МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 4, с. 290-297
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 539.232;544.023;544.022;544.139;544.72.05
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОСАЖДЕНИЯ И СИНТЕЗ ПЛЕНОК АМОРФНОГО ГИДРОГЕНЕЗИРОВАННОГО УГЛЕРОДА
© 2013 г. В. А. Тарала
Южный научный центр Российской АН E-mail: Vitaly-tarala@yandex.ru Поступила в редакцию 16.01.2012 г.
Проводимые исследования посвящены оценке влияния условий синтеза на особенности процессов осаждения аморфного гидрогенезированного углерода (а-С:Н). На основании полученных (в результате моделирования) выражений дается объяснение характера влияния парциальных давлений водорода и мощности ВЧ-излучения на скорость осаждения, состав и структуру а-С:Н пленок. Результатом работы является развитие модели зарождения и роста аморфных и кристаллических алмазоподоб-ных материалов [1, 2]. Как ожидается, разрабатываемая модель должна облегчить процедуру поиска оптимальных режимов синтеза материалов с заданным составом, структурой и свойствами.
DOI: 10.7868/S0544126913040078
ВВЕДЕНИЕ
Свойства пленок аморфного гидрогенезированного алмазоподобного углерода (а-С:Н) в зависимости от структуры и состава могут изменяться в широких пределах. Благодаря этому они обладают большим потенциалом применения в изготовлении элементов опто- и микроэлектроники, а также микросистемой техники в качестве просветляющих [3], упрочняющих [4], биосовместимых [5] и т.д. покрытий. Однако широкого практического применения эти материалы пока не получили из-за проблем, связанных с синтезом пленок с заданной структурой. Попытки решить эту проблему только экспериментальными методами, путем установления взаимосвязи структуры и условий синтеза или свойств и условий синтеза, не дают ожидаемых результатов. Ситуация усугубляется отсутствием адекватных теорий, способных описать характер влияния технологических факторов на процессы образования этих пленок. Существующие теории кристаллизации из газовой фазы не достаточно полно описывают механизмы образования нанокристаллических материалов и практически не применимы к аморфным пленкам. Поэтому создание модели роста пленок ал-мазоподобных материалов крайне необходимо для более глубокого понимания механизмов формирования структуры в процессе синтеза. Как предполагается, появление такой модели откроет путь к управляемому синтезу материалов с заданной структурой и свойствами. Ранее, в работах [1,2], была представлена понятийная модель, описывающая механизмы и кинетику образования аморфных и кристаллических алмазоподоб-ных пленок из отдельных атомов. Эта модель учи-
тывала только два технологических параметра: давление и температуру. Данная модель [6, 7] адекватно описывает процессы образования на-нокристаллических (иМСЭ и N00), а также микрокристаллических пленок алмаза. Принимая во внимание, что структура алмазоподобного материала зависит от многих технологических факторов, целью настоящей работы было расширить возможности модели в части ее применения для анализа влияния давления метана на скорость роста, состав и структуру аморфных гидрогенези-рованных пленок углерода.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
В основе модели [1, 2] лежат три положения:
— во-первых, все материалы, независимо от типа кристаллической решетки или структуры, имеют особый характер расположения атомов на поверхности, т.е. поверхности как аморфных, так и кристаллических материалов обладают сверхструктурой (СВС), возникновение которой предопределено стремлением любой системы понизить свою потенциальную энергию;
— во-вторых, для каждого типа СВС существуют свои единичные элементы, посредством которых формируется сверхструктура поверхности. При этом каждый элемент можно принять за зародыш нового слоя в том случае, когда рассматривается процесс синтеза. Кроме того, все зародыши можно разделить на два вида: реплицирующие (сохраняющие) и модифицирующие сверхструктуру поверхности;
— в-третьих, для оценки влияния условий осаждения на характер формирования структуры син-
тезируемой пленки необходимо и достаточно провести анализ влияния каждого из технологических факторов на кинетику образования двух видов зародышей: сохраняющих сверхструктуру и модифицирующих ее.
Наилучшим образом существование сверхструктур изучено для монокристаллов алмаза [8, 9], кремния [10], карбида кремния [11]. В рамках модели зародыш нового слоя для грани (100) (посредством которого реализуется процесс репликации сверхструктуры) получил название Б-за-родыш (рис. 1). Отметим, что в процессе синтеза нового слоя могут образовываться двухатомные С-зародыши, модифицирующие сверхструктуру поверхности. С-зародыши образованные атомами углерода с ^-типом гибридизации, содержат по две свободные орбитали и по одной общей связи. В том случае, если атомы углерода имеют ¿р2-тип гибридизации, то каждый из них имеет по одной свободной орбитали и по две общие связи. Посредством образования С-зародышей реализуется процесс роста аморфной пленки. Механизм образования зародышей связан с двумя типами хемосорбированных атомов, из которых непосредственно синтезируются зародыши. В рамках модели (для грани (100) ал-мазоподобных кристаллов) хемосорбированные атомы, имеющие одну связь с атомами поверхности, получили название "хемосорбированные атомы в ^-состоянии" или "Л-атомы". Хемосорбированные атомы, имеющие две связи с поверхностью, получили название "хемосорбированные атомы в В-состоянии" или "В-атомы".
