eng
Выпуск #6/2024
С.В.Сидорова, А.Д.Купцов, О.В.Новикова, И.В.Кушнарев, А.А.Епихин, Е.Э.Гусев
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЯ НА ВЕЛИЧИНУ ОСТАТОЧНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В AL2O3/Si
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЯ НА ВЕЛИЧИНУ ОСТАТОЧНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В AL2O3/Si
Просмотры: 883
Получено: 2.07.2024 г. | Принято: 12.07.2024 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.6.372.381
Научная статья
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЯ НА ВЕЛИЧИНУ ОСТАТОЧНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В AL2O3/Sᵢ
С.В.Сидорова1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0002-3002-1246 / sidorova@bmstu.ru
А.Д.Купцов1, асп., ORCID: 0009-0002-3997-9722
О.В.Новикова2, студ., ORCID: 0009-0002-7549-7309
И.В.Кушнарев2, студ., ORCID: 0009-0000-8241-0553
А.А.Епихин2, дир., ORCID: 0009-0008-1620-8283
Е.Э.Гусев2, нач. лаб., ORCID: 0000-0002-2819-2599
Аннотация. Представлены результаты исследования влияния толщины тонкопленочных покрытий на величину остаточных напряжений в интерфейсе пленка–подложка. В процессе эксперимента использована Si-подложка с тонкой пленкой Al2O3, сформированной магнетронным способом. Впервые показана взаимосвязь формы подложки и уровня остаточных напряжений в тонкопленочном покрытии. Применена модернизированная методика исследования остаточных напряжений в тонкопленочных покрытиях, позволяющая определять механические напряжения в локальных областях тонкой пленки.
Ключевые слова: механические напряжения, оксид алюминия, кремний, тонкопленочные покрытия, магнетронное распыление, толщина покрытия, шероховатость, оптический профилометр, радиус кривизны
Для цитирования: С.В. Сидорова, А.Д. Купцов, О.В. Новикова, И.В. Кушнарев, А.А. Епихин, Е.Э. Гусев. Оценка влияния толщины покрытия на величину остаточных механических напряжений в Al2O3/Si. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 6. С. 372–381. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.6.372.381.
Received: 2.07.2024 | Accepted: 12.07.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.6.372.381
Original paper
ASSESSMENT OF COATING THICKNESS EFFECT ON THE AMOUNT OF RESIDUAL MECHANICAL STRESSES IN Al2O3/Sᵢ
S.V.Sidorova1, Cand. of Sci. (Tech), Associate Professor, ORCID: 0000-0002-3002-1246 / sidorova@bmstu.ru
A.D.Kouptsov1, Post Graduate, ORCID: 0009-0002-3997-9722
O.V.Novikova2, Student, ORCID: 0009-0002-7549-7309
I.V.Kushnarev2, Student, ORCID: 0009-0000-8241-0553
A.A.Epikhin2, Head of Centre, ORCID: 0009-0008-1620-8283
E.E.Gusev2, Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-2819-2599
Abstract. The results of a study of the thickness of thin-film coatings at significant residual stresses at the film–substrate interface are presented. During the experiment, a Si substrate with a thin Al2O3 film formed by the magnetron method was used. For the first time, the relationship between the shapes of substrates and the levels of residual stresses in a thin-film coating is shown. A modern technique for studying residual stresses in thin-film coatings was used, which makes it possible to determine mechanical stresses in local zones of thin films.
Keywords: mechanical stresses, aluminum oxide, silicon, thin-film coatings, magnetron sputtering, coating thickness, roughness, optical profilometer, radius of curvature
For citation: S.V. Sidorova, A.D. Kouptsov, O.V. Novikova, I.V. Kushnarev, A.A. Epikhin, E.E. Gusev. Assessment of coating thickness effect on the amount of residual mechanical stresses in Al2O3/Si. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 6. PP. 372–381. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.6.372.381.
ВВЕДЕНИЕ
Современные технологические решения в различных сферах машиностроения, робототехники, медицины и других областях промышленности невозможно представить без стремительно развивающейся области – наноинженерии, которая включает в себя технологию формирования тонкопленочных покрытий.
По функциональному назначению и областям использования выделяют разные типы тонких пленок. Например, проводящие слои формируют в печатных платах и силовой электронике для передачи и коммутации нагрузки между электротехническими деталями [1, 2]. Изоляционные слои служат для формирования барьерного участка, за пределами которого не происходит распространение электрической мощности [3]. Тонкие пленки, повышающие защитные, антифрикционные, смазочные и коррозионностойкие свойства деталей используются для осаждения на рабочие поверхности режущего инструмента, поверхности валиков и оборудования, которое эксплуатируется в агрессивных кислородсодержащих средах [4]. Оптические тонкопленочные покрытия – антибликовые, флуоресцентные, отражающие и т.д. – нашли свое применение в решении повседневных и проектных задач [5]. Также декоративные структуры активно применяются для создания уникальных рисунков и надписей [6].
