Научная статья на тему 'Свойства пленок нитрида титана, полученных методом магнетронного распыления'

Свойства пленок нитрида титана, полученных методом магнетронного распыления Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
3968
540
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НИТРИД ТИТАНА / МАГНЕТРОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ / ТОНКИЕ ПЛЕНКИ / РЕАКТИВНОЕ ОСАЖДЕНИЕ / TITANIUM NITRIDE / MAGNETRON SPUTTERING / THIN FILMS / REACTIVE DEPOSITION

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Юрьев Юрий Николаевич, Михневич Ксения Сергеевна, Кривобоков Валерий Павлович, Сиделёв Дмитрий Владимирович, Киселева Дарья Васильевна

Путем магнетронного распыления титановой мишени в среде азота и аргона получены пленки нитрида титана (TiN) поликристаллической структуры (111), (200) и (220), обладающие твердостью 9,7-22,6 ГПа и упругостью 153,2-395,7 ГПа. Электрическое сопротивление исследуемых образцов в диапазоне 0,15-1,24 мОм·см. Представлены зависимости фазового состава, микроструктуры, морфологии и физико-механических свойств TiN покрытий от расстояния между плоскостью мишени и подложкой ( d s-t ) и скорости потока N 2 в рабочую камеру.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Юрьев Юрий Николаевич, Михневич Ксения Сергеевна, Кривобоков Валерий Павлович, Сиделёв Дмитрий Владимирович, Киселева Дарья Васильевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE PROPERTIES OF TITANIUM NITRIDE FILMS, OBTAINED BY MAGNETRON SPUTTERING

The titanium nitride (TiN) thin films of polycrystalline structure (110), (200) and (220) with hardness 9.7-22.6 GPa and elastic modulus 153.2-395.7 GPa were obtained by means of magnetron sputtering of titanium cathode in argon and nitrogen. The electrical resistance of the samples is in the range of 0.15-1.24 mΩ·cm. The effects of phase composition, microstructure, morphology and physical-mechanical properties of TiN on d s-t and N 2 flow rate are presented.

Текст научной работы на тему «Свойства пленок нитрида титана, полученных методом магнетронного распыления»

УДК 538.975

СВОЙСТВА ПЛЕНОК НИТРИДА ТИТАНА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

© 2014 Ю.Н. Юрьев1, К.С. Михневич1, В.П. Кривобоков1, Д.В. Сиделёв1, Д.В. Киселева1, В.А. Новиков2

1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет

2 Национальный исследовательский Томский государственный университет

Поступила в редакцию 28.11.2014

Путем магнетронного распыления титановой мишени в среде азота и аргона получены пленки нитрида титана (КМ) поликристаллической структуры (111), (200) и (220), обладающие твердостью 9,7-22,6 ГПа и упругостью 153,2-395,7 ГПа. Электрическое сопротивление исследуемых образцов в диапазоне 0,15-1,24 мОмсм. Представлены зависимости фазового состава, микроструктуры, морфологии и физико-механических свойств TiN покрытий от расстояния между плоскостью мишени и подложкой и скорости потока ММ2 в рабочую камеру.

Ключевые слова: нитрид титана, магнетронное распыление, тонкие пленки, реактивное осаждение

Большой научно-практический интерес к пленкам TiN вызван уникальным сочетанием их свойств: высокие значения показателей твердости и упругости, температуростойкости и химической инертности, высокие электро- и теплопроводность [1-3]. 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 [3]. 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.

Юрьев Юрий Николаевич, заведующий лабораторией. E-mail: [email protected]

Михневич Ксения Сергеевна, магистрант. E-mail: mikhnevichks@mail. ru

Кривобоков Валерий Павлович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой водородной энергетики и плазменных технологий. E-mail: [email protected]

Сиделёв Дмитрий Владимирович, инженер лаборатории № 23. E-mail: [email protected] Киселева Дарья Васильевна, студентка Новиков Вадим Александрович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории наноэлектроники и нанофотоники. E-mail: [email protected]

Для обеспечения стабильности реактивных процессов осаждения бинарных соединений металлов (TiN, TiO2 и др.) выгодно использовать импульсные магнетронные распылительные системы (МРС) дуального типа [4, 5]. При этом достигается существенное повышение производительности плазменной установки.

