Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Построена нестационарная модель, связывающая доли поверхностей мишени и подложки, покрытые химическим соединением с заданной стехиометрией с учетом процессов, происходящих в подповерхностном слое материала мишени, с потоком реакционного газа и его давлением. Модель адаптирована для описания сильноточных импульсных магнетронных разрядов, применяемых для осаждения оксидов и нитридов различных материалов. Ее особенностью помимо нестационарного характера является учет температуры мишени и ее влияния на протекание хемосорбции и на испарение материала. Проведено численное решение задачи о протекании химической реакции на поверхности горячей мишени и в условиях сильноточного импульсного магнетронного реакционного распыления, в том числе при работе без аргона, в смеси паров материала мишени и реакционного газа, при различных начальных условиях. Полученные зависимости давления реакционного газа и доли поверхностей мишени и подложки от потока реакционного газа и от времени показывают сильное влияние начального химического состояния подповерхностного слоя мишени на ход химической реакции, особенно при длительностях до нескольких миллисекунд, что перекрывает всю область разрядов HiPIMS. Экспериментально измерены зависимости характеристик сильноточного импульсного магнетронного разряда (значений тока и напряжения, вольтамперных характеристик, ионных потоков из плазмы) от потоков реакционного газа при использовании горячей/расплавленной мишени Cu в среде Ar/O2, горячей мишени Cr в среде Ar/N2 и горячей/расплавленной мишени Si в среде Ar/O2. По результатам уточнены коэффициенты, входящие в уравнения модели. Проанализированы виды зависимостей поведения параметров разряда и скорости распыления/отравления поверхностных слоев мишени и подложки от потока реакционного газа как в случаях металлических мишеней (Cu, Cr), так и в случае мишени Si. Показано, что для металлических мишеней характерно монотонное падение скорости осаждения, тока разряда, ионного поток материала мишени от доли реакционного газа в смеси. Нелинейные эффекты гистерезисного типа в этих случаях практически не проявляются, несмотря на существование четкого резкого перехода к отравленному состоянию мишени, о чем свидетельствуют данные анализа потоков ионов и что также предсказывается разработанной моделью. В случае мишени Si, гистерезисные характеристики при невысоких плотностях мощности нивелируются после начала активного испарения мишени. При этом необычным свойством является увеличение скорости осаждения покрытия от доли кислорода в смеси, предположительно, за счет испарения оксида в форме молекул SiO. В рамках работы разработана и собрана система защиты поверхности оптических окон от запыления в условиях больших потоков осаждаемого материала, которая позволяет проводить непрерывные (порядка десятков минут) измерения оптических эмиссионных спектров в течение экспериментальной кампании. В целом, проведенные работы показывают чрезвычайную перспективность применения сильноточных магнетронных разрядов с горячей мишенью для создания пленок оксидов и нитридов различных материалов благодаря лучшей контролируемости и высокой скорости осаждения.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Путем комбинирования теоретических расчетов и экспериментальных измерений для описания процесса реакционного магнетронного осаждения в парах материала мишени созданы карты рабочих режимов разряда. Теоретически рассмотрено совместное влияние эффектов горячей мишени и импульсно-периодического характера разряда на состояние поверхности мишени при условии прямоугольных импульсов тока длительностью 50–500 мкс и частотой 0,1–1 кГц. Модель предсказывает сильное влияние начальных условий отравления мишени на поведение процесса распыления на временной шкале 20 мс. Расчеты показывают, что при увеличении периода паузы выше 2 мс доли поверхностей мишени и подложки, покрытые химическим соединением, подвержены колебаниям во времени с большой амплитудой, даже если коэффициент заполнения при этом остается постоянным. Карты параметров рабочих режимов, пригодных для осаждения нитридных и оксидных покрытий в импульсном магнетронном разряде в парах материала мишени, определенные из экспериментов, также указывают на существование областей нестабильности разряда, причем граничные значения потока реакционного газа, частоты повторения импульсов и их длительности близки к результатам расчетов. По полученным данным выяснено, что наибольшей стабильностью при работе с большой долей реакционного газа в смеси (80% и более) обладают режимы с плотностью мощности 120 Вт/см2, длительностью импульса 100–200 мкс и частотой повторения 1 кГц. Абсолютные величины потоков ионов разных сортов из плазмы разряда в месте размещения подложки измерены путем объединения данных магнитного масс-анализатора и собирающего зонда. При этом полученные доли ионных компонентов в суммарном потоке использованы для вычисления абсолютного потока исходя из результатов измерения ионного тока насыщения. В наиболее интересных для практического применения областях (при доле реакционного газа 80–100%), потоки частиц распределяются следующим образом. Для медной мишени при 80% доле кислорода в смеси для плотности мощности 120 Вт/см2 поток Cu+ 1,3E16 1/см2/с; O+ 3,6E15 1/см2/с; O2+ 3,5E15 1/см2/с. Для хромовой мишени при 80% доле азота в смеси для плотности мощности 120 Вт/см2 поток Cr+ 2,2E16 1/см2/с; N+ 5,1E14 1/см2/с; N2+ 4,4E14 1/см2/с. Таким образом, для медной мишени можно ожидать получение пленок со стехиометрией, близкой к CuO