Особенности выращивания тонкопленочных покрытий на основе нитридов

Интерес к нитридам обусловлен их уникальными физико-химическими свойствами. Нитридные покрытия обладают повышенной химической инертностью, высокой твердостью, тугоплавкостью, прочностью, пластичностью, износостойкостью, термической стабильностью, превосходными механическими свойствами. Тонкопленочные защитные покрытия на основе нитридов титана, кремния и алюминия являются материалами с высокими эксплуатационными характеристиками, что предопределило их широкий спектр применения в различных областях техники и технологий.

Среди различных методов получения нитридных слоев перспективной технологией является ионно-лучевой метод [1]. Данная технология примечательна тем, что область горения тлеющего разряда и рабочая камера, где происходит рост слоев, отделены друг от друга, что обеспечивает чистоту эксперимента. Также возможен контроль важных ростовых параметров.

Результаты и обсуждение

В работе рассмотрено распыление мишеней Ti, Si и Al пучками ионов Ar+ и N2+, а также смесью газов Ar+ и N2+ различного состава в интервале энергий рас- пыляющих ионов от 1 до 10 кэВ. В расчетах по теории Зигмунда [2] была использована математическая программа MathCad.

Проведено исследование первого этапа роста нитридных пленок по теории Зигмунда, а именно распыление поверхности мишеней при бомбардировке потоками ионов. На рис. 1 изображено распыление мишени потоками ионов.

Рис. 1. Распыление мишени потоком ионов: 1 — мишень; 2 — пучок ионов;

3 — подложка; 4 — след ионного пучка на поверхности мишени

В теории Зигмунда [2] рассматривается распыление поверхности мишени как процесс, происходящий в приповерхностных слоях, характеризующийся атомными столкновениями. Был введен коэффициент распыления S — количество атомов мишени, выбитых одним распыляющим ионом. На значение S влияют многие факторы: характеристики разряда, энергии частиц, кристаллическая решетка, рельеф поверхности, углы падения ионов. Оптимальными являются углы падения от 600 до 700. Коэффициент распыления S изменяется от угла падения ионов по формуле:

S(α)=S(0º)/cosα.                                   (1)

S прямо пропорционально зависит от энергии ионов. Коэффициенты распыления рассчитывались из соотношения:

S=0,042*α*Sn (E)/U 0,

Рис. 2. Упругое соударение двух частиц

где U 0 — энергия связи атома; α-фактор — функция отношения M/m (М — масса иона, m — масса атома; S n (E) — энергия упругого торможения; S n (E)= 4*π*Z*z*e²*a*S n (φ)*m / (m+M); (Z — заряд ядра иона, z — заряд ядра атома мишени); a=0,885*r*(Z^2/3+z^2/3)^-1/2, r — боровский радиус; S n (φ) — функция от φ.

На рис. 2 показано упругое соударение налетающей частицы 1 и покоящейся 2.

Б ыли ос у щ е с тв ле ны расчеты коэффициентов распыления мишен е й Ti , Si и A l при б омба рди ровк е и он а м и Ar ⁺ и N₂⁺, а также смесью ионов Ar⁺ и N₂⁺ в разных кон ц ент рац и я х при эн е рги ях и онов от 1 до 10 кэВ.

На р ис. 3 п р ед ст ав л ены зависимости коэффициентов распылени я тит а ново й миш ени п учк а ми и онов а ргон а и азота .

Зависимость 5(E) при падений пучка Аг+ и N2+

—•—Зависимость 5*(атом/ион) при падении пучка Аг+

—•—Зависимость 5*(атом/ион) при падении пучка N2+

Рис. 3. За в ис им о сть коэффициентов распыления S титановой (Ti) м ише ни по д воз дейс твием п у ч ков ионов ар го на (A r ⁺ ) и азота (N 2 ⁺ ) в диапазоне энергий от 1 до 10 кэВ

Ан а л и з зави сим ос т е й S(E) показывает, что коэффициенты распы ле ни я мише ни и он ами арг он а зн ач ительно превышают коэффициенты распылен ия ион ами а зот а. Эт о о б ъ я сн я е т ся тем, что молекулы аргона тяжелее по сравнен ию с м ол екулами а зот а. К он ечн о, возможна технология получения пленок нитри да ти тан а пу т е м ра сп ы ле ния т ит а новой мишени пучком ионов аргона с после д у ющ и м оса жд е нием азот а н а п оверхность подложки, где и произойдет форми ров а н ие покрытия TiN.