Цель работы: исследование свойств плёнок нитрида титана, нанесённых с помощью дуальной магнетронной распылительной системы, в зависимости от скорости потока азота в рабочую камеру и от расстояния между плоскостью мишени и подложкой (ds-t). Настоящая работа посвящена исследованию физико-механических свойств пленок TiN, полученных при помощи дуальной МРС в среде Ar и N2.

Экспериментальная часть. Исследования проводили на ионно-плазменной установке серии «Яшма» [5] при остаточном давлении в рабочей камере 5 10- 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 [5, 6]. Осаждение производилось в режиме ограничения мощности (3 кВт) при поддержании постоянным значение потока аргона (табл. 1). Материал подложки - полированные пластины монокристаллического кремния (ПБЦ 0.032.015 ТУ). 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 их

физико-механические свойства расстояние меж- контролировалась при помощи кварцевого изме-ду мишенью и подложкой (01,,..) варьировалось: рителя толщины «Микрон-5». 100 и 50 мм. Скорость осаждения пленок TiN

Таблица 1. Условия осаждения пленок

Номер образца 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5

ds-t, мм 100 50

Q (N2), см /мин 15 23 26 33 40 52 15 23 26 33 52

Q 3(Ar), см /мин 31 0 31 0

Рентгеноструктурные исследования покрытий были проведены на дифрактометре Shimadzu XRD-7000S в Cu-Ka излучении (30 кВ, 30 мА). Микрофотографии поверхности изучали методом атомно-силовой микроскопии (Solver HV). Микроиндентирование пленок TiN было произведено с помощью нанотвердомера Nano Hardness Tester при нагрузке 10 мН. Удельное электрическое сопротивление образцов определяли при помощи четырехзондовой схемы измерений методом амперметра-вольтметра при комнатной температуре (рабочий ток -105 мкА). Аналитические исследования были проведены на оборудовании центра коллективного пользования Томского политехнического университета.

Результаты работы и обсуждение. Производительность дуальной МРС в зависимости от скорости потока азота Q (N2) при различных значениях ds-t показана на рис. 1. Ввиду несбалансированности магнитного поля магнетрона происходит стравливание растущей пленки ионным потоком плазменного разряда. Наблюдается падение скорости осаждения пленок TiN в среднем на 20% при приближении плоскости подложки к мишени на 50 мм. Снижение производительности системы при повышении Q (N2) обусловлено «отравлением» титанового катода слоем TiNx| x=o...i и меньшим коэффициентом распыления мишени ионами азота. Влияние

потока реактивного газа на скорость осаждения пленок бинарных соединений металлов детально рассмотрено нами ранее в работах [5, 7].

Рис. 1. Влияние скорости потока азота на производительность процесса нанесения пленок TiN при различных ds-t: 1 - 100 мм; 2 - 50 мм

Результаты рентгеноструктурных исследований опытных образцов представлены на рис. 2. Согласно представленным графикам, пленки TiN имеют поликристаллическую структуру с ориентацией по кристаллографическим направлениям (111), (200), (220). Пики интенсивностей (311) и (222) проявляются слабо.

Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы пленок TiN: а - 100 мм; б - 50 мм

Ориентация роста пленок по одному из кристаллографических направлений сопряжена с вариацией энергии распыленных частиц и ионов, падающих на подложку [8, 9]. 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-=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 с преобладающей ориентацией (111) происходит в газовой среде N2, без подачи Лг. Изменение скорости потока азота в рабочую камеру стимулирует снижение интенсивности рефлексов (200) и (220) для расстояния «мишень-подложка» 100 и 50 мм, соответственно. Из данных рентгеновской дифракции

получены значения параметров кристаллическои решетки экспериментальных образцов 4,22...4,25 Â, которые хорошо коррелируют с данными для пленок TiNx|x~i [9].

