ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА АМОРФНЫХ ГИДРОГЕНИЗИРОВАННЫХ ПЛЕНОК УГЛЕРОДА,

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА АМОРФНЫХ ГИДРОГЕНИЗИРОВАННЫХ ПЛЕНОК УГЛЕРОДА,
ВЫРАЩЕННЫХ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ
Чепкасов С. Ю.1, Золкин А. С.1,2
1Новосибирский государственный университет
2Институт лазерной физики СО РАН
sergey@post.nsu.ru
Введение
На основе углерода можно создавать материалы с широким
спектром физических свойств и различным типом химической
связи, например, пленки аморфного гидрогенизированного
углерода (a-C:H).
Такие возможности позволяют считать аморфный углерод
перспективным материалом для использования в качестве:
- защитных, просветляющих покрытий для GaAs элементов [1]
- теплоотводов в микроэлектронике [2];
- покрытий для увеличения полевой электронной эмиссии
вольфрамовых эмиттеров [3]
и т.д.
-
Параметры осаждения влияют на [4]:
структуру
электрические свойства;
оптические свойства;
механические свойства
Важный параметр осаждения – энергия ионов.
Плазмохимическое
осаждение
из
газовой
фазы
с
применением тлеющего разряда постоянного тока дает
возможность:
- менять энергию ионов, падающих на подложку, которая зависит
от межэлектродного напряжения.
- применять различные материалы в качестве подложек (металлы,
диэлектрики, полимеры, полупроводники)
1
Результаты
Комбинационное рассеяние света
Современный спектрометр T64000. Производство Horiba Jobin
Yvon.
- длина волны возбуждения падающего излучения – 514,5 нм
- диапазон измерений – 800-2200 см-1
Работа была направлена на решение следующих задач:
1. Осаждение аморфных гидрогенизированных углеродных
пленок при различных напряжениях тлеющего разряда в парах
этанола;
2. Исследование оптических постоянных и структуры пленок при
помощи эллипсометрии и спектроскопии комбинационного
рассеяния света.
Условия осаждения
Рабочее вещество
Пары этанола
Давление, торр
0,15
Напряжение разряда, В
Экспериментальная часть
Разряд зажигался внутри кварцевой трубки. Кремниевая
подложка крепились на держателе, который располагался за
сеточным катодом, выполненном из нержавеющей стали.
600-1380
Плотность ионного
тока, мкА/см2
0,18-11
Расстояние катодподложка, см
0,2
Время осаждения, мин
60
Материал подложки
кремний
Перед процессом осаждения подложки в течение 10 минут
обрабатывались в плазме аргона.
Рис. 1. Разрядный промежуток экспериментальной установки
2
3
Спектры КРС пленок были разделены на 3 группы, согласно
диапазонам напряжений разряда:
высокие напряжения разряда (1080 – 1380 В)
средние напряжения разряда (770 – 960 В)
малые напряжения разряда (600 – 680 В)
Рис. 4. Спектры КРС пленок, осажденных при напряжениях
разряда 600 и 680 В. Давление паров этанола 0,15 торр.
Расстояние катод–подложка 0,2 см
Рис. 3. Спектры КРС пленок, осажденных при напряжениях
разряда 770, 870 и 960 В. Давление паров этанола 0,15 торр.
Расстояние катод-подложка 0,2 см
Рис. 2. Спектры КРС пленок, осажденных при напряжениях
разряда от 1080 до 1380 В. Давление паров этанола 0,15 торр.
Расстояние катод-подложка 0,2 см
4
Таблица 1. Изменение положения полос D и G при различных
напряжениях разряда
№
1
2
3
4
5
9
10
Напряжение
разряда, В
1380
1300
1215
1140
1080
680
600
Положение
полосы D, см-1
1355
1376
1337
1370
1370
1383
1397
Положение
полосы G, см-1
1541
1543
1541
1557
1560
1590
1542
Пики на частоте 950 см-1 являются результатом рассеяния второго
порядка от кремниевой подложки.
Для спектров КРС образцов, осажденных при средних
напряжениях разряда, наблюдается высокий фотолюминесцентный
фон. Это говорит о высоком содержании водорода (до 40-45 % ат.)
[7,8]. Такие пленки называются полимерными a-C:H пленками с
широкой запрещенной зоной [9].
5
Спектры КРС на рис. 2 и 4 содержат характерные для аморфного
углерода полосы G и D. G-полоса появляется в результате
растяжения всех пар sp2-связей в углеродных кольцах и цепях, а Dполоса возникает от «дышащих» мод в углеродных цепях [5, 6].
6
Таблица 2. Результаты эллипсометрических измерений образцов,
полученных при напряжениях разряда от 1080 до 1380 В.
Эллипсометрия
Можно ли узнать тенденцию изменений структуры?
Пленка растет послойно или изотропно?