Но наиболее целесообразным представляется облучение титановой мишени пучком ионов, состоящим из смеси газов Ar+ и N2+, а также определить оптимальные их соотношения. В связи с этим были проведены расчеты коэффициен- тов распыления титана при различных концентрациях ионов: 50% Ar+ и 50% N2+; 75% Ar+и 25% N2+; 95% Ar+и 5% N2+ (рис. 4).

Рас че ты к о э ффи циентов распыления титана при распылении по т оком ион ов с ме с и р азн ы х сос тав о в показывают, что наиболее эффективным являе тся и с п ользование смеси 95% Ar⁺ и 5% N 2 ⁺. А этого количества распыленных молекул тита на и а зот а достат оч но для формирования на подложке тонкой пленк и н ит ри д а т и т а н а с ог ласн о ре а к ц и и: 2Ti + N 2 = 2TiN.

Рис. 4. З ав и с имос ть коэффициентов распыления S титановой (Ti) мишени п о д воз дейс твием п у ч ков ионов р а зличны х с м е се й газов аргона (Ar ⁺ ) и азота (N₂ ⁺ ) в диапазоне энергий от 1 до 10 кэВ

Ос у щ е с тв ле ны рас че т ы для рас пы ле ни я Si-мишеней. На рис. 5 показаны зави с и мос т и к о э ффи циент ов ра с пы л е н ия Si-мишени пучками ионов аргона Ar⁺ и азота N₂⁺ ; н а ри с. 6 показа н ы зави си мос т и к оэффи ц и е нтов распыления Si-мишени при бом бард ировк е п о токами ионов аргона и азота различных ко н ц ентра ц ий . Ан а л и з ре зу льт ат ов р асчетов показывает, что также достаточно и спольз ова ть мин и м а л ьн ое с од ер ж ан ие азота в газовой смеси (5%) для получения ма к сима льных коэффиц и ент ов ра спыления титана для осуществления на подло жке хими ческой реакции: 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 .

Зависимость S(E) при падений пучка Аг+ и N2+

♦ Зависимость 5’(атом/ион] при падении пучка N2+

Рис. 5. За в ис им о ст ь коэффициентов распыления S кремниевой (Si) мишени п о д воз дейс твием п у ч ков ионов ар го на (A r ⁺ ) и азота (N 2 ⁺ ) в диапазоне энергий от 1 до 10 кэВ

—♦—Зависимость 5*(атом/ион) при падении пучка смеси (95+5%)Аг+и N2+

♦ Зависимость 5*(атом/ион) при падении пучка смеси (75+25%}Аг+ и N2+

—♦—Зависимость 5*(атом/ион) при падении пучка смеси (5Oi5O%)Ari hN2i

Рис. 6. За в ис им о ст ь коэффициентов распыления S кремниевой (Si) мишени п о д воз дейс твием п у ч ков ионов р а зличны х с м е се й газов ар го на (A r ⁺ ) и азота (N 2 ⁺ ) в диапазоне энергий от 1 до 10 кэВ

Были осуществлены расчеты для распыления мишеней из алюминия, которые подтвердили расчеты, полученные при распылении титана и кремния. На рис. 7 показаны зависимости коэффициентов распыления Al-мишени потоками ионов аргона и азота, а на рис. 8 — зависимости коэффициентов распыления Al-мишени при бомбардировке потоками ионов аргона и азота различных концентраций. Наиболее предпочтительным является минимальное содержание азота в газовой смеси (5%) для получения максимальных коэффициентов распыления алюминия для осуществления на подложке химической реакции: 2Al + N2 = 2AlN.

Рис. 7. За в ис им о сть коэффициентов распыления S титановой (Ti) м ише ни по д воз дейс твием п у ч ков ионов ар го на (A r ⁺ ) и азота (N 2 ⁺ ) в диапазоне энергий от 1 до 10 кэВ

Зависимость 5(E) при падений пучка смеси

—♦—Завис и месть 5*(атом/ион) при падении пучка смеси (5 О+5Э%)Агт и N2+

Рис. 8. За в ис им о сть коэффициентов распыления S титановой (Ti) м ише ни п о д воз дейс твием п у ч ков ионов р а зличны х с м е се й газов ар го на (A r ⁺ ) и азота (N 2 ⁺ ) в диапазоне энергий от 1 до 10 кэВ

Таким образом, проведенное моделирование особенностей выращивания тонкопленочных покрытий на основе нитридов титана, кремния и алюминия (TiN, Si 3 N 4 , AlN) показывает, что для улучшения ростовых процессов нитридных слоев целесообразно использование смеси газов Ar⁺ и N₂⁺, причем оптимальным является минимальное содержание азота в газовой смеси (5%). Полученные теоретические расчетные данные хорошо коррелируют с экспериментальными результатами [3].