АСМ-фотографии поверхности исследуемых образцов показаны на рис. 3. Определено, что 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. Для выявления причин изменения морфологии необходимо принять во внимание распределение силовых линий магнитного поля дуальной МРС и данные рентгеноструктурного анализа. По нашему мнению, при ds-=50 мм формирование нитридного покрытия происходит при более интенсивном ионном воздействии на конденсирующееся покрытие, что стимулирует вытравливание межзеренной структуры и распыление пиков на растущей поверхности. Результаты микроскопии хорошо согласуются с результатами рентгеновской дифракции.

Рис. 3. 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 магнетронно-го распыления пленки обладают показателями твердости Н и упругости E, характерными для TIN [10]. Явной зависимости механических свойств покрытий от потока N2 не наблюдается.

Таблица 2. Механические свойства пленок TIN

Q (N2), см /мин ds_(=100 мм ds.=50 мм

И, ГПа Е, ГПа И, ГПа Е, ГПа

15 13,5 159,8 12,1 194,4

22 20,7 395,7 20,7 250,9

26 16,1 235,1 8,6 153,2

33 22,6 309,9 17,7 256,4

40 16,4 244,4 - -

52 9,7 179,4 12,2 190,9

Уменьшение расстояния «мишень-подложка» стимулирует снижение показателей механических свойств покрытий. По всей видимости, при ds-=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 (рис. 4). Происходит формирование покрытия с менее плотными локальными областями структуры.

Более высокая интенсивность рефлексов (200) наблюдается для пленок TiN, полученных при ds-t=100 мм. Авторы работы [11] показали, что нитрид титана с преимущественной ориентацией (200) обладает улучшенными механическими

свойствами. Такие пленки характеризуются более высокими значениями энергии деформации, запасенной в структуре покрытия. Результаты измерений удельного электрического сопротивления исследуемых пленок показаны на рис. 5.

Рис. 4. Микронапряжения в исследуемых пленках TiN: а - 100 мм; б - 50 мм

Рис. 5. Влияние на удельное электросопротивление образцов Т1№ 1 - 100 мм; 2 - 50 мм

В ряде исследований [2, 9, 12] установлено, что электросопротивление зависит от степени совершенства кристаллической структуры покрытия. При высокой концентрации дефектов происходит интенсивное рассеивание электронов проводимости. Общая тенденция электрических свойств исследуемых нами покрытий состоит в снижении электропроводности пленок Т1М при повышении скорости потока N2. Ряд авторов указывают на взаимосвязь показателей электросопротивления и ориентации роста покрытий по кристаллографическим осям [2, 9]. Пленки Т1М с более высокими значениями /(200)//(111) и /(220)//(111) характеризуются улучшенными электрическими характеристиками. Нитридные покрытия, полученные при ?=50 мм, имеют более высокие показатели по электропроводности (0,15-0,23 мОмсм), чем в системе с удаленной подложкой. Основная

причина таких различий, видимо, обусловлена меньшим количеством дефектов в этих покрытиях.

Выводы: по данным рентгеновской дифракции полученные нами образцы TiN обладают поликристаллической структурой (111), (200) и (220). Морфология поверхности сильно зависит от расстояния «мишень-подложка». При уменьшении расстояния ds-t увеличивается интенсивность ионного воздействия на подложку, приводящего к сглаживанию поверхности. Твердость покрытий составила 9,7-22,6 ГПа, модуль упругости 153,2-395,7 ГПа. Приближение подложки к мишени не приводит к повышению показателей механических свойств: происходит перестройка структуры покрытия, снижаются микронапряжения в пленках. Улучшенными электрическими характеристиками обладают образцы TiN с меньшим числом дефектом (полученные при ds-t =50 мм при меньшем значении потока N2).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Martinez, G. Effect of Thickness on the Structure, Composition and Properties of Titanium Nitride Nano-Coatings / G. Martinez et al. // Ceramics International. 2014. v. 4. p. 5757-5764.

2. Meng, Li-Jian. Characterization of Titanium Nitride Films Prepared by D.C. Reactive Magnetron Sputtering at Different Nitrogen Pressures / Li-Jian Meng, M.P. dos Santos // Surface and Coatings Technology. 1997. V. 90. P. 64-70.

