Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Механизмы возбуждения и заселенности метастабильных состояний
1.1. Механизмы возбуждения метастабильных состояний атомов и молекул в низкотемпературной плазме. 10
1.1.1. Механизмы возбуждения метастабильного состояния молекул азота в плазме газовых разрядов . 11
1.1.2. Механизмы возбуждения метастабильных состояний атомов аргона. 21
1.2. Методы определения заселенности метастабильных состояний атомов и молекул. 25
1.2.1. Методы определения заселенности метастабильного состояния молекул азота. 25
1.2.2. Методы определения заселенности метастабильных состояний атомов аргона. 33
1.3. Тлеющий разряд, как один из способов возбуждения частиц. 47
ГЛАВА 2. Абсолютные заселенности метастабильных состояний аргона в плазме высокочастотного разряда
2.1. Экспериментальная установка. 53
2.2. Методика определения абсолютных заселенностей метастабильных состояний аргона в плазме высокочастотного разряда . 55
2.3. Экспериментальные исследования заселенностей метастабильных состояний аргона в плазме высокочастотного разряда. 57
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования заселенности метастабильного состояния молекул азота в неравновесной плазме
3.1. Экспериментальная установка. 68
3.2. Метод определения заселенности метастабильного состояния молекул азота. 70
3.3. Экспериментальные исследования заселенности метастабильного состояния молекул азота спектральным методом. 77
3.3.1 Заселенность метастабильного состояния молекул азота в плазме тлеющего разряда 77
3.3.2 Заселенность метастабильного состояния молекул азота в вакуумно-дуговом разряде при одновременном возбуждении тлеющего разряда. 91
Глава 4. Прикладные аспекты роли возбужденных состояний при формировании тонких пленок нитрида алюминия
4.1. Адгезионная прочность пленок нитрида алюминия. 113
4.2. Скорость роста пленок нитрида алюминия . 117
Выводы. Заключение 121
Список литературы 124
- Механизмы возбуждения метастабильного состояния молекул азота в плазме газовых разрядов
- Методика определения абсолютных заселенностей метастабильных состояний аргона в плазме высокочастотного разряда
- Заселенность метастабильного состояния молекул азота в плазме тлеющего разряда
- Скорость роста пленок нитрида алюминия
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы широкое развитие получили исследования электрических разрядов в разреженной атмосфере химически активных газов[1]. Повышение интереса к этой проблеме определяется тем, что в плазме газовых разрядов в атмосфере реакционного газа, интенсивно протекают реакции плазмохимического синтеза различных материалов, широко применяющихся в современной технике [2]. Определяющую роль в этих процессах играют метастабильные состояния атомов и молекул. Связано это, прежде всего с тем, что энергия данных состояний достаточна, для того чтобы снизить энергетический порог реакции и повысить эффективность протекания плазмохимических процессов.
Непосредственное измерение концентраций метастабильных частиц сопряжено со значительными трудностями, вследствие малости вероятностей радиационных переходов с них. Для их регистрации используются спектральные методы поглощения излучения, а также косвенные методы - передача возбуждения на излучающие состояния малой примеси, например ртути, использование которых в разрядах затруднительно, поскольку возможно влияние на сигнал других возбужденных частиц, ионов и электронов.
При моделировании плазмохимических процессов с целью оптимизации технологических режимов и получения материалов с заданными свойствами становится актуальной разработка методик оценки заселенности метастабильных состояний.
Данная работа проводилась в Омском государственном университете им. Ф.М. Достоевского с 1998 года в рамках ФЦП «Интеграция академической науки и высшей школы» по направлению 2.1 «Развитие и поддержка системы совместных учебно-научных центров филиалов и кафедр университетов», а также в рамках НТП Миннауки «Научные основы конструирования новых материалов и создание новых технологий».
Цель работы: Исследование влияния заселенности метастабильных состояний атомов аргона и молекул азота на кинетику роста пленок нитрида алюминия и аморфного кремния для оптимизации режимов осаждения.
Задачи исследований:
1. Разработка математической модели процессов возбуждения и девозбуждения метастабильных состояний атомов аргона и молекул азота в газоразрядной плазме.
