ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА АМОРФНЫХ ГИДРОГЕНИЗИРОВАННЫХ ПЛЕНОК УГЛЕРОДА, ВЫРАЩЕННЫХ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ Чепкасов С. Ю. 1, Золкин А. С. 1,2 1 Новосибирский государственный университет 2 Институт лазерной физики СО РАН 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) 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. Экспериментальная часть Рис. 1. Разрядный промежуток экспериментальной установки Перед процессом осаждения подложки в течение 10 минут обрабатывались в плазме аргона. Рабочее веществоПары этанола Давление, торр0,15 Напряжение разряда, В Плотность ионного тока, мкА/см 2 0,18-11 Расстояние катод- подложка, см 0,2 Время осаждения, мин60 Материал подложкикремний Результаты Комбинационное рассеяние света Современный спектрометр T Производство Horiba Jobin Yvon. -длина волны возбуждения падающего излучения – 514,5 нм -диапазон измерений – см -1 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 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. 4. Спектры КРС пленок, осажденных при напряжениях разряда 600 и 680 В. Давление паров этанола 0,15 торр. Расстояние катод–подложка 0,2 см Таблица 1. Изменение положения полос D и G при различных напряжениях разряда Напряжение разряда, В Положение полосы D, см -1 Положение полосы G, см 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 sp 2 -связей структуры. Однако по уширению полосы G на рисунке 2 можно сказать, что вся система разупорядочена [5]. Для спектров КРС образцов, осажденных при средних напряжениях разряда, наблюдается высокий фотолюминесцентный фон. Это говорит о высоком содержании водорода (до % ат.) [7,8]. Такие пленки называются полимерными a-C:H пленками с широкой запрещенной зоной [9]. Эллипсометрия Можно ли узнать тенденцию изменений структуры? Пленка растет послойно или изотропно? Метод эллипсометрии может дать дополнительную информацию о выращенных слоях. - Толщина - Показатель преломления - Показатель поглощения 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. Таблица 2. Результаты эллипсометрических измерений образцов, полученных при напряжениях разряда от 1080 до 1380 В. Напряжение разряда, В Показатель преломления Показатель поглощения Толщина пленки, нм Слой 1Слой 2Слой 1Слой 2Слой 1Слой ,522,150,10, ,552,10,040, ,541,940,060, ,61,850,040, ,562,10,030, Таблица 3. Результаты эллипсометрических измерений пленок, осажденных при напряжениях разряда от 600 до 960 В. Напряжение разряда, В Показатель преломления Показатель поглощения Толщина пленки, нм ,560, ,60, ,550, , , 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, , (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, , (2000). 8.А.В. Васин, Л.А. Матвеева, В.А. Юхимчук, «Фотолюминесценция аморфного углерода в пленках a-C:C 60, полученных осаждением фуллеренов C 60 », ПЖТФ, 28, вып. 14, (2002). 9. J. Robertson, Recombination and photoluminescence mechanism in hydrogenated amorphous carbon, Phys. Rev. B., 53, 24, , (1996). Таким образом, установлено, что существует 3 диапазона напряжений, при которых происходят некоторые изменения структуры пленок. Выводы: 1.Обнаружен рост нанокластеров со структурой колец или коротких цепей в системе углеродных sp 2 -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. Пики на частоте 950 см -1 являются результатом рассеяния второго порядка от кремниевой подложки. Спектры КРС на рис. 2 и 4 содержат характерные для аморфного углерода полосы G и D. G-полоса появляется в результате растяжения всех пар sp 2 -связей в углеродных кольцах и цепях, а D- полоса возникает от «дышащих» мод в углеродных цепях [5, 6]. 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) Разряд зажигался внутри кварцевой трубки. Кремниевая подложка крепились на держателе, который располагался за сеточным катодом, выполненном из нержавеющей стали. Условия осаждения 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 ( годы)» (номер /4699).