2. Экспериментальный

Тонкие пленки были подготовлены в системе IBAD который был оснащен двумя Кауфман ионных источников для напыления (8 см фокусировки, аргон) и бомбардировке помощь (15 см расфокусировки, азот), соответственно. Оба ионные источники могут работать в диапазоне от 50 эВ ~ 1 кэВ с током пучка от 30 до 500 мА. Максимальная плотность пучка около 1 мА / см ² . Основная камера была эвакуирована турбо-молекулярных насосов поддерживается бустер-роторный насос комбинации. Polycold ^® криогенная система была установлена ​​для оказания помощи в захвате молекул воды. Давление в системе база 1 × 10 ^-5 Па Поворотный держатель подложки была устроена так, что распыленных частиц из мишени падал почти вертикально на подложке при облучении помощь была угла падения 45 °.

Нитрида титана были синтезированы путем напыления из чистого титана (99,99%) целевого (100 × 100 мм) с аргоном (99,99%) ионного пучка при бомбардировке азота другое (99,99%) ионного пучка. Кроме того меди был реализован сегментированной целевой меди (99,99%) и титан. Композиция была изменена путем изменения пораженном участке меди и титана. Пленки были едины, потому что подложка размеров (1 см квадратный) были малы по сравнению с расстоянием до цели (43 см).Поскольку основной интерес в этом исследовании была роль меди Кроме того, параметры ионных пучков были установлены фиксированными, т.е. распыление ионным пучком работает на 1 KeV/250 мА; бомбардировке пучком ионов работает на 100 eV/135 мА. Газа кормов для двух ионных источников было 15 SCCM аргона и 15 SCCM азота, соответственно. Такие параметры привело к типичной скоростью осаждения из 2 нм / мин и рабочим давлением от 1 × 10 ^-2 Па Иона к атому транспорта отношение на растущую поверхность была рассчитана примерно единства путем измерения потока ионов и скорость роста пленки при каких бомбардировки. Фильмы были все нанесенные на Si (100) пластина примерно 400 нм. Перед пленок, подложки были распылением предварительно очищенных от аргонового ионного пучка при 750 мА eV/300 в течение 3 мин. Во время осаждения, температура подложки контролировали должна быть ниже 150 ° C.

Фильм состава измерялась электронно-зондового микроанализа (EPMA) с помощью JXA-8600 (JEOL) системы. Структурная характеристика была выполнена JDX-3530M рентгеновского дифрактометра (JEOL) с CuKα облучения. Твердость пленки оценивали с помощью Triboscope (Hysitron Inc) nanoindention системы, которая была сопряжена с атомно-силового микроскопа (NanoscopeIII, Digital Instruments). Нагрузка была выбрана, чтобы произвести впечатление глубины ниже 40 нм, так что влияние от подложки можно пренебречь. Твердость была найдена на максимальной глубине отступы и пластиковая емкость деформации определяется по разгрузке кривой ( рис. 1 ).

Рис. 1.  Пластическая и упругая деформация наблюдается в наноиндентировании.

Рисунок варианты

3. Результаты и обсуждение

В состав чистой пленки нитрида титана было установлено, что почти стехиометрическом TiN.Рентгеновской дифракции (РД) указано, что фильм был ГЦК структурой и очень сильный (111) ориентацией. Для тех фильмах с медью, содержание меди была определена в диапазоне от 1 до 12 ат.%.

Рис. 2 показан фильм твердости в зависимости от содержания меди. Нулевая точка представляет собой чистый нитрид титана. Следует отметить, что некоторые фильмы с медными отображается большей жесткостью, чем чистого олова. Фильм с 1,5 ат.% Меди показал твердость 30 ГПа, что примерно на 30% выше, чем у чистого олова. Это следует рассматривать как очевидный повышение твердости, потому что медь является очень мягкого материала.

Рис. 2.  твердость TiN-Cu фильмов в зависимости от содержания меди.

Рисунок варианты

Следует также отметить, что твердость повышение произошло только в очень узком диапазоне состава около 2 ат.% Меди. Из этого диапазона, твердость быстро упали до очень низких значений с увеличением содержания меди. Это похоже на другие результаты, представленные в литературе, где авторы обнаружили только 1 ~ 2 мас.% Меди может значительно увеличить твердость пленок ZrN [12].

Твердость поведения TiN-Cu пленки могут быть объяснены их структурные изменения, когда различные количества меди были включены. рис. 3 показаны спектры РФА чистого олова, олово с 1,5 ат.% меди и олова с 12 ат.% Cu. Пунктирные линии показывают положения пиков от стресса бесплатные образцы. Очевидно, что существуют различные сдвиг пика и уширения эффект, связанный с различным количеством меди. В случае чистого олова, фильм показал сильную ориентации (111), но (200) пик было еще обнаружено. При 1,5 ат.% Меди была добавлена ​​в фильм, однако, (200) пик исчез, указывая, что добавление меди укрепить предпочтительной ориентации. Изрис. 3 , можно также видеть большую пика сдвиг в сторону малых углов для TiN-1.5 в. фильме% Cu, по сравнению с чистым оловом. Это говорит о больших сжимающих напряжений в Cu-содержащих фильма. Это больше сжимающих напряжений сделал ориентации (111) больше энергии, льготные и, следовательно, фильм был сильнее ориентацией (111). В результате оба сильной ориентации и больших сжимающих напряжений, твердость пленки была улучшена по сравнению с чистым нитридом титана.

