Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени

Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени

В работе представлена методика получения алмазоподобных пленок (АПП) методом магнетронного распыления графитовой мишени. С целью активации процесса образования АПП использовали излучение нагретой нити из тугоплавкого металла, расположенной около подложки. Представлены результаты по оптимизации пар...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2008
Автори: Костановский, А.В., Жиляков, Л.А., Пронкин, А.А., Кириллин, А.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2008
Назва видання:Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76179
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени / А.В. Костановский, Л.А. Жиляков, А.А. Пронкин, А.В. Кириллин // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 3. — С. 911—917. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-76179
record_format dspace
spelling irk-123456789-761792015-10-31T11:37:51Z Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени Костановский, А.В. Жиляков, Л.А. Пронкин, А.А. Кириллин, А.В. В работе представлена методика получения алмазоподобных пленок (АПП) методом магнетронного распыления графитовой мишени. С целью активации процесса образования АПП использовали излучение нагретой нити из тугоплавкого металла, расположенной около подложки. Представлены результаты по оптимизации параметров процесса нанесения тонких пленок. Метод рамановской спектроскопии показал, что спектр идентифицирует пленки как АПП. Толщина пленок – 2000 Å, скорость осаждения – 200 Å/мин. Пленки являются оптически прозрачными, а их электропроводность соответствует полупроводникам. Представлено методику одержання алмазоподібних плівок (АПП) методою магнетронного розпорошення графітової цілі. З метою активації процесу утворення АПП використовували випромінення нагрітої нитки з тяжкотопкого металу, розташованої біля підложжя. Наведено результати з оптимізації параметрів процесу нанесення тонких плівок. Метода Раманової спектроскопії показала, що спектер ідентифікує плівки як АПП. Товщина плівок – 2000 Å, швидкість осадження – 200 Å/хв. Плівки є оптично прозорими, а їх електропровідність відповідає напівпровідникам. Technique of fabrication of the diamond-like films (DLF) by graphitetarget magnetron sputtering is presented. To activate the process of DLF formation, radiation of hot filament of high-melting metal located near the substrate is used. Results on optimization of thin-film deposition process parameters are presented. The Raman spectroscopy method shows that the spectrum identifies films as DLF. Thickness of films is 2000 Å, and deposition rate is 200 Å/min. Films are optically transparent, and their conductivity corresponds to semiconductors. 2008 Article Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени / А.В. Костановский, Л.А. Жиляков, А.А. Пронкин, А.В. Кириллин // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 3. — С. 911—917. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 61.46.Bc,61.48.De,61.80.Ba,73.61.Wp,78.30.Na,81.05.Uw,81.15.Cd http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76179 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description В работе представлена методика получения алмазоподобных пленок (АПП) методом магнетронного распыления графитовой мишени. С целью активации процесса образования АПП использовали излучение нагретой нити из тугоплавкого металла, расположенной около подложки. Представлены результаты по оптимизации параметров процесса нанесения тонких пленок. Метод рамановской спектроскопии показал, что спектр идентифицирует пленки как АПП. Толщина пленок – 2000 Å, скорость осаждения – 200 Å/мин. Пленки являются оптически прозрачными, а их электропроводность соответствует полупроводникам.
format Article
author Костановский, А.В.
Жиляков, Л.А.
Пронкин, А.А.
Кириллин, А.В.
spellingShingle Костановский, А.В.
Жиляков, Л.А.
Пронкин, А.А.
Кириллин, А.В.
Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet Костановский, А.В.
Жиляков, Л.А.
Пронкин, А.А.
Кириллин, А.В.
author_sort Костановский, А.В.
title Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени
title_short Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени
title_full Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени
title_fullStr Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени
title_full_unstemmed Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени
title_sort получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate 2008
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76179
citation_txt Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени / А.В. Костановский, Л.А. Жиляков, А.А. Пронкин, А.В. Кириллин // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 3. — С. 911—917. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv AT kostanovskijav polučenietonkihalmaznyhplenokprimagnetronnomraspyleniigrafitovojmišeni
AT žilâkovla polučenietonkihalmaznyhplenokprimagnetronnomraspyleniigrafitovojmišeni
AT pronkinaa polučenietonkihalmaznyhplenokprimagnetronnomraspyleniigrafitovojmišeni
AT kirillinav polučenietonkihalmaznyhplenokprimagnetronnomraspyleniigrafitovojmišeni
first_indexed 2025-07-06T00:37:35Z
last_indexed 2025-07-06T00:37:35Z
_version_ 1836855859641057280
fulltext 911 PACS numbers: 61.46.Bc, 61.48.De, 61.80.Ba, 73.61.Wp, 78.30.Na, 81.05.Uw, 81.15.Cd Получение тонких алмазных пленок при магнетронном распылении графитовой мишени А. В. Костановский, Л. А. Жиляков, А. А. Пронкин, А. В. Кириллин Объединенный институт высоких температур РАН, ул. Ижорская, 13, 125412 Москва, Россия В работе представлена методика получения алмазоподобных пленок (АПП) методом магнетронного распыления графитовой мишени. С це- лью активации процесса образования АПП использовали излучение на- гретой нити из тугоплавкого металла, расположенной около подложки. Представлены результаты по оптимизации параметров процесса нанесе- ния тонких пленок. Метод рамановской спектроскопии показал, что спектр идентифицирует пленки как АПП. Толщина пленок – 2000 Å, скорость осаждения – 200 Å/мин. Пленки являются оптически про- зрачными, а их электропроводность соответствует полупроводникам. Представлено методику одержання алмазоподібних плівок (АПП) мето- дою магнетронного розпорошення графітової цілі. З метою активації процесу утворення АПП використовували випромінення нагрітої нитки з тяжкотопкого металу, розташованої біля підложжя. Наведено резуль- тати з оптимізації параметрів процесу нанесення тонких плівок. Метода Раманової спектроскопії показала, що спектер ідентифікує плівки як АПП. Товщина плівок – 2000 Å, швидкість осадження – 200 Å/хв. Плівки є оптично прозорими, а їх електропровідність відповідає напів- провідникам. Technique of fabrication of the diamond-like films (DLF) by graphite- target magnetron sputtering is presented. To activate the process of DLF formation, radiation of hot filament of high-melting metal located near the substrate is used. Results on optimization of thin-film deposition process parameters are presented. The Raman spectroscopy method shows that the spectrum identifies films as DLF. Thickness of films is 2000 Å, and deposition rate is 200 Å/min. Films are optically transparent, and their conductivity corresponds to semiconductors. Ключевые слова: алмаз, алмазоподобная структура, тонкие пленки, фо- тоактивация, магнетрон. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2008, т. 6, № 3, сс. 911—917 © 2008 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 912 А. В. КОСТАНОВСКИЙ, Л. А. ЖИЛЯКОВ, А. А. ПРОНКИН, А. В. КИРИЛЛИН (Получено 23 ноября 2007 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ В настоящее время интенсивно развивается ультрафиолетовая элек- троника, которая нашла широкое применение в медицине, энерге- тики и других отраслей техники. В ультрафиолетовой электронике используются широкозонные полупроводники на основе GaP, GaN, ZnS и другие, которые позволяют регистрировать слабые сигналы на фоне мощного видимого инфракрасного излучения. Последнее время внимание исследователей привлекает алмаз [1], так как он также яв- ляется полупроводником (ширина запрещенной зоны 5,5 эВ). Для получения тонких алмазоподобных полупроводниковых пле- нок (АПП) используются методы газофазного осаждения. Повыше- ние эффективности процесса осаждения пленок обеспечивается ак- тивацией составляющих процесса осаждения. Термическая актива- ция газовой смеси использована в методе нагретой нити. Рядом с подложкой, на которую предполагается наращивать АПП, распола- гают проволоку из тугоплавкого металла (W, Ta). Ее нагревают до значений температуры ∼ 2000°С, при которых диссоциация молекул Н2 происходит с достаточно большой скоростью. При активации газа (как правило, CH4 и H2) наряду с атомами водорода образуются воз- бужденные углеродсодержащие молекулы и радикалы, которые пе- реносятся к поверхности подложки, где и происходит процесс их осаждения [2]. Как следствие в пленках содержатся составляющие газовой смеси (например, H), что влияет на полупроводниковые ха- рактеристики АПП. АПП получают в процессе распыления (ионными пучками, ваку- умной дугой, лазерной абляцией и т.