книги / Эволюция представлений о структурных зонах поликристаллических наноструктурированных плёнок, формируемых методами вакуумных технологий

<111> они срастаются в объединения протяженностью до 12,0 мкм (рис. 3.62, б). Образование огранки на поверхности 3D образований происходит только при максимальных температурах формирования (рис. 3.62, а). Отклонение температурных условий от оптимальных сопровождается формированием неравновесных структур по периметру поликристаллических образований (300 мм) (рис. 3.62, в); уменьшением их когезионной прочности либо разрушением, о чем свидетельствуют обнаруженные разрушенные фрагменты (330 мм) (рис. 3.62, г).

аб

вг

Рис. 3.62. Морфология объединений поликристаллических образований, сформированных при различной высоте потока: а – 270 мм, протяженность объединений l = 5,0 мкм; б – 300 мм, l = 12,0 мкм; в – 330 мм, l = 4,3 мкм; г – 330 мм, l = 1,5 мкм

Стадия островкового периода формирования поликристалличе-

ской пленки. В случае последовательного протекания всех предшествующих стадий и достижения температуры пленки свыше 680 К со скоростью не менее 3,2 К/мин стадия зарождения поликристаллической составляющей пленки переходит в стадию формирования 2D

171

поликристаллических островков (рис. 3.63, а–д). При максимальной скорости нагрева пленки 3,7 К/мин диаметр и количество островков увеличивается с одновременным уменьшением их высоты и диаметра кристаллитов (270 мм) (см. рис. 3.63, а, б), а с падением скорости нагрева пленки до 3,2 К/мин при удалении подложки от испаряемого катода диаметр и количество образующихся островков уменьшается (см. рис. 3.63, в, г). При температурах пленки не выше 680 К в условиях анизотропии скоростей формирования, вызванной неравномерным удельным тепловым потоком, формируются единичные поликристаллические образования (см. рис. 3.63, д), часть из которых разрушается из-за низкой когезионной прочности (рис. 3.63, е).

г д е

Рис. 3.63. Морфология 2D поликристаллических островков, сформирован-

д – 360 мм, 0,8 1,2 мкм; е – 400 мм, 2,2 3,8 мкм

172

Стадия формирования сплошной мелкозернистой поликристаллической пленки с равноосными зернами протекает при достижении температуры пленки >700 К (рис. 3.64, а, б). Неравномернозернистая подструктура пленки соответствует температуре ее нагрева до <700 К (рис. 3.64, д) и разориентированная зернистая подструктура – до <680 К (рис. 3.64, е, ж). Минимальный недостаток температуры пленки и скорости ее нагрева приводит к многократному увеличению диаметра кристаллита (рис. 3.64, б, г).

аб

вг

Рис. 3.64. Морфология сплошной поликристаллической пленки TiN, сформированной при различной высоте потока, мм: а – 270; в – 300; д – 330; е – 360; ж – 400. Скол пленки с минимальным размером кристаллита: б –

270 мм, 20 нм; г – 300 мм, 330 нм

173

неравновесности наблюдаются: стержневые образования различной протяженности с упорядоченной столбчатой подструктурой длиной до 40,0 мкм (рис. 3.66, а–в, д–к), либо единичные 3D образования с равномерно-зернистой подструктурой, ухудшающие качество поверхности пленки (рис. 3.66, г). В неудовлетворительных для формирования поликристаллических образований условиях (<700 К) по их

вг

де

Рис. 3.66. Морфология 2D и 3D микрообразований на поверхности пленок TiN, сформированных при различной высоте потока: а – 270 мм, протяженность микрообразований l = 20,0 мкм; б – 300 мм, l = 21,0 мкм; в – 300 мм, l = 16,5 мкм; д – 330 мм, l = 11,0 и 14,0 мкм; е – 360 мм, l = 20,0 мкм; 25,5 и 34,5 мкм; ж – 360 мм, l = 28,5 мкм; з – 360 мм, l = 12,0 мкм; и –

400 мм, 40,0 мкм; к – 400 мм, l = 40,0 мкм и 330 мм; г – 3D микрообразование

8,4×6,0×2,0 мкм (см. также с. 176)

175

Глобулярная стадия – образование глобул: 640 К – с минимальным размером и максимальной площадью контакта с подложкой, <620 К – с минимальной площа-

дью контакта с подложкой; объединение глобул в образования – ≥630 К; первичное упорядочение поверхностной структуры глобулярных образований– образование фрактальной структуры на поверхности – >655 К

↓

Формирование 3D образований с зернистой структурой (≈660 К): 270 мм, 300 мм – с упорядочением; 330 мм – с нарушением сплошности

