Взаимосвязь атомной структуры, морфологии и свойств гидрированных пленок углерода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

р г Б Ом

1 3 МАЙ

На правах рукописи

СТУКАЧ Сергей ,Николаевич

ВЗАИМОСВЯЗЬ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ. МОРФОЛОГИИ И СВОЙСТВ ГИДРИРОВАННЫХ ПЛЕНОК УГЛЕРОДА

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1996

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре Физики и технологии электротехнических материалов и компонентов.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

ПОПОВ А.И.

кандидат физико-математических наук ЛИГАЧЕВ В.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

в.н.с. КАЗАНСКИЙ А.Г., кандидат технических наук МИХАЛЕВ Н.И.

Ведущая организация: Московский государственный институт

электронной техники (Технический университет)

Защита состоится "¿¡Г" u/<?#<S 1996 г. в аудитории S* в 'S" час. ск? мин. на заседании диссертационного Совет; Д 053.16.06. Московского энергетического института по адресу 111250, Москва Е-250, Красноказарменная ул., 17, МЭИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 111250 Москва Е-250, Красноказарменная ул., 14, Ученый Совет МЭИ.

Автореферат разослан "''30" р У 1996 г.

Ученый секретарь, диссертационного Совета Д 053.16.06 канд. физ.-мат. наук

КАРЕТНИКОВ И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Известно.■ что аморфные материалы возможно получить исключительно при неравновесных условиях технологического процесса. Неравновесность условий получения приводит к весьма сильной зависимости атомной структуры материала, его фазового и компонентного состава, параметров>неоднородностей не только от метода приготовления,- но и от режимов технологического процесса в рамках одного метода.. Режимы получения опосредованно, через структуру, оказывают влияние на электрические, оптические, механические и др. свойства материала. Это обстоятельство часто воспринимается как недостаток некристаллических полупроводников, приводящий к плохой воспроизводимости их свойств. Однако знание взаимосвязи: технологические режимы получения - атомная структура -свойства открывает уникальные возможности управления свойствами материала посредством изменения условий получения при постоянном химическом составе. Такой подход был успешно реализован в методе структурной модификации свойств халькогенидных стеклообразных по-пупроводников (ХСП). ив методе псевдолегирования гидрогенизиро-занного кремния ( а-Б1:Н) позволяющий в определенной степени управлять свойствами этих материалов. В этих случаях получаемые различия в свойствах связаны либо с изменениями атомной структуры т уровне среднего порядка (случай ХСП). либо с изменениями в тодсистеме дефектов (случай а-31:Н), при неизменном ближнем порядке в расположении атомов.

Вместе с тем, наиболее существенных изменений свойств материала следует ожидать при изменении его структуры на уровне ближнего порядка. С этой точки зрения уникальным элементом периоди-юской таблицы является углерод, полиморфные кристаллические мо-шфикации которого (алмаз, графит, карбин) обладают диаметраль-ю противоположными Физико-химическими свойствами вследствие раз шчий в атомной структуре на уровне ближнего порядка в расположена! атомов. В случае пленок аморфного углерода следует ожидать юзможиости кардинального изменения свойств материала посредством пмшкшия режимов изготовления. Это позволит при постоянном хими-1еском составе получать диэлектрические слои и слои с высокой |.тжтропроппдноетьк>. пленки с существенно различными оптическими, юханическими и другими свойствами. Анализ литературных данных и

пропиленные: предварительные исследования подтверждают сделанное предположение.

Таким образом целью работы является установление взаимосвязи между технологическими режимами получения, атомной структурой, морфологией и физическими свойствами некристаллических пленок углерода для обеспечения возможности воспроизводимого получения материла с заданными характеристиками в широком диапазоне изменения свойств. - ,

Для достижения поставленной цели необходимо было:

- проведение комплексных исследований атомной структуры, фазового и компонентного состава пленок углерода независимыми методами, с целю получения достоверной информации о строении пленок;

- выявление режимов технологических процессов при которых формируются пленки с заданным соотношением концентраций различных •■ииип'риппих модификаций углерода;

- исследование морфологии пленок, определение параметров неоднородности различного типа и размера, исслидонание зависимости морфологии пленок от условий получения;

анализ механизмов конденсации СН„- комплексов и их роли в Формировании неоднородностей различного типа и размера;

- исследование явлений токопереноса как на постоянном, так и п.] П'.'ременном тики, при различных температурах окружающей среды, расчет важнейших параметров токопереноса; '

- спектроскопические исследования оптических свойств пленок. рт:чет оптических параметров;

- исследование спектров плотности состояний в щели подвижности. определение положение уровня Ферми; .