2. Расчет и экспериментальные исследования заселенностей метастабильных состояний атомов аргона и молекул азота в плазме тлеющего и высокочастотного разрядов. Определение механизмов возбуждения и девозбуждения метастабильных состояний.
3. Исследование зависимости заселенности метастабильных состояний атомов аргона в плазме высокочастотного разряда в зависимости от давления (Р = 0,02 + 0,1 Тор) в атмосфере чистого аргона и в смеси аргон-силан (95%Ar-5%SiH4).
4. Исследование зависимости заселенности метастабильного состояния молекул азота в плазме тлеющего разряда в зависимости от давления (Р = 0,002-н5Тор) и тока разряда (/= 100+400мА).
5. Исследование скорости роста пленок нитрида алюминия в зависимости от тока тлеющего разряда и давления.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Разработана оригинальная математическая модель процессов возбуждения и девозбуждения метастабильных состояний атомов аргона и молекул азота. В модель включены процессы, протекание которых наиболее вероятно с точки зрения их скорости. Произведен кинетический расчет заселенностей метастабильных состояний атомов аргона и молекул азота в плазме тлеющего и высокочастотного разрядов. Определены процессы, ответственные за возбуждение и девозбуждение метастабильных состояний.
2. Впервые проведены исследования заселенности метастабильных состояний атомов аргона в зависимости от давления (Р = 0,02- -0,1 Тор) в атмосфере смеси аргон-силан {95%Ar-S%SiH4).
3. Впервые определены заселенности метастабильного состояния А31+и
молекулярного азота в вакуумно-дуговом разряде (ток дугового разряда і = 25 А) при одновременном возбуждении тлеющего разряда.
4. Впервые проведены сравнительные исследования заселенности метастабильного состояния N2\A l) в положительном столбе и отрицательном свечении тлеющего разряда.
5. Впервые проведены исследования влияния заселенности метастабильного состояния молекул азота на скорость роста пленок нитрида алюминия в вакуумно - дуговом разряде при одновременном возбуждении тлеющего разряда.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель процессов возбуждения и девозбуждения метастабильных состояний атомов аргона и молекул азота.
2. Результаты моделирования процессов, определяющих заселенность метастабильных состояний атомов аргона и молекул азота, механизмы возбуждения и девозбуждения метастастабильных состояний атомов аргона и молекул азота в низкотемпературной плазме.
3. Результаты экспериментальных исследований заселенности метастабильных состояний атомов аргона в плазме высокочастотного разряда в атмосфере чистого аргона и в смеси аргон-силан в зависимости от давления (Р = 0,02 -н 0,1 Тор ).
4. Результаты экспериментальных исследований по определению заселенностей метастабильного состояния молекулярного азота в зависимости от силы тока тлеющего разряда (I = 100 + 400мА), давления (P = 0,002н-5Top) в плазме тлеющего и комбинированного (вакуумно-дуговой - тлеющий) разрядов.
5. Результаты экспериментальных исследований зависимости скорости образования тонких пленок нитрида алюминия от тока тлеющего разряда и давления.
Научная и практическая ценность работы:
Заключается в исследовании влияния заселенности метастабильных состояний атомов аргона и молекул азота на кинетику роста пленок нитрида алюминия и аморфного кремния для оптимизации режимов их осаждения.
Достоверность результатов подтверждается использованием при моделировании апробированных классических соотношений неравновесной химической кинетики. Полученные результаты расчетов соответствуют теоретическим и экспериментальным данным других авторов.
Личный вклад автора заключается в проведении спектральных измерений по определению абсолютных интенсивностей спектральных линий и молекулярных полос, в проведении расчетов по определению заселенностей метастабильных состояний, а также разработке математической модели процессов, определяющих заселенности метастабильных состояний и интерпретации полученных результатов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 3-ем Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (г. Плес, 2002)[3], Всероссийской научной конференции «ФНТП-2004» (г. Петрозаводск, 2004)[4], межрегиональной научно-технической конференции БРОНЯ-2002 (г. Омск, 2002)[5], 3-ем международном технологическом конгрессе (г. Омск, 2005)[6], а также на научных семинарах кафедры экспериментальной физики Омского государственного университета.
