РОЗДІЛ 2
Взаємозв’язок фізичних властивостей вуглецевих плівок та умов їх отримання
2.1. Структурна досконалість та властивості полікристалічних алмазних плівок
осаджених на попередньо оброблені підкладки
Метод хімічно-парового осадження з гарячою спіраллю (HFCVD) з успіхом
використовується для отримання алмазних полікристалічних покриттів. У той же
час існує ряд проблем, серед яких:
– можливість росту плівок на підкладках із різним ступенем хімічної
спорідненості з вуглецем та покращення адгезії;
– збільшення однорідності та зменшення вмісту sp2-атомів;
– збільшення швидкості росту плівок без втрати якості.
Одним зі шляхів розв’язання цих проблем є удосконалення методів попередньої
обробки підкладки. Загальною технологічної ідеєю багатьох методів попередньої
обробки неалмазних підкладок є заміна гетерогенного росту на гомогенний, що
здійснюється за рахунок попереднього нанесення на поверхню підкладки алмазних
кристалітів. Нещодавно було запропоновано метод створення центрів
зародкоутворення, який полягає у попередньому осадженні на підкладку алмазних
наночастинок [44,45]. В якості останніх використовують наноалмазні кластери
розміром 4-5 нм, отримані методом детонаційного синтезу. Завдяки малому розміру
алмазного кластера і високій поверхневій енергії, їх використання у процесі
попередньої обробки підкладки дозволяє реалізувати високу густину центрів
зародкоутворення і збільшити швидкість зародкоутворення.
Завданням цієї роботи було вивчення впливу попереднього осадження алмазних
наночастинок на структурні та механічні властивості алмазних плівок, отриманих
методом HFCVD.
Алмазні плівки були отримані методом HFCVD з воднево-метанової суміші. У
процесі осадження метан розкладається на радикали, а молекулярній водень на
атомарний. Плівка утворюється з радикалів, що досягли поверхні підкладки.
Підбором параметрів процесу осадження були одержані плівки з максимальним
вмістом алмазної фази [46]. Для всіх плівок тиск газової суміші в реакторі
складав 48 Тор, концентрація метану 1%, водню 99%, температура спіралі 2200 °С,
температура підкладки 750 °С. Витрата газу змінювалася в діапазоні
300-500 sccm. У якості підкладки використовувався полірований кремній (100).
Центри зародкоутворення створювалися осадженням на підкладку з ізопропілової
суспензії наноалмазів розміром 4-5 нм, отриманих методом детонаційного синтезу
[47]. Суспензія з концентрацією наноалмазного порошку близько 1 ваг.%
наносилася тонким суцільним шаром на поверхню горизонтально розташованої
підкладки і висушувалася в закритій чашці Петрі. Для активації обірваних
зв’язків на поверхні наноалмазів і стравлювання їх графітової оболонки
підкладка з нанесеними наноалмазами витримувалася при температурі 750 °С в
атомарному водні протягом 30 хвилин безпосередньо в реакторі перед початком
процесу росту плівки (плівки ND типу). Інша частина підкладок кремнію
шліфувалася алмазним порошком з розміром зерна 1 мкм (плівки S типу). Час росту
плівок складав 4-6 годин.
Структура плівок досліджувалася методом комбінаційного розсіювання світла.
Спектри КРС були зареєстровані при кімнатній температурі з використанням
подвійного монохроматора та охолоджуваного ФЕУ, який працює в режимі лічби
фотонів. Для збудження використовувався Ar+ лазер з довжиною хвилі
випромінювання l = 488 нм.
Топографія і твердість плівок вимірювалися скануючим силовим мікроскопом (ССМ)
у поєднанні з додатковим модулем для наноіндентування. Установка складалася з
HYSITRON Triboscope, приєднаного до ССМ Nanoscope IV фірми Digital Instruments
(зараз VEECO). Основним вузлом трибоскопу є електростатичний датчик, що
складається з конденсатора із трьома пластинами. Середня пластина з’єднана з
алмазним індентором. Прикладення напруги (до 600 В) викликає електростатичну
взаємодію, внаслідок якої алмазний індентор проникає в зразок. У нашому випадку
величина сили, з якою діє індентор складала 6,3 мН. Реєструючи напругу та зміну
ємності конденсатора можна отримати значення сили, з якою індентор тисне на
зразок, та глибину проникнення. Після завершення індентування можна зісканувати
відбиток, що залишився, тим самим індентором. Цей метод індентування гарантує
проникнення індентора перпендикулярно до площини зразка. Більш детальний опис
даної установки можна знайти в [48].
Внаслідок різниці поверхневих енергій алмазу (5,3 Дж/м2) і кремнію (1,46 Дж/м2)
густина центрів зародкоутворення на кристалічному кремнію складає всього
104 см-2 [49]. Після шліфовки підкладки алмазним порошком густина центрів
зародкоутворення за даними скануючої елетронної мікроскопії складає близько
108 см-2 [46].
У процесі термохімічного газофазного осадження плівок можна виділити такі
стадії [50]: інкубаційний період, утворення алмазних зародків, завершення
зародкоутворення і об’єднання в кристаліти. Під час першої стадії утворюються
острівці як з sp2-, так і sp3-гібридизованих атомів. Оскільки їх розмір менший
за критичний, то такі структури нестабільні. Під час процесу СН3-радикали
травлять sp2- та пасивують sp3-обірвані зв’язки. На другому етапі відбувається
процес коалесценції (злиття) острівців. Проходить адсорбція вуглецю з газової
фази та його активна міграція по поверхні підкладки. Коли острівець досягає
розміру більшого за критичний, то він стає алмазним зародком і починається
Оствальдівське дозрівання. Наносячи на поверхню підкладки наноалмази, ми ще до
початку осадження створюємо алмазні зародки. На заключному етапі відбувається
збільшення розмірів зародків та їх кристалізація – утворюється суцільна
полікристалічна плівка. На рисунку 2.1, а представлено спектр КРС алм
- Киев+380960830922