КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 5, с. 940-943
ПОВЕРХНОСТЬ, ^^^^^^^^^^^^ ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 539.26; 666.233
РОСТ И РЕАЛЬНАЯ СТРУКТУРА АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК, СИНТЕЗИРОВАННЫХ НА ПОЛИКРИСТАЛЛАХ ВОЛЬФРАМА
© 2004 г. В. Д. Александров, И. В. Сельская
Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, Макеевка, Украина
E-mail: yugov@donace.dn.ua Поступила в редакцию 26.06.2002 г.
Рентгендифракционные исследования алмазных пленок, полученных методом химической транспортной реакции, при концентрации метана 2% и водорода 98% и давлении 10.7 и 21.3 кПа, показали, что пленки являются текстурированными. Характер текстуры изменяется в зависимости от температуры подложки. В пленках выявляется или текстура (110), или (311), или двойная (110) + (311). Установлено, что зависимость скорости роста алмазных пленок от температуры подложки имеет вид графиков с максимумами. Пленки алмаза являются мелкодисперсными с большими микродеформациями и высокой плотностью дислокаций. Установлена корреляция между температурной зависимостью скорости роста и параметрами реальной структуры пленок.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из проблем в материаловедении алмаза является создание алмазных пленочных структур с необходимыми свойствами. Реальная структура искусственных алмазных пленок определяет большинство их физических свойств [1-3]. Важнейшую роль в этом играют параметры синтеза: давление, температура, концентрация газа [4-7]. Правильно выбранные условия синтеза дают возможность управлять процессом роста и получать материалы с заданной структурой. Поэтому вопросы диагностики реальной структуры алмазных пленок представляют интерес как для технологии синтеза, так и для последующего использования алмазных пленок. Синтез алмаза проводят на алмазных и чужеродных подложках, используя практически все методы тонкопленочной технологии [8].
В данной работе изучалось влияние давления паров и температуры подложки на скорость роста и реальную структуру алмазных пленок, полученных на поликристаллических вольфрамовых подложках.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Синтез кристаллических алмазных пленок осуществляли методом химической транспортной реакции [9] в системе графит-водород-метан при давлениях ниже атмосферного. Активатором служил графитовый стержень, который нагревался до температуры 2323 К. Температуру графитового стержня измеряли оптическим пирометром типа Промшь. Подложки для синтеза помещались на охлаждаемый подложкодержатель, температура подложек в процессе синтеза была
постоянной и составляла: Тп = 973, 1013, 1033, 1053, 1068, 1083, 1113,1173 и 1373 К. Контроль температуры подложки в процессе синтеза проводили с помощью термопары. Подложки из вольфрама были предварительно отшлифованы, отполированы и химически очищены кипячением в соляной кислоте в течение часа. Алмазные пленки синтезировали на вольфраме без затравочных алмазных порошков. Толщину полученной алмазной пленки сС определяли по привесу на электронных весах типа ВЛКТ-500-М, погрешность измерения толщины составляла в среднем 5%. Скорость роста пленок вычисляли, зная толщину пленки и время синтеза. Для повышения степени достоверности результатов по определению основных ростовых параметров и измерению скоростей роста, учитывая сложность экспериментов по синтезу пленок в разных условиях, расчеты проводили по результатам измерений трех пленок, получаемым в одних и тех же условиях синтеза. Всего синтезировано и изучено 33 пленки толщиной более 8 мкм.
Рентгенодифракционным методом с помощью дифрактометра ДР0Н-4-07 в характеристическом рентгеновском излучении Си^а определяли наличие текстуры, средний размер блоков мозаики (О), величину микродеформации V(Е2) и плотность дислокаций у в кристаллитах. Алмазные пленки вместе с вольфрамовой подложкой размером (8 х 10 х 1) х 10-3 исследовали при комнатной температуре. При анализе тонкой структуры использовали метод аппроксимации профилей рентгеновских интерференционных линий [10, 11]. Плотность дислокаций определяли по методике, предложенной в [12].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Рассмотрим результаты исследований скоростей роста для пленок (рис. 1), полученных при давлении паров р = 10.7 и 21.3 кПа, концентрации компонентов 2% СН4 и 98% Н2 при разных температурах Тп. Исследования показали, что при р = = 10.7 кПа и Тп = 1013 К скорость роста мала: V ~ 0.1 нм/с (рис. 1, кривая 1). С повышением температуры подложки до 1033 К наблюдается увеличение скорости роста алмаза до 0.80 нм/с, а при Тп = 1053 К скорость роста V пленок достигает максимального значения ~0.9 нм/с. При температуре подложек 1068, 1083 и 1113 К скорость роста пленок уменьшается и составляет соответственно 0.58, 0.65 и 0.58 нм/с. Из кривой 1 видно, что при Тп < 1013 К скорость роста алмаза стремится к нулю, а при Тп > 1053 К наблюдается ее уменьшение. При Тп = 973 и 1373 К алмазные пленки не образуются.
При увеличении давления паров СН4 и Н2 до 21.3 кПа в ростовой камере и неизменной концентрации метана и водорода (2 и 98%) при температуре Тп = 1053 К наблюдалась относительно небольшая скорость роста алмаза (рис. 1, кривая 2). С повышением температуры подложки до 1083 К скорость роста V пленки увеличивается до 0.42 нм/с. При дальнейшем увеличении температуры Тп до 1173 К V уменьшается и составляет приблизительно 0.14 нм/с. Из кривой 2 видно, что при приближении Тп к 1033 К и при Тп —► 1273 К скорость роста алмазной пленки фазы V стремится к нулю.