Публикации. По результатам работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 6 статей [7-12] и 4 тезиса докладов на конференциях [3-6].
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения и списка литературы. Изложена на 133 страницах и содержит 43 рисунка и 41 таблицу. Список литературы состоит из 95 наименований.
Первая глава посвящена анализу существующих методов определения заселенностей метастабильных состояний атомов аргона и молекул азота, а также литературных данных по процессам, протекающим в плазме газовых разрядов с участием этих состояний. Кроме того, в главе проведен анализ характеристик тлеющего разряда в приложении к способам и механизмам возбуждения метастабильных состояний атомов и молекул.
Во второй главе представлена разработанная методика определения заселенностей метастабильных состояний атомов аргона, а также результаты экспериментов по определению заселенностей метастабильных состояний атомов аргона в плазме высокочастотного разряда в зависимости от давления (Р = 0,02-4-0,1 Тор) в атмосфере чистого аргона и смеси аргона с силаном (95%Ar-5%SiH4). Заселенность метастабильных состояний уменьшается с ростом давления газа, что объясняется дезактивацией метастабилей атомами аргона в основном состоянии. Значения заселенности метастабильных состояний в атмосфере чистого аргона выше, чем в смеси аргон-силан, что указывает на наличие дополнительного канала девозбуждения метастабильных атомов аргона на молекулах силана.
В третьей главе приведены результаты определения заселенности метастабильного состояния АЪЪ\ молекулярного азота в плазме
тлеющего и вакуумно-дугового разрядов. Кроме того, исследована зависимость заселенности состояния А3!, в зависимости от давления
(Р = 0,002 + 5Тор) и тока тлеющего разряда (/ = 100+400мА). Показано, что заселенность метастабильного состояния АЪЪ\ растет с ростом тока тлеющего разряда и уменьшением давления газа. С увеличением тока тлеющего разряда увеличивается концентрация электронов и, как следствие, растет число актов возбуждения молекул азота прямым электронным ударом. С увеличением давления газа заселенность метастабильного состояния АгЪ+и падает из-за дезактивации атомами и
молекулами азота. При одновременном возбуждении тлеющего и дугового разрядов заселенность метастабильного состояния в два раза выше аналогичной величины в плазме тлеющего разряда при тех же условиях. Следовательно, в дуговом разряде происходит дополнительное возбуждение молекул.
В четвертой главе приведены результаты исследований зависимости скорости образования и адгезионной прочности (качества) пленок нитрида алюминия от тока тлеющего разряда и давления азота. Установлено, что скорость роста пленок и их адгезионная прочность увеличиваются с ростом тока тлеющего разряда и снижением давления газа. Что указывает на то, что скорость образования пленок нитрида алюминия и их качество повышаются с ростом заселенности метастабильного состояния АгЪ\ молекул азота.
Таким образом, диссертация содержит решение актуальной задачи- исследования влияния заселенности метастабильных состояний атомов аргона и молекул азота на кинетику роста пленок нитрида алюминия и аморфного кремния для оптимизации режимов их осаждения.
Механизмы возбуждения метастабильного состояния молекул азота в плазме газовых разрядов
В неравновесной плазме электрических разрядов в инициировании возбуждения электронных уровней атомов и молекул определяющую роль играют столкновения молекул и атомов с электронами, имеющими достаточную энергию (Е = 2 + 10эВ) [13]. Метастабильные уровни, обычно имеющие наименьшую энергию возбуждения из спектра энергетических состояний атомов и молекул, наибольшие сечения и большие времена радиационного девозбуждения обычно заселяются прямым электронным ударом. Как показали результаты исследований, колебательные уровни молекул (тоже метастабильные, так как даже разрешенные радиационные чисто колебательные переходы имеют вероятность, не превышающую \04сек 1) заселяются главным образом вследствие однократных столкновений молекул с электронами, хотя для их возбуждения требуется меньшая энергия.
Поскольку время жизни метастабильных атомов для излучатель-ных переходов велико, эти состояния дезактивируются в низкотемпературной плазме как в результате соударения с частицами плазмы, так и в результате дезактивации на стенках. Дезактивация метастабильных атомов в результате соударения с атомами и молекулами адиабатически маловероятна. Разрушение метастабильных атомов электронным ударом протекает с характерными сечениями порядка площади поперечного сечения атома. Однако плотность электронов в слабоионизованной плазме невелика, так что указанному процессу соответствуют немалые времена. Поэтому при определенных условиях время жизни метастабильного атома в плазме определяется временем его ухода на стенки сосуда [14].
