Наноразмерная характеризация металлических магнетронных нанопленочных мультислоев из Cr, Cu, Al, Ni на ситалле

Представлены результаты наноразмерных исследований (методами атомно−силовой микроскопии и рентгенодифракционного анализа) одно−, двух− и трехслойных металлических нанопленок из Cr, Cu, Al и Ni, сформированных на керамической подложке из ситалла на магнетронной установке МВУ ТМ−Магна Т (НИИТМ, г. Зеленоград). Определены скорости роста и структура нанопленок при мощностях/ токах, варьируемых от 200/0,7 до 800/2 Вт/А, и времени магнетронного распыления от 30 до 360 с с рабочим давлением Ar 0,5 Па. Предложен критерий оптимизации их качества по минимальным значениям средней и среднеквадратичной шероховатостей, которые определены по скану вертикального профиля (разрешение 20 пм) атомно−силового микроскопического изображения. Установлено, что размеры нанокластерных структур, образующих нанопленки, на режимах, когда шероховатости минимальны, обладали гранулометрическим распределением, близким к гауссовому. По атомно− силовым изображениям структуры нанопленок в виде как одиночного уступа, так и уступов, получаемых за разные интервалы времени, определены скорости роста нанопленок. Выявлено влияние режимов и параметров магнетронного распыления, а также составов мишеней из Cr, Cu, Al и Ni на размеры кластеров, из которых сформированы поверхности металлических нанопленок. Методами рентгенодифракционного анализа определены текстура и изменение межплоскостных расстояний в кристаллических решетках. Обоснованность предлагаемого критерия оптимизации, связывающего параметры нанесения нанослоев и их качество, подтверждена совпадением режимов магнетронного распыления, при которых достигается как минимум шероховатости, так и усредненное значение размера области когерентности, определенное из уравнения Дебая—Шеррера.

1. Рогов, А. В. Факторы, определяющие эффективность магнетронного распыления. Критерии оптимизации / А. В. Рогов, Ю. В. Капустин, Ю. В. Мартыненко // Журн. тех. физики. − 2015. − Т. 85, вып. 2. − С. 126—134.

2. Каштанов, П. В. Магнетронная плазма и наотехнология / П. В. Каштанов, Б. М. Смирнов, Р. Хипплер // Успехи физ. наук. − 2007. − Т. 177, № 5. − С. 473—510. DOI: 10.3367/UFNr.0177.200705a.0473

3. Smirnov, B. M. Formation of clusters through generation of free atoms / B. M. Smirnov, I Shyjumon., R. Hippler // Phys. Scr. − 2006. − V. 73, N 3. − P. 288—295. DOI: 10.1088/0031-8949/73/3/009

4. Manova, D. Thin film deposition using energetic ions / D. Manova, J. W. Gerlach, S. Mändl // Materials. − 2010. − V. 3, N 8. − P. 4109—4141. DOI: 10.3390/ma3084109

5. Кукушкин, C. А. Процессы конденсации тонких пленок / C. А. Кукушкин, А. В. Осипов // Успехи физ. наук. − 1998. − Т. 168, № 10. − С. 1083—1116. DOI: 10.3367/UFNr.0168.199810b.1083

6. Ekpe, S. D. Theoretical and experimental determination of the energy flux during magnetron sputter deposition onto an unbiased substrate / S. D. Ekpe, S. K. Dew // J. Vac. Sci. Technol. A. − 2003. − V. 21, iss. 2. − P. 476—483. DOI: 10.1116/1.1554971

7. Xie, L. Molecular dynamics simulations of clusters and thin film growth in the context of plasma sputtering deposition / L. Xie, P. Brault, J.−M. Bauchire, A.−L. Thomann, L. Bedra // J. Phys. D: Appl. Phys. − 2014. − V. 47, N 22. − P. 224004(1–36). DOI: 10.1088/00223727/47/22/224004

8. Асеев, А. Л. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике / А. Л. Асеев // Вестник Российской Академии Наук. − 2006. − № 76, вып. 7. − С. 603—611.