Как видно из рис. 1, температурная зависимость скорости и роста алмаза при давлениях 10.7 и 21.3 кПа имеют вид кривых с максимумом. При большем давлении паров скорости роста уменьшаются и кривая V = /(Тп) смещается в сторону больших температур. Это свидетельствует о том, что для пленок алмаза, полученных при этих условиях синтеза, имеют место классические закономерности изменения скорости роста в зависимости от температуры [13, 14].
Рентгенодифракционные исследования реальной структуры алмазных пленок, полученных при 10.7 кПа, показали, что в зависимости от Тп структура пленок изменяется. В пленках, выращенных при температурах Тп = 1013 и 1113 К, содержится текстура с осью (110), т.е. в пленках преобладает преимущественный рост кристалликов алмаза с ориентацией плоскостью типа (110) параллельно подложке вольфрама. В пленках алмаза, полученных при температурах Тп = 1033 и 1053 К, наблюдается произвольная ориентация кристалликов нарастающего алмаза. При температуре подожки Тп = 1068 К в пленках проявляется слабая текстура с осью (311), а при Тп = 1083 К двойная текстура (110) + (311).
V, нм/с 0.9
0.7
0.5
0.3
0.1
1013
1053
1093
1179 т, К
Рис. 1. Зависимость скорости роста V алмазных пленок от температуры подложки Тп для концентрации 2%СН4 и 98%Н2 при давлении паров 10.7 (1) и 21.3 кПа (2).
Для анализа экспериментальных параметров реальной структуры алмазных пленок (Б),
л/0
(Е ), у в зависимости от температуры подложки Тп проведена подборка пленок одинаковой толщины, полученных в одинаковых условиях (таблица). Толщина этих пленок составила (й) = = 8.2 ± 0.3 мкм и для них зависимость величин (Б),
(Е ) , у имеет вид кривых с максимумом (рис. 2). Как видно из рис. 2, максимальный размер блоков мозаики в кристаллитах приходится на температуру подложки Тп = 1053 К, величина микродеформации максимальна при Тп = 1083 К, а плотность дислокаций - при Тп = 1068 К. Сравнивая эти кривые с температурной зависимостью скорости роста (рис. 1, кривая 1) этих же пленок, можно наблюдать их корреляцию.
В пленках, полученных при давлении паров 21.3 кПа и температуре подложки 1083 К, присутствует двойная текстура (110) + (311). При темпе-
Структурные характеристики алмазных пленок, выращенных при давлении паров 10.7 кПа и концентрациях компонентов 2%СН4 + 98%Н2
Тп, К Ф), мкм 7( Е2), х 10-3 у, х 1014 м-2
1013 0.010 0.085 5.47
1033 0.052 0.49 6.29
1053 0.097 1.11 7.5
1068 0.026 0.99 24.93
1083 0.036 1.34 24.37
1113 0.029 0.60 13.55
1
942
АЛЕКСАНДРОВ, СЕЛЬСКАЯ
0.9 0.7
м
* 0.5
0.3 0.1
1.3
1.0 - 20 (N |
м
о X
0.7 х - 15 о
N X
0.4^- 10
0.1
25
1013 1053 1093 Тп, к
Рис. 2. Зависимость параметров структуры алмазных пленок от температуры подложки Тп при давлении паров 10.7 кПа: 1 - размер блоков мозаики (О), 2 - величина микродеформации J{EF), 3 - плотность дислокаций у.
ратуре 1173 К в пленках выявляется сильная текстура с осью (110). Эти пленки являются мелкодисперсными с размерами (О), соответственно равными 0.017 и 0.029 мкм. Они имеют также
большие величины микродеформаций V (Е2) в кристаллитах ~1.72 х 10-3 и 1.4 х 10-3 и плотности дислокаций у (66.25 х 1014 и 31.61 х 1014 м-2).
ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Корреляция кривых температурной зависимости скорости роста и параметров (О); -/(Е2), у реальной структуры алмазных пленок свидетельствует о том, что одни и те же структурные элементы ответственны как за появление зародышей новой фазы, так и за реальную структуру пленок [13]. При синтезе алмаза в системе "активированный графит-водород-метан" в различных условиях допустимо возникновение фракций углерода и углеводородов различной молекулярной массы. Эти фракции, основу которых составляют молекулы Сп, могут быть в виде разветвленных кластеров - структурных единиц для формирования алмаза, цепочек - для кар-бина, замкнутых колец - для графита и др. При изменении температуры возможна различная концентрация этих структурных элементов. Вблизи
оптимальных температур Тп , при которых имеет место максимум скорости роста и концентрации дефектов в кристаллах алмаза (рис. 1, 2), могут преобладать короткие молекулы указанных типов, что способствовало бы образованию боль-
шого числа центров кристаллизации алмаза и одновременному формированию дефектов за счет, например, колец (структурных единиц другой аллотропной модификации углерода - графита), включенных в структуру алмаза. В этом случае возникновение дислокаций происходит под действием напряжений, вызванных градиентом концентрации АС/Ах [15], где в качестве примесей могут выступать нановключения графитовой фазы. При относительно низких значениях Тп из-за малой кинетической энергии м
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.