В плазме инертных газов возбуждение электронных уровней целиком определяется суммой прямого и ступенчатого возбуждения электронным ударом, а дезактивация обусловлена радиационными переходами и тушением в результате столкновений с невозбужденными атомами [14]. Оба канала значительно менее эффективны для дезактивации метастабильных уровней (сечения дезактивации на 6-7 порядков меньше, чем для высоковозбужденных атомов [13, 15]). Заметный вклад в их дезактивацию может давать и возбуждение близкорасположенных излучающих (как правило, резонансных уровней) атомов в результате столкновений с невозбужденными атомами - так называемый процесс перемешивания уровней [16-18], а также диффузия и дезактивация на стенках.
Возможные процессы заселения и девозбуждения этого состояния приведены в таблице 1.1. Основной поток заселения состояния АгЪ и молекул азота (рис. 1.1) в разряде обусловлен прямым возбуждением молекул электронным ударом (процесс №1, табл. 1.1) и дезактивацией состояния B3ng в результате радиационных переходов (процесс №12, табл. 1.1) и тушения молекулами азота (процесс №13, табл. 1.1). Ввиду быстрой колебательной релаксации молекул в состоянии Аъ1+и с двухквантовым обменом весь поток падает на нижние колебательные уровни v = 0,1, которые заселены больше других [19,20]. Процессы возбуждения состояния ВгП& с участием метастабильных молекул (процесс №10, табл. 1.1) и тушения его молекулами не являются детально обратными. Тем не менее, они практически уравнивают друг друга. Инициирование возбуждения состояния АгЪ\ обусловлено прямым возбуждением молекул электронным ударом. Столкновение образовавшихся метастабильных и колебательно возбужденных молекул (x E+,v) между собой приводит к появлению вторичных процессов заселения (процессы №8,10, табл. 1.1). Скорости вторичных процессов в ряде случаев существенно превышают скорости прямого возбуждения электронным ударом. Дезактивация состояний СгПи и B3I7g приводит к заселению состояния АъЪ+и. Дезактивация последнего происходит на стенке (при р \ Тор) (процесс №17, табл. 1.1). Процесс №16 (табл. 1.1) является детально обратным процессу №4 (табл. 1.1). Скорость его определяется с одной стороны, концентрацией атомов N(2P) И молекул N2[XlI,+g,v), с другой -долей энергии, идущей на поступательную степень свободы при дезактивации (процесс №4, табл. 1.1). Сравнение коэффициентов скорости тушения метастабильных молекул атомами азота и детально обратного процесса (№16, табл. 1.1) показывает, что энергия электронного возбуждения молекулы Ы2\А31и) (бЛТэВ) лишь частично расходуется на электронное возбуждение атома (3,6эВ). На поступательное движение и возбуждение вращательной степени свободы продуктов приходится около 0,11 эВ. Оставшаяся энергия идет на возбуждение колебательных уровней молекулы азота N2\XllL+g,v = 8,9]. Наиболее существенные процессы дезактивации (процессы №4,10,11,3, табл. 1.1). Необходимо учитывать также дезактивацию на стенках. Таким образом, механизм возбуждения N2{A3T,U) в разряде и в послесвечении включает следующие стадии: процессы №12, 13, 1, 16 (табл. 1.1). Уровневые коэффициенты скорости ки, кю, кп приведены в таблицах 1.2 и 1.3.
Методика определения абсолютных заселенностей метастабильных состояний аргона в плазме высокочастотного разряда
В последние годы метастабильные состояния атомных и молекулярных систем стали объектом пристального экспериментального и теоретического изучения. Для получения пучков метастабильных атомов и молекул применяют методы, в которых энергия для их генерации может быть передана атомам или молекулам термическим путем, с помощью разряда, в результате столкновений с электронами или фотонами.
