УДК 621.3.049.77:621.373.826
ПОНАРЯДОВ В.В., АНИЩИК
температуры до 500оС приводит к появлению на электронограммах колец
В.М.,ПИЛИПЕНКО В.А., ПИЛИПЕНКО И.В.
принадлежащих Тi2N. Дальнейшее увеличение температуры до 550оС

вызывает формирование пленки содержащей две фазы нитрида титана ТiN
ФОРМИРОВАНИЕ ПЛЕНКИ НИТРИДА ТИТАНА ПРИ БЫСТРОЙ
и Тi2N. Использование при обработке температуры 620оС приводит к
ТЕРМООБРАБОТКЕ
формированию однофазной пленки нитрида титана с предельным

содержанием азота ТiN. При этом пленка характеризуется золотистым
Белорусский Государственный Университет, РБ, г. Минск,
цветом, характерным для высококачественных пленок нитрида титана.
пр. Ф. Скорины, 4, тел. 209-52-40,
Применение более высоких температур при БТО не вызывает каких-либо
E-mail: Ponariadov@research.bsu.unibel.by
изменений в фазовом составе сформированной пленке нитрида титана.

Основной особенностью образования нитрида титана при БТО явля-
Важным моментом при формировании дисилицида титана является
ется то, что оно происходит гораздо быстрее (на несколько порядков), чем
выбор среды обработки пленки титана, поскольку проведение БТО пленки
при длительной термической обработке в среде азота. Это свидетельствует
титана на кремнии в естественных атмосферных условиях при температуре
о действии дополнительных механизмов ускоряющих процесс нитридиза-
700-800оС приводит к его окислению. Наиболее простым походом для ис-
ции пленки титана при БТО. Таким фактором может явиться, как и в слу-
ключения окисления являлось бы проведение обработки в вакууме, однако,
чае окисления кремния в сухом кислороде при БТО, участие в процессе не
вакуум, который обеспечивала установка, не позволял устранить
молекул газа, а их ионов [1]. Такое предположение подтверждается тем,
окисление титана. Это обуславливалось тем, что после создания в рабочей
что образование нитридной фазы титана при обработке азот-водородной
камере вакуума 10-2 мм рт. ст. в ней осталось достаточное количество ки-
плазмой, как показано в работе [2], происходит значительно быстрее по
слорода для окисления титана. Наиболее предпочтительной атмосферой
сравнению с длительной термической обработкой, из-за высокой энергии и
для формирования дисилицида титана является атмосфера азота, поскольку
реакционной способности ионов азота по сравнению с атомами. При этом
она позволяет при длительной термообработке сформировать на
было установлено, что скорость диффузии ионов азота в тугоплавких ме-
поверхности титана пленку нитрида титана, исключающую окисление ти-
таллах на порядок выше скорости диффузии атомов. В случае применения
тана. Для исследования возможности формирования такой пленки при бы-
БТО пленок титана в атмосфере азота может происходить образование как
строй термообработке (БТО) в выше указанном температурном диапазоне
отрицательных ионов азота за счет туннелирования и термоэлектронной
проводилась продувка рабочей камеры азотом, а затем ее герметизация.
эмиссии электронов с поверхности металла, так и положительных ионов
Однако такой подход также не обеспечивал исключение окисления пленки
азота за счет многофотонной ионизации азота под действием мощного све-
титана. Наиболее приемлемым путем являлось создание в рабочей камере
тового потока. Наиболее вероятно, что преобладающим процессом будет
вакуума 10-2 мм рт. ст. с последующими напуском в нее азота и проведе-
образование отрицательных ионов азота, поскольку термоэлектронной
нием процесса БТО. Это обеспечивало образование на поверхности пленки
эмиссии электронов с поверхности металла способствует как высокие тем-
титана равномерной по площади пленки нитрида титана, без каких-либо
пературы нагрева пленки титана в процессе БТО, так и то, что титан отно-
следов окисления титана.
ситься к группе переходных металлов. Протекание же процесса прямой
Для проведения более детального изучения процесса формирования
ионизации азота под действием мощного светового потока затруднено из-
нитрида титана при БТО методами электронной микроскопии и электроно-
за низкой энергии фотонов в световом потоке, используемым для нагрева
графии исследовались пленки титана до и после БТО, обеспечивающей
при проведении БТО, а вклад многофотонной ионизации в этом случае
нагрев образцов в атмосфере азота от 400 до 800оС в течение 5 секунд.
будет не столь значительным. С учетом того, что энергия ионов превосхо-
Исходные
пленки
титана
являлись
поликристаллическими,
дит в 3000 раз энергию атомов азота по сравнению с обычным азотирова-
мелкодисперсными и имели средний размер зерна 1015 нм. Проведение
нием [3], то процесс формирования нитрида титана можно представить
БТО при температуре 400оС вызывает увеличение периода решетки титана.
следующим образом.
Данный факт обусловлен диффузией и растворением в титане азота,
Образующиеся при БТО ионы азота активно взаимодействуют с по-
приводящим к образованию a-твердого раствора азота в титане, имеющего
верхностью пленки и диффундируют в ее глубь. Диффузия происходит в
больший по сравнению с титаном период решетки. Увеличение
основном по границам зерен, а поскольку они являются мелкозернистыми,

т.е. площадь границ зерен достаточно велика, то это приводит к высокому
коэффициенту диффузии ионов азота в титане. Поскольку у части возни-
кающих ионов имеется неспаренный электрон на внешней электронной
оболочке, то они проявляют высокую химическую активность. Кроме того,
присутствие высокоэнергетических электронов в концентрации сущест-
венно превышающей термодинамически равновесную, приводит к увели-
чению концентрации химически активных элементов, способствующих
увеличению скорости нитридизации. Таким образом, продиффундировав-
шие в пленку ионы азота обладают высокой реакционной способностью.
Это приводит к тому, что уже при температуре 500оС в пленке начинается
формирование нитридной фазы с малым содержанием азота - Ti2N. Уве-
личение температуры до 550-620оС приводит к насыщению пленки титана
азотом и образованию нитрида титана с широкой гомогенностью от 30 до
53,7% [4].
Таким образом, с целью исключения окисления пленки титана в
процессе ее нагрева, БТО необходимо проводить в среде азота при
температуре выше 550оС, что позволяет сформировать на поверхности
титана пленку нитрида титана, препятствующую его дальнейшему
окислению.

1. Анищик В.М., Горушко В.А., Пилипенко В.А., Пономарь В.Н., Пона-
рядов В.В., Пилипенко И.В. Физические основы быстрой термообра-
ботки. Температурные поля и конструктивные особенности оборудо-
ваниея. - Минск: БГУ, 2000.
2. Чапланов А.М., Щербакова Е.Н. Структурные и фазовые превращения
в пленках титана при облучении азот-водородной плазмой. // Журнал
технической физики. - 1999. Т.69, 10. - С.102.
3. Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов в активиро-
ванных газовых средах. - М.: Атомиздат, 1975.
4. Кипарисов С.С., Левинский Ю.В. Азотирование тугоплавких металлов.
- М.: Металлургия, 1972.