Данная работа посвящена исследованию оптимальных условий осаждения углеродных пленок на поверхности кремния газовым ионным источником, для получения пленок с алмазоподобными свойствами. Анализ полученных пленок производился методом комбинационного рассеяния света.
Введение
Алмаз - самый твердый материал из всех ныне известных, и в наименьшей степени, чем какой-либо другой материал, поддается сжатию. Алмаз обладает также большой теплопроводностью при комнатной температуре, и если в нем нет дефектов и посторонних включений, это один из самых прозрачных для видимого света материал.
Свойства алмаза обусловлены его необычной кристаллической структурой. Помимо чисто научного интереса необычные свойства алмаза делают его весьма полезным для технических целей. Этот драгоценный камень широко используется как абразив в промышленности, в промышленности, как режущий инструмент в хирургии и как теплоотвод в электронных приборах. Установлено, что алмазы, содержащие различные примеси, ведут себя как полупроводники. Но природные кристаллы слишком малы и дороги для практического применения. Сейчас положение в этой области исследования меняется. В течении последних лет специалисты разработали немало технологических приемов осаждения алмазных пленок толщина которых лежит от сотен ангстрем до нескольких миллиметров. Синтез алмазных и алмазоподобных пленок является актуальной задачей на сегодняшний день. Благодаря таким свойствам алмаза как высокое удельное сопротивление, большая теплопроводность прозрачность в оптической и ИК областях, большая твердость, стабильность при высоких температурах (600-650°С), химическая инертность, тонкопленочные покрытия могут использоваться во многих областях техники, например, микроэлектроники. Поэтому синтез пленок со свойствами аналогичными или близкими к алмазу является актуальной задачей на сегодняшний день.
Метод ионно-лучевого осаждения
Одним из основных достоинств метода осаждения из ионных пучков является возможность получения веществ, не существующих в природе или находящихся при нормальных условиях в метастабильном состоянии (например, алмаз, карбид кремния).
Ранее такие материалы получали только при высоких давлениях и температуре или в сильных ударных волнах. Рост пленки при ионно-лучевом осаждении позволяет получать плотные кристаллические модификации, не прибегая к традиционным методам.
Существует большое количество веществ имеющих ряд устойчивых кристаллических модификаций. В каждом состоянии решетка будет обладать своим минимумом свободной энергии. Так для углерода существует несколько устойчивых модификаций соответствующих графиту, алмазу, металлическому углероду и другим плотным алмазоподобным структурам. В таком случае обеспечить ионам энергию, необходимого для преодоления потенциального барьера, отделяющего одну кристаллическую фазу от другой, можно простым регулированием потенциала подложки. Причем разброс ионов по энергии не должен превышать разность в высоте потенциальных барьеров, разделяющих две близких кристаллических модификации. Максимальная энергия падающих ионов определяется энергетическим порогом дефектообразования (для алмаза 60-80 эВ). С учетом возможной потери энергии падающих ионов и диапазон их энергетического распределения является важнейшим, но не единственным условием, т.к. механизм взаимодействия при синтезе материалов из энергетических ионных пучков сложен. Осаждение иона на поверхность сопровождается релаксационными колебаниями, разогревом поверхности за счет выделения энергии. Перечисленные эффекты, безусловно, не охватывают весь комплекс явлений сопровождающих процесс конденсации. Действие некоторых из них будет отрицательным для синтеза. Воздействовать на степень того или иного эффекта можно различными путями, например, изменять температуру подложки или условия подлета ионов к поверхности или одновременно с осаждением ионов облучать поверхность электронными или ионными пучками. В нашем исследовании источником ионов являлся прототип космического электрореактивного двигателя (ЭРД), который в литературе называют ускорителем с анодным слоем и азимутальным дрейфом (УАД). В УАД разгон ионов происходит в квазинейтральной плазме, а потому могут быть получены более высокие, чем обычно, значения плотностей ионного тока. УАД обладает также рядом других достоинств: универсальностью к рабочему веществу, возможностью управления потока и т.д. Принципиальная схема источника показана на рис.1.