- анализ взаимосвязи между условиями■получения пленок, их структурой, морфологией, оптическими и электрическими свойствами.

Часть исследований:осуществлялась на основании приказов Комитета по Высшей школе от 15.09.92 г. И 572; от 9.07.93 г. N 67 и приказа Государственного комитета РФ по высшему образованию N 793 26.05.95 г. "О конкурсе грантов по фундаментальным исследованиям в области.электроники и радиотехники"и в рамках реализации госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ, выполненных на кафедрё ФТЭМК: МЭИ в период' с 1993 - 1996 г. г.

Научная новизна работы:

1. На. основании исследования структурных параметров пленок углерода различными методами (электронография. ИК- спектроскопия, модель приближения эффективной среды Вебмана) показано, что пленки содержат в своем составе структурные единицы различных аллотропических модификаций углерода (алмаза, графита, карбина). Соотношение различных структурных единиц определяется режимами получения пленок и может изменяться в широких пределах в рамках одного метода изготовления.

2. Определены режимы получения пленок углерода методом ВЧ ионно-плазменного распыления графитовой мишени, обеспечивающие формирование пленок с различным соотношением алмазо-подобной, графпто-подобной и полимерной фаз. а также с различными размерами неоднородностей (от 0.02 до 0.6 мкм). Это позволило получать пленки, ширина оптической щели которых различается на два порядка величины, а темновая электропроводность - более чем на 10 порядков.

3. По ^результатам исследований частотных зависимостей параметров пленок С:Н определена энергия барьеров, разделяющих неоднородности различной формы и размеров.

4. Проведены систематические исследования морфологии пленок С:Н в широких диапазонах изменения технологических режимов получения; для объяснения полученных экспериментальных результатов предложено использовать феноменологическую модель процессов конденсации СН„-- комплексов на поверхности роста пленок.

5. Методами токов, ограниченных пространственным зарядом и постоянного фототока получены данные о распределении плотности состояний в щели подвижности в диапазоне энергий от уровня Ферми до потолка валентной зоны в пленках с различным соотношением компонент. Установлена зависимость спектра плотности состояний от условий получения и компонентного состава пленок.

Положения выносимые на защиту:

1. Метод ВЧ ионноплазменкого распыления графитовой мишени в атмосфере аргон-водород позволяет получать пленки углерода, имеющие в своем составе различные аллотропные модификации углерода и характеризующиеся широким диапазоном изменения электрических и оптических свойств. За счет варьирования условий приготовления пленок С:Н темновая электропроводность приготовленного материала

может изменяться от 2 10"10 Ом"1 см"1 (Тп = 150 °С, W = 100 Вт) для пленок с преобладанием полимерной и алмазо-подобной компоненты. и до '/ Ом"1•см"1 (Тп = 400 °С, W = 650 Вт) для графито-подоб-ных пленок. Ширина оптической щели меняется в диапазоне от 0 -0.02 эВ для графито-подобных до 1.85 эВ для алмазо-подобных и полимерных пленок.

2. Феноменологическая модель для анализа взаимосвязи между параметрами морфологии и компонентного состава пленок углерода.

3. Увеличение плотности состояний в окрестности уровня Ферми связано с ростом доли графито-подобной компоненты в пленках С:Н.

4. За счет варьирования условий получения и компонентного состава можно добиться изменения положения уровня Ферми относительно дна зоны проводимости.

5. Увеличение доли графито-подобной компоненты в составе пленок приводит к сдвигу уровня Ферми по направлению к дну зоны проводимости.

Практическая значимость работы:

1. Установленные взаимосвязи между технологическими режимами получения, атомной структурой, морфологией и физическими свойствами некристаллических пленок углерода могут быть использованы для целенаправленного воспроизводимого получения материала с заданными характеристиками в широком диапазоне изменения свойств.

