14 Методи одержання алмазоподібних плівок

Перспектива широкого застосування АПП стимулює розвиток методів їх одержання. Всі методи умовно поділимо на дві групи: вакуумні та атмосферні (рис.1.20).

Для всіх методів існують загальні умови, що дозволяють конденсувати переважно алмазну фазу вуглецю. До таких умов відносять: високий ступінь нерівноважності середовища; наявність у газовому середовищі вуглецю і значної кількості атомарного водню; температуру підкладки від 80 до 1600 К та ін. Робоча суміш містить гази СН_4, С₂Н₄, С₂Н₂ (0,1-15 об. %), водень (10-99 об. %), аргон (0,1-80 об. %), а також інколи кисень (до 0,5 об.). Джерело вуглецю має забезпечити потік атомів або іонів вуглецю з густиною струму 0-10 mA/см² з енергією частинок не більше 100 еВ. Матеріалом підкладки можуть бути кварц, скло, Al₂O₃, Ge, Si, Mo, Ti, Nb, Ni, GaAs, NaCl тощо.

М етоди одержання АПП

Одержання у вакуумі

Одержання на атмосфері

Т ермохімічні

Електро- р озрядні

Полум’я ацетилену

Бар’єрний розряд

Метод гарячої спіралі		Метод точкового нагрівника		Лазерне напилення						Іонно-променеве осадження
Тліючий розряд		Мікро- хвильовий розряд		ВЧ- р озряд				Комбіновані розряди (тліючий розряд постійного струму + низькочастотний високовольтний розряд)

Рисунок 1.20 – Класифікація методів одержання АПП

14.1 Термохімічні методи осадження

Суть методу одержання АПП у реакторі з гарячою спіраллю полягає у такому. Суміш метану (3-7%) із воднем подається до реактора, у якому температура 870-1070 К і підтримується тиск 9-13 кПа. Нагрівник із W - спіралі встановлюється над підкладкою (0,4-0,5 см), яку нагрівають до 1170-2470 К. Між підкладкою і нагрівником створюється різниця потенціалів 100 В. У результаті розпаду метану в атмосфері водню відбувається конденсація АПП на підкладку.

У методі точкового нагрівника роль точкового джерела відіграє контакт між двома графітовими стержнями, через які пропускається електричний струм. При температурі підкладки до 400 К і тискові атомів карбону 10^-3-10^-2Па АПП осаджуються зі швидкістю 0,1-1,0 нм/с. При осадженні атомів карбону з низькою енергією структура плівки слабо упорядкована і близька до графітної.

Метод лазерного напилення завдяки своїй простоті та відтворюваності результатів набуває все більшого застосування. При густині потоку енергії на поверхню мішені q~10⁹Вт/см² метод лазерного напилення за складом і енергією частинок пари близький до методу осадження із іонних пучків.

Серед способів вирощування тонких плівок пучками заряджених частинок певне місце займає розпилення іонним пучком, яке включає фізичне розпилення мішені, перенесення вибитих частинок до поверхні підкладки та нарощування плівок заданого складу та певної структури.

Фізичне розпилення мішені прискореними іонами відбувається завдяки вибиванню частинок з її поверхні. Потік частинок, що вибиваються з мішені, складаються в основному з атомів, переважно збуджених та іонізованих, кластерів (багатоатомний або молекулярний комплекс) та електронів. Ефективність розпилення мішені характеризується коефіцієнтом розпилення, який залежить від енергії, заряду, маси іона, кута його падіння на поверхню мішені, кристалічної будови та атомного номера розпиленого матеріалу, забруднення розпиленої поверхні, шорсткості та пористості, складу залишкового газу, його тиску, температури мішені та деяких інших умов розпилення. Процес перенесення вибитих частинок від мішені до ростової поверхні підкладки залежить від середньої енергії частинок, що покинули мішень, їх кутового вильоту, тиску газу, відстані мішень-підкладка і в деяких випадках від наявності електричних і магнітних полів, які визначають рух іонізованих атомів із мішені та електронів. Як бачимо, при такій кількості впливових факторів вирощування дуже складне.

Сучасний етап розвитку технології вирощування тонких плівок різних структурних модифікацій вуглецю характеризується значною увагою до алмазу як до напівпровідникового матеріалу. Всі процеси вирощування тонких алмазних плівок іонними та електронними пучками можна поділити на три категорії.

До процесів першого типу відносять фізичне розпилення графіту іонним пучком та твердофазне перетворення плівок графіту в алмаз шляхом швидкого нагрівання, зокрема потужним електронним пучком.

До другого типу відносять нерівноважні процеси активування, опромінення та перетворення нарощених плівок графіту в алмаз під дією пучка іонів газів низької енергії, що падають на підкладку безперервно із атомами вуглецю, які переносяться із графітової мішені пучком іонів високої енергії. І, нарешті, до процесів третього типу можна віднести процеси нарощення алмазу осадженням іонів вуглецю із уповільнених іонних пучків.

Ростові процеси першого типу можна здійснити розпилюванням іонами та опроміненням електронними пучками. На першій, довжиною ~ 6 годин, стадії частинки які вибиваються іонами, що падають на графітову мішень, іонами (рис.1.21) нарощуються на підкладку.

Друга стадія (швидка кристалізація) передбачає опромінення вирощених вуглецевих плівок пучком електронів секундної тривалості.