СИНТЕЗ АЛМАЗНЫХ ПЛЁНОК
ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
С ПОВЕРХНОСТЬЮ МОЛИБДЕНА

Матвеев А.В., Щеглов Д.В., Григорьев Е.В., Савенко В.Н.,
Борисов А.А., Черепанов В.А.
Научный руководитель: Золкин А.С.

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к алмазным моно - и поликристаллическим материалам определяется уникальными свойствами алмаза, существенно улучшающими рабочие характеристики полупроводниковых и оптоэлектронных приборов, детекторов ядерных излучений, теплоотводов, термо- и фоторезисторов работающих в экстремальных условиях [1].
Особый интерес для синтеза алмазных плёнок представляют плазменные "тонкоплёночные" технологии, которые позволяют получать плёнки высокого качества [2,3]. Как правило, это вакуумные способы. В работах [4,5] описан пламённый метод синтеза алмазных поликристаллических плёнок при горении ацетилена в кислороде при атмосферном давлении.
Одна из важных проблем при получении покрытий данным способом связана со стабильностью свойств плёнки при нормальных условиях после её охлаждения (адгезия, например). Необходимо оптимизировать теплофизические условия синтеза, среди которых - понижение температуры подложки - одна из основных проблем.
Установлено, что для синтеза плёнок оптимальная температура подложки (Мо, Si ): Т_п = 1070-1300К [6 -14]. Тем не менее возникают вопросы, связанные с точностью измерения температуры поверхности. При использовании пирометрического двух-лучевого способа измерения необходимы поправки с учетом свойств пламени и оптических свойств изменяющейся растущей углеродной плёнки. Термопарный метод так же нуждается в поправках, связанными с теплофизическими свойствами подложки и способами крепления термопары. Известно, что пламённый метод характеризуется значительными тепловыми потоками ( > 2 Mвт/м²) и температура поверхности роста может существенно отличаться от измеряемой температуры подложки. Важно определить температуру поверхности на начальной стадии роста, когда монокристаллы растут свободно: перед тем, как вырастет сплошная плёнка. Такой подход позволит лучше понять механизм зарождения алмазной плёнки.
Цель данной работы: определение минимальной температуры подложки, при которой на поверхности молибдена растут кристаллы алмаза.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Установка позволяет провести исследования при известных [6-14] условиях синтеза: температура подложки - от 300 до 1500 К; расход газов: 1 - 4 л /мин и их отношение: R = О₂ /C₂H₂ - до 2.5; расстояние между ядром пламени и подложкой - более 0.5мм. На рис.1 изображены: горелка - 1 (диаметр сопла: 1мм) над поверхностью подложки - 2, помещенной в теплообменник - 3 с зажимами - 4; теплоизолятор - 5 между подложкой и теплообменником, укреплённым на координатнике - 6; термопара - 7 вставлена в тело подложки и поджата пружинами - 8; измерители расхода воды - 9 и газов -10. В качестве материала подложки использовали молибденовые цилиндры (высота 5 и диаметр 10 мм). Спай термопары прижимался к подложке с помощью пружин. Проведенное исследование с помощью теплового датчика показало, что температура поверхности выше температуры подложки в точке измерения не более чем на 17 К при Тп = 900 К, а ошибка в измерении температуры, связанная со способом крепления термопары в молибденовой подложке, не превышает 60К при температуре 900К и определялась по точкам плавления химически чистого олова и меди в качестве реперов в специальном эксперименте.
Поверхностный слой плёнок исследовался на спектрометре комбинационного рассеяния (КР) "TRIPLEMATE (SPEX - USA) и на сканирующем электронном микроскопе "Fillips". При электронно-графическом исследовании на просвечивающем микроскопе "Jeol - 100 СX" для калибровки использовали частицы золота и природные алмазы.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Кристаллы алмазов получены при минимальной температуре подложки: Т_п = 873-923 К; R = 1.0; расходе кислорода и ацетилена - 2,2 л / мин; расстоянии между "язычком" пламени и поверхностью - 2 мм. Время напыления (20 мин) выбрано на основе анализа известных работ с целью синтеза отдельных кристаллов на поверхности плёнки, когда появляется возможность выяснить: при какой температуре начинает расти кристалл.

Алмазная фаза присутствует на всей поверхности, но кристаллы существенно различаются по размеру и форме в различных кольцевых областях относительно центра аналогично [7]. В центральной части, диаметром, приблизительно, 1/4 от диаметра (D) подложки (Рис.2) находятся сферические частицы размером от 1 до 2 мкм близкие по форме к частицам типа "ball-like" [4], которые могли образоваться в пограничном слое движущегося потока газа из более мелких, ультрадисперсных частиц образующих покрытие, КР - спектр от которых также содержит линию 1332 см^-1.