д.) углеродной мишени. Акти- вация процесса осаждения АПП обеспечивается дополнительным воздействием на подложку потоками ионов или электронов [3]. Од- нако метод получения полупроводниковых АПП является относи- тельно дорогим, так как требует применения подложки с алмазопо- добной структурой. Кроме того, ионная (электронная) активация адатомов углерода на поверхности подложки в процессе распыле- ния углеродной мишени нарушает целостность поверхности расту- щей АПП, что оказывает влияние на свойства АПП. Целью данной работы является экспериментальная реализация метода осаждения АПП в процессе магнетронного распылении уг- леродной мишени с применением фотоактивации адатомов углеро- да на подложке. Данный метод ранее нами был успешно использо- ван при осаждении тонких пленок AlN [4, 5]. В данной работе при- ведены результаты изучения основных экспериментальных пара- метров процесса осаждения АПП (давление, ток и напряжение на ТОНКИЕ АЛМАЗНЫЕ ПЛЕНКИ ПРИ МАГНЕТРОННОМ РАСПЫЛЕНИИ 913 магнетроне, температура нити, скорость роста), а также основные свойства пленок, такие как толщина, состав, электропроводность. 2. ЭКСПЕРИМЕНТ Принципиальная схема экспериментальной установки для магне- тронного распыления (на постоянном токе – «Премьера-1») пред- ставлена на рис. 1. Основными элементами рабочего участка явля- ются магнетрон (6), с закрепленной на нем распыляемой графито- вой (марка графита МПГ-8) мишенью (7) и подложка (13). Рабочий участок располагается в вакуумной камере (1). Подложка (13) рас- полагается на регулируемом по высоте подложкодержателе (14). В качестве источника активирующего излучения используется мо- либденовая нить (проволока диаметром 0,35 мм) (4). Процесс осаж- дения протекает в атмосфере аргона особой чистоты. Изменение на- пряжения, которое подводится к концам проволоки, изменяет ее температуру и интенсивность излучения. В процессе осаждения плёнки температура молибденовой проволоки измеряется оптиче- Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – вакуумная камера; 2 – редуктор; 3 – игольчатый натекатель; 4 – молибденовая проволока; 5 – вентили; 6 – магнетрон; 7 – графитовая мишень; 8 – вакуумметриче- ские лампы; 9 – высоковакуумный затвор; 10 – диффузионный паромас- ляный насос; 11 – форвакуумный насос; 12 – медный диск с хромель— алюмелевой термопарой; 13 – подложка; 14 – подложкодержатель. 914 А. В. КОСТАНОВСКИЙ, Л. А. ЖИЛЯКОВ, А. А. ПРОНКИН, А. В. КИРИЛЛИН ским микропирометром, а температура подложки измеряется хро- мель—алюмелевой термопарой, горячий спай которой расположен в медном диске 12. Получение тонких АПП на поверхности подложки в процессе магнетронного распыления графитовой мишени зависит от многих параметров. Поэтому в процессе эксперимента измеряли: давление аргона в рабочей камере, интенсивность излучения активирующего излучения, скорость распыления графитовой мишени, расстояние от излучателя до подложки и от подложки до распыляемой мише- ни, температуру подложки и т.д. В результате многочисленных экспериментов были определены условия стабильного получения тонких прозрачных пленок толщиной ∼ 2500 Å: давление аргона – 0,7 Па, напряжение разряда магнетрона – 450 ± 50 В, ток разряда – 250 ± 50 мА, температуры нити – 2000 ± 20°С, температура под- ложки – 250 ± 10°С. 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Первичный экспресс анализ свойств полученных пленок состоял в измерении электрического сопротивления. Как известно, графит хо- рошо проводит электрический ток; алмаз, напротив, является ди- электриком. Оказалось, что черные, непрозрачные пленки, показан- Рис. 2. Пленка графита (толщина 2000 Å). Рис. 3. Пленка АПП (толщина – 2000 Å). ТОНКИЕ АЛМАЗНЫЕ ПЛЕНКИ ПРИ МАГНЕТРОННОМ РАСПЫЛЕНИИ 915 ные на рис. 2, которые были получены без использования фотоакти- вации, имеют сопротивление несколько кОм. Оптически прозрачные пленки (см. рис. 3), полученные с использованием фотоактивирую- щего излучения, имеют сопротивление ∼ 20 ГОм. Следовательно, прозрачные пленки являются диэлектриком, а черные характери- зуются проводимостью, свойственной проводникам. Данный вывод подтверждают результаты измерения зависимости сопротивления образцов от температуры. Было показано, что изменение величины сопротивления АПП от обратной температуры подчиняется линей- ной зависимости ρ = 22,5 + 19,03·103/T в интервале температур от комнатной до 170°С. Тот факт, что с ростом температуры электросо- противление уменьшается, указывает на то, что прозрачные пленки имеют полупроводниковый характер проводимости. Определение фазового состояния стабилизированной пленки, осу- ществлялось методом комбинационного рассеяния света (КРС – ра- мановская спектроскопия). Спектры получены (лаборатория спек- троскопии ИОФАН) на