Следует отметить практическое внедрение наноразмерных тонкопленочных покрытий, которое происходит благодаря размерному эффекту – эффекту усиления уровня физических параметров материала (электропроводности, магнитных, оптических и механических свойств) за счет преобладания поверхностной площади над внутренним объемом тонких пленок, зачастую имеющих толщину от единиц до десятков и сотен нанометров [7]. Для корректировки механических свойств тонких пленок и мембран на их основе применяют новую технологию управления ориентацией зерен материалов [8]. Известны работы по формированию тонкопленочных кремниевых мембран с последующим исследованием механических свойств материала Si [9].
При этом для повышения показателей надежности и быстродействия в изделиях применяют комбинирование слоев, общая структура которых состоит из последовательно чередующихся тонких покрытий металл–диэлектрик [10]. Однако, такой многослойный кластер подвержен влиянию остаточных механических напряжений, которые распределяются как на границе раздела пленка–пленка и пленка–подложка, так и в толщине тонкопленочных структур [11]. Одним из способов решения данной проблемы является предварительная обработка поверхности ионным пучком.
Широкое применение тонкопленочные покрытия с низкой шероховатостью поверхности (единицы и доли нанометров) получили в сферах оптики, фотоники и в наноэлектронике. В области лазерного приборостроения и гироскопии и, в частности, для производства транзисторов на гибкой подложке. В работах [12, 13] показано, что методами вакуумного осаждения возможно сформировать слои с параметрами шероховатости Sq менее 2,5 Å и Ra менее 1,0 нм.
Целью работы является оценка влияния толщины тонкопленочных покрытий, формы и топологии подложки на уровень остаточных напряжений.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Остаточные механические напряжения являются многофакторным свойством тонкопленочных покрытий. Для расчетов величины остаточных напряжений зачастую применяют формулы Стони (Stoney) [14] для случаев малых толщин пленок без влияния внешних факторов процесса (1):
, (1)
где σf – величина механических напряжений, Па;
Es – модуль Юнга материала пластины, Па;
ds – толщина пластины, м;
vs – коэффициент Пуассона материала пластины, б/р;
df – толщина нанесенного слоя, м;
Rп, Rд – радиус кривизны поверхности пластины после и до, м,
и [15] для моделей при осаждении покрытий с нагревом подложки (2):
, (2)
где σf – величина механических напряжений, Па;
Es – модуль Юнга материала пластины, Па;
αf, αs – температурный коэффициент расширения покрытия и пластины, 1/°C;
ds – толщина пластины, м;
∆T – температура осаждения, °C;
vs – коэффициент Пуассона материала пластины, м/м;
df – толщина нанесенного слоя, м.
Анализ формул показывает возможность получения эмпирических значений механических напряжений при измерении радиуса кривизны пластины, а также получение данных с помощью аналитического расчета о влиянии термических напряжений.
Существует многообразие факторов появления механических напряжений в тонких пленках, которые зависят от толщины пленочных структур [16], от температурных режимов формирования [17], от методов формирования (магнетронное распыление [18, 19], атомно-слоевое осаждение c ионным ассистированием [20]).
Основным недостатком наличия напряжений является состояние релаксации, в результате которого образуются дефекты структуры тонкой пленки. В качестве таких дефектов выделяют: растрескивание и сегментацию (напряжения растяжения), отслоение и коробление (как напряжения растяжения, так и сжатия), гофрирование (напряжения сжатия), а также деформационный рельеф (как напряжения растяжения, так и сжатия) [21].
Выделяют следующие причины образования остаточных напряжений в структурах: несоответствие решетки и моноэпитаксиальных слоев пленки (из-за релаксации структуры); поверхностное натяжение островковых зерен (появление сжимающих напряжений); коалесценция островков (появление растягивающих напряжений); диффузионная подвижность адатомов; появление и аннигилирование дефектов (из-за вакансий, дислокаций); фазовые превращения (из-за легирования, внедрения примесей) [22, 23].
На рис.1 показана особенность формирования напряжений в тонкой пленке на толстой кремниевой подложке. Поверхностные эффекты вносят сжимающие (отрицательные) механические напряжения на границе подложка/пленка σгр. Затем в объеме пленки формируются положительные механические напряжения σобъем, причем общее напряжение в пленке σпленки – это сумма σгр и σобъем. Так как система подложка/пленка находится в состоянии покоя, то σпленки = – σпластины.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Формирование тонкопленочных покрытий проводят на установке МВТУ-11-1МС (рис.2), расположенной на кафедре "Электронные технологии в машиностроении" МГТУ имени Н.Э.Баумана [24].
Цилиндрическая металлическая камера объемом 22 л с двухступенчатой системой откачки позволяет проводить очистку и подготовку подложек с последующим формированием функциональных слоев в едином вакуумном цикле, что обеспечивает бездефектное качество структур.
Магнетронная система с размером мишени 50,8 мм работает от источника питания с устройством автоматического согласования на режиме высокочастотной плазмы (13,56 МГц). Система ионно-лучевой обработки состоит из цилиндрического источника ионов с холодным катодом, диаметр пучка которого 23 мм, и источника питания, работающего в режиме стабилизации тока.
Установка обеспечивает требования современных лабораторий: безмасляный высокий вакуум, гибкая система управления, малое время холостых ходов и откачки.
