Структурные и морфологические особенности магнетронных наноплёнок HfN с разной толщиной

Цель. Наноструктурирование в магнетронных наноплёнках нитрида гафния с разной толщиной.

Методы. Магнетронные наноплёнки HfN наносились на кремниевые подложки в режиме  постоянного тока в установке МВУ ТМ-Магна Т (НИИТМ, г. Зеленоград). Получение наноплёнок с заданной толщиной достигалось путём варьирования времени распыления в пределах от 60 до 900 с. Наноразмерная характеризация нанопленок HfN проводилась методами атомно-силовой микроскопии и рентгенофазового анализа. Фрактальная размерность определялась методом подсчёта кубов.

Результаты. Установлено, что рост наноплёнки из HfN проходил по механизму Вольмера – Вебера, гранулометрическое распределение по размерам нанокластеров в наноплёнках из HfN было близким к нормальному. По атомно-силовым микроскопическим изображениям поверхности наноплёнок были рассчитаны как средние, так и среднеквадратичные их шероховатости. По данным рентгенофазового анализа в соответствии с формулами Дебая – Шеррера – Селихова и Вульфа – Брэгга рассчитаны размеры области когерентности и относительные деформации кристаллической решётки соответственно.

Заключение. В зависимости от времени распыления области когерентного рассеяния L(t) изменялись нелинейно, что указывало на структурный переход с характерным изменением морфологии поверхности нанопленок. Расчётные величины зависимости деформационных изменений a(t) имели знакопеременный вид, то есть процесс формирования наноплёнок HfN на начальной стадии сопровождался сжатием, а затем растяжением. Временная зависимость фрактальной размерности Df(t) всегда превышала 2, что указывало на трёхмерность нанопленок. При этом зависимость Df(t) достигала Dfmax при ≈ 480 с. Знакопеременный вид изменений dL/dt и da/dt и существование Dfmax при соответствующих временах распыления  свидетельствовал о доминирующем росте наноплёнок HfN по механизму Вольмера – Вебера с формированием столбчатых структур. 

1. Pierson H. O. Handbook of refractory carbides and nitrides: properties, characteristics, processing, and applications. Westwood, Noyes Publications, 1996. 362 p.

2. White M. A. Physical properties of materials. 3rd ed. Boca Raton: CRC Press, 2018. 518 p. https://doi.org/10.1201/978042946826.

3. Wittmer M. Properties and microelectronic applications of thin films of refractory metal nitrides // Journal of Vacuum Science & Technology A. 1985. Vol. 3, no. 1. Р. 1797. https://doi.org/10.1116/1.573382.

4. Nanomechanical properties of hafnium nitride coating / Y. Chen, T. Laha, K. Balani, A. Agarwal // Scripta Materialia. 2008. Vol. 58, no. 12. P. 1121–1124. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2008.02.012.

5. Thorsteinsson D. O., Gudmundsson J. T. Growth of HfN thin films by reactive high power impulse magnetron sputtering // AIP Advances. 2018. Vol. 8, no. 3. Р. 035124. https://doi.org/10.1063/1.5025553.

6. Escobar C. A., Caicedo J. C., Aperador W. Corrosion resistant surface for vanadium nitride and hafnium nitride layers as function of grain size // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2014. Vol. 75, no. 1. P. 23–30. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2013.07.024.

7. Effect of substrate temperature on the properties of hafnium nitride films prepared by dc sputtering / L. G. González, J. H. Torres, L. Z. Peredo, A. A. R. Serrano, C. S. L. Vázquez, A. M. C. Arias, N. F. Ramírez // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 976. P. 124–128. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.976.124.

8. Structure and mechanical properties of hafnium nitride films deposited by direct current, mid-frequency, and high-power impulse magnetron sputtering / W. Tillmann, N. F. L. Dias, D. Stangier, M. Tolan, M. Paulus // Thin Solid Films. 2019. Vol. 669, no. 1. P. 65–71. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.10.035.