Рис. 3.  Рентгеновские спектры TiN-Cu фильмов.

Рисунок варианты

Когда больше меди был добавлен в TiN фильма, однако, структурных изменений не наблюдалось. Как можно видеть из рис. 3 , фильм с 12 ат.% Cu показали очень небольшой сдвиг пика. Это означает, что фильм имел очень мало сжимающих напряжений. Кроме того, относительная интенсивность TiN-(111) и (200) пики соответствуют тем, которые от стандартных образцов, что свидетельствует о фильме должен состоять из случайно ориентированных кристаллитов TiN. Другое очевидное различие в спектрах дифракции рентгеновских лучей является то, что существует (111) дифракции меди в TiN-12 ат.% Cu фильма, а в TiN-1,5 ат.% Cu фильме нет пика из меди вообще. Это свидетельствует о том, что медь сформированы отдельные зерна, когда ее содержание было достаточно высоким. Эти медные зерна расслабились сжимающих напряжений, а также потому, что медь легко деформироваться под действием внешнего проникновения, твердость пленки Поэтому резко сократилось.

Приведенные выше рассуждения также поддерживается деформации характерны для этих фильмов.рис. 4 показана нагрузка-смещение кривых в наноиндентировании процедуры. Фильмы такие же, как те, в Рис. 3 . Понятно, что фильм с 1,5 ат.% Cu было больше упругого восстановления (91%), чем чистое олово в то время как, наоборот, фильм с 12 ат.% Cu отображается 53% пластической деформации, которая больше похожа на мягкой меди материала.

Рис. 4.  Наноиндентирование погрузки / разгрузки кривые для чистого олова и меди фильмов.

Рисунок варианты

Музиль и соавт. Предполагается, что в оптимизированной системе metal-nitride/copper, медь существует в виде тонкого слоя очень мелких зерен или аморфного состояния окружающей наноразмерные зерна нитрида [12] . Согласно нашим результатам, только тогда, когда содержание меди достигает выше некоторого порога может медь образует отдельную фазу. рис. 5 показывает размер зерен TiN в зависимости от содержания меди. Размер зерна была рассчитана в соответствии с интегральной ширины пика, которая не должна включать в себя вклад от случайных деформаций расширения [13] . Можно заметить, что добавление меди оказали особого влияния на размер зерен TiN, когда ее содержание было ниже примерно в 2 в.%. Так как олово и медь не смешиваются материалы, это может означать, что медь не образует отдельного скопления в этом диапазоне. Кроме того, средний размер зерен TiN составляет примерно 22 нм. Грубый расчет показывает, что это не вероятно, для 2 ат.% Меди, образуя сплошной слой из TiN зерна. Таким образом, разумное воображения является то, что атомы меди диспергированных в TiN решетки и в результате искажения решетки. Поскольку дислокация движение может быть остановлено искажения решетки, увеличение твердости измеряется Таким образом, можно ожидать. Это также может объяснить низкий сдвиг пика угол наблюдается в измерении РСА. Конечно, мы все еще ​​не имеют прямых доказательств для такого объяснения. Дальнейшая работа все еще ​​находится в процессе.

Рис. 5.  Зернистость TiN-Cu фильмов в зависимости от содержания меди.

Рисунок варианты

Когда содержание меди достигает свыше 2 в.%, Размер зерен TiN резко снижается примерно до 6 нм ( рис. 5 ). Между тем, меди дифракции в спектре появляется РСА. Это означает, что медь сформированы в Cu зерна во время осаждения пленок. Так как медь не смешивается с TiN, это должно привести к более ядер нитрида титана и, следовательно, меньшим размером зерен. Как это вызвало твердость уменьшается ( рис 2. ), ориентир для поиска высокой твердостью, чтобы сохранить содержание меди ниже порога, так что нет отдельных агрегатов Cu может быть сформирована.

Интересно также отметить роль меди на имущество пошив TiN фильмов. Как можно видеть из рис. 4 , фильмы с небольшим медь имеют высокую твердость. Упругого восстановления также является высокой, даже до 91%. Напротив, фильмы с более мягкой меди. До 53% от деформации под отступа может быть пластик. Кроме того, медь может также настроить размер зерен TiN от 25 нм до 5 нм ( рис. 5 ). Как говорилось выше, это потому, что элементарной меди образуются отдельные скопления, если его концентрация достаточно высока, что приводит к более ядер нитрида титана и, следовательно, меньше зерна. В некоторой степени этот эффект аналогичен тому интенсивной энергичной ионной бомбардировке, которая может также производить тонкие структуры в поликристаллических TiN.Поэтому, если содержание меди правильно отрегулирован, твердых покрытий с очень мелкими зернами может быть получена с меньшими ионно-лучевой бомбардировке. Это может распространить применение нитрида титана на подложке материалов, которые не могут выдержать плотное ионной бомбардировке.