Структурные и морфологические особенности магнетронных наноплёнок TaN с разной толщиной

Цель исследования. Изучение морфологических и фазовых изменений в структуре нанопленок нитрида тантала, формируемых методом магнетронного реактивного распыления на подложке из кремния.

Методы. Магнетронное распыление на подложку из кремния осуществлялось на установке МВУ ТМ-Магна Т при изменении параметра времени распыления от 300 до 900 с, а также при постоянных параметрах мощности 500 Вт и давления рабочего газа Ar 0,5 Па. Исследования морфологических и фазовых изменений в структуре нанопленок нитрида тантала выполнялись методами атомно-силовой микроскопии, рентгенофазового анализа. Определение фрактальной размерности осуществлялось с помощью метода подсчета кубов. Рентгенодифрактометрический анализ в режиме измерений in situ с дискретным нагревом (с шагом через 100°С) на воздухе до 1000°С на высокотемпературной приставке PAAR HTK-16.

Результаты. При помощи методов атомно-силовой микроскопии установлено, что в исследуемых нанопленках из TaN гранулометрическое распределение нанокластеров было гауссовым и наблюдалось увеличение латерального размера частиц при увеличении времени напыления. Минимальную шероховатость имела нанопленка, время напыления которой составило 300 с. Рассчитана статистическая фрактальная размерность, величина которой отвечала их  трехмерности. По данным рентгенофазового анализа определены размеры области когерентности, текстурированности, микродеформации и межплоскостные деформационные искажения, а также установлен смешанный механизм Странского – Крастанова формирования нанопленок.

Заключение. Шероховатость поверхности нанопленок нитрида, формируемых при постоянной мощности (500 Вт), существенно зависит от времени магнетронного распыления и концентрации N₂. Во всех исследованных нанопленочных структурах доминирующим механизмом роста был реализован смешанный механизм Странского – Крастанова.

1. Ерофеев Е. В., Полынцев Е. С., Ишуткин С. В. Исследование тонкопленочных резисторов на основе нитрида тантала, полученных методом реактивного магнетронного распыления, для устройств радиофотоники // Прикладная физика. 2021. № 5. С. 93–98. https://doi.org/10.51368/ 1996-0948-2021-5-93-98

2. Synthesis and high temperature XRD studies of Tantalum nitride thin films prepared by reactive pulsed dc magnetron sputtering / T. Elangovan, S. Murugeshan, D. Mangalaraj, P. Kuppusami, Shabhana Khan, C. Sudha [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. 2011. Vol. 509. P. 6400–6407. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.03.067

3. Influence of nitrogen concentration on electrical, mechanical, and structural properties of Tantalum nitride thin films prepared via DC magnetron sputtering / D. Dastan, K. Shan, A. Jafari, F. Gity, X. Yin, Z. Shi [et al.] // Applied Physics. 2022. Vol. 128. P. 400. https://doi.org/10.1007/s00339-02205501-4

4. Magnetron sputter deposited tantalum and tantalum nitride thin films: An analysis of phase, hardness and composition / D. Bernoulli, U. Müller, M. Schwarzenberger, R. Hauert, R. Spolenak // Thin Solid Films. 2013. Vol. 548. P. 157–161. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.09.055

5. Effect of nitrogen flow ratio on nano-mechanical properties of tantalum nitride thin film / S. S. Firouzabadi, M. Naderi, K. Dehghani, F. Mahboubi // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 719. P. 63–70. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.05.159

6. Магнетронные углеродные структуры, полученные высокочастотным магнетронным распылением в среде аргона и азота / А. П. Кузьменко, А. И. Колпаков, А. С. Сизов, В. М. Емельянов, Ю. А. Неручев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2024. Т. 14, № 2. С. 71–87. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-14-271-87

7. Наноразмерная характеризация металлических магнетронных нанопленочных мультислоев из Cr, Cu, Al, Ni на ситалле / A. П. Кузьменко, Нау Динт, А. Е. Кузько, Мьо Мин Тан, Тант Син Вин, А. И. Колпаков // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2016. Т. 19, № 3. С. 195–203. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-3-195-203

8. Мовчан Б. А., Демчишин А. В. Исследование структуры и свойств толстых вакуумных конденсатов никеля, титана, вольфрама, окиси алюминия и двуокиси циркония // Физика металлов и металловедение. 1969. T. 28, № 4. С. 23–30.