2. Метод ВЧ ионноплазменного распыления графитовой мишени может film, использован для получения пленок углерода, имеющих п сьоем составе различные аллотропные модификации углерода и характеризующиеся широким диапазоном изменения электрических и оптических СВОЙСТВ. '

3. Показано, что адаптированную к пленкам углерода модель эффективной среды Вебмана можно .применять для расчета их компонентного состава.

4. Данные по режимам приготовления широкогюпиых илппок угле рода могут быть использованы для нанесения -защитных: слоев при производстве электрофотографических носителей информации/'

Ь. Полученные в работе данные по исследованиям зависимости параметров спектров плотности состояний от условий получения могут быть использованы для оптимизации свойств пленок С:Н. •'■•""

6. Показано, что за счет изменения условий приготовления, приводящих к изменению положения - уровня Ферми, можно получать ма-

териал с весьма .широким диапазоном изменения электрических свойств. ■ ■ ■ ■ ■

Реализация результатов работы. Данные по режимам получения широкозонных пленок углерода рекомендованы Ассоциацией разработчиков и производителей электрофотографической техники (АРПЗТ) для применения при нанесении защитных слоев в производстве электрофотографических носителей информации на предприятиях производящих и реставрирующих данную продукцию. Адаптированная к пленкам углерода модель эффективной среды Вебмана используется н научных раоо та- кафедры ФТЛМК ИЛИ для расчета компонентного состат пленок. Данные по структуре и свойствам гидрогенизироваиных пленок угле рода используются в учебном процессе в МЭИ при подготовке бакалавров по направлению "Электроника и микроэлектроника" и инжене ров по специальности "Материалы и компоненты твердотельной электроники".

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались па:

Российский научно технической конференции с международным участием ни Физике диэлектриков "Диэлектрики - УЗ" (г. Санкт Петербург, июнь 1У93 г.);

.- на научно - технических семинарах Московского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (г. Москва, ноябрь 1993 г., ноябрь - декабрь 1994 г.);

- 1-ой Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (г. Суздаль, сентябрь 1994 г.);

- Международном семинаре по прогрессивным технологиям многокомпонентных пленок и структур (Украина. г.Ужгород, сентябрь 1994 г.):

- Конференция "Microelectronic Manufacturing'94" (20 Октября 1994 г., Остин, Техас, США); •

- Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ленинские горы - 1995" (секция физики) (г. Моск-за, МГУ. апрель 1995. г. ); .

- Международной конференции по электротехническим материалам и компонентам "МКЭМК -'95" (Крым, октябрь 1995 г.);

- научно-практическая конференции украинского вакуумного общества "Вакуумная техника и вакуумные технологии" (Украина, г. Харь-

ков. ноябрь 1995 г.);

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликованы 10 печатных работ-и 5 отчетов по научно-исследовательским работам. . . ■

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 116 наименований и приложения. Работа содержит 129 страниц машинописного текста, 57 рисунков.и 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования и положения выносимые на защиту, а также основные результаты, составляющие научную новизну и практическую значимость работы, ...

В первой главе представлен обзор литературных данных, особое внимание в нем уделяется вопросам приготовления пленок углерода, исследованию их атомной структуры, фазового и компонентного состава. морфологии, анализу физических свойств материала. Кроме того, рассмотрены некоторые области практического применения пленок углерода.

Подробно анализируются различные методы приготовления пленок углерода: Проводится их сравнительный анализ, обсуждаются основные достоинства и недостатки. В настоящее время разложение углеводородов в плазме - это наиболее распространенная группа методов. используемая для воспроизводимого ¡приготовления пленок углерода с заданными, свойствами,;- В тоже время, более привлекательный с точки зрения безопасности и ¡простоты .управления технологическим процессом - -метод высокочастотного (ВЧ) - ионно-плазменного.распыления графитовой мишени - не нашел широкого.-практического распространения для- приготовления лленок углерода.

