Формирование нанокристаллических пленок

Нанокристаллические пленки характеризуются широкими, малоинтенсивными отражениями Х-лучей. Они формируются в межфазных переходных областях, при этом происходит сильное изменение структуры

сформировавшейся пленки.

Роль энергии в формировании наноструктурных пленок

В настоящее время известно, что соотношение между свойствами твердых тел и их структурой имеет фундаментальное значение не только для науки о материалах, но также и для физики тонких пленок. Однако то, какая структура будет сформирована, зависит от параметров процесса формирования пленки и ее химического состава. Проблема в том, что каждый процесс характеризуется рядом технологических параметров, которые взаимно связаны. Например, в магнетронном распылении этими параметрами являются ток разряда магнетрона Id и напряжение Ud, смещение подложки Us, плотность ионного тока подложки is, температура подложки Ts, расстояние от подложки до мишени ds-t, скорость осаждения aD, скорость потока распыляемого газа ф, парциальное давление реактивного газа pRG, полное давление распыляемого газа рТ = pRG + pAR, а также скорость откачки вакуумной системы, основное давление в камере осаждения ро, расположение входных отверстий распыляемых газов, взаимная ориентация мишени магнетрона и поверхности подложки (перпендикулярное или наклонное осаждение), неподвижные, вращающиеся или линейно движущиеся подложки, усиление плазмы дополнительным высокочастотным, сверхвысокочастотным разрядами, или повышение устойчивости

плазмы посредством воздействия внешнего магнитного поля (электромагнитные катушки Гельмгольца, геометрия камеры осаждения).

Самыми важными технологическими параметрами осаждения для каждого распыляющего устройства являются

Каждая комбинация этих параметров дает, однако, только одну дискретную структуру. Поэтому фактически невозможно, изменяя один параметр процесса в этой комбинации, изменить непрерывно структуру осажденной пленки. Это главная причина, почему формирование пленки с заданной структурой, то есть с заданными свойствами, является очень трудной и пока нерешенной проблемой. Ключ к решению этой проблемы - это контроль энергии Е осаждаемых ионов во время роста пленки. Эта энергия оказывает влияние на: - температуру подложки Ts; - формирование пленки, которое контролируется энергией осаж

дения Еы (энергия ионов Ei, поток ионов ф, скорость осаждения aD) и быстрыми нейтралами(осаждение с помощью атомов, контролируемое

рТ, энергией               частиц, формирующих пленку);

- плазмохимические реакциив экзотермических реакциях,

при .выделяется теплота, при этом полная энергия увеличивается

и, напротив, в эндотермических реакциях, когдатеплота потреб

ляется и полная энергия уменьшается); здесь- энергия формирования состава.

Все эти компоненты полной энергии влияют на рост пленки одновременно, но влияние отдельных компонентов может быть очень разным. Например, при осаждении чистых металлов, вклад энергии от химических реакций нулевой. Напротив, при использовании процесса ионного нанесения, когда растущая пленка формируется низко-энергетическими ионами, энергияоказывает решающее влияние на рост пленки. Поэтому эта энергия очень часто используется для управления свойствами осаждаемых пленок.

В бесстолкновительном разряде эта энергия определяется напряжением, подаваемым на подложку Us, плотностью ионного тока подложки is и скоростью осаждения aD пленки согласно следующей формуле:

(8.1)

где- энергия ионов;- потоки ионов, бомбардирующих расту

щую пленку и покрывающих атомов соответственно, и Up - плазменный потенциал. Типичные значения Us колеблются от плавающего потенциала Ufi до приблизительно 200 В. Для эффективного контроля микроструктуры пленки необходимы значения

Каждый материал может характеризоваться определенным критическим значением энергии Ec. Пленки, произведенные приявляются

пористыми, мягкими, имеют матовое покрытие, и находятся в растяжении.

имеют гладкую поверхность, обладают высоким отражением, и работают на сжатие. Пленки, произведенные приобладают нулевым макро

напряжениемОдинаковое значение Ebl, однако, не должно соответствовать одной и той же микроструктуре пленки. Согласно уравнению (8.1), одно и то же значениеможет быть достигнуто при различных комбинациях ионной энергии Е1 и отношениято есть при условиях, когда

могут преобладать различные физические процессы. Это означает, что параметрыфизически не эквивалентны.

В случае столкновительного разряда энергия Ebl, доставленная на единицу объема осажденной пленки, может быть выражена в следующем виде:

3(8.2)

где ,- количество ионов, достигающих подложки с максимальной энергие!e - заряд электрона; L - толщина пленки;-

средняя длина свободного пробега иона для столкновений, приводящих к потерям ионной энергии в слое. Средняя длина свободного пробега иона может быть вычислена из закона Дальтона какТолщина высо

ковольтного ^J провода L может быть вычислена из уравнения Чарльза-Ленгмюра для dc провода, где- плавающий потенциал.

