WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 5 11;12 Влияние технологических параметров на структуру и морфологию поверхности углеродных пленок © А.Н. Гладкий, С.Ю. Суздальцев, Р.К. Яфаров Саратовское отделение Института радиотехники и электроники РАН, 410019 Саратов, Россия (Поступило в Редакцию 30 марта 1999 г.) Установлены технологические факторы и условия, обеспечивающие управление процессами формирования морфологии поверхности пленок различных аллотропных фаз углерода с заданными свойствами, в частности величинами поверхностной плотности и размерами алмазоподобных и графитовых нано- и микрокристаллитов.

Изучение условий и механизма химического синтеза 10–15 nm/min и 4-5 µm-2. Кроме общего экстремума и нано- и микрокристаллических углеродных тонких пле- корреляции толщины пленки и плотности микрокристалнок различных структурных модификаций при низких литов от расхода паров этанола на рис. 1 обращает на давлениях и температурах имеет важное прикладное и себя внимание также некоррелирующее с ними нелинейнаучное значение. Актуальность этой задачи связана с ное и монотонное уменьшение размеров кристаллитов интенсивным поиском исследователями многих стран с увеличением расхода от 100 nm до 10–15 nm при путей создания низковольтных и высокостабильных ав- больших V. ССМ изображения морфологии поверхности тоэлектронных эмиттеров для плоских дисплеев и при- углеродных пленок для различных скоростей прокачки боров вакуумной СВЧ микроэлектроники. Известно, что паров этанола в плазме микроволнового разряда предсущественную роль в уменьшении порога электронной ставлены на рис. 2.

эмиссии играет топографическое усиление электрическо- На рис. 3 приведены зависимости толщин пленок, го поля на поверхности пленок. Поэтому интенсивно размеров и поверхностей плотности микрокристаллитов изучаются взаимосвязи между морфологией частиц и от величины и знака ускоряющего потенциала на подложмеханизмом их развития, поверхностной топографией, кодержателе с осаждаемой пленкой. Было обнаружено, электропроводностью и полевой эмиссией. В связи с что наиболее сильные качественные изменения в струкэтим целью работы являлся поиск технологических за- туре, скорости осаждения и морфологии пленок при кономерностей получения пленочных алмазоподобных всех других одинаковых параметрах процесса осаждения нано- и микрокристаллических материалов с развитой начинали происходить при изменении знака потенциала морфологией поверхности.

Осаждение пленок осуществлялось в плазме паров этанола в микроволновом газовом разряде с электронным циклотронным резонансом на стеклянную подложку в установке, описаной в работе [1]. Температуру измеряли в стационарном режиме градуированным термосопротивлением, укрепленным в подложкодержателе, с точностью ±5. Толщину пленок после осаждения определяли с использованием эллипсометрического лазерного микроскопа. Детальное изучение микротопографии пленок осуществлялось с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа (ССМ), их структуры — на установке рентгенофазового анализа ДРОН-3.0.

На рис. 1 приведены зависимости толщины пленки, поверхностной плотности и размеров микрокристаллитов, образовавшихся в процессе осаждения углеродных пленок, от скорости прокачки паров этанола при фиксированном их давлении 1 Pa, температуре подложкодержателя, равной 300C, и СВЧ мощности, вводимой в источник микроволновой плазмы, 250 W. Скорость прокачки паров этанола через реакционную камеру приведена в относительных единицах V/Vm, где Vm — скорость проРис. 1. Зависимости поверхностной плотности (1), размеров качки паров этанола, соответствующая максимальным микрокристаллитов (2) и толщин алмазоподобных пленок (3) скорости осаждения пленки и плотности микрокристал- от расхода паров этанола в плазме микроволнового газового литов на ней, достигающих в экстремуме соответственно разряда с ЭЦР.

134 А.Н. Гладкий, С.Ю. Суздальцев, Р.К. Яфаров При отрицательных смещениях на подложкодержателе, как и при условиях всех экспериментов, приведенных на рис. 1, наблюдалось осаждение ”светлых” алмазоподобных пленок с коэффициентом пропускания > 85%.

Анализ рентгенограмм образцов этих пленок показал, что они преимущественно содержат алмазоподобные фазы углерода с гексагональной решеткой трех различных структурных модификаций (лонсдейлит, C(20H) и др.), влючают фазу алмаза кубической структуры с ориентацией (111), имеют небольшие включения мелкокристаллической фазы графита (002). Эти пленки имели низкую электропроводность (до 107 · m).

Рентгеноструктурный анализ пленок, осажденных при положительных потенциалах на подложкодержателе, свидетельствовал о преимущественном содержании в них мелкокристаллической фазы графита с межплоскостным расстоянием d = 3.36 A [2]. Эти пленки имели коэффициент пропускания от 60 до 75%, который уменьшался при более положительных потенциалах. Удельное сопротивление этих пленок не превышало несколько десятков · m.

Увеличение скорости прокачки газов через плазмотрон, с одной стороны, способствует увеличению расхода вещества в виде возбужденных и нейтральных частиц, в том числе и тех, которые способствуют образованию алмазоподобной фазы углерода, а с другой — понижению степени ионизации плазменного потока и адсорбции частиц на поверхности. При больших скоростях прокачки это препятствует зарождению и росту кристаллитов и пленки. При уменьшении скорости прокачки V/Vm от 1 до 0.32 степень ионизации плазменного потока, напротив, возрастает. Плотность ионной бомбардировки Рис. 2. ССМ изображения поверхности алмазоподобных угле- поверхности увеличивается. Это выражается в первую родных пленок от величины расхода паров этанола в плазме микроволнового газового разряда с ЭЦР: V /Vm = 0.32 (a), 1 (b), 1.64 (c). Масштаб: a, b — x : 1 µm, y : 1 µm, z : 0.01 µm;

c — x : 1 µm, y : 1 µm, z : 0.001 µm.