. -В главе- рассмотрена-атомная структура известных-аллотропных модификаций ¡углорндШ'И-1 наиболее :устойчивых .гтолитипов:чМногооО разие; кристаллических форм углерода-приврдит; к -структурному. многообразию аиорфних^ленок.- которое-определяется их условиями' приготовления. Приводятся многочисленные литературные датнё.'о'- строении, ^ иос ■ч.1 'Лг,1л-пног:с :п'п1м11!>й.:,чи'рую:у{йг,. !.<фазоног.о «кггаваьи.гморфолм'.йилш!.;

нок. Однако, из-за наличия в материале различных структурных единиц и присутствия атомов водорода большинству описанных методов исследования атомной структуры пленок присущи методические погрешности, не позволяющие получить объективные данные о реальной структуре пленок С:Н. Нет целостных представлений о влиянии морфологии на оптические и электрофизические свойства пленок.

Проведено теоретическое рассмотрение оптоэлектронных свойств некристаллических материалов. Показано, что большинство оптоэлектронных свойств материалов связано с распределением плотности состояний (ПС) в щели подвижности. Однако к настоящему времени для гидрогенизированных пленок углерода спектры ПС в щели подвижности еще не достаточно изучены, в виду того, что большинство методов их исследования и методик расчета сопряжено с объективными трудностями. В частности, широко используемый для анализа спектров плотности состояний в аморфных гидрированных пленках кремния метод постоянного фототока не может быть в классическом варианте применен к пленкам С:Н из-за их низкой фотопроводимости. Обсуждаются результаты исследований токопереноса на постоянном и переменном токе. Приводятся данные исследований оптических свойств. Особое место в главе уделяется установлению корреляции между условиями приготовления, структурой и физическими свойствами пленок. В заключении литературного обзора конкретизированы цель и сформулированы задачи настоящей работы, намечены основные пути решения.

Во второй главе описано технологическое оборудование и методика получения гидрированных пленок углерода (С:Н). Тонкие пленки С:Н (толщиной 0.15 - 0.45 мкм) получали методом ВЧ ионно-плазмен-ного распыления графитовой мишени в атмосфере газовой смеси аргон-водород (7:1). В качестве подложек использовались кристаллы NaCl, монокристаллический кремний (КДБ-10). стекло и поликор. Давление газовой смеси в камере оставалось постоянным и поддерживалось на уровне 7•10"3 Topp. В качестве варьируемых параметров технологического процесса были выбраны ВЧ мощность разряда (100 с W < 650 Вт) и температура подложки (100 < Т„ < 400 0С). Таким образом. была исследована.широкая область изменения режимов получения пленок углерода.

Исследования фазового состава, морфологии и атомной структуры пленок С:Н проводились с использованием универсального элект-

ронного микроскопа УЭМВ-100К методами электронной микроскопии и электронографии.

Подавляющие большинство полученных пленок оказалось аморфными. Однако, существует-'небольшая" область технологических параметров (W = 150 - 200.Вт, Тп- 400 °С). где на фоне аморфной матрицы пленки С:Н формируются микрокристаллические области размером порядка 0.1 мкм. имеющие полимерное строение по типу карбина.

Была выявлена сложная зависимость морфологии"пленок углерода от технологических режимов получения. Морфологию большинства исследованных пленок можно представить как совокупность мелких неод-нородностей, характерный размер которых 0.02 -0.04 мкм. На фоне мелких неоднородаостей могут присутствовать и более крупные образования (0.2 - 0,6 мкм). -

Электронограммы./снятые в режиме дифракции, фотометрирова-лись на денситометре (MD-100). Далее, по известной методике была рассчитана сферически симметричная функция радиального распределения атомов (ФРРА). Анализ ФРРА позволил провести расчет параметров ближнего порядка атомной структуры'пленок: радиусов первых трех координационных сфер (r'j. гг, г3) и координационных чисел (nt, пг, п3). Для сравнения в работе приведены соответствующие литературные данные для известных кристаллических аллотропных модификаций углерода (графита,- алмаза и карбина). Показано, что изменение режимов приготовления приводит к существенным изменениям параметров ближнего порядка атомной структуры материала пленок углерода, - включая первую'координационную сферу; Так; 'ири малых мощностях распыления (100 - 150 Вт. Тп = 400 °С) параметры первой координационной сферы (г, = 1.30 - 1.35 А0, щ = 2) Пленок углерода близки к соответствующим параметрам карбина (rt =1.30 -1.40 A0,' nj = 2). Это позволяет сделать вывод. Что в рассматриваемых пленках преобладают цепочечные структурные единицы.типа карбина. С увеличением ВЧ мощности распыления до ЗЬО - 550 Вт наблюдается увеличение соответствующих радиусов координационных сфер й координационных чисел. Координационные числа пленок С: оказываются в интервале мёжду значениями.соответствующих параметров дда графита и алмаза, "что доказывает присутствие в данные ""'образцах структурных единиц с sp2- и sp3- гибридизацией валентных электронов атомов углерода. V, ' ■ ••*• •• '•".'■i'",- '-".с