при работе с долей кислорода в потоке выше 80% и плотности мощности 120 Вт/см2. Однако, для хрома при плотности мощности 120 Вт/см2 не удается получить сравнимых с ионом металла величин потоков ионов азота. Доля ионов азота в потоке становится сравнимой с ионами хрома лишь при снижении плотности мощности до 60 Вт/см2. Оценка потоков в случае кремниевой мишени дает Si+ 1,7E16 1/см2/с; O+ 2,1E15 1/см2/с, O2+ 1,4E16 1/см2/с, SiO+ 2,0E15 1/см2/с. Таким образом, для кремниевой мишени можно ожидать получение пленок со стехиометрией, близкой к SiO2 при работе с долей кислорода в потоке выше 80% и плотности мощности 120 Вт/см2. Впервые обнаружен и продиагностирован поток высокоэнергетических (около 1000 эВ) положительных атомарных ионов кислорода из плазмы магнетронного разряда в область подложки в случае неохлаждаемой медной мишени в смесях аргон-кислород. Энергия быстрых положительных ионов O+ близка к величине eVd (e — элементарный заряд, Vd — напряжение разряда), что указывает на их тесную связь с хорошо изученным потоком отрицательных ионов O–, ускоренных в прикатодном слое. После отключения подачи кислорода поток быстрых ионов O+ постепенно уменьшается по мере обеднения поверхностных слоев отравленной мишени кислородом из-за распыления в чистом аргоне. Показано, что наблюдаемые быстрые ионы О+ могут возникать в результате малоуглового рассеяния быстрых отрицательных ионов О- на других заряженных или нейтральных частицах в плазме с последующим отрывом электрона, ионизацией или перезарядкой. Предположительно, такой эффект может наблюдаться в любых типах газовых разрядов, работающих в смесях активного кислорода, а также в разрядах в других электроотрицательных газах, таких как Cl2, F2, SF6. Проведено осаждение пленок CuxOy на подложки из оксида алюминия и монокристаллического кремния в импульсном магнетронном разряде с горячей мишенью и в режиме постоянного тока (для сравнения). В соответствии с полученными картами режимов разряда, варьировались параметры импульса и доля кислорода в рабочей газовой смеси Толщина пленок CuxOy составила 2–3 мкм при скорости осаждения 100–200 нм/мин. Результаты диагностик показали преимущественный рост стехиометрических пленок CuO (тенорит). Показано, что в зависимости от длительности импульса и частоты повторения при постоянной мощности параметры осаждаемой пленки изменяются: скорость осаждения ниже для режимов с более высоким импульсным током, однако морфология структуры улучшается с увеличением тока. Продемонстрирована реализация стабильного режима осаждения оксида меди в импульсном магнетроне в атмосфере кислорода без аргона с требуемой стехиометрией в широком диапазоне параметров импульса. По сравнению с режимом постоянного тока, импульсное осаждение приводит к росту пленок с более плотной структурой. Проведено осаждение пленок CrxNy на подложки из стали 40Х13 в импульсном магнетронном разряде с горячей мишенью. В соответствии с полученными картами режимов разряда, варьировались параметры импульса и доля азота в рабочей газовой смеси Толщина пленок CrxNy составила 2–9 мкм при скорости осаждения 100–500 нм/мин. Твердость полученных покрытий (~ 1000–1200 HV) значительно превышает твердость материала подложки, однако не соответствует известным значениям для CrN. Несоответствие твердости указывает на отличие состава пленки от стехиометрического CrN. Поскольку результаты масс-анализа ионных потоков свидетельствуют о существенном преобладании ионов хрома над ионами азота в потоке на подложку, можно предположить схожую картину и для нейтральных компонентов. В таком случае, содержание хрома в покрытии должно превалировать над содержанием атомов азота. Для покрытий, полученных при плотности мощности на мишени 120 Вт/см2, характерно гораздо большее содержание хрома в пленке по сравнению с азотом, что определяется, во-первых, чрезвычайно интенсивным испарением хрома, а во-вторых, низкой скоростью диссоциации и ионизации молекул азота, благодаря которым должны формироваться активные частицы N и N+, определяющие хемосорбцию и рост нитридной пленки. Таким образом, выбранные режимы импульсного магнетронного разряда с интенсивным испарением хрома не создают условий для эффективной диссоциации и ионизации молекул азота. В этом случае требуется дополнительный источник ионизации. Тем не менее, при снижении плотности мощности до 60 Вт/см2 стехиометрия пленки близка к CrN, и несмотря на отсутствие интенсивного испарения, скорость осаждения остается достаточно высокой. Проведено осаждение пленок SixOy на подложки из оксида алюминия и монокристаллического кремния. Полученные покрытия SiO2 на Si аморфны, характеризуются плотной структурой и высоким удельным сопротивлением ~ 1Е11 Ом×м. Процесс осаждения обеспечивает скорость роста пленки 100 нм/мин при средней плотности мощности на мишени 120 Вт/см2. По сравнению с режимом постоянного тока, импульсный магнетронный разряд в парах кремния позволяет проводить стабильное бездуговое осаждение аморфного оксида кремния SiO2 с достаточно высокой скоростью. Таким образом, проведено комплексное исследование импульсного магнетронного разряда в парах материала мишеней Cu, Cr и Si в режимах реакционного осаждения в O2 и N2, и изучены процессы осаждения и свойства оксидных и нитридных пленок, которые могут быть стабильно получены в исследованных областях параметров разряда. Полученные результаты говорят о большой перспективности применения сильноточных магнетронных разрядов с горячей мишенью для создания пленок оксидов и нитридов различных материалов благодаря лучшей контролируемости и высокой скорости осаждения.