9. Fractal analysis on surface topography of thin films: a review / W. Zhou, Y. Cao, H. Zhao, Z. Li, P. Feng, F. Feng // Fractal and Fractional. 2022. Vol. 6, no. 3. P. 135. https://doi.org/10.3390/fractalfract6030135

10. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005. 416 с.

11. 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 // Известия Юго- Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016. Т. 2, № 19. С. 153–165.

12. Structure, morphology and selected mechanical properties of magnetron sputtered (Mo, Ta, Nb) thin films on NiTi shape memory alloys / F. Seifried, H. Leiste, R. Schwaiger, S. Ulrich, H. J. Seifert, M. Stueber // Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 347. P. 379–389. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.05.014

13. Synthesis of superconductive TaN thin films by reactive DC sputtering / A. Nieto, M. Guzman, A. Conde-Gallardo, O. Contreras // Journal of Electronic Materials. 2022. Vol. 51. P. 4649–4658. https://doi.org/10.1007/s11664-022-09721-5

14. Structural and electrical properties of tantalum nitride thin films fabricated by using reactive radio-frequency magnetron sputtering / H. B. Nie, S. Y. Xu, S. J. Wang, L. P. You, Z. Yang, C. K. Ong [et al.] // Applied Physics. 2001. Vol. 73. P. 229–236. https://doi.org/10.1007/s003390000691

15. Influence of room-temperature oxidation on stability and performance of reactively sputtered TaN thin films for high-precision sheet resistors / M. Zhang, Y. Wang, S. Song, R. Guo, W. Zhang, C. Li [et al.] // Surfaces and Interfaces. 2024. Vol. 46. P. 104088. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2024.104088

16. Reliability and characteristics of magnetron sputter deposited tantalum nitride for thin film resistors / D. W. Lee, Y. N. Kim, M. Y. Cho, P. J. Ko, D. Lee, S. M. Koo [et al.] // Thin Solid Films. 2018. Vol. 660. P. 688–694. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.04.016

17. Effect of Ar:N2 ratio on structure and properties of Ni-TiN nanocomposite thin films processed by reactive RF/DC magnetron sputtering / M. Kumar, S. Mishra, R. Mitra // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 228. P. 100–114. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.04.014

18. Effect of nitrogen flow ration on degradation behaviors and failure of magnetron sputter deposited tantalum nitride / Z. Li, Y. Zhang, Y. Wang, J. Li, H. Zhao // Coatings. 2021. Vol. 11. P. 1133. https://doi.org/10.3390/coatings11091133

19. Структурные и морфологические особенности магнетронных наноплёнок HfN с разной толщиной / А. П. Кузьменко, Е. О. Гусев, В. В. Родионов, А. С. Сизов, Ю. А. Миргород, Мьо Мин Тан // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 4. С. 110–123. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2022-12-4-110-123

20. Nano-mechanical properties of Cr-Zr-Nb-N medium entropy alloy films produced by reactive sputtering / S.A. Ataie, R. Keshtmand, M. R. Zamani-Meymian // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2023. Vol. 110. P. 106006. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2022.106006

21. Effect of substrate temperature and preferred orientation on the tribological properties properties of Tantalum nitride coatings / J. J. Samuel, P. K. Kumar, D. D. Kumar, A. M. Kamalan Kirubaharan, T. Arjun Raj, P. Aravind // Materials today: proceedings. 2021. Vol. 44. P. 4404–4408. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.10.576

22. Preferred orientation and film structure of TaN films deposited by reactive magnetron sputtering / S. Noda, K. Tepsanongsuk, Y. Tsuji, Y. Kajikawa, Y. Ogawa, H. Komiyama // Journal of Vacuum Science and Technology. 2004. Vol. 22, no. 2. P. 332–338. https://doi.org/10.1116/1.1647593

23. Degradation behaviors and failure of magnetron sputter deposited tantalum nitride / I. S. Kim, M. Y. Cho, D. W. Lee, P. J Ko, W. H. Shin, C. Park [et al.] // Thin Solid Films. 2020. Vol. 697. P. 137821. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2020.137821

24. Thermo analytical characterization of tantalum oxide in the process for the development of tantalum nitride photoelectrodes / A. F. Concalves, F.S. Sinfronio, A. S. de Menezes, A. M. Mendes // Materials today communications. 2022. Vol. 32. P. 104122. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.104122

25. Fabrication and characterization of TaxN thin films deposited by dc magnetron sputtering technique: application in microelectronic devices / M. Gholami, K. Khojier, M. Monsefi, S. M. Borghei // Brazilian Journal of Physics. 2022. Vol. 52. P. 171. https://doi.org/10.1007/s13538022-01164-x