Проведен анализ ФРРА с.помощью моделей .'элементарных 'ячеек

различных аллотропических модификаций углерода, при котором учитывается вклад в ФРРА атомов не только первой и второй, но и третьей координационных сфер. Анализ показал, что пленки С:Н могут содержать структурные единицы алмаза, графита, карбина, а также возможно присутствие специфических структурных единиц, характерных лишь для аморфной фазы - модификаций некристаллического аморфного углерода (а-С). Таким образом "был определен состав пленок. "

Для получения дополнительной информации о' структурных особенности пленок углерода (в диапазоне волновых чисел'400 - 4000 см"1) проведены ИК- спектроскопические исследования, которые позволили определить концентрации различных СНП- комплексов ( п = О. 1, 2, 3) с эр"1 - гибридизацией (ш = 1, 2, 3) 'атомов углерода входящих в состав комплексов. Проведен сравнительный анализ результатов исследования фазового состава пленок полученных электроног-рафическими и ИК- спектроскопическими методами. Обсуждаются достоинства и недостатки этих методов. Показано, что в зависимости от технологических режимов можно получать пленки С:Н с воспроизводимой графито-подобной, алмазо-подобной и полимерной структурой.

В работе рассмотрены модельные представления процессов, относящихся к кинетике движения, захвата и реиспарения СНП- комплексов на поверхности растущих пленок. Использована феноменологическая модель роста пленок, основанная на анализе механизмов конденсации СН„- комплексов на поверхности роста и их участие в формировании неоднородностёй различного типа, формы и размеров в пленках. Исходной предпосылкой'для' анализа было предположение'о различной подвижности СН„- комплексов и как следствие -'их различной. роли в Формировании неоднородностей с'заметно различающимися параметрами. • " ' '

В третьей главе кратко описаны основные "Методы" и результаты экспериментальных исследований" электрических и оптических свойств материала; ""'" ' : ■ " '

Электрические свойства пленок углерода исследовались как -на постоянном, так и на переменном токе в диапазоне частот 100 Гц -35 МГц при температурах окружающей среды от 20 до 200 "С.

По температурным зависимостям темновой проводимости (1пб от ((1/1)) пленок углерода определена энергия активации проводимое-

та. Обнаружена зависимость энергии активации от технологических режимов получения. По экспериментальным данным было также определено темновое электрическое сопротивление р (см. рис. 1) пленок С: H при комнатной температуре. Как видно из рис. 1, темновое сопротивление пленок изменяется более чем "на 10 порядков величины: от 5109 Ом-см для алмазо-подобных.и полимерных пленок (Тп = 150 °С, W = 100 Вт) до 0.1 Ом-см для графито-подобных пленок (Тп = 400 °С, W = 650 Вт). Это свидетельствует о широких возможностях изменения электрофизических свойств пленок за счет варьирования режимов технологичёского процесса.

Из частотных зависимостей емкости С(П и тангенса угла диэлектрических потерь tgô(f) (Т « 20 - 200 °С И Г = 100 Гц - 35 МГц) пленок с испЬлмованием модели Фрелиха были рассчитаны параметры релаксаторов и установлена их связь с неоднородностями различных типов и размеров, присутствующих в пленках С:Н. Наличие в пленках мелких неоднородностей (с характерными размерами 0.02 -0.04 мкм), приводит к формированию в них энергетических барьеров высотой AEt = 0.50 - 0.75 эВ , в то время как барьеры высотой,ДЕ2 = 0.30 - 0.45 эВ возникают из-за появления неоднородностей. средний размер которых порядка 0.1 - 0.6 мкм. Изменение высот потенциальных барьеров сопровождается варьированием размеров и формы неоднородностей. а также изменением типа СН„ - комплексов, принимавших участие в их формировании.