Рис. 2. Характерные области на поверхности молибденовой подложки.

В следующей - кольцевой области поверхности с внешним диаметром 1/2D, в переходной области, присутствуют частицы, форма которых отличается от сферы и появляются признаки огранки, присущие кристаллам. Далее растут кристаллы в форме октаэдра характерной для кристаллов алмаза. В переходной области кристаллы растут свободно, на некотором расстоянии друг от друга. Формы кристаллов аналогичны "Caulflower-like"- cросшиеся кристаллы сферической формы и "Octahedral"- друзы [6]. На расстоянии от центра более чем половина радиуса подложки кристаллы срастаются в сплошную плёнку. Скорость роста кристаллов - примерно 50А⁰/сек. Типичный спектр комбинационного рассеяния (Рис.3) содержит ярко выраженную линию 1332см^-1 .

Рис. 3. Спектр комбинационного рассеяния углеродной плёнки.

Исследование дифракции на кристаллах с помощью просвечивающей электронной микроскопии подтвердило, что плёнка содержит алмазные частицы. Выяснилось, что и сферические частицы, состоят из ультрадисперсных алмазных кристаллов размером сотни ангстрем.

При повышении температуры подложки до 1073 - 1123 К количество алмазной фазы в пленках уменьшилось. Только в центральной части поверхности присутствовали частицы алмаза микронного размера.

Методами электронной микроскопии и КР - спектроскопии установлено, что плёнки, имеющие высокое электрическое сопротивление, содержат алмазные частицы.

ВЫВОДЫ

Установлено, что алмазные частицы на поверхности молибдена могут быть выращены при температуре подложки (Т_п = 873 - 1123К) меньшей, примерно на 150К, по сравнению с известными данными для пламенного метода. Данные по температуре зарождения кристаллов алмаза на поверхности металлов позволят лучше понять механизм их роста.

Благодарности

Авторы признательны А.Ф. Белянину (ЦНИТИ, Москва) за постоянное внимание к работе и поддержку. Семёнову В.И. (Институт Теплофизики СО РАН) за активную помощь при проведении опытов.
Работа частично выполнялась за счёт средств от Гранта Международного Научного Фонда и Российского Правительства (SOROS: JKD - 100). Работа над темой продолжалась при поддержке Программы Интернет в Образовании "Института Открытое Общество"- Фонда Дж. Сороса, Проект: I2A709u. Авторы приносят свои благодарности данным организациям.

Литература

1. АЛМАЗ в электронной технике. Сборник статей. Отв. ред. В.Б. Квасков. Москва, Энергоатомиздат. 1990 г. 245стр.
2. Proceedings of the Third Intertational Conference on the new Diamond Science and Technology jointly with the 3rd European Conference on Diamond, Diamond - like and Relataed Coatings, Heideberg, Germany, Aug.-Sept (1992).
3. Proceedings of the 6th European Conference on Diamond, Diamond - like and Relataed Materials, Barselona, Spain, Sept (1995).
4. Y.Hirose, Proc. and Abstr. 1- st Conf. on the New Diamond Science and Technology, Tokyo, (1988), p.38.
5. Y.Hirose, and M.Mitsuizumi , New Diamond, 4 (1988), p.34.
6. Bi Zhang and Sihua Chen. J.Appl. Phys. 79 (9) 1996, p.7241.
7. R.J.H.Klein-Douwel, J.J.L.Spaanjaars, and J.J. ter Meulen. J.Appl. Phys. 78 (3) 2086 (1995).
8.W.Zhu, B.H.Tan, J.Ahn and H.S.Tan. Diamond and Related Materials.2
(1993), p.491.
9. D.Y.Wang, Y.H.Song, J.J.Wang and R.Y.Cheng. Diamond and Related
Materials.2 (1993), p.491.
10. J.A. von Windheim, F.Sivazlian, M.T.WcCiure and J.T.Glass. Diamond and
Related Materials.2 (1993), p.438.
11. P.Alers, W.Hanni and H.E.Hintermann. Diamond and Related Materials.2
(1993), p.395.
12.K.Komaki, M.Yanagisawa, and I.Yamamoto, Y.Hirose. Proc. Jpn. Symp. Plasma Chem. 5, (1992), p.151.
13.K.Okada, S.Komatsu, T.Ishigaki, S.Matsumoto and Y.Moriyoshi. Proc. Jpn. Symp. Plasma Chem. 5, (1992), p.171.
14. P.O.Joffreau, R.Haubner, B.Lux. Int. J. Refract. and Hard Metals. 7, № 4, (1988) p.194.