2Графитоподобные углеродные пленки

2.1Нанесение графитоподобных углеродных пленок

Эксперименты по нанесению графитоподобных углеродных пленок проводились на установке Denton Vacuum Discovery 18 (Институт физики плазмы им. Макса Планка, Гархинг, Германия), предназначенной для нанесения покрытий методом магнетронного распыления (рисунок 2.1).

Рис. 2.1: Внешний вид установки Denton Vacuum Discovery 18

На рисунке 2.2 представлена принципиальная схема напылительной части установки. Цилиндрическая вакуумная камера 1 откачивается механическим безмасляным и турбомолекулярным насосами. Для улучшения откачки паров воды на входе турбомолекулярного насоса установлена криогенная ловушка. Контроль давления в камере осуществляется при помощи абсолютного датчика давления типа баратрон и магнитного электроразрядного преобразователя. Система газонапуска включает в себя баллоны с рабочими газами (аргоном, азотом и кислородом) с установленными на них редукторами и регуляторы расхода газа. Остаточное давление в камере не менее 5 × 10−7 мбар.

На крышке вакуумной камеры установлены два планарных сбалансированных магнетрона 2, на которых закрепляются мишени для распыления. Магне-

22

троны расположены под углом 30 к нормали; точка пересечения оси магнетро-

на с плоскостью столика отстоит на 25 мм от центра столика. Такая геометрия расположения магнетронов позволяет получать достаточно однородные по толщине покрытия (неоднородность не более 3 %). Наличие двух независимо работающих магнетронов позволяет осаждать многослойные или смешанные пленки.

Образцы располагаются на круглом вращающемся столике 3 диаметром 150 мм, установленном на дне вакуумной камеры. Столик электрически изолирован от стенок камеры, что позволяет подавать на него потенциал смещения относительно стенок. Вращение столика с задаваемой скоростью также способствует более равномерному осаждению распыленных атомов на образцы.

Около каждого магнетрона установлена подвижная заслонка 4, которая позволяет закрывать его от столика с образцами при очистке мишени и травлении образцов.

Рис. 2.2: Схема основных элементов установки Denton Vacuum Discovery 18: 1

– вакуумная камера; 2 – магнетроны; 3 – столик для размещения образцов; 4 – заслонки

Графитоподобные углеродные пленки наносились на подложки из промышленной конденсаторной алюминиевой фольги высокой чистоты толщиной 40 мкм. Пленки были нанесены на алюминиевые фольги по той же технологии, что и пленки, нанесенные на вольфрам в экспериментах по газопроницаемости [18]. Перед размещением на столике образцы очищались в изопропиловом спирте. Для обеспечения одинаковости получаемых покрытий все образцы размеща-

23

лись на одинаковом расстоянии от центра столика. В качестве мишени для распыления использовался графитовый катод (чистотой 99,999 %). Второй катод при этом не использовался и был закрыт фольгой для предотвращения осаждения на него углеродной пленки. Перед каждым экспериментом стенки камеры и столик с образцами покрывались алюминиевой фольгой для предотвращения попадания в осаждаемую пленку примесей от предыдущих экспериментов (рисунок 2.3).

Рис. 2.3: Вакуумная камера установки изнутри

Перед началом эксперимента в криогенную ловушку заливался жидкий азот и выжидалось определенное время (около 30 мин), пока давление в системе не стабилизируется. Далее скорость откачки дросселировалась при помощи регулируемого клапана между турбомолекулярным насосом и камерой. Это позволило достичь высоких давлений при низком расходе рабочего газа и уменьшить газовую нагрузку на турбомолекулярный насос. Затем в камеру напускался аргон (чистотой 99,999 %) до достижения давления 1 × 10−3 мбар (поток около