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
В качестве измерительного оборудования используется оптический профилометр WYKO NT9300 (рис.3), предназначенный для бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности, линейной топографии вдоль осей x, y и z на диаметре подложки до 200 мм с относительной погрешностью ±2% с перепадами высоты до 10 мм и трехмерной визуализации поверхности твердотельных объектов с коэффициентом отражения более 1% оптическим методом, основанным на интерференции световых пучков, отраженных от зеркала и от исследуемого образца. Предельное вертикальное разрешение профилометра составляет 0,1 нм.
Исследования проводились в режиме VSI (Vertical Scanning Interferometry) в белом свете.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Технологический маршрут работы технологического и аналитического оборудования показан на рис.4.
Технологический цикл создания структуры начинается с предварительной жидкостной очистки подложки в ультразвуковой ванне. Пьезоэлементы, обеспечивающие возбуждение ультразвуковой волны, работают на частоте 120 кГц. Также ванна оборудована возможностью нагрева раствора очистки, контроля и поддержания заданных параметров. Предварительное химическое обезжиривание происходит в аммиачном растворе H2O2:NH4OH:H2O (2:1:10) воздействием кавитации ультразвуковой ванны при температуре 40 °С в течение 4 мин. Для обезвоживания поверхности подложки происходит очистка в изопропиловом спирте особой чистоты 99.8% в течение 2 мин.
Финишная очистка и подготовка подложек к осаждению структур происходит в вакуумной камере, откачиваемой до давления 9,0 · 10–3 Па. Затем подложка обрабатывается высокоэнергетическим пучком ионов рабочего газа (аргона) при ускоряющем напряжении до 3000 В и токе разряда 30 мА при давлении вакуума 1,1 · 10–1 Па.
Методом магнетронного распыления при частоте напряжения 13,56 МГц и мощности тлеющего разряда 60 Вт формируется покрытие из цельно-композитной мишени Al2O3. Толщина пленки Al2O3 оценивается и контролируется по поперечному сколу образца-свидетеля на сканирующем электронном микроскопе.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве метода исследования и оценки величины механических напряжений используется алгоритм [25], в основу которого взята формула Стони (1) – расчет радиуса кривизны подложки до и после формирования покрытия.
Оптическим профилометром измеряется подложка монокристаллического кремния диаметром 76 мм посередине вдоль базового среза подложки и поперек до (рис.5а) и после осаждения покрытия Al2O3 (рис.5b).
В ходе измерений формируется картина рельефа подложки из множества точек (рис.6а), которая пересчитывается в кривизну подложки (рис.6b). Аналогичные измерения происходят после вакуумного осаждения пленки. Для адекватности расчета учитывается привнесенная кривизна подложки (рис.6c), пересчитываемая в средние значения по двум направлениям измерений распределения напряжения по подложке (рис.6d).
Уникальность данного метода расчета заключается в расчете механических напряжений в локальной области пластины.
Данные исследования качественно оценивают форму используемых подложек. Выявлено, что полированные и подготовленные подложки имеют выпуклую и вогнутую формы, что также необходимо учитывать при разработке технологии по осаждению тонкопленочных покрытий.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате цикла экспериментального исследования формируется зависимость механического напряжения в пленке от толщины слоя Al2O3 (рис.7).
Для экспериментального исследования использовались монокристаллические подложки кремния (рис.7,a-d) толщиной 370±10 мкм. Анализ профилограмм позволил разделить подложки на группы по форме: выпуклую и вогнутую. Заметно, что с увеличением толщины пленки степень влияния исходной формы поверхности кремниевой подложки уменьшается.
Отрицательные значения величин напряжений свидетельствуют о напряжениях сжатия. Данные коррелируется с работами [26, 27], в которых показаны результаты измерения механических напряжений при формировании диэлектрических структур.
Анализ результатов измерений показывает, что поверхностные эффекты вносят сжимающие (отрицательные) механические напряжения на границе "подложка – пленка". Затем в объеме пленки формируются положительные механические напряжения. Данный характер зависимости совпадает с тенденциями, полученными в других работах для тонкопленочного алюминия и молибдена [8].
В результате анализа тонкопленочной структуры с применением предварительной ионной очистки было выявлено, что шероховатость (рис.8) кремния уменьшается с 12,6±0,1 до 9,5±0,1 нм, а шероховатость структуры Si-Al2O3 уменьшается с 17,8±0,2 до 13,9±0,2 нм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Оценка механических напряжений позволяет выявить некоторые ключевые особенности, закономерности и сформировать рекомендации по технологии вакуумного осаждения тонкопленочного покрытия Al2O3. В результате работы апробирован метод минимизации шероховатости поверхности за счет предварительной обработки поверхности высокоэнергетическим ионным пучком. Представлено распределение механических напряжений в тонкой пленке оксида алюминия по кремниевой пластине. При исследовании поверхности на оптическом профилометре было выявлено, что у структуры с ионной очисткой значение шероховатости уменьшается. С увеличением толщины пленки степень влияния исходной формы поверхности подложки кремния снижается.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Российской Федерации в лице Министерства науки и высшего образования (соглашение № 075-15-2021-1350 от 5 октября 2021 года, внутренний номер 15.СИН.21.0004).
