Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka 2007

Charakteryzacja TEM warstw Ti-Si-C osadzanych metodą
wysokotemperaturowego magnetronowego rozpylania katodowego
Marek Wzorek, Andrzej Czerwiński, Jacek Ratajczak, Michał Borysiewicz, Eliana Kamińska, Anna Piotrowska, Jerzy Kątcki
Instytut Technologii Elektronowej, Al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa
Rozwój elektroniki opartej o GaN oraz SiC powoduje, że poszukiwane są nowe sposoby wytwarzania
kontaktów omowych, w tym ze związków tytanu, do przyrządów elektronicznych dużych mocy,
pracujących w wysokich temperaturach. W pracy badane były efekty reakcji zachodzących w
układzie Ti-Si-C podczas osadzania warstw metodą wysokotemperaturowego rozpylania
katodowego.
Tabela podaje informacje o badanych próbkach i strukturach krystalicznych wykrytych metodami
TEM w warstwach powierzchniowych nad warstwą buforującą TiC. Ze względu na wyznaczone fazy
krystaliczne próbki dzielą się na trzy typy: i) Ti5Si3 + SiC, ii) Ti5Si3, iii) TiC.
W próbce A będącej próbką o największej zawartości Si (co wynika z mocy procesów rozpylania)
zaobserwowano fazy Ti5Si3 oraz SiC. W próbkach B i C o średniej zawartości Si stwierdzono
obecność jedynie fazy Ti5Si3. W próbkach D i E o najmniejszych zawartościach Si oraz największym
udziale węgla zaobserwowano fazę TiC.
Warstwy Ti-Si-C o grubości 120 nm badane były metodami transmisyjnej mikroskopii elektronowej
(TEM). Formujące się fazy krystaliczne określane były za pomocą metod dyfrakcji elektronowej oraz
wysokorozdzielczej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (HRTEM).
Wyniki wykazują, że:
• Podczas osadzania badanych
struktur tytan reaguje z krzemem
tworząc fazę Ti5Si3.
• Nadmiarowa ilość krzemu tworzy
dodatkową fazę SiC.
• Gdy występuje niedobór krzemu
tworzy się faza TiC.
• W badanych przekrojach
poprzecznych nie stwierdzono
obecności fazy Ti3SiC2.
Badania poszczególnych fragmentów struktur metodami HRTEM oraz techniką dyfrakcji z
nanoobszaru (NBD) przeprowadzone przy różnych orientacjach preparatu pozwoliły oznaczyć fazy
krystaliczne w wytworzonym układzie Ti-Si-C w zależności od parametrów procesu
technologicznego.
Do osadzania warstw wykorzystano metodę wysokotemperaturowego rozpylania katodowego
z trzech tergetów: Ti, Si, C. Na podłoże Al2O3 w temperaturze 850 C osadzano warstwę buforową
o
stechiometrii TiC a następnie zwiększano temperaturę podłoża do 900 C i rozpoczynano dodatkowo
rozpylanie targetu Si. Skład chemiczny warstw kontrolowany był poprzez regulacje mocy
podawanych na poszczególne targety.
Oznaczenie
próbki
PTi [W]
PSi [W]
PC [W]
Zaobserwowane
fazy krystaliczne
A
70
110
148
Ti5Si3
SiC
B
70
85
158
Ti5Si3
C
70
70
180
Ti5Si3
D
70
20
212
TiC
E
70
34
249
TiC
A
Rys. 1. Przekroje poprzeczne TEM próbki A: a) przekrój całej
struktury, b) międzypowierzchnia struktury z podłożem Al2O3.
warstwie buforującej wyodrębnić można dwie warstwy.
Rys. 2. a) Obraz HRTEM
międzypowierzchni podłoża Al2O3 z
warstwą buforującą, b) uzyskany obraz
FFT wskazuje na strukturę krystaliczną
fazy TiC w górnej warstwie składowej.
Rys. 4. Seria obrazów dyfrakcyjnych uzyskanych metodą NBD
z jednego, tego samego, ziarna powyżej warstwy buforującej,
zorientowanego w różnych kierunkach krystalograficznych.
Położenia refleksów i kąty obrotu pomiędzy poszczególnymi
orientacjami wskazują na fazę Ti5Si3 : a) oś pasa płaszczyzn
[1 -2 1 -3], b) [2 -4 2 -3], c) [8 -13 5 -12].
W
Rys. 6. a) Obraz HRTEM fragmentu badanej warstwy,
b-c) Analiza obrazów FFT wskazuje na dwie fazy:
Ti5Si3 oraz SiC.
Rys. 3. Wyniki badań XEDS : a-c) mapy XEDS pierwiastków a)Ti,
b) Si oraz c) C; d) profile sygnałów XEDS wyznaczone z obrazów
a-c) w kierunku x; e) mapa XEDS przedstawiająca iloraz sygnału
Ti oraz Si.
