ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ СТРУКТУР МЕТАЛЛ / КРЕМНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ИОННО-АССИСТИРУЕМЫМ ОСАЖДЕНИЕМ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ

УДК 539.1.06:539.23.234

Тульев Валентин Валентинович − кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: tvv69@mail.ru

DOI: https://doi.org/ 10.52065/2520-6141-2024-284-5.

 

Ключевые слова: ионно-ассистируемое осаждение, кремний, титан, цирконий, молибден, водород, резерфордовское обратное рассеяние, метод резонансных ядерных реакций, нанотвердость.

Для цитирования: Тульев В. В. Изучение поверхности структур металл / кремний, полученных ионно-ассистируемым осаждением покрытий в вакууме // Труды БГТУ. Сер. 3, Физико-математические науки и информатика. 2024. № 2 (284). С. 31–37. DOI: 10.52065/2520-6141-2024-284-5.

Аннотация

В работе обсуждаются экспериментальные результаты по изучению распределения элементов в приповерхностных слоях Me/Si-структур (Me = Ti, Zr, Mo), сформированных методом ионно-ассистируемого осаждения в вакууме. Этот метод заключается в осаждении покрытия на подложку, в процессе которого поверхность формируемой структуры облучается пучком ускоренных ионов. Время осаждения покрытий составляло 1−6 ч при ускоряющем напряжении U = 5‒10 кВ и плотности ионного тока ∼4−10 мкА/см2. В рабочей камере в процессе осаждения покрытий поддерживался вакуум при давлении ~10−2 Па. Средняя скорость нанесения покрытия находилась в пределах 0,2−0,4 нм/мин. Отношение Ji /Jа плотности потока Ji ассистирующих ионов к плотности потока Jа нейтральных атомов составляло 0,2−0,5, что соответствует условию роста покрытия на подложке. Состав и распределение элементов по глубине в сформированных покрытиях изучались методом резерфордовского обратного рассеяния ионов гелия в сочетании с компьютерным моделированием RUMP и методом резонансных ядерных реакций. Механические свойства поверхности сформированных структур изучались при помощи наноиндентирования, топография поверхности образцов – сканирующим атомно-силовым микроскопом. Исследования Me/Si-структур, проведенные с применением метода резерфордовского обратного рассеяния и метода резонансных ядерных реакций, показали, что сформированные структуры содержат атомы осажденного металла (∼5 ат. %), атомы кремния из подложки (10‒15 ат. %), атомы технологических примесей углерода (20‒25 ат. %), кислорода (10‒15 ат. %) и водорода (30‒40 ат. %). Источником технологических примесей является летучая фракция углеводородов вакуумного масла диффузионного паромасляного насоса. Установлено, что нанотвердость поверхности Me/Si-структур на глубине ∼50 нм превышает  нанотвердость чистого кремния в ∼5 раз, а на глубине ∼100 нм ‒ в 3 раза. Увеличение твердости поверхности полученных структур приводит к уменьшению ее модуля Юнга в 5‒10 раз. При дальнейшем увеличении глубины индентирования твердость модифицированной поверхности и модуль Юнга приближаются к характеристикам поверхности немодифицированного кремния. Исследование топографии поверхности образцов показало, что шероховатость поверхности немодифицированного кремния очень незначительна и составляет ∼0,2 нм. Шероховатость сформированных Ме/Si-структур увеличивается до 0,3‒0,7 нм в зависимости от металла основы покрытия, а полная площадь поверхности образца практически не отличается от его проективной площади.

Скачать

Список литературы

  1. Анализ механических характеристик поверхностных слоев никеля с напыленной пленкой алюминия после ионно-лучевого перемешивания / А. А. Шушков [и др.] // Химическая физика и мезоскопия. 2021. Т. 3, № 1. С. 46–57.
  2. Ташлыкова-Бушкевич И. И., Столяр И. А. Нанорельеф поверхности тонких пленок сплавов Al–Mn и Al–Ni при ионно-ассистированном осаждении на стекло // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2023. № 3. С. 23–39.
  3. Влияние ионно-лучевой обработки на структуру и свойства пленок оксида титана / А. К. Габова [и др.] // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2022. № 5. С. 42–50.
  4. Тульев В. В. Изучение поверхности структур металл – титан, полученных ионно-ассистируемым нанесением металлсодержащих покрытий // Труды БГТУ. Сер. 3, Физико-математические науки и информатика. 2018. № 2 (212). С. 67–70.
  5. Изучение металлсодержащих (Ti, Co) покрытий, осажденных на кремний при ионном ассистировании, ядерно-физическими методами / О. Г. Бобрович [и др.] // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 1. С. 54−58.
  6. Тульев В. В. Влияние ионно-ассистируемого осаждения металлсодержащих покрытий на содержание водорода в Cr/Si-, Ti/Si- и Zr/Si-структурах // Труды БГТУ. Сер. 3, Физико-математические науки и информатика. 2020. № 2 (236). С. 85–88.
  7. Doolittle L. R. A semiautomatic algorithm for rutherford backscattering analysis // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. 1986. Vol. B15. Р. 227–234.
  8. Oliver W. C., Pharr G. M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments // Journal of Materials Research. 1992. Vol. 7, no. 6. P. 1564‒1583.
  9. Тульев В. В. Состав Ti/Si- и Co/Si-структур, сформированных ионно-ассистируемым осаждением // Труды БГТУ. Сер. 3, Физико-математические науки и информатика. 2022. № 2 (260). С. 60–64.
  10. 15N Doppler spectroscopy of 1H on diamond / S. Jan [et al.] // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. 1994. Vol. B85. P. 321–325.
  11. Структурно-фазовые изменения в алюминии при последовательной имплантации ионов углерода и азота / В. В. Углов [и др.] // Физика и химия обработки материалов. 2000. № 2. С. 12‒16.

Поступила 18.04.2024