20 sccm). На поверхности алюминия всегда присутствует естественная оксидная пленка, которая пассивирует поверхность – она препятствует образованию сильных (ковалентных) химических связей между осаждаемыми атомами и алюминиевой подложкой. В результате этого получаемые покрытия имеют плохое сцепление (адгезию) с подложкой. Поэтому перед нанесением покрытия необходимо произвести очистку поверхности алюминия от оксидного слоя и других присутствующих на ней загрязнений. Одним из наиболее эффективных методов очистки поверхности является ее распыление ионами аргона (или любого другого инертного газа) – так называемое “аргонное травление”. Обычно его производят, облучая поверхность ионами Ar+ из ионной пушки или зажигая

24

разряд (тлеющий или ВЧ) между образцом и стенками вакуумной камеры (в качестве катода выступает очищаемый образец). В данных экспериментах между столиком с образцами и стенками камеры зажигался ВЧ емкостной разряд (мощность 100 Вт, напряжение самосмещения на подложке −528 В, время го-

рения 5 мин). Далее для очистки катода от загрязнений при закрытой заслонке зажигался магнетронный разряд (напряжение разряда 390 В, время горения 2 мин). Это позволяет также избежать попадания на подложку капель расплавленного материала катода, которые могут сильно ухудшить качество покрытия. Капельная фаза образуется при зажигании магнетронного разряда за счет большого количества паразитных дуговых разрядов, которые вызывают сильный разогрев отдельных участков на катоде. Затем заслонка открывалась и начиналось осаждение пленки (напряжение разряда 770 В, время осаждения 100 мин). Столик с образцами вращался со скоростью 10 оборотов в минуту. В процессе осаждения он находился под плавающим потенциалом, который является отрицательным относительно стенок камеры. Он определяется равенством потоков электронов и ионов на подложку и его значение имеет порядок нескольких электронных температур плазмы (электронная температура плазмы в магнетронном разряде имеет значение около 10 эВ). Температура образца в ходе осаждения не превышала 350 К.

2.2Характеристики графитоподобных углеродных пленок

Для оценки степени сцепления пленки с подложкой проводился так называемый “скотч–тест”: к участку образца приклеивался кусок клейкой ленты (скотча) и затем отдирался. Если после отдирания скотча покрытие сохранялось, то адгезия покрытия к подложке считалась хорошей, если же часть покрытия оставалась на скотче, то сцепление пленки с подложкой считалось плохим. Полученные графитоподобные углеродные пленки имели хорошую адгезию к алюминиевой фольге.

Структура полученных покрытий была исследована на растровом электронном микроскопе RAITH 150 TWO. Для проведения исследований на РЭМ от образца с нанесенным покрытием отрезался небольшой кусок. Затем этот кусок разрывался пополам и одна из его половин исследовалась на РЭМ. Изучение места разрыва позволяет хорошо увидеть структуру пленки и измерить ее

25

толщину. Место разреза для этого непригодно, так как пленка в нем обычно сминается и разглядеть ее торец достаточно проблематично.

На рисунке 2.4 представлено РЭМ изображение поверхности алюминиевой фольги, покрытой графитоподобной углеродной пленкой. Видно, что поверхность пленки холмистая, в некоторых ее местах видны трещины и другие особенности (области, выделяющиеся на фоне пленки). На рисунке 2.5 представлено РЭМ изображение торца пленки, снятое при наклоне образца по отношению к оси электронной пушки. Из него видно, что полученная пленка имеет глобулярную структуру и толщину порядка 400 нм. Также в поперечном сечении пленки не видно никаких пор.

Элементный состав пленок определялся при помощи энергодисперсионного анализа. Он показал следующий состав графитоподобной углеродной пленки:

Основным компонентом пленки является углерод. Наличие в спектре алюминия говорит о том, что первичный электронный пучок частично проходит через пленку и возбуждает характеристическое рентгеновское излучение не только в материале пленки, но и в алюминиевой фольге. Наличие небольшого количества кислорода в пленке свидетельствует о захвате в растущую пленку

26