Свойства пленок нитрида титана, полученных методом магнетронного распыления

Для обеспечения стабильности реактивных процессов осаждения бинарных соединений металлов (TiN, TiO 2 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 N 2 .

Экспериментальная часть. Исследования проводили на ионно-плазменной установке серии «Яшма» [5] при остаточном давлении в рабочей камере 5·10-3 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 (ds-t) варьировалось: рителя толщины «Микрон-5».

100 и 50 мм. Скорость осаждения пленок TiN

Таблица 1. Условия осаждения пленок TiN

Номер образца	1-1	1-2	1-3	1-4	1-5	1-6	2-1	2-2	2-3	2-4	2-5
d s-t , мм	100						50
Q 3(N 2 ), 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-Kα 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=0…1 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 d s-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-t=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 Ar. 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 кристаллической решетки экспериментальных образцов 4,22…4,25 Å, которые хорошо коррелируют с данными для пленок TiNx|x~1 [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 R a . Для выявления причин изменения морфологии необходимо принять во внимание распределение силовых линий магнитного поля дуальной МРС и данные рентгеноструктурного анализа. По нашему мнению, при d s-t =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 магнетронного распыления пленки обладают показателями твердости Н и упругости E , характерными для TiN [10]. Явной зависимости механических свойств покрытий от потока N 2 не наблюдается.

Таблица 2. Механические свойства пленок TiN

Q (N 2 ), см3/мин	d s-t =100 мм		d s-t =50 мм
	H , ГПа	Е , ГПа	H , 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 d s-t =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 d s-t на удельное электросопротивление образцов TiN: 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 TiN при повышении скорости потока N2. Ряд авторов указывают на взаимосвязь показателей электросопротивления и ориентации роста покрытий по кристаллографическим осям [2, 9]. Пленки TiN с более высокими значениями I(200)/I(111) и I(220)/I(111) характеризуются улучшенными электрическими характеристиками. Нитридные покрытия, полученные при ds-t=50 мм, имеют более высокие показатели по электропроводности (0,15-0,23 мОм·см), 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 d s-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 d s-t =50 мм при меньшем значении потока N 2 ).