Rys. 5. Przekrój
poprzeczny TEM:
ziarno Ti5Si3.
B
D
Rys. 7. Przekrój poprzeczny TEM próbki B.
Rys. 8. Wyniki badań XEDS przekroju
porzecznego próbki B: a) mapa XEDS
przedstawiająca iloraz sygnału Ti oraz Si, b)
profile sygnałów Ti, Si oraz C wyznaczone z
odpowiednich map XEDS wzdłuż kierunku x
zaznaczonego na rysunku a).
Rys. 9. Obrazy dyfrakcyjne uzyskane metodą NBD z trzech
różnych ziaren w badanej warstwie odpowiednio
zorientowanych w mikroskopie. Położenia refleksów wskazują
na osie pasów płaszczyzn: a) [-1 2 -1 3], b) [-1 2 -1 0], c) [-1 1 0 0]
fazy Ti5Si3.
Rys. 14. Obraz HRTEM międzypowierzchni
Al2O3 z warstwą TiC w strukturze D. Ze względu
na inną orientację niż w przypadku rysunków
3 i 9 w warstwie widać tylko płaszczyzny
równoległe do podłoża. Wyznaczona wartość
odległości międzypłaszczyznowej odpowiada
płaszczyznom typu (1 1 1) dla TiC (0,25 nm)
Rys. 10. a) Obraz HRTEM przekroju poprzecznego warstwy buforującej TiC, b) obraz FFT uzyskany
z kwadratowego obszaru zaznaczonego przerywaną linią na rysunku 10a, c) obraz HRTEM
międzypowierzchni warstwy TiC oraz podłoża Al2O3. Na rysunku 10b przerywanymi liniami połączono
maksima intensywności odpowiadające dwóm orientacjom krystalograficznym fazy TiC: [0 1 1] oraz
[0 -1 1]. Pozostałe maksima widoczne na obrazie FFT wytłumaczyć można istnieniem obszarów gdzie
dwa ziarna (orientacje) nakładają się na siebie w kierunku prostopadłym do rysunku.
Z rysunku 10b wynika, że warstwa TiC formuje się poprzez wzrost w kierunku typu [1 1 1].
C
Rys. 15. Obraz HRTEM obszaru
w strukturze D powyżej warstwy
buforującej, zawierającego
częściowo fazę amorficzną.
Rys. 16. a) Obraz NBD wybranego ziarna TiC zaobserwowanego powyżej warstwy
buforującej w próbce D, b) obraz SAED badanej warstwy powierzchniowej.
Na rysunku łukami zaznaczono teoretyczne położenia okręgów dyfrakcyjnych
polikrystalicznej struktury TiC oraz teoretyczne intensywności tych okręgów.
E
Rys. 11. a) przekrój poprzeczny TEM próbki C,
b) uzyskana mapa XEDS przedstawiająca iloraz
sygnału Ti oraz Si.
Rys. 13. a) Obraz HRTEM
wycinka przykładowego ziarna
Ti5Si3 zaobserwowanego w
próbce C powyżej warstwy
buforującej, b) obraz FFT.
Rys. 12. a) Obraz HRTEM przekroju poprzecznego warstwy buforującej TiC w próbce C,
b) obraz HRTEM międzypowierzchni warstwy TiC oraz podłoża Al2O3.
Na rysunku 12b zaznaczono wyznaczoną wartość odległości międzypłaszczyznowej, która
wynosi 0,242 nm i wskazuje na płaszczyznę typu (111) struktury TiC.
Porównując obrazy HRTEM warstwy TiC w badanej próbce C z próbkami A lub B widać
różnice, które wynikają z wycięcia podczas preparatyki TEM poszczególnych próbek
wzdłuż różnych kierunków krystalograficznych podłoża Al2O3.
Rys. 17. Obraz HRTEM międzypowierzchni warstwy
buforującej oraz podłoża Al2O3 w strukturze E.
Ze względu na inną orientację niż w przypadku
rysunków 3 i 9 w warstwie uwidocznione są jedynie
płaszczyzny równoległe do podłoża. Wyznaczona
wartość odległości międzypłaszczyznowej odpowiada
płaszczyznom typu (1 1 1) struktury TiC (0,250 nm)
Rys. 18. Obraz dyfrakcyjny uzyskany metodą
SAED z przekroju porzecznego struktury E
powyżej warstwy buforującej TiC. Na rysunku
łukami zaznaczono teoretyczne położenia
okręgów dyfrakcyjnych polikrystalicznej
struktury TiC oraz teoretyczne intensywności
tych okręgów.
Praca została częściowo sfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego,
z projektu rozwojowego Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, POIG.01.03.01-00-159/08 InTechFun