Наиболее широкое применение для получения пучков метастабильных атомов и молекул нашел метод газового разряда. Он позволяет создавать более интенсивные пучки, но из-за отсутствия селекции в пучке атомы и молекулы могут оказаться в различных электронных состояниях. Однако газовый разряд имеет определенные недостатки по отношению к молекулярным пучкам, так как в газовом разряде в основном возбуждаются низколежащие колебательные и вращательные уровни.
Тлеющий разряд - самостоятельный электрический разряд в газе с холодными электродами при токах 10 5+1Л, имеющий характерную структуру в виде чередующихся светящихся участков различного цвета и различной интенсивности свечения. Характерная структура нормального тлеющего разряда показана на рис.
На этом же рисунке приведено распределение по длине разряда ин тенсивности свечения /, потенциала ср, напряженности поля Е и плот ностей зарядов и токов положительных ионов и электронов рр И ре, jp и je. К катоду примыкают катодные части разряда, затем следует по ложительный столб, вблизи анода расположена сравнительно короткая анодная область. Основные процессы, обеспечивающие самостоятельный разряд, происходят в катодных частях разряда и на самом катоде. Тлеющий разряд не может существовать без этих частей. Положительный столб, на -48 против, не является существенной частью разряда. Анодные части также не являются необходимыми для существования разряда, они представляют собой переходную область между положительным столбом и металлическим анодом.
В катодных частях разряда преобладающим является направленное движение заряженных частиц (электронов и положительных ионов), тогда как положительный столб представляет собой типичный пример газоразрядной неизотермической плазмы, в которой доминирует хаотическое движение зарядов. В соответствии с этим роль стенок, ограничивающих ионизованный газ в катодных частях, незначительна, а в положительном столбе она является существенной. свечения / , напряженности поля Е, потенциала р, плотностей зарядов и токов положительных ионов и электронов р и ре, /и Л [68].
Непосредственно к катоду примыкает темное астоново пространство. Светящаяся область за астоновым темным пространством соответствует энергиям электронов, близким к максимуму функции возбуждения атомов данного газа. Эту область называют первым катодным слоем или катодной светящейся пленкой. Излучение имеет линейчатый спектр.
За катодной светящейся пленкой следует катодное темное пространство, называемое также круксовым темным пространством. Иногда катодным темным пространством называют всю область от катода до границы следующей части — отрицательного тлеющего свечения. На эту область приходится значительная доля напряжения, называемая катодным падением потенциала; напряженность поля здесь значительно выше, чем в других частях разряда. В этой области свечение газа слабее, так как энергия электронов значительно выше энергии максимума функции возбуждения.
За областью катодного темного пространства следует отрицательное тлеющее свечение. Эта часть разряда имеет резкую границу со стороны катода и размытую со стороны анода. В ней электрическое поле мало. Ионизованный газ представляет собою почти квазинейтральную плазму, которая пронизывается потоком быстрых электронов из катодного темного пространства. На роль быстрых электронов в этой области указывает прямая связь между энергией электронов и длиной отрицательного тлеющего свечения. Кроме быстрых электронов, в отрицательном тлеющем свечении имеется значительное число медленных электронов, испытавших в катодном темном пространстве неупругие столкновения и потерявших при этом большую часть своей энергии. Эти электроны обладают энергиями, близкими к максимуму функции возбуждения, и вызывают свечение газа с линейчатым спектром, определяемым природой атомов. Кроме того, излучение отрицательного свечения может быть вызвано рекомбинацией зарядов, вероятность которой велика у медленных электронов. Следующее за отрицательным тлеющим свечением фарадеево темное пространство является переходной областью от катодных частей к положительному столбу.
Положительный столб тлеющего разряда представляет собой плазму с малой (относительно катодного темного пространства) напряженностью поля. Положительный столб можно рассматривать как самостоятельную область разряда, существующую в известной степени независимо от катодных частей.
Свойства положительного столба в различных видах разряда низкого давления в значительной степени идентичны. Во многих случаях (по мнению некоторых исследователей, в большинстве случаев) положительный столб имеет слоистую структуру в виде неподвижных или движущихся вдоль оси трубки слоев, называемых стратами. Вблизи анода имеется сравнительно узкое темное пространство и анодное свечение.