При рассмотрении процессов синтеза из радикалов символьное обозначение каждой из структурных единиц дополняется нижним индексом, обозначающим атомы (комплексы), находящиеся во взаимодействии с данной структурной единицей. Так, в частности, хемосорбированный радикал СН* будет обозначаться как ^3Н, т.е. радикал находится в ^-состоянии, имеет одну связь с атомом поверхности и три связи с атомами водорода. Как предполагается, данная запись структурных единиц поверхности будет удобна для составления химических уравнений по правилам, принятым в химической кинетике [12].
Процесс синтеза как кристаллической, так и аморфной алмазоподобной пленки углерода (с
позиций модели [1, 2]) из радикалов СН* можно представить в виде схемы, показанной на рис. 2. Процесс 1К описывает механизм и кинетику образования зародышей, сохраняющих СВС. Посредством реализации данного процесса образуются кристаллиты. В результате протекания процесса 1р3 будут образовываться аморфные кластеры, состоящие из атомов углерода, обладающих «р3-ти-пом гибридизации, а в случае доминирования
процесса 1р2 — аморфные кластеры из атомов с «р2-типом.
Как известно, структура аморфного гидроге-незированного углерода определяется соотношением атомов с $рг- и ¿р3-пипом гибридизации, а также концентрацией связанного водорода ([0]). Для оценки характера влияния условий синтеза на структуру аморфных пленок предлагается ввести понятие "фактор гибридизации" (21), рассчитываемый как отношение обобщенных скоростей реакций, образования кластеров углерода с «р2-типом гибридизации к сумме обобщенных скоростей реакций ведущих к образованию кластеров и кристаллитов, состоящих из атомов углерода с «р3-ти-пом гибридизации:
2 = ¥^Р2 , (1)
^ЕХРЗ + У^К
где У^5Р2, УЕ$К — обобщенные скорости про-
цессов 1р3, 1р2 и 1Ксоответственно.
Физический смысл фактора гибридизации заключается в том, что чем выше величина 2, тем больше доля атомов углерода с «р2-типом гибридизации.
Оценка характера влияния условий осаждения на структуру пленок требует определения того, как тот или иной параметр влияет на величины У2Ж3, Уш и У-Е5Р2. Для этого необходимо записать выражения химических реакций, протекающих на каждой из указанных в схеме (рис. 2) стадий, соответствующих 1К,
1рз и /^-процессам, учитывая при этом, что превращения на стадиях №№ 4, 5 и 6 реализуются как минимум тремя параллельными реакциями: одной радиолиза и двумя реакциями обмена (при
взаимодействии зародышей с СН* и Н*).
Так как синтез пленок протекает в стационарных условиях, то вывод выражений для У^5Р3, УЕК и У-Е5Р2 следует проводить в рамках теорий стационарных многостадийных процессов [12]. Отметим, что этот вывод будет громоздким, а его результат сложен для практического применения.
Упростить вывод выражения для 2 можно, если принять справедливость следующих обстоятельств процесса получения гидрогенизированной пленки углерода:
— во-первых, в соответствии с результатами работ [1, 2] осаждение аморфных пленок осуществляется только в условиях высоких перенасыщений в газовой фазе, поэтому процессами /К, репликации СВС, пренебрегаем, т.е. скорости реакций, ответственных за синтез кристаллической составляющей, считаем мало значимыми;
— во-вторых, пленки а-С:Н синтезируются в условиях низких давлений, поэтому диффузионным слоем (на границе раздела подложка — газ)
чо
Рис. 1. Пояснения к описанию структурных единиц поверхности.
К
ч
О §
и
н ч о м к
г
Ф
с,н
-ОН ><1>^
2П4
с,н
2П2
Рис. 2. Схема процесса образования алмазоподобных пленок из радикалов СН3 : Н — атом водорода; СН4 — молекула метана; СН3 — радикал метана; — хе-мосорбированный радикал с тремя связанными атомами водорода (Н) и одной связью с атомом поверхности; В — хемосорбированный атом в ^-состоянии [1]; Б — зародыш реплицирующий сверхструктуру поверхности; С4Н — зародыш модифицирующий СВС с четырьмя связанными атомами водорода тип гибридизации атомов); с|н — зародыш, модифицирующий СВС, с тремя связанными атомами водорода и одной свободной орбиталью тип гибридизации атомов); С2ц — зародыш, модифицирующий СВС, с двумя связанными атомами водорода (яр2— тип гибридизации атомов); Сн — зародыш, модифицирующий СВС, с одним связанным атомом водорода (яр2— тип гибридизации атомов); 1К — процесс репликации сверхструктуры (детально не прописан); 3 — процесс гидрогенизации; I 2 — процесс графитизации.
можно пренебречь, равно как и влиянием газообразных продуктов поверхностных реакций на кинетику процесса;
— в-третьих, в случае синтеза гидрогенезирован-ных пленок углерода элементами СВС поверхности пленки растущей с постоянной скоростью можно считать только С3Н-зародыши, модифицирующие сверхструктуру. Поэтому У^рз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.