РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ Sc/Si И Sc/W/Si/W И ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА
2.1. Изготовление многослойных покрытий
Для получения многослойных покрытий использовались методы прямоточного магнетронного распыления [89] и электронно-лучевого испарения. Схема установки магнетронного распыления [90] представлена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема установки для изготовления многослойных периодических композиций методом магнетронного распыления [90]. 1 - вакуумная камера; 2 - магнетронные источники; 3 - мишени; 4 - карусель; 5 - подложка; 6 - вал привода; 7 - двигатель; 8 - заслонки; 9 - нагреватель.
Нанесение покрытий осуществляется следующим образом. После предварительной откачки на высокий вакуум (1.3 ? 10-4 Па) в камеру напускается инертный газ аргон до давления 1 - 3 ? 10-1 Па, и включаются магнетронные источники. После стабилизации режима работы магнетронов производится поочередное нанесение слоев кремния и скандия на подложку, закрепленную на вращающейся карусели. Для получения покрытий Sc/W/Si/W устанавливается дополнительный магнетрон с вольфрамовой мишенью. Толщина слоев покрытия задается временем экспозиции подложки над мишенью. Контроль перемещения и экспозиции подложки осуществляется с помощью компьютера. Скорости осаждения слоев находились в диапазоне 0.2 - 0.4 нм/с для скандия, 0.4 - 0.6 нм/с для кремния и 0.2 нм/с для вольфрама. Число периодов составляло 10 - 40. В качестве защитного слоя на покрытие наносился дополнительный слой кремния толщиной 5 - 25 нм.
Нанесение покрытий Sc/Si методом электронно-лучевого испарения проводилось в промышленной установке УРМ-3 с масляной системой откачки. Исходное давление в камере составляло ~ 1.3 ? 10-3 Па. Контроль толщины слоев осуществлялся при помощи предварительно откалиброванных кварцевых резонаторов. Расстояние от источников до подложки составляло ~ 320 мм. Скорости осаждения слоев составляли ~ 0.25 и ~ 0.11 нм/с для скандия и кремния соответственно.
В качестве подложек использовались пластины полированного кремния марки 76-1А2У-КЭФ5-380, а также полированное стекло К-12. Для улучшения адгезии подложки предварительно прогревались до температуры ~ 400?C. Температура подложек во время осаждения не превышала 100?С.
2.2. Электронно-микроскопические исследования
Электронно-микроскопические исследования поперечных срезов многослойных покрытий выполнялись на электронном микроскопе ПЭМ-У при ускоряющем напряжении 100 кВ. Рабочий вакуум в колонне микроскопа составлял 10-6 Па.
Методика приготовления поперечных срезов для электронной микроскопии описана в работах [92, 90]. Образцы покрытия, нанесенного на кремниевую подложку, разрезаются на заготовки размером 1 ? 2 мм, после чего склеиваются друг с другом так, чтобы покрытие оказалось между пластин кремния. Далее выполняется шлифовка склеенных образцов в плоскости, перпендикулярной плоскости склейки, и их механическое утонение до толщины 50 - 100 мкм. После этого в районе склейки выполняется колодец диаметром 0.5 мм и глубиной 20 - 50 мкм. все операции по механической обработке образцов выполняются на специализированной установке ЭМТ-0,5А с применением алмазных паст.
Окончательная подготовка образцов производится на установке ионного утонения при помощи двух ионных пушек, расположенных на одной оси. Образцы утоняются ионами Ar+ до получения отверстия. Момент образования отверстия определялся визуально при помощи лампочки, установленной под образцом. На заключительной стадии осуществлялась тонкая полировка образцов ионами Хе+ с малыми энергиями.
Для исследования структуры покрытия выбираются наиболее тонкие участки образца вблизи отверстия. Следует отметить, что хотя электронная микроскопия является прямым методом наблюдения структуры и фазового состава, электронно-микроскопические изображения могут содержать ряд артефактов и неточностей, особенно, если речь идет о метрологических аспектах. Так, например, из-за конечной величины шероховатости границ слоев, тяжелые слои могут выглядеть более толстыми, чем на самом деле, а легкие соответственно тоньше. Аналогичный эффект возникает, если образец несколько наклонен, так что плоскости слоев не вполне параллельны электронному пучку, или изогнут. Значительные искажения изображения возникают на толстых участках образца. Погрешность увеличения микроскопа составляет ~ 10 %, что вызывает соответствующие ошибки при измерении толщин слоев и периода покрытия. Поэтому следует сопоставлять данные, полученные методом электронной микроскопии с данными, полученными другими независимыми методами, например, малоугловой рентгеновской дифракцией, которая, как будет показано ниже, позволяет измерять геометрические параметры покрытий с гораздо более высокой точностью.
Морфология поверхности и химический состав покрытий контролировался с помощью растрового электронного микроскопа JSM-820 с приставкой для энергодисперсионного микроанализа Link Analytical-10000.
2.3. Малоугловая рентгеновская дифракция
В результате дифракции жесткого рентгеновского излучения на периодической структуре многослойного покрытия формируется характерная дифракционная картина вблизи первичного пучка в области углов ~ 0 - 0.2 рад. (В дальнейшем в качестве единицы измерения угла дифракции будем использовать градусы, как это принято в литературе по малоугловой дифракции). Исследования методом малоугловой рентгеновской дифракции проводились на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М на длине волны 0.154 нм (рис. 2.2).
Для получения узкого монохроматического рентгеновского пучка с малой расходимостью в оптическую схему был включен первичный монохроматор на основе срезанного монокристалла кремния. Съемки проводились в геометрии ?-2?.
Рис. 2.2. Схема ?-2? рентгеновского дифрактометра [90]: 1 - рентгеновский пучок; 2 - анод рентгеновской трубки; 3 - вертикальные щели; 4 - кремниевый монохроматор; 5 - коллиматор; 6 - горизонтальная щель; 7 - образец; 8 - детектор.
2.3.1.