№
Напряжение
разряда, В
1
2
3
4
5
1380
1300
1215
1140
1080
Метод эллипсометрии может дать дополнительную информацию о
выращенных слоях.
- Толщина
- Показатель преломления
- Показатель поглощения
От 1215 до 680 В возникает смещение полосы G в
высокочастотную область, что свидетельствует о росте
нанокластеров со структурой колец или коротких цепей в системе
углеродных sp2-связей структуры. Однако по уширению полосы G
на рисунке 2 можно сказать, что вся система разупорядочена [5].
Таким образом, установлено, что существует 3 диапазона
напряжений, при которых происходят некоторые изменения
структуры пленок.
Использовался сканирующий лазерный эллипсометр «Микроскан»
с He-Ne лазером. Производство ИФП СО РАН.
- длина волны - 632,8 нм
-угол падения - 55º
По результатам эллипсометрии установлено, что высокие
напряжения разряда при осаждении могут способствовать
образованию второго слоя, с отличающимися оптическими
параметрами. Таким образом, открывается некоторая перспектива
дальнейшего исследования двухслойных пленок, поскольку
существует фактор управления структурой и оптическими
свойствами получаемых покрытий.
7
Показатель
преломления
Показатель
поглощения
Толщина
пленки,
нм
Слой 1 Слой 2 Слой 1 Слой 2 Слой 1 Слой 2
1,52
1,55
1,54
1,6
1,56
0,1
0,04
0,06
0,04
0,03
2,15
2,1
1,94
1,85
2,1
0,29
0,27
0,15
0,27
0,06
220
180
200
180
240
250
340
270
340
210
Таблица 3. Результаты эллипсометрических измерений пленок,
осажденных при напряжениях разряда от 600 до 960 В.
№
Напряжение
разряда, В
Показатель
преломления
Показатель
поглощения
6
960
1,56
0,03
Толщина
пленки,
нм
540
7
870
1,6
0,01
350
8
770
1,55
0,02
330
9
680
1,59
0
96
10
600
1,84
0
48
8
9
Выводы:
1.Обнаружен рост нанокластеров со структурой колец или коротких цепей в системе углеродных sp2-связей структуры.
1.Образцы, полученные при средних напряжениях (770 – 960 В), имели высокий люминесцентный фон, что свидетельствует об увеличении содержания водорода в пленках.
2.Образцы, полученные при высоких напряжениях разряда (1080 – 1380 В), являются двухслойными, и каждый слой обладает своей толщиной и оптическими параметрами.
10
Список литературы:
1. Klibanov, N. Croitoru, A. Seidman, M. Gilo, R. Dahan, “Diamond-like carbon thin films as antireflective and protective coatings of GaAs elements and devices”, Optical Engineering, 39, No. 4, (2000).
2. А.Ф. Белянин, М.И. Самойлович, В.Д. Житковский, А.Л. Талис, «Формирование алмазных и алмазоподобных углеродных пленок, пригодных для теплоотводов в микроэлектронике, Системы и средства связи,
телевидения и радиовещания, 1-2, 38-47, (2004).
3. С.А. Пшеничнюк, Ю. М. Юмагузин, «Влияние тонкого алмазоподобного покрытия на эмиссионные характеристики вольфрамовых острий», ПЖТФ, 26, вып. 2, 72-76, (2000).
4. А.А. Бабаев, С.Б. Султанов, М.Ш. Абдулвагабов, Е.И. Теруков, «Электрические, оптические и механические свойства аморфного гидрогенизированного углерода, полученного при различных условиях
осаждения», ФТП, 45, вып. 1, 120-122, (2010).
5. А. Д. Ременюк, Т.К. Звонарева, И.Б. Захарова и др.,. «Исследование оптических свойств аморфного углерода, модифицированного платиной», ФТП, 43, вып. 7, 947–952, (2009).
6. C.T. Guo, K.H. Dittrich, “Diamond-like carbon films deposited by a hybrid ECRCVD system”, Appl. Surf. Sc., 253, 4935–4931, (2007).
7. A.C. Ferrari, J. Robertson, “Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon”, Phys. Rev. B., 61, № 20, 14095-14107, (2000).
8. А.В. Васин, Л.А. Матвеева, В.А. Юхимчук, «Фотолюминесценция аморфного углерода в пленках a-C:C60, полученных осаждением фуллеренов C60», ПЖТФ, 28, вып. 14, (2002).
11
9. J. Robertson, “Recombination and photoluminescence mechanism in hydrogenated amorphous carbon”, Phys. Rev. B., 53, № 24, 16302-16305, (1996).
Авторы благодарят сотрудника научно-образовательного комплекса «НСМ» НГУ В. А. Володина за помощь при снятии спектров комбинационного рассеяния света.
Работа выполнена при поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала (2009-2011 годы)» (номер 2.2.2.4/4699).