С помощью спектрофотометра SPECORD M 400 в диапазоне длин волн 200 - 900 нм были сняты спектры пропускания и отражения систем "пленка С:H - стеклянная подложка". Исследование спектра пропускания стеклянной подложки позволило отнести систему "пленка С: н - стеклянная подложка" в диапазоне энергий фотонов 1.2 - 3.£ эВ к случаю "поглощающей пленки на слабо поглощающей подложке". По известным значениям коэффициентов пропускания и отражения был» рассчитаны спектральные зависимости комплексного показателя преломления пленок (N - n + lk). Далее, вычислялись зависящие от энергии фотона Е-йш значения коэффициента оптического поглощение

- 13 -О** оу

а{Е). Наконец, с помощью линейной экстраполяции зависимости [ос<Е)-Е]1'2 от Е в области края поглощения ( 104 < а(Е) < 105 см"Ч. определялись оптическая ширина щели материала Ей. Полученные результаты представлены на рис. 2. Как видно из рис. 2 изменение технологических .параметров получения пленок С:Н приводит к изменения ширины оптической дели на два порядка, величины: от Ее = О - 0.02 эВ для графито-подобных до Ее - 1.85 эВ для алмазо-подоб ных и полимерных пленок.. - ; . .

В четвертой главе приведены результаты расчета компонентного состава пленок углерода с использованием адаптированной модели эффективной среды Вебмана; описаны методики и результаты расчета ПС в щели подвижности.

На основе результатов расчета оптических параметров, проведено моделирование компонентного состава пленок С:Н с помощью приближения эффективной среды" Вебмана. Эта модель была разработана для неоднородных, гетерогенных сред в состав которых входят несколько компонентов "(1 = 1, 2... п), и устанавливает связь между оптическими константами исследуемой среды (ЦШ)). оптическими константами (^Шш)) компонент, входящих в ее состав, и их долей ) в материале:

„ ()ш) - е (Пш)

I V, - = О

С! №ш) +" 2е №ш)

п

I V, - 1 1-1

(1).

В предположении, что исследуемые гидрированные пленки углерода представляют совокупность трех компонент (п=3): алмазо-по-добной, графито-подобной и полимерной компоненты система уравнений (1) имеет бесконечное множество решений. Следовательно, для поиска имеющих физический смысл решений система (1) должна быть дополнена. Для этого мы можем использовать следующие условия:

Тш Г V. 1 = О

(2)

О < Ее [ ] < 1 (3)

'де 1ш [ V, ]. Не [ V! ] - соответственно мнимая и действительная щсти доли компоненты.

Физический смысл этих условий очевиден: доля У^ компоненты ■ действительное число (2). находящиеся в диапазоне от 0 до 1 :з).

Если из эксперимента известны плотности (К) пленок, то сис-'ему уравнений (1) можно также дополнить уравнением:

' т - г ъ (4).

1« 1

гаторое устанавливает связь между плотностью среды а) - в нашем :лучае пленкой С:Н, плотностями С^ > и долями (V!) компонентов ходящих в состав исследуемой пленки.

Проведено сравнение результатов расчета параметров атомной :труктуры, фазового и компонентного состава исследованных пленок ::Н различными методами использованными в работе.

Следующие разделы главы посвящены расчетам спектра ПС в щели юдвижности пленок углерода С:Н. Для этих целей были использованы ®а независимых метода: первый - метод токов, ограниченных прост-шственным зарядом (ТОПЗ) более чувствителен в сравнительно уз-:ой области спектра (0.1 - 0.4 эВ) - в близи уровня Ферми , вто-юй - метод постоянного фототока (МПФ) дал хорошие результаты в юлее широкой области спектра (1.3 - 2.4 эВ). Таким образом полугены распределения ПС в широком диапазоне энергетического спектра [ установлена их взаимосвязь с оптоэлектрическими свойствами ма-■ериала.

Исходными данными для расчета спектров ПС методом токов ог-йниченных пространственным зарядом