3.2. Методика нанесения переходного слоя на основе TiCrNx c помощью контролируемого магнетронного распыления

Для определения величины отношения интенсивности молекулярной полосы азота к интенсивности спектральных линий титана I_N2 / I_Ti, при которой происходит формирование покрытий TiCrN, были проведены эксперименты по осаждению пленок с различными значениями указанного отношения. Критерием формирования плотного совершенного слоя явилось условие минимума поверхностного сопротивления пленок, нанесенных на структуру Si/SiO₂. Отработка методики формирования покрытий проводилась на кремниевых подложках при давлении в вакуумной камере 0,8 Па и при подаче на подложки отрицательного потенциала смещения 0 – 150 В.

Эксплуатация изделий с пленочными покрытиями TiСrN, когда реализуются требуемые механические свойства поверхности, в первую очередь, возможна при условии высокой адгезии этого покрытия. Анализ литературных сведений, посвященных адгезии оксидных и нитридных пленочных покрытий к металлическим поверхностям, показал, что адгезионная прочность пропорциональна ширине переходного слоя между металлической поверхностью и материалом пленки. При значительной ширине переходного слоя отсутствует локализация механических напряжений на границе пленка - подложка, которая уменьшает адгезионную прочность. В случае формирования пленки TiCrN высокую ее адгезию на металлической поверхности можно получить путем формирования следующее структуры: металлическая подложка – слой TiCr – слой TiCrN_х, в котором величина х плавно растет по толщине слоя от «0» до «1» - пленка TiCrN. В этой структуре слой TiCr играет роль высокоадгезионного подслоя к металлу, а широкий промежуточный слой TiCrN_х позволяет делокализовать механические напряжения между металлом и пленкой TiCrN.

Для формирования указанной структуры пленочного покрытия была использована ранее описанная вакуумная установка магнетронного распыления УРМ 327, оснащенная разработанной нами системой управления расходом аргона (системой поддержания требуемого давления в вакуумной камере) и системой управления расходом азота на основе малогабаритного спектрометра S100 (системой поддержания на требуемом уровне отношения потока частиц азота к потоку частиц титана на подложку) в процессе осаждения TiCrN. В качестве катода использовалась дисковые мишени Ti-Cr диаметром 50 мм, изготовленные методом порошковой металлургии. Контроль за процессом формирования структуры TiCr – TiCrN_х – TiCrN осуществлялся [9] путем регистрации во времени изменения интенсивности атомной линии титана, полос молекулы азота и молекулы иона азота, а также атомной линии аргона. Эта информация регистрировалась с помощью системы, состоящей из второго спектрометра S100, подключенного к отдельному компьютеру, и специальной программы, позволяющей одновременно регистрировать в реальном масштабе времени динамику интенсивности до восьми спектральных элементов эмиссионного спектра магнетронного разряда.

Формирование переходного слоя подложка – TiCrN проводилось путем проведения цикла следующих операций:

- откачка вакуумной камеры до остаточного давления не выше 0,005 Па;

- очистка поверхности подложки в тлеющем разряде в атмосфере аргона при давлении в вакуумной камере порядка 10³ Па. В процессе очистки к подложке подавался отрицательный потенциал 400 – 500 В. Время очистки составляло не менее 5 минут (определено из предварительных экспериментов;

- установление рабочего давления аргона в вакуумной камере, соответствующего магнетронному распылению, зажигание магнетронного разряда и введение его в стационарный режим напыления TiCr, включение системы регистрации динамики интенсивности линий Ti, Ar, полос N₂;

- введение подложки на позицию напыления и формирование подслоя TiCr в течение времени t₁, равном 30 с. Этой величине t₁ соответствует формирование пленки толщиной порядка 20 нм при плотности мощности магнетронного разряда 35 Вт/см² и давлении 0,8 Па и расстоянии катод - подложка 6 см;