Со стороны анода в ускоритель поступает поток ионов, которые создаются вблизи анода путем ионизации нейтральных атомов. Металлические стенки ускорительного канала находятся под катодным потенциалом. Магнитная система создает в кольцевом зазоре ускорителя радиальное магнитное поле, постепенно спадающее в области анода и у среза ускорителя. Магнитное поле в основном имеет поперечную компоненту, а электрическое - продольную, поэтому такие системы называют еще ускорителями в скрещенных электрических и магнитных полях или ВЕ разрядом. В скрещенных В и Е полях на электроны действует сила Лоренца, вызывая их дрейф в азимутальном направлении. В результате, в кольцевом зазоре формируется двойной азимутально-однородный электрический слой. В этих условиях подвижность электронов поперек магнитного поля резко ограничена и внешнее электрическое поле совершает работу главным образом над ионами, ускоряя их вдоль оси системы.
|
Рис.1 |
Ток и энергия пучка ускоренных частиц - это основные характеристики ускорителя любого типа, позволяющие определить производительность установки и возможность ее использования в том или ином производственном процессе или эксперименте. Цилиндр Фарадея - это наиболее распространенный прибор, используемый в качестве первичного эталонного прибора для измерения токов пучков заряженных частиц. При измерении тока, пучок частиц попадает на изолированный от окружающих предметов электрод, который задерживает частицы пучка и почти все вторичные частицы, образующиеся при столкновении частиц пучка с материалом электрода.
Основные достоинства рассматриваемого метода - высокая точность и возможность измерения весьма малых токов. К недостаткам цилиндра Фарадея относятся большие размеры и невозможность получить информацию о токе пучка, не нарушив его. Принципиальная схема цилиндра Фарадея показана на рис.2.
 |
Рис.2 Зонд для измерения плотности тока. |
Описание экспериментальной установки.
Схема используемой установки для напыления пленок показана на рис.3. В рабочий откачиваемый объем помещен источник ионов (1), формирующий поток ионизированного газа. Перед соплом источника крепится подложка (2) - пластина монокристалла кремния, нагреваемая пропусканием постоянного тока.
 |
Рис.3 Схема экспериментальной установки. |
Температура подложки определялась по температурной зависимости сопротивления кремня, измеренной в ходе предварительной работы.
Характеристики ионного источника
При работе с ионным источником необходимо знать его характеристики. На рис.4,5 представлены зависимости плотности ионного тока в зависимости от расстояния до источника и угла в плоскости оси источника соответственно.
 |
Рис.4
Зависимость плотности
плотности тока |
Скорость роста пленок в подобных экспериментах малы. Помещая подложку в область с максимальной плотностью падающих частиц, мы увеличиваем скорость осаждения. Зная геометрическое распределение потока можно оценить неоднородность толщины напыленной пленки или принять специальные меры для ликвидации этой неоднородности.
 |
Рис.5 Зависимость плотности тока пучка ионов от угла. |
Результаты эксперимента
Использование комбинационного рассеяния света дает наиболее полную, гарантийную информацию об алмазной фазе.
Было проанализировано пять
образцов (табл.1). На всех
подложках с помощью оптического
микроскопа четко наблюдались
отдельные кристаллы. спектры
комбинационного рассеяния
показали в большинстве случаев
присутствие на поверхности
преимущественно графитовой фазы
углерода.
Номер графика |
Т,°С |
Рабочий газ |
Время, Мин. |
1 |
20 |
Ацетилен |
30 |
2 |
20 |
Ацетилен |
20 |
3 |
20 |
Пентан |
15 |
4 |
400 |
Ацетилен |
20 |
5 |
800 |
Ацетилен |
20 |
Табл.1 Параметры синтеза углеродных пленок.
На рисунке 6 приведены спектры комбинационного рассеяния света для соответствующих из таблицы образцов.
На четвертом образце спектр показал явное присутствие алмазной фазы.
 |
Рис.6 Спектры рамановского рассеяния пленок. |
Выводы
Метод комбинационного рассеяния показал, что в проведенных экспериментах были получены поли кристаллические пленки графита. Установлено, что алмазная фаза углерода фиксируется в образцах выращенных при температуре подложки около 400°С, а при других температурах роста преобладает графит.
Благодарности
Выражаем огромную благодарность нашему научному руководителю - Золкину Александру Степановичу за многие полезные советы и помощь в работе. Большое спасибо сотруднику института Неорганической Химии Колесову Борису Алексеевичу за выполнение диагностики по комбинационному рассеянию.