9. Chun S.-Y. Characteristics of HfN coatings by inductively coupled plasma-assisted magnetron sputtering // Journal of the Korean Ceramic Society. 2020. Vol. 58, no. 2. P. 178–183. https://doi.org/10.1007/s43207-020-00084-3.

10. Yamanaka S., Hotehama K., Kawaji H. Superconductivity at 25.5 K in electron-doped layered hafnium nitride // Nature. 1998. Vol. 392, no. 6676. P. 580–582. https://doi.org/10.1038/33362.

11. Li Y., Xia J. Cubic hafnium nitride: A novel topological semimetal hosting a 0-dimensional (0-D) nodal point and a 1-D topological nodal ring // Frontiers in Chemistry. 2020. Vol. 8. Р. 727. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00727.

12. Gotoh Y., Fujiwara S., Tsuji H. Work functions of hafnium nitride thin films as emitter material for field emitter arrays // Journal of Vacuum Science & Technology A. 2016. Vol. 34, no. 3. Р. 031401. https://doi.org/10.1116/1.4945991.

13. Tailoring properties of hafnium nitride thin film via reactive gas-timing RF magnetron sputtering for surface enhanced-Raman scattering substrates / N. Sucheewa , W. Wongwiriyapan, A. Klamchuen, M. Obata, M. Fujishige, T. Lertvanithphol, T. Wutikhun, S. Kullyakool, W. Auttasiri, N. Sowasod, T. Prataen, W. Tanthapanichakoon, J. Nukeaw // Crystals. 2022. Vol. 12, no. 1. Р. 78. https://doi.org/10.3390/cryst12010078.

14. Enhanced hydrogen permeability of hafnium nitride nanocrystalline membranes by interfacial hydride conduction / C. Kura, S. Fujimoto, Y. Kunisada, D. Kowalski, E. Tsuji, C. Zhu, H. Habazaki, Y. Aoki // Journal of Materials Chemistry A. 2018. Vol. 6, no. 6. P. 2730–2741. https://doi.org/10.1039/c7ta10253d.

15. Джумалиев А. С., Никулин Ю. В., Филимонов Ю. А. Формирование текстурированных плёнок Ni(200) и Ni(111) методом магнетронного распыления // Журнал технической физики. 2016. Т. 6, № 86. С. 126–131.

16. Магнетронные одно- и мультислойные наноплёнки из Nb, C и Si / А. П. Кузьменко, Тант Син Вин, Мьо Мин Тан, Нау Динт // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2019. Т. 9, № 4. С. 30–52.

17. Fractal character of cold-deposited silver films determined by low-temperature scanning tunneling microscopy / C. Douketis, Z. Wang, T. L. Haslett, M. Moskovits // Physical Review B. 1995. Vol. 51, no. 16. Р. 11022. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.51.11022.

18. Zahn W., Zösch A. The dependence of fractal dimension on measuring conditions of scanning probe microscopy // Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry. 1999. Vol. 365, no. 1–3. P. 168–72. https://doi.org/10.1007/s002160050360

19. Процессы деградации при нагревании на воздухе в магнетронных наноплёнках Ni и Cr / A. П. Кузьменко, А. Е. Кузько, Нау Динт, Мьо Мин Тан, Р. Т. Кануков // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016. № 19. С. 153–165.

20. Microstructure and corrosion behaviors of conductive Hf/HfN multilayer coatings on magnesium alloys / D. Zhanga, Z. Qib, B. Weia, H. Shena, Z. Wang // Ceramics International. 2018. Vol. 44, no. 8. P. 9958–9966. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.03.027/

21. Structure and mechanical properties of hafnium nitride films deposited by direct current, midfrequency, and high-power impulse magnetron sputtering / W. Tillmann, N. F. L. Dias, D. Stangier, M. Tolan, M. Paulus // Thin Solid Films. 2019. Vol. 669, no. 1. P. 65–71. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.10.035.