а)              бесстолкновительный dc слой около подложки

(8.3)

где s0 - свободно-пространственная диэлектрическая проницаемость и mt - ионная масса.

б)              столкновительный dc слой около подложки

(8.4)

Этот простой анализ показывает, что энергия, доставленная растущей пленке ионной бомбардировкой, сильно зависит от условий, при которых выполнено распыление пленки. Энергия ЕТ, переносимая ионами к отрицательному электроду (подложке), и количество ионовдости

гающих отрицательного электрода с максимальной энергией eUs, как функция L/klаны на рис. 8.2.

Энергия ЕТ уменьшается с увеличением отношениято есть с увеличением давления распыляемого газа pT, потому чтои значитУменьшение энергии бомбардирующих ионов с увеличением

рТ значительно влияет на механизм роста и структуру осажденных пленок.

тех же самых значениях Us и is отличаются, если они осаждаются при различных значениях рТ.

Также путем подачи отрицательного потенциала на подложку, можно обеспечить бомбардировку растущей поверхности ионами рабочего газа и тем самым можно дополнительно проводить энергетическую стимуляцию процесса.

Уравнение (8.1) используется многими исследователями, чтобы охарактеризовать влияние низкоэнергетической ионной бомбардировки на микроструктуру пленок и их свойства. Несмотря на относительно широкое использование процесса ионного осаждения, есть некоторые сведения относительно корреляции между энергией Ebl и свойствами реактивно распыленных пленок.

Несмотря на то, что реактивное распыление пленок сопровождается травлением мишени (катода), приводящее к резкому уменьшению скорости осаждения пленки, изменения в aD, вызванные парциальным давлением реактивного газаpRG (RG = N2, O2, CH4, и т.д.) при постоянных условиях осаждения, оказывают существенное влияние на энергию Ebi, доставляемую пленке во время ее роста. Например, для нитридов aD (Ме) amp; 4aD(MeNx) и для оксидов aD (Ме) amp; (10 - 15) aD(MeOx), где Ме - металл; MeNx и MeOx - нитрид металла и оксид металла соответственно. Поэтому необходимо учитывать, что изменения в свойствах реактивно распыленных пленок будут происходить из-за совместного действия двух параметров: 1) элементного и химического состава пленки, особенно от количества атомов реактивного газа, внедренных в пленку и 2) энергии Ebi, т. е. параметров, которые зависят от парциального давления реактивного газа

Prg. В реактивном режиме распыления влияние увеличенной Еы из-за уменьшения в aD с увеличениемpN2 может быть очень сильным (рис. 8.3).

Предполагается, что только уменьшение aD с увеличением pRG ответственно за резкое изменение в кристаллографической ориентации однофазных пленок, основанных на твердых растворах, таких как Ti(Fe)Nx пленки.

Энергия Ebi сильно влияет не только на структуру пленки и ее элементный и химический состав, например, из-за десорбции атомов реактивного газа с поверхности распыленной пленки, но также и на макронапряжение lt;т, вызванное в пленке ионной бомбардировкой.

Известно, что формирование пленок из ионных потоков - сильно неравновесный процесс, в котором ионы передают свою кинетическую энергию растущей пленке и нагревают ее на атомном уровне. Ее значительное отличие от обычного нагревания, состоит в том, что кинетическая энергия бомбардирующих ионов передается в очень маленькие области атомных размеров и сопровождается чрезвычайно быстрым (приблизительно 1014 К/с) охлаждением. Кроме того, необходимо отметить, что энергия, доставленная растущей пленке обычным нагреванием (Ts/Tm) и бомбардировкой частицами (Еы), не является физически эквивалентной; здесь Ts - температура подложки и Tm - точка плавления материала пленки. Несмотря на этот факт плотные пленки с экстраординарными свойствами, соответст-

T

,              в структурной зональной модели Торнтона, можно произ

водить, если распыление выполняется при низких давлениях приблизительно 0,1 Па и ниже (рис. 8.4). Распыление при низком давлении сдвигает переходную зону T в область низких значений отношения Ts/Tm, и, таким образом, это позволяет создавать плотные пленки, соответствующие зоне T, при низких температурах осаждения Ts.

Энергия _ при формировании пленок оказывает значительное влияние на их структуру и, таким образом, на физические и функциональные свойства.

Все вышеизложенное рассмотрено применительно к магнетронному распылению, где энергия осаждаемых частиц регулируется давлением рабочего газа в вакуумной камере и расстоянием до подложки, а также путем подачи отрицательного потенциала на подложку.

В методе вакуумно-дугового осаждения, а также в ионных методах путем изменения величины ускоряющего потенциала, подаваемого на подложку, возможно в широких пределах регулировать энергию осаждаемых ионов и тем самым управлять плотностью потока в процессе формирования покрытия.

Таким образом, в ионно-плазменных конденсатах, изменяя энергию осаждаемых частиц, участвующих в процессе формирования пленок, можно управлять структурой и субструктурой создаваемых материалов.