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Комаровская В.М., Иващенко С.А. Оптимизация режимов ионной обработки поверхности неметаллических материалов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 3. С. 23–27.
Сахно Э.А. и др. Применение технологии тонких пленок и наноструктурированных материалов при изготовлении теплонагруженных печатных плат // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2011. № 3. С. 20–22.
Groner M.D. et al. Electrical characterization of thin Al2O3 films grown by atomic layer deposition on silicon and various metal substrates // Thin solid films. 2002. Vol. 413. No. 1–2. PP. 186–197.
Семенов Э.И. и др. Контроль параметров тонких пленок, защитных покрытий и технологического процесса их нанесения в вакууме // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. № 6. С. 46–56.
Li H. et al. Silicon waveguide integrated with germanium photodetector for a photonic-integrated FBG interrogator // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. No. 9. P. 1683.
Бессмертный В.С. и др. Получение защитно-декоративных покрытий на изделиях на основе древесины методом плазменного напыления // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 12. С. 101–101.
Тавгер Б.А., Демиховский В.Я. Квантовые размерные эффекты в полупроводниковых и полуметаллических пленках // Успехи физических наук. 1968. Т. 96. № 9. С. 61–86.
Дюжев Н.А., Гусев Е.Э., Кушнарев И.В., Махиборода М.А., Доброхотов Д.А., Беспалов В.А. Особенности влияния ориентации и размера зерен на механические свойства тонкопленочных мембран Al/Mo // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50. Вып. 9. С. 10–15.
Lychev S. et al. Deformations of Single-Crystal Silicon Circular Plate: Theory and Experiment // Symmetry. 2024. Vol. 16. No. 2. P. 137.
Hah D. et al. Mechanically tunable optical filters with a microring resonator // Applied Optics. 2011. Vol. 50. No. 22. PP. 4320–4327.
Азаров В.В., Оглоблин М.С., Фокин В.В. и др. Атомно-слоевое осаждение метод модификации оптических поверхностей / // Контенан. 2020. Т. 19. № 6–2. С. 1–8.
Han C.Y., Tang W.M., Lai P.T. High-mobility pentacene organic thin-film transistors achieved by reducing remote phonon scattering and surface-roughness scattering // Applied Surface Science. 2021. Vol. 544. P. 148656.
Костырко С.А. и др. Влияние поверхностной диффузии на морфологическую устойчивость поверхности многослойного пленочного покрытия // Процессы управления и устойчивость. 2015. Т. 2. № 1. С. 190–195.
Stoney G.S. Proc. Royal Soc. Ser. A. 1990. Vol. 82. NA553. PP. 172–175.
Касимов Ф.Д. и др. Расчет упругих механических напряжений в неоднородных полупроводниковых структурах // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2002. № 2. С. 13–14.
Достанко А.П. и др. Интегрированные технологии функциональных микро- и наноструктур : монография / Под ред. акад. НАН Беларуси А.П. Достанко. Минск: Бестпринт, 2013. 216 c.
Hyun S. et al. Thickness and temperature dependence of stress relaxation in nanoscale aluminum films // Applied Physics Letters. 2003. Vol. 83. No. 21. PP. 4411–4413.
Thornton J.A. Ann. Rev. Mater. Sci. 1997. Vol. 7. P. 239.
Adams D.P., Parfitt L.J., Biello J.C., Yalisove S.M., Rek. Z.U. Thin Solid Films, Vol. 266. No. 52 (1995). https://doi.org/10.1016/0040-6090(95)00603-6
Fu J.K., Atanassov G., Dai Y.S. et al. Single films and heat mirrors produced by plasma ion assisted deposition // Journal of Non-Crystalline Solids. 1997. Vol. 218. PР. 403–410.
Шугуров А.Р. Влияние кривизны границы раздела пленка/подложка на закономерности деформации и разрушения тонких металлических пленок и керамических покрытий при внешних воздействиях: Автореф. дис. … к.т.н. Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН, 2016.
Горбунов Р. и др. Влияние параметров роста на механические напряжения в пленках GaN, выращенных методом HVPE. 2010. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.29901.49129
Nix W.D. et al. Crystallite coalescence: A mechanism for intrinsic tensile stresses in thin films // Journal of materials research. 1999. Vol. 14. No. 8. PP. 3467–3473.
Kouptsov A.D. Vasilev D.D., Sidorova S.V., Moiseev K.M., Kouptsov A.D. et al. Design of a liquid-phase magnetron sputtering small-sized source for the vacuum coating system MVTU-11-1MS. Journal of Physics: Conference Series : 27, Saint Petersburg, Saint Petersburg, Virtual, 2021. P. 012016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1799/1/012016
Дюжев Н.А. и др. Методика измерения механических напряжений в тонких пленках на пластине с помощью оптического профилометра // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2016. Т. 21. № 4. С. 367–372.
Новак А.В. и др. Зависимость механических напряжений в пленках нитрида кремния от режимов плазмохимического осаждения // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2017. Т. 22. № 2. С. 138–146.