спектрометре фирмы Jobin-Yvon, снабженном CCD-детектором и микроскопом. Линия возбуждения 514,5 нм Ar+ лазера ILM 120. В спектрах комбинационного рассеяния черных не- прозрачных пленок присутствуют частоты, характеризующие их как аморфный углерод с sp 2-гибридизацией. Анализ показал, что в про- зрачных пленках можно выделить две частоты 1400 см −1 и 1600 см −1, которые соответствуют АПП. Повышенная дисперсия спектра позво- ляет предположить, что качество АПП может быть улучшено в ре- зультате повышения чистоты, например, исходного материала ми- шени. Предлагается следующая модель, которая позволяет объяснить возможность получения АПП в данных экспериментальных усло- виях. Отметим, что при осаждении пара углерода, полученного в процессе магнетронного распыления графитовой мишени без до- полнительного энергетического воздействия, образование тонкой пленки С(АПП) не происходит, так как углерод, по-видимому, кон- денсируется в энергетически более выгодной фазе – графитовой: ( ) ( )2 3C Cd dE sp E sp⎡ ⎤<⎣ ⎦ . Поэтому для обеспечения конденсации углерода в фазе алмаза при- меняется дополнительное энергетическое воздействие, например, электронная бомбардировка и т.п. В работе [4] предполагается, что в роли инициирующего фактора можно использовать активацию адатомов углерода фотонами с определенной длиной волны, на- правленными на подложку. В этом случае процесс образования тонких плёнок АПП можно представить по следующей схеме: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) * Графит Пар Адатом Адатом АППC C C h C С→ → + ν → → . 916 А. В. КОСТАНОВСКИЙ, Л. А. ЖИЛЯКОВ, А. А. ПРОНКИН, А. В. КИРИЛЛИН Отметим, что атом углерода имеет два низколежащих возбуждён- ных состояния (терма): 2p2(1D2) с энергией 1,264 эВ (984 нм), 2p2(1S0) с энергией 2,684 эВ (460 нм). Можно предположить, что рассмотрен- ная выше схема процесса образования алмаза может осуществляться с участием возбуждённых атомов углерода, находящихся на данных энергетических уровнях. В соответствии с теорией роста пленок [5], данный процесс включает в себя следующие основные этапы: ад- сорбцию атомов, миграцию адатомов по поверхности подложки, об- разование зародышей конденсированной фазы и их коалесценцию. В рассматриваемом процессе на подложку падают атомы углерода, на- ходящиеся в основном состоянии. Атомы углерода адсорбируются на подложке, мигрируют по ее поверхности и взаимодействуя друг с другом. Нагретая нить является источником интегрального излуче- ния, в том числе и фотонов резонансного излучения углерода. На подложку падает поток фотонов резонансного излучения углерода. Адатомы углерода поглощают фотоны, переходят в возбужденное состояние и, обладая повышенной по сравнению с основным состоя- нием энергией, конденсируется в углеродной, например, алмаза. От- носительно рассмотренной модели необходимо сделать существенное замечание. Активация адатомов углерода на подложке возможна, если атомы углерода в состоянии адатомов сохраняют дискретный характер энергетических уровней и, следовательно, способность по- глощать фотоны резонансного излучения так же, как и свободные атомы в газовой фазе. Это предположение, по существу, является оп- ределяющим в предложенной модели процесса образования АПП. Кроме того, изменение интенсивности активирующего излучения открывает возможность получения углеродных пленок с заданными свойствами. Что касается требований, предъявляемых к энергетиче- ским параметрам излучения, то они выбираются соответственно: частота активирующего излучения в соответствии с законом Гротту- са—Дрейпера, а плотность мощности излучения в соответствии с за- коном фотохимической эквивалентности Штарка—Эйнштейна. 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе была показана принципиальная возможность использова- ния метода фотоактивации адатомов углерода для получения алма- зоподобных полупроводниковых пленок. Его достоинством является относительная простота и экологическая чистота. Влияние потока фотонов на процесс образования аллотропных форм углерода и, в ча- стности, АПП открывает возможность управлять свойствами полу- чаемых пленок. Настоящая работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 07- 08-12170-офи) и гранта поддержки молодых ученых ИТЭС ОИВТ РАН за 2007 год. ТОНКИЕ АЛМАЗНЫЕ ПЛЕНКИ ПРИ МАГНЕТРОННОМ РАСПЫЛЕНИИ 917 ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Т. В. Бланк, Ю. А. Гольдберг, Физика и техника полупроводников, 37, № 9: 1025 (2003). 2. T. Soga, T. Sharda, and T. Jimbo, ФТТ, 46, № 4: 702 (2004). 3. Л. А. Жиляков, А. В. Костановский, А. В. Кириллин, Исследование углеро- да: успехи и проблемы (Москва: Наука: 2007). 4. Л. А. Жиляков, А. В. Костановский, А. В. Кириллин, ТВТ, 33, № 1: 33 (1995). 5. Л. А. Жиляков, А. В. Костановский, А. В. Кириллин, ДАН СССР, 335, № 5: (1994). 6. Технология тонких пленок: Справочник (Ред. Л. Майселл, P. M. Гленг) (Mосква: Сов. радио: 1977), т. 1.

Схожі ресурси