на подложкодержателе. При этом характер изменения некоторых кривых от потенциала менялся на противоположный. Так, при отрицательных потенциалах, так же как на рис. 1, наблюдается одинаковая тенденция в изменениях поверхностной плотности микрокристаллитов и толщины (скорости) осаждения пленок и практически противоположный этому характер зависимости при изменении величины и знака ускоряющего потенциала на положительный. В интервале от -300 V до 0 размеры микрокристаллитов составляли около 30 nm при концентрации до 3-5 µm-2 и практически не зависили от потенциала на подложкодержателе. С ростом потенциала от 0 до +300 V размеры кристаллитов резко увеличивались до 220 nm, а их концентрация на поверхности уменьшалась до 0.1 µm-2 и менее. При росте положительных потенциалов наблюдалась корреляция скорости Рис. 3. Зависимости поверхностной плотности (1), размеров осаждения (толщины) пленки уже не с концентрацией микрокристаллитов (2) и толщин углеродных пленок различмикрокристаллитов, а их размерами. ного фазового состава (3) от потенциала на подложке.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Влияние технологических параметров на структуру и морфологию поверхности... очередь в нелинейном увеличении скорости роста микро- 2. Малые скорости поступления паров этанола в рекристаллитов, размер которых может достигать 100 nm акционную камеру при отрицательном потенциале на даже в условиях уменьшения потока ”строительного подложкодержателе стимулируют в основном процессы материала” в виде возбужденных нейтральных частиц роста алмазоподобных кристаллитов, однако эти условия углерода определенного типа. При (V /Vm) 1 реа- не являются оптимальными для скорости роста самой лизуются оптимальные соотношения между потоками пленки; увеличение скорости поступления паров этанола заряженных и нейтральных частиц для формирования выше оптимальной приводит к снижению как конценалмазоподобной фазы и скорости осаждения пленок.

траций и характерных размеров кристаллитов, так и Воздействие электрического поля стимулирует проскорости осаждения массы алмазоподобного углерода.

цессы роста кристаллитов при осаждении из ионизоИ только при определенных соотношениях между пованной газовой фазы за счет интенсификации процессов токами заряженных и нейтральных частиц реализуются переноса массы и за счет активации процессоов на пооптимальные условия для формирования алмазоподобверхности роста [3]. Под действием электрического поля ной фазы и скорости осаждения пленок.

происходит сепарирование вида ионов (положительных 3. Наличие на подложкодержателе положительного поили отрицательных в зависимости от знака потенциала тенциала приводит к преимущественному образованию на подложкодержателе), получаемых при диссоциации в углеродной пленке графитовой фазы. Для графитои последующей ионизации молекул этанола и постувых пленок в отличие от алмазоподобных характерной пающих на подложку. При этом отрицательные ионы является корреляция скорости осаждения с размерами кислорода (их избыток) и дефицит положительных ионов микрокристаллитов, которые увеличиваются с ростом водорода способствуют, как известно, росту графитовой положительного потенциала при противоположном хафазы. Кроме того, под действием электрического поля рактере изменения от этого параметра поверхностной осуществляется поляризация молекул газовой фазы и хеконцентрации графитовых микрокристаллитов.

мосорбированного слоя, что в свою очередь стимулирует 4. Установлены технологические факторы и условия, процессы переноса как к растущей грани микрокристалобеспечивающие управление процессами формирования ла, так и по ее поверхности. Деформация адсорбированморфологии поверхности пленок различных аллотропных комплексов в электрическом поле при росте криных фаз углерода с заданными свойствами, в частности сталла путем химического осаждения из газовой фазы величинами поверхностной плотности и размерами алможет изменять энергию активации их распада и тем мазоподобных и графитовых нано- и микрокристаллитов.

самым интенсифицировать процесс застройки растущей поверхности заданной кристаллографической структуры.

Из приведенных экспериментальных данных следует, Список литературы что наиболее критичным для процессов зарождения и [1] Былинкина Н.Н., Муштакова С.П., Олейник В.А. и др. // роста нано- и микрокристаллитов, а также скорости осаПисьма в ЖТФ. 1996. Т. 22. Вып. 6. С. 43–47.

ждения алмазоподобной пленки является присутствие [2] Уббелоде А.Р., Льюис Ф.А. Графит и его кристаллические положительной ионной компоненты на подложке. Посоединения. М.: Мир, 1965. С. 185.

этому преимущественное образование алмазоподобных [3] Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Технология полупроводнимикрокристаллитов при отрицательном потенциале на ковых и диэлектрических материалов. М.: Высшая школа, подложкодержателе может быть обусловлено действием 1990. 424 с.

двух следующих механизмов: ионно-химическом травлением ионами водорода графитовой фазы при отсутствии взаимодействия растущей алмазоподобной фазы с отрицательными ионами кислорода, с одной стороны, а с другой — стимулированием процессов хемосорбции и кристаллизации возбужденных и ионизированных углеродных частиц определенного вида в алмазоподобную кристаллическую структуру.

Таким образом, исследования морфологии поверхности и эллипсометрические измерения толщин углеродных пленок, полученных при различных режимах генерации микроволнового газового разряда с ЭЦР, позволяют сделать следующие выводы.

1. Имеет место корреляция скорости осаждения (толщины) пленки с поверхностной плотностью алмазоподобных нано- и микрокристаллитов (частотой зародышеобразования), но не с их размерами. Коцентрация и размер кристаллитов алмазоподобной структуры практически не зависят от значений приложенного отрицательного потенциала.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.