Рубцевич И.И. и др. Исследование свойств пленок нитрида и оксида кремния, полученных методом плазмохимического осаждения на кремниевую подложку // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2011. № 4. С. 29–32.
Научная статья
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЯ НА ВЕЛИЧИНУ ОСТАТОЧНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В AL2O3/Sᵢ
С.В.Сидорова1, к.т.н., доц., ORCID: 0000-0002-3002-1246 / sidorova@bmstu.ru
А.Д.Купцов1, асп., ORCID: 0009-0002-3997-9722
О.В.Новикова2, студ., ORCID: 0009-0002-7549-7309
И.В.Кушнарев2, студ., ORCID: 0009-0000-8241-0553
А.А.Епихин2, дир., ORCID: 0009-0008-1620-8283
Е.Э.Гусев2, нач. лаб., ORCID: 0000-0002-2819-2599
Аннотация. Представлены результаты исследования влияния толщины тонкопленочных покрытий на величину остаточных напряжений в интерфейсе пленка–подложка. В процессе эксперимента использована Si-подложка с тонкой пленкой Al2O3, сформированной магнетронным способом. Впервые показана взаимосвязь формы подложки и уровня остаточных напряжений в тонкопленочном покрытии. Применена модернизированная методика исследования остаточных напряжений в тонкопленочных покрытиях, позволяющая определять механические напряжения в локальных областях тонкой пленки.
Ключевые слова: механические напряжения, оксид алюминия, кремний, тонкопленочные покрытия, магнетронное распыление, толщина покрытия, шероховатость, оптический профилометр, радиус кривизны
Для цитирования: С.В. Сидорова, А.Д. Купцов, О.В. Новикова, И.В. Кушнарев, А.А. Епихин, Е.Э. Гусев. Оценка влияния толщины покрытия на величину остаточных механических напряжений в Al2O3/Si. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 6. С. 372–381. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.6.372.381.
Received: 2.07.2024 | Accepted: 12.07.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.6.372.381
Original paper
ASSESSMENT OF COATING THICKNESS EFFECT ON THE AMOUNT OF RESIDUAL MECHANICAL STRESSES IN Al2O3/Sᵢ
S.V.Sidorova1, Cand. of Sci. (Tech), Associate Professor, ORCID: 0000-0002-3002-1246 / sidorova@bmstu.ru
A.D.Kouptsov1, Post Graduate, ORCID: 0009-0002-3997-9722
O.V.Novikova2, Student, ORCID: 0009-0002-7549-7309
I.V.Kushnarev2, Student, ORCID: 0009-0000-8241-0553
A.A.Epikhin2, Head of Centre, ORCID: 0009-0008-1620-8283
E.E.Gusev2, Head of Laboratory, ORCID: 0000-0002-2819-2599
Abstract. The results of a study of the thickness of thin-film coatings at significant residual stresses at the film–substrate interface are presented. During the experiment, a Si substrate with a thin Al2O3 film formed by the magnetron method was used. For the first time, the relationship between the shapes of substrates and the levels of residual stresses in a thin-film coating is shown. A modern technique for studying residual stresses in thin-film coatings was used, which makes it possible to determine mechanical stresses in local zones of thin films.
Keywords: mechanical stresses, aluminum oxide, silicon, thin-film coatings, magnetron sputtering, coating thickness, roughness, optical profilometer, radius of curvature
For citation: S.V. Sidorova, A.D. Kouptsov, O.V. Novikova, I.V. Kushnarev, A.A. Epikhin, E.E. Gusev. Assessment of coating thickness effect on the amount of residual mechanical stresses in Al2O3/Si. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 6. PP. 372–381. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.6.372.381.
ВВЕДЕНИЕ
Современные технологические решения в различных сферах машиностроения, робототехники, медицины и других областях промышленности невозможно представить без стремительно развивающейся области – наноинженерии, которая включает в себя технологию формирования тонкопленочных покрытий.
По функциональному назначению и областям использования выделяют разные типы тонких пленок. Например, проводящие слои формируют в печатных платах и силовой электронике для передачи и коммутации нагрузки между электротехническими деталями [1, 2]. Изоляционные слои служат для формирования барьерного участка, за пределами которого не происходит распространение электрической мощности [3]. Тонкие пленки, повышающие защитные, антифрикционные, смазочные и коррозионностойкие свойства деталей используются для осаждения на рабочие поверхности режущего инструмента, поверхности валиков и оборудования, которое эксплуатируется в агрессивных кислородсодержащих средах [4]. Оптические тонкопленочные покрытия – антибликовые, флуоресцентные, отражающие и т.д. – нашли свое применение в решении повседневных и проектных задач [5]. Также декоративные структуры активно применяются для создания уникальных рисунков и надписей [6].
Следует отметить практическое внедрение наноразмерных тонкопленочных покрытий, которое происходит благодаря размерному эффекту – эффекту усиления уровня физических параметров материала (электропроводности, магнитных, оптических и механических свойств) за счет преобладания поверхностной площади над внутренним объемом тонких пленок, зачастую имеющих толщину от единиц до десятков и сотен нанометров [7]. Для корректировки механических свойств тонких пленок и мембран на их основе применяют новую технологию управления ориентацией зерен материалов [8]. Известны работы по формированию тонкопленочных кремниевых мембран с последующим исследованием механических свойств материала Si [9].