Заселенность метастабильного состояния молекул азота в плазме тлеющего разряда
Вакуумно-дуговой метод нанесения покрытий на основе нитридов, карбидов и карбонитридов металлов хорошо известен. Главными достоинствами этого метода являются: 1. полная экологическая безопасность, в отличие от широко применяемых электролитического и газофазного метода; 2. возможность управления процессом; 3. нанесение и формирование композиционных покрытий с требуемым комплексом свойств. Высокая температура плавления многих нитридов, их своеобразные механические и физические свойства (большая твердость, абразивная способность, тугоплавкость, пластичность при высоких температурах и др.) обусловливают широкий интерес к материалам на их основе.
Покрытия из нитридов и карбидов металлов получаются при осаждении на обрабатываемых поверхностях потоков металлической плазмы в присутствии реактивного газа. Генерация металлической плазмы осуществляется при горении вакуумно-дугового разряда между расходуемым электродом (катодом) и нерасходуемым анодом.
В процессе исследований стационарного вакуумного дугового разряда [80-82] выяснилось, что эффективность синтеза неорганических соединений в плазме вакуумной дуги во многом определяется состоянием плазмообразующего газа.
Молекулы в возбужденных состояниях с малыми временами жизни из-за большой скорости их дезактивации (10" -Ю-8 сек) не накапливаются в плазме и, следовательно, не играют существенной роли в процессах синтеза нитридов. Однако молекулы в метастабильном АъЪ+и состоянии, время жизни которого велико по отношению к времени спонтанного распада [83], могут играть существенную роль в повышении эффективности этих процессов. Связано это прежде всего со значительно меньшей по сравнению с состоянием Х Е энергией диссоциации метастабильного АгЪ и -состояния, равной 3,5 эВ [84]. Учитывая су щественную неравновесность плазмы вакуумно-дугового разряда, для оптимизации плазмохимических процессов необходимо детально исследовать заселенность метастабильного состояния АЪЪ\ молекул азота.
Эти исследования целесообразно осуществить в широком диапазоне изменения параметров плазмы, что может быть достигнуто путем изменения тока разряда и давления химически активного газа.
В данной главе приводятся результаты определения заселенности метастабильного состояния АгЪ\ молекулярного азота в плазме тлеющего и вакуумно-дугового разрядов. Кроме того, исследована зависимость заселенности состояния АгЪ+и от условий возбуждения тлеющего разряда
[3,12]. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3.1. Исследуемый разряд возбуждался в ионно-вакуумной камере ННВ-6.6-И1, предназначенной для нанесения покрытий плазменно-дуговым способом диаметром 600 мм и высотой 600 мм. Вакуумная система обеспечивает создание в рабочей камере необходимого рабочего давления и состоит из форвакуумных насосов типа 2НВР-5ДМ, диффузионного паромасляного насоса Н-250/2500, клапанов вакуумных с электромеханическим приводом ДУ-63, затвора вакуумного с электромеханическим приводом 23 ВЭ-250, клапанов с электромагнитным приводом ДУ-25, фильтра, вентиля вакуумного с ручным приводом ДУ-25, преобразователей (датчиков вакуума), подсоединенных к вакуумметру ВИТ-3.
Для получения при нанесении покрытий нитридов металлов в установке предусмотрена система напуска рабочего газа. Система напуска газа состоит из клапана с электромагнитным приводом, клапана напускного регулируемого (автоматического натекателя) и электронного блока управления. Она может работать как в ручном, так и в автоматическом режимах. В автоматическом режиме расход газа изменяется автоматически таким образом, чтобы давление в камере поддерживалось на заданном уровне. Измерение вакуума производится вакуумметром ВИТ-3 с манометрическими преобразователями типа ПМТ и ПМИ.
Для определения заселенности N2(A3T,+U) использовалась следующая методика [9,85]. Рабочая камера откачивалась до давления 0,0001 Тор, затем путем подачи газа в камере устанавливалось необходимое рабочее давление, далее инициировался дуговой разряд встроенным источником установки ННВ-6.6-И1. Диапазон изменения тока дуги составляет от 25 до 35 А. Тлеющий разряд инициировался блоком питания БП-100. Ток тлеющего разряда изменялся в диапазоне от 100 до 400 мА.