9. Lin, J.−P. Structural, optical and electrical properties of chromium thin films prepared by magnetron sputtering / J.−P. Lin, L.−M. Lin, G.−Q. Guan, Y.−W. Wu, F.−Ch. Lai // Acta Photonica Sinica. − 2012. − V. 41, N 8. − P. 922—926. DOI: 10.3788/gzxb20124108.0922

10. Le, M.−T. Effect of sputtering power on the nucleation and growth of Cu films deposited by magnetron sputtering / M.−T. Le, Y.−U. Sohn, J.−W. Lim, G.−S. Choi // Materials Transactions. − 2010. − V. 51, N 1. − P. 116—120. DOI: 10.2320/matertrans.M2009183

11. Persson, B. N. J. On the fractal dimension of rough surfaces / B. N. J. Persson // Tribol. Lett. − 2014. − V. 54, iss. 1. − P. 99—106. DOI: 10.1007/s11249-014-0313-4

12. Muralidhar, S. M. Studies on nanostructure aluminium thin film coatings deposited using DC magnetron sputtering process / S. M. Muralidhar, G. Vijaya, M. S. Krupashankara, B. K. Sridhara, T. N. Shridhar // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. − 2016. − V. 149, N 1. − P. 012071. DOI: 10.1088/1757899X/149/1/012071

13. Priyadarshini, B. G. Structural and morphological investigations on DC−magnetron−sputtered nickel films deposited on Si (100) / B. G. Priyadarshini, S. Aich, M. Chakraborty // J. Mater. Sci. − 2011. − V. 46, N 9. − P. 2860—2873. DOI: 10.1007/s10853-010-5160-6

14. Джумалиев, А. С. Формирование текстурированных пленок Ni(200) и Ni(111) методом магнетронного распыления / А. С. Джумалиев, Ю. В. Никулин, Ю. А. Филимонов // Журн. техн. физики. − 2016. − Т. 86, вып. 6. − С. 126—131.

15. Burgstaller, W. Copper−nickel oxide thin film library reactively co−sputtered from a metallic sectioned cathode / W. Burgstaller, M. Hafner, M. Voith, A. I. Mardare, A. W. Hassel // J. Mater. Res. − 2014. − V. 29, iss. 1. − P. 148—157. DOI: 10.1557/jmr.2013.336

16. Burinskas, S. Synthesis of Cu/Cr multilayer thin films deposited by unbalanced magnetron sputtering / S. Burinskas, J. Dudonis // Materials science. − 2009. − V. 15, N 3. − P. 220—223.

17. Bizhou, Shen. Morphology structure and electrical properties of NiCr thin film grown on the substrate of silicon prepared by magnetron sputtering / Bizhou Shen, Liping Peng, Xuemin Wang, Jianjun Wei, Weidong Wu // J. Wuhan Univ. of Technology−Mater. Sci. Ed. − 2015. − V. 30, iss. 2. − P. 380—385. DOI: 10.1007/s11595-0151156-z

18. Джумалиев, А. С. Магнетронное осаждение тонких пленок Cu(200) на подложки Ni(200)/SiO2/Si / А. С. Джумалиев, Ю. В. Никулин, Ю. А. Филимонов // Журн. тех. физики. − 2014. − Т. 84, вып. 7. − С. 152—155.

19. Jing, Xu. The influence of sputtering argon pressure on LaB6 films characetristics / Jing Xu, Guang Hui Min, Hua Shun Yu, Jing Li // Adv. Mater. Res. − 2011. − V. 287–290. − P. 2244—2247. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.287-290.2244

20. Кузьменко, А. П. Температурные изменения структуры магнетронных медных пленок на ситалловой подложке / А. П. Кузьменко, Нау Динт, Мьо Мин Тан // Изв. Юго−Западного гос. ун−та. Сер. техника и технологии. − 2015. − Т. 16, № 3. − С. 60— 71.

21. Кузьменко, A. П. Процессы деградации при нагревании на воздухе в магнетронных нанопленках Ni и Cr / A. П. Кузьменко, А. Е. Кузько, Нау Динт, Мьо Мин Тан, Р. Т. Кануков // Изв. Юго− Западного гос. ун−та. Сер. техника и технологии. − 2016. − Т. 19, № 2. − С. 153—165.

22. Liu, Y. H. Deposition of multicomponent metallic glass films by single−target magnetron sputtering / Y. H. Liu, T. Fujita, A. Hirata, S. Li, H. W. Liu, W. Zhang, A. Inoue, M. W. Chen // Intermetallies. − 2012. − V. 21, iss. 1. − P. 105—114. DOI: 10.1016/j.intermet.2011.10.007