При этом для повышения показателей надежности и быстродействия в изделиях применяют комбинирование слоев, общая структура которых состоит из последовательно чередующихся тонких покрытий металл–диэлектрик [10]. Однако, такой многослойный кластер подвержен влиянию остаточных механических напряжений, которые распределяются как на границе раздела пленка–пленка и пленка–подложка, так и в толщине тонкопленочных структур [11]. Одним из способов решения данной проблемы является предварительная обработка поверхности ионным пучком.
Широкое применение тонкопленочные покрытия с низкой шероховатостью поверхности (единицы и доли нанометров) получили в сферах оптики, фотоники и в наноэлектронике. В области лазерного приборостроения и гироскопии и, в частности, для производства транзисторов на гибкой подложке. В работах [12, 13] показано, что методами вакуумного осаждения возможно сформировать слои с параметрами шероховатости Sq менее 2,5 Å и Ra менее 1,0 нм.
Целью работы является оценка влияния толщины тонкопленочных покрытий, формы и топологии подложки на уровень остаточных напряжений.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Остаточные механические напряжения являются многофакторным свойством тонкопленочных покрытий. Для расчетов величины остаточных напряжений зачастую применяют формулы Стони (Stoney) [14] для случаев малых толщин пленок без влияния внешних факторов процесса (1):
, (1)
где σf – величина механических напряжений, Па;
Es – модуль Юнга материала пластины, Па;
ds – толщина пластины, м;
vs – коэффициент Пуассона материала пластины, б/р;
df – толщина нанесенного слоя, м;
Rп, Rд – радиус кривизны поверхности пластины после и до, м,
и [15] для моделей при осаждении покрытий с нагревом подложки (2):
, (2)
где σf – величина механических напряжений, Па;
Es – модуль Юнга материала пластины, Па;
αf, αs – температурный коэффициент расширения покрытия и пластины, 1/°C;
ds – толщина пластины, м;
∆T – температура осаждения, °C;
vs – коэффициент Пуассона материала пластины, м/м;
df – толщина нанесенного слоя, м.
Анализ формул показывает возможность получения эмпирических значений механических напряжений при измерении радиуса кривизны пластины, а также получение данных с помощью аналитического расчета о влиянии термических напряжений.
Существует многообразие факторов появления механических напряжений в тонких пленках, которые зависят от толщины пленочных структур [16], от температурных режимов формирования [17], от методов формирования (магнетронное распыление [18, 19], атомно-слоевое осаждение c ионным ассистированием [20]).
Основным недостатком наличия напряжений является состояние релаксации, в результате которого образуются дефекты структуры тонкой пленки. В качестве таких дефектов выделяют: растрескивание и сегментацию (напряжения растяжения), отслоение и коробление (как напряжения растяжения, так и сжатия), гофрирование (напряжения сжатия), а также деформационный рельеф (как напряжения растяжения, так и сжатия) [21].
Выделяют следующие причины образования остаточных напряжений в структурах: несоответствие решетки и моноэпитаксиальных слоев пленки (из-за релаксации структуры); поверхностное натяжение островковых зерен (появление сжимающих напряжений); коалесценция островков (появление растягивающих напряжений); диффузионная подвижность адатомов; появление и аннигилирование дефектов (из-за вакансий, дислокаций); фазовые превращения (из-за легирования, внедрения примесей) [22, 23].
На рис.1 показана особенность формирования напряжений в тонкой пленке на толстой кремниевой подложке. Поверхностные эффекты вносят сжимающие (отрицательные) механические напряжения на границе подложка/пленка σгр. Затем в объеме пленки формируются положительные механические напряжения σобъем, причем общее напряжение в пленке σпленки – это сумма σгр и σобъем. Так как система подложка/пленка находится в состоянии покоя, то σпленки = – σпластины.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Формирование тонкопленочных покрытий проводят на установке МВТУ-11-1МС (рис.2), расположенной на кафедре "Электронные технологии в машиностроении" МГТУ имени Н.Э.Баумана [24].
Цилиндрическая металлическая камера объемом 22 л с двухступенчатой системой откачки позволяет проводить очистку и подготовку подложек с последующим формированием функциональных слоев в едином вакуумном цикле, что обеспечивает бездефектное качество структур.
Магнетронная система с размером мишени 50,8 мм работает от источника питания с устройством автоматического согласования на режиме высокочастотной плазмы (13,56 МГц). Система ионно-лучевой обработки состоит из цилиндрического источника ионов с холодным катодом, диаметр пучка которого 23 мм, и источника питания, работающего в режиме стабилизации тока.
Установка обеспечивает требования современных лабораторий: безмасляный высокий вакуум, гибкая система управления, малое время холостых ходов и откачки.