Излучение разряда регистрировалось спектрографом ИСП-30. Система позволяла регистрировать спектр излучения в диапазоне длин волн 3500н- 7000 А. Дисперсия в области длин волн 6000 А \\0 А/мм.
Для определения абсолютных интенсивностей излучения молекулярных полос была проведена калибровка системы по эталонной лампе накаливания с вольфрамовой лентой CH-8-200V. Цветовая температура эталонной лампы составляла 2000 К.
Скорость роста пленок нитрида алюминия
Нитрид алюминия - весьма перспективный материал для микроэлектроники. Присущие ему температурная и химическая стабильность [92], высокие электроизоляционные характеристики очень важны при формировании на подложке тонкопленочных конденсаторов, резисторов, диэлектрических полос и т.д. [93].
Нанесение пленок нитрида путем термического испарения чистых веществ в атмосфере азота в последнее время нашло широкое распространение. Так, в [94] рассмотрено получение тонких пленок нитрида алюминия путем реактивного испарения чистого алюминия в атмосфере азота. Основным преимуществом этого метода является высокая степень контролируемости процесса и связанные с ней чистота получаемых пленок. Этот метод обеспечивает высокую скорость осаждения, однако традиционная реализация этого метода с использованием постоянного смещения на подложке при нанесении покрытия из нитрида алюминия не дает удовлетворительных результатов. Это связано с тем, что нитрид алюминия, являясь диэлектриком, прерывает цепь ионного тока в момент полного покрытия поверхности подложки, что приводит к уменьшению потока частиц реакционного газа на поверхность. В результате нарушается стехиометрия процесса образования пленок нитрида алюминия на поверхности, сопровождающаяся увеличением доли чистого алюминия в составе покрытия.
Из литературных данных известно, что потенциал взаимодействия молекулярного азота с поверхностью пленок нитрида алюминия имеет вид (рис.4.1), т.е. существует слой, предшествующий физической сорбции, который отделен от поверхности подложки потенциальным барьером, препятствующим проникновению молекул азота к поверхности.
Основным параметром этого слоя является высота потенциального барьера. Оценочное значение высоты потенциального барьера составляет Ж. = 5,28 эВ.
Таким образом, для обеспечения протекания процесса необходимо сообщить молекулам азота энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера. Одним из способов снижения эффективного потенциального барьера является возбуждение электронных уровней молекул азота в плазме тлеющего разряда. Оптимизация режимов тлеющего разряда может привести к повышению заселенности реакционно-активных частиц молекулярного азота. Наиболее интересным в этом случае является долгоживущее возбужденное состояние А311 молекулы азота с энергией (6,22 эВ), достаточной для преодоления потенциального барьера, возникающего у поверхности подложки.
В ходе эксперимента исследовалась зависимость адгезионной прочности тонких пленок нитрида алюминия от силы тока тлеющего разряда и толщины пленок.
Определение адгезионной прочности пленок нитрида алюминия проводилось по методике, которая дает полуколичественные значения силы адгезионного взаимодействия, а численные значения этой силы могут быть использованы для сравнения покрытий по адгезионному взаимодействию.
Сущность метода основана на внедрении конического индентора через покрытие в подложку с последовательно увеличивающимися фиксированными нагрузками до начала отслаивания покрытия вокруг отпечатка индентора с последующим определением геометрических параметров этого отпечатка и деформированного участка покрытия с подложкой.
Лунка, образованная в процессе деформации покрытия и подложки, имеет вид, показанный на рис. 4.2., из которого следует, что в результате вдавливания индентора в подложку происходит сложная упру-гопластическая деформация, приводящая к образованию валика. Возникающие на валике деформации и напряжения приводят к нарушению адгезионной связи покрытия с подложкой.
Связь между адгезионной прочностью покрытия и усилием на ин денторе приводящим к растрескиванию покрытия и геометрическими характеристиками отпечатка выражается зависимостью: Р где ст- адгезионная прочность покрытия; Р -нагрузка на индентор, приводящая к нарушению адгезионной связи; d -диаметр отпечатка индентора; а -максимальный угол между касательной к профилю деформированного участка и исходной поверхностью.