3. Чапланов, А.М. Структурные и фазовые превращения в тонких пленках титана при облучении азот-водородной плазмой / А.М. Чапланов, Е.Н. Щербакова // Журнал технической физики. 1999. Т. 69, № 10. С. 102-108.

4. Берлин, Е.В. Ионно-плазменные процессы в тонкоплёночной технологии / Е.В. Берлин, Л.Н. Сейдман. - М.: Техносфера, 2010. 528 c.

5. Yurjev, Y.N. Technological Peculiarities of Deposition Anti-Reflective Layers in Low-E Coatings / Y.N. Yurjev, D.V. Sidelev // Journal of Physics: Conference Series. 2013. V. 479. № 1. Article Number - 012018. P. 1-4.

6. Musil, J. Discharge in Dual Magnetron Sputtering System / J. Musil, P. Baroch // IEEE Transactions on Plasma Science. 2005. V. 33, № 2. P. 338-339.

7. 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.

8. Oh, U.C. Effects of Strain Energy on the Preferred Orientation of TiN Thin Films / U.C. Oh, Ho Je Jung // J. Appl. Phys. 1993. V. 74, № 3. P. 1692-1696.

9. Nishat, A. Study on Structural, Morphological and Electrical Properties of Sputtered Titanium Nitride Films under Different Argon Gas Flow / A. Nishat et al. // Materials Chemistry and Physics. 2012. № 134. P. 839-844.

10. Костин, Е.Г. Осаждение пленок ТгМ и ТЮ2 в об- 11. ращенном цилиндрическом магнетроне методом реактивного распыления / Е.Г. Костин, А.В. Дем-чишин // Технология и конструирование в элек- 12. тронной аппаратуре. 2008. № 4. С. 47-51.

Pelleg, J. Reactive-Sputter-Deposited TiN Films on Glass Substrates / J. Pelleg, L.Z. Zevin, S. Lungo // Thin Solid Films. 1991. V. 197. P. 117-128. Jeyachandran, Y.L. Properties of Titanium Nitride Films Prepared by Direct Current Magnetron Sputtering / Y.L. Jeyachandran et al. // Materials Science and Engineering A. 2007. № 445-446. P. 223-236.

THE PROPERTIES OF TITANIUM NITRIDE FILMS, OBTAINED BY MAGNETRON SPUTTERING

Y.N. Yuryev1, K.S. Mikhnevich1, V.P. Krivobokov1, D.V. Sidelyov1, DA. Kiselyova1,

V.A. Novikov2

1 National Research Tomsk Polytechnic University 2 National Research Tomsk State University

The titanium nitride (TiN) thin films of polycrystalline structure (110), (200) and (220) with hardness 9.7-22.6 GPa and elastic modulus 153.2-395.7 GPa were obtained by means of magnetron sputtering of titanium cathode in argon and nitrogen. The electrical resistance of the samples is in the range of 0.15-1.24 m^-cm. The effects of phase composition, microstructure, morphology and physical-mechanical properties of TiN on dst and N2 flow rate are presented.

Key words: titanium nitride, magnetron sputtering, thin films, reactive deposition

Yuriy Yuryev, Chief of the Laboratory. E-mail: [email protected] Kseniya Mikhnevich, Master. E-mail: [email protected] Valeriy Krivobokov, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of the Hydrogen Power and Plasma Technologies Department. E-mail: [email protected] Dmitriy Sidelyov, Engineer at the Laboratory № 23. E-mail: sidelevdv@tpu. ru Dariya Kiselyova, Student

Vadim Novikov, Candidate of technical Sciences, Senior Research Fellow at the Laboratory of Nanoelectronics and Nanophotonics. E-mail: novikovvadim@mail. ru

Сдано в набор 01.12.2014 г. Подписано к печати 22.12.2014 г. Формат бумаги 60х80%. Офсетная печать. Усл.печ. л. 18,0 Усл.кр-отт.10,5 тыс. Уч-изд.л. 18,5 Тираж 500 экз. Зак._

Учредители: Самарский научный центр Российской академии наук, Президиум СамНЦ РАН

Адрес издателя: 443001, Самара, Студенческий пер., 3а Отпечатано в типографии СамНЦ РАН. 443001, Самара, Студенческий пер., 3а

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.