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
В качестве измерительного оборудования используется оптический профилометр WYKO NT9300 (рис.3), предназначенный для бесконтактного измерения параметров шероховатости поверхности, линейной топографии вдоль осей x, y и z на диаметре подложки до 200 мм с относительной погрешностью ±2% с перепадами высоты до 10 мм и трехмерной визуализации поверхности твердотельных объектов с коэффициентом отражения более 1% оптическим методом, основанным на интерференции световых пучков, отраженных от зеркала и от исследуемого образца. Предельное вертикальное разрешение профилометра составляет 0,1 нм.
Исследования проводились в режиме VSI (Vertical Scanning Interferometry) в белом свете.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Технологический маршрут работы технологического и аналитического оборудования показан на рис.4.
Технологический цикл создания структуры начинается с предварительной жидкостной очистки подложки в ультразвуковой ванне. Пьезоэлементы, обеспечивающие возбуждение ультразвуковой волны, работают на частоте 120 кГц. Также ванна оборудована возможностью нагрева раствора очистки, контроля и поддержания заданных параметров. Предварительное химическое обезжиривание происходит в аммиачном растворе H2O2:NH4OH:H2O (2:1:10) воздействием кавитации ультразвуковой ванны при температуре 40 °С в течение 4 мин. Для обезвоживания поверхности подложки происходит очистка в изопропиловом спирте особой чистоты 99.8% в течение 2 мин.
Финишная очистка и подготовка подложек к осаждению структур происходит в вакуумной камере, откачиваемой до давления 9,0 · 10–3 Па. Затем подложка обрабатывается высокоэнергетическим пучком ионов рабочего газа (аргона) при ускоряющем напряжении до 3000 В и токе разряда 30 мА при давлении вакуума 1,1 · 10–1 Па.
Методом магнетронного распыления при частоте напряжения 13,56 МГц и мощности тлеющего разряда 60 Вт формируется покрытие из цельно-композитной мишени Al2O3. Толщина пленки Al2O3 оценивается и контролируется по поперечному сколу образца-свидетеля на сканирующем электронном микроскопе.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве метода исследования и оценки величины механических напряжений используется алгоритм [25], в основу которого взята формула Стони (1) – расчет радиуса кривизны подложки до и после формирования покрытия.
Оптическим профилометром измеряется подложка монокристаллического кремния диаметром 76 мм посередине вдоль базового среза подложки и поперек до (рис.5а) и после осаждения покрытия Al2O3 (рис.5b).
В ходе измерений формируется картина рельефа подложки из множества точек (рис.6а), которая пересчитывается в кривизну подложки (рис.6b). Аналогичные измерения происходят после вакуумного осаждения пленки. Для адекватности расчета учитывается привнесенная кривизна подложки (рис.6c), пересчитываемая в средние значения по двум направлениям измерений распределения напряжения по подложке (рис.6d).
Уникальность данного метода расчета заключается в расчете механических напряжений в локальной области пластины.
Данные исследования качественно оценивают форму используемых подложек. Выявлено, что полированные и подготовленные подложки имеют выпуклую и вогнутую формы, что также необходимо учитывать при разработке технологии по осаждению тонкопленочных покрытий.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате цикла экспериментального исследования формируется зависимость механического напряжения в пленке от толщины слоя Al2O3 (рис.7).
Для экспериментального исследования использовались монокристаллические подложки кремния (рис.7,a-d) толщиной 370±10 мкм. Анализ профилограмм позволил разделить подложки на группы по форме: выпуклую и вогнутую. Заметно, что с увеличением толщины пленки степень влияния исходной формы поверхности кремниевой подложки уменьшается.
Отрицательные значения величин напряжений свидетельствуют о напряжениях сжатия. Данные коррелируется с работами [26, 27], в которых показаны результаты измерения механических напряжений при формировании диэлектрических структур.
Анализ результатов измерений показывает, что поверхностные эффекты вносят сжимающие (отрицательные) механические напряжения на границе "подложка – пленка". Затем в объеме пленки формируются положительные механические напряжения. Данный характер зависимости совпадает с тенденциями, полученными в других работах для тонкопленочного алюминия и молибдена [8].
В результате анализа тонкопленочной структуры с применением предварительной ионной очистки было выявлено, что шероховатость (рис.8) кремния уменьшается с 12,6±0,1 до 9,5±0,1 нм, а шероховатость структуры Si-Al2O3 уменьшается с 17,8±0,2 до 13,9±0,2 нм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Оценка механических напряжений позволяет выявить некоторые ключевые особенности, закономерности и сформировать рекомендации по технологии вакуумного осаждения тонкопленочного покрытия Al2O3. В результате работы апробирован метод минимизации шероховатости поверхности за счет предварительной обработки поверхности высокоэнергетическим ионным пучком. Представлено распределение механических напряжений в тонкой пленке оксида алюминия по кремниевой пластине. При исследовании поверхности на оптическом профилометре было выявлено, что у структуры с ионной очисткой значение шероховатости уменьшается. С увеличением толщины пленки степень влияния исходной формы поверхности подложки кремния снижается.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена при финансовой поддержке Российской Федерации в лице Министерства науки и высшего образования (соглашение № 075-15-2021-1350 от 5 октября 2021 года, внутренний номер 15.СИН.21.0004).
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Комаровская В.М., Иващенко С.А. Оптимизация режимов ионной обработки поверхности неметаллических материалов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 3. С. 23–27.