- включение системы автоматического управления расходом азота и плавное линейное изменение во времени величине отношения интенсивности молекулярной полосы азота N₂⁺391,4нм к интенсивности спектральных линий титана Ti365,3нм от нуля до 0,33 с шагом 0,01, что приводит к осаждению слоя TiCrN_х. Отношение интенсивностей I_N2 / I_Ti = 0,33 равное значению 0,33 соответствует осаждению стехиометрического состава TiSiN. Время осаждения t₂ и следовательно толщина слоя TiCrN_х задается программным обеспечением системы управления расходом азота и может составлять от десятков секунд до десятком минут, что соответствует толщине переходного слоя от десятков нанометров до единиц микрон для указанных выше условий осаждения. Для формировании переходного слоя порядка 120 нм время t₂ составляет около 5 мин;

- осаждение слоя TiCrN при I_N2 / I_Ti = 0,33. Время осаждения t₃ определяется требуемой толщиной покрытия.

На рисунке 3.7 приведена динамика изменения интенсивности элементов эмиссионного спектра для одного из реализованных вариантов (время осаждения переходного слоя равно 240 с) формирования структуры TiCr – TiCrN_х – TiCrN.

Рис.3.7 -Зависимости интенсивности элементов эмиссионного спектра магнетронного разряда от времени при формирования структуры TiCr – TiCrN_х – TiCrN: 1 – Ti365,3нм; 2 - N₂⁺391,4нм; 3 - N₂357,6; 4 – Ar419,9 нм

На рисунке 3.8 приведена динамика изменения отношения интенсивностей спектральных линий N₂⁺391,4/Ti365,3 для процесса формирования структуры TiCr – TiCrN_х – TiCrN. Зависимость отражает динамику осаждения переходного слоя.

Рис.3.8 -Зависимости отношения интенсивностей линий N₂⁺391,4/ Ti365,3; t = 240 с

Заключение

1. Разработана методика магнетронного формирования пленок TiCrN с адгезионным подслоем TiCrN_х (0≤ х ≤1) и получены пленочные покрытия с различным содержанием азота.

2. Для получения пленок TiCrN с использованием композиционной мишени полученной порошковой металлургией необходимо косвенное охлаждение мишени.

Список литературы

1. Достанко А.П. Интенсификация процессов формирования твердотельных структур концентрированными потоками энергии [Текст] /А.П. Бурмаков и др. Монография под общ. ред. А.П. Достанко и Н.К. Толочко. – //Минск: Бестпринт, 2005. – 682 с.

2. Сейдман Л.А. Реактивное нанесение в вакууме слоев нитрида титана // Обзоры по электронной технике. Сер. 2. 1988. Вып. 6. С. 8−30.

3. Спектральный контроль и управление процессами магнетронного реактивного распыления / Бурмаков А.П., Балясников А.А., Зайков В.А., Лабуда А.А., Чёрный В.Е. // Вакуумная техника и технологии. 1994. Т. 4, Вып. 2. С. 14−16.

4. Francis F. Chen. Industrial applications of low – temperatures plasma physics. Phys. Plasmas vol. 2, n. 6, June 1995, pp. 2164 – 2175.

5. Плазменные ускорители/Под общей редакцией Л. А Арцимовича. – М.: Машиностроение, 1973.

6. N. Singh, R. Kist, H. Thiemann. Experimental and numerical studies on potential distributions in a plasma. Pl. Phys., vol. 22, 1980, pp. 695 – 707.

7. Данилин Б. С., Неволин В. К., Сырчин В. К. Исследование магнетронных систем ионного распыления материалов. – Электронная техника. Сер. Микроэлектронника, 1977, вып. 3 (69), с. 37 – 44.

8. Франк-Каменецкий Д.А. Плазма – четвёртое состояние вещества, М, Атомиздат, 1975.

9. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

10. Интернет-адрес: http://solartii.com/.

11. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М.. Таблицы спектральных линий и молекулярных полос. М.: Наука, 1977.

12. Стригонов А.Р., Свентицкий Н. С. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов.

28