↓

Зарождение поликристаллической составляющей пленки (≈670 К): 270 мм – затравочные кристаллиты с гранями {100}, 300 мм – 3D образования с зернистой структурой с коническими текстурами <111> на вершине

↓

Стадия укрупнения и срастания зародышевых поликристаллических образо-

ваний (≈680 К): протекает при 270…300 мм, с образованием огранки на поверхности при 270 мм. Неудовлетворительная когезия единичных образований – при

330 мм

↓

Стадия островкового периода формирования поликристаллической пленки

(>680 К со скоростью не менее 12,7 К/мин): нарушение сплошности островка при

<680 К

↓

Стадия формирования сплошной равномерно-зернистой с равноосными зерна-

ми поликристаллической пленки при достижении температуры пленки >700 К. Структура пленки при <700 К неравномерно-зернистая, при <680 К разориентированная зернистая

↓

Стадия формирования 2D и 3D микрообразований на поверхности сплошной пленки: с упорядоченной столбчатой структурой – при достижении температуры пленки >700 К; упорядоченной зернистой подструктурой – при <700 К; дефектами и неравновесными структурами пластинчатого строения, нарушением сплошности вследствие низкой когезии – при <680 К

Рис. 3.67. Процесс структурообразования пленки с основной кубической фазой TiN методом ЭДИ в интервале температур пленки <620…735 К

и скоростей ее нагрева Vнагр.п = 1,4…3,7 К/мин. (Стадия не протекает, если высота потока не указывается)

177

При всех технологических условиях формируется пленка с одним направлением преимущественной кристаллографической ориентации (111) основной кубической фазы TiN; постепенным незначительным увеличением объемной доли гексагональной фазы TiN0,3; максимальным отклонением межплоскостного расстояния от табличного значения для кубической фазы (111)TiN. Величина интенсивности рефлекса (111) не однозначно влияет на механические свойства пленки TiN, формируемой методом ЭДИ. Рентгенодифракционным фазовым анализом участков пленок TiN установлено, что незначительное изменение фазового состава и структурных характеристик пленок, вызванное увеличением высоты потока, не является основной причиной ухудшения микротвердости пленки.

Анализ результатов электронно-микроскопических морфологических исследований поверхности пленок с большим увеличением позволил выявить существенную зависимость стадий формирования и структурного состояния пленок TiN от положения подложки в потоке пленкообразующих частиц. Установлена зависимость стадий формирования и структурного состояния пленок от положения подложки в потоке пленкообразующих частиц и температурных условий формирования.

Вслучае необходимого удаления подложки в потоке пленкообразующих частиц от испаряемого катода для обеспечения строгой очередности стадий формирования поликристаллической пленки должна быть обеспечена начальная температура пленки ≥630 К и минимальная скорость ее нагрева ≥3,2 К/мин. Стадии, соответствующие процессам упорядочения пленки, протекают в интервале температур пленки не ниже 660…725 К и скорости ее нагрева не менее 3,2 К/мин.

Внеблагоприятных для формирования поликристаллической пленки технологических и температурных условиях формируются саморазрушающиеся поликристаллические образования с низкой когезионной прочностью либо неравновесные структуры пластинчатого строения.

Управление процессом структурообразования пленки через температурные условия формирования позволит получить много-

178

I – глобулярная стадия: образование и объединение глобул

II – формирование 3D образований с зернистой структурой

III – срастание 3D образований с зернистой структу-

рой

IV – появление огранки на поверхности укрупненных 3D образований с зернистой структурой

V – зарождение поликристаллической составляющей пленки

VI – формирование 2D поликристаллических остров-

ков

VII – формирование сплошной нанокристаллической пленки

При несоблюдении температурных условий формирования (на-

чальной температуры Тнач.п < 645 К и Vнагр.п < 3,7 К/мин) стадии, предшествующие формированию сплошной поликристаллической

пленки, не протекают, и на поверхности подложки формируется сплошная пленка с крупноячеистой структурой, свидетельствующая о ее напряженном состоянии. При увеличении скорости нагрева пленки и ее конечной температуры свыше 725 К происходит укрупнение зерен и изменение их формы до удлиненной. Стадия островкового формирования наблюдается у пленок с основной кубической фазой (111)TiN в интервале температур 670…700 К, при превышении данных температур формируется сплошная пленка.

По итогам исследований, представленных в подразд. 3.2.2, выявлено, что процесс структурообразования пленок с гексагональной

фазой TiN0,3, протекающий при Тп = 625…660 К, Тнагр = 1,6 К/мин, связан с последовательным протеканием следующих стадий:

I* – глобулярная стадия: образование и объединение глобул

180