Сахно Э.А. и др. Применение технологии тонких пленок и наноструктурированных материалов при изготовлении теплонагруженных печатных плат // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2011. № 3. С. 20–22.
Groner M.D. et al. Electrical characterization of thin Al2O3 films grown by atomic layer deposition on silicon and various metal substrates // Thin solid films. 2002. Vol. 413. No. 1–2. PP. 186–197.
Семенов Э.И. и др. Контроль параметров тонких пленок, защитных покрытий и технологического процесса их нанесения в вакууме // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. № 6. С. 46–56.
Li H. et al. Silicon waveguide integrated with germanium photodetector for a photonic-integrated FBG interrogator // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. No. 9. P. 1683.
Бессмертный В.С. и др. Получение защитно-декоративных покрытий на изделиях на основе древесины методом плазменного напыления // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 12. С. 101–101.
Тавгер Б.А., Демиховский В.Я. Квантовые размерные эффекты в полупроводниковых и полуметаллических пленках // Успехи физических наук. 1968. Т. 96. № 9. С. 61–86.
Дюжев Н.А., Гусев Е.Э., Кушнарев И.В., Махиборода М.А., Доброхотов Д.А., Беспалов В.А. Особенности влияния ориентации и размера зерен на механические свойства тонкопленочных мембран Al/Mo // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50. Вып. 9. С. 10–15.
Lychev S. et al. Deformations of Single-Crystal Silicon Circular Plate: Theory and Experiment // Symmetry. 2024. Vol. 16. No. 2. P. 137.
Hah D. et al. Mechanically tunable optical filters with a microring resonator // Applied Optics. 2011. Vol. 50. No. 22. PP. 4320–4327.
Азаров В.В., Оглоблин М.С., Фокин В.В. и др. Атомно-слоевое осаждение метод модификации оптических поверхностей / // Контенан. 2020. Т. 19. № 6–2. С. 1–8.
Han C.Y., Tang W.M., Lai P.T. High-mobility pentacene organic thin-film transistors achieved by reducing remote phonon scattering and surface-roughness scattering // Applied Surface Science. 2021. Vol. 544. P. 148656.
Костырко С.А. и др. Влияние поверхностной диффузии на морфологическую устойчивость поверхности многослойного пленочного покрытия // Процессы управления и устойчивость. 2015. Т. 2. № 1. С. 190–195.
Stoney G.S. Proc. Royal Soc. Ser. A. 1990. Vol. 82. NA553. PP. 172–175.
Касимов Ф.Д. и др. Расчет упругих механических напряжений в неоднородных полупроводниковых структурах // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2002. № 2. С. 13–14.
Достанко А.П. и др. Интегрированные технологии функциональных микро- и наноструктур : монография / Под ред. акад. НАН Беларуси А.П. Достанко. Минск: Бестпринт, 2013. 216 c.
Hyun S. et al. Thickness and temperature dependence of stress relaxation in nanoscale aluminum films // Applied Physics Letters. 2003. Vol. 83. No. 21. PP. 4411–4413.
Thornton J.A. Ann. Rev. Mater. Sci. 1997. Vol. 7. P. 239.
Adams D.P., Parfitt L.J., Biello J.C., Yalisove S.M., Rek. Z.U. Thin Solid Films, Vol. 266. No. 52 (1995). https://doi.org/10.1016/0040-6090(95)00603-6
Fu J.K., Atanassov G., Dai Y.S. et al. Single films and heat mirrors produced by plasma ion assisted deposition // Journal of Non-Crystalline Solids. 1997. Vol. 218. PР. 403–410.
Шугуров А.Р. Влияние кривизны границы раздела пленка/подложка на закономерности деформации и разрушения тонких металлических пленок и керамических покрытий при внешних воздействиях: Автореф. дис. … к.т.н. Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН, 2016.
Горбунов Р. и др. Влияние параметров роста на механические напряжения в пленках GaN, выращенных методом HVPE. 2010. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.29901.49129
Nix W.D. et al. Crystallite coalescence: A mechanism for intrinsic tensile stresses in thin films // Journal of materials research. 1999. Vol. 14. No. 8. PP. 3467–3473.
Kouptsov A.D. Vasilev D.D., Sidorova S.V., Moiseev K.M., Kouptsov A.D. et al. Design of a liquid-phase magnetron sputtering small-sized source for the vacuum coating system MVTU-11-1MS. Journal of Physics: Conference Series : 27, Saint Petersburg, Saint Petersburg, Virtual, 2021. P. 012016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1799/1/012016
Дюжев Н.А. и др. Методика измерения механических напряжений в тонких пленках на пластине с помощью оптического профилометра // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2016. Т. 21. № 4. С. 367–372.
Новак А.В. и др. Зависимость механических напряжений в пленках нитрида кремния от режимов плазмохимического осаждения // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2017. Т. 22. № 2. С. 138–146.
Рубцевич И.И. и др. Исследование свойств пленок нитрида и оксида кремния, полученных методом плазмохимического осаждения на кремниевую подложку // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2011. № 4. С. 29–32.
Отзывы читателей
