterium content in the film and subsequently to reduction in film porosity and to growth of its density.
Publications with keywords: accumulation of deuterium in tungsten, co-deposited films, experimental modeling, magnetron sputtering system Publications with words: accumulation of deuterium in tungsten, co-deposited films, experimental modeling, magnetron sputtering system
References
1. Loarer T., Brosset C., Bucalossi J., Tsitrone E., Coad P., Morgan Ph., Widdowson A., Esser G., Philipps V., Hogan J., Likonen J., Mayer M., Rohde V., Roth J., Rubel M. Gas balance and fuel retention in fusion devices. Nucl. Fusion, 2007, vol. 47, no. 9, pp. 1112-1120. DOI: 10.1088/0029-5515/47/9/007
2. Elistratov N.G., Zimin A.M. Energy spectrum of ions entering onto cathode of low-pressure discharge in crossed E-H fields. In: The 3d Intern. Conf. on Physics of low temperature plasma: abstracts. Kiev, 2003, no. 7.5.11.
3. Ziegler J.F., Biersack J.P., Ziegler M.D. SRIM - The Stopping and Range of Ions in Matter. SRIM Co., Chester, MD, USA, 2008.
4. Behrisch R., ed. Sputtering by Particle Bombardment. 1: Physical Sputing of Single-element Solids. Berlin, Springer-Verlag, 1981. 281 p. (Ser. Topics in Applied Physics; vol. 47.). DOI: 10.1007/3-540-10521-2 (Russ. ed.: Behrisch R., ed. Raspylenie tverdykh tel ionnoy bombardirovkoy. Vyp. 1: Fizicheskoe raspylenie odnoelementnykh tverdykh tel. Moscow, Mir, 1984. 336 p.).
5. Katayama K., Kasahara S., Ishikawa S., Fukada S., Nishikawa M. Hydrogen incorporation in tungsten deposits growing by deuterium plasma sputtering. Fusion Engineering and Design, 2011, vol. 86, is. 9-11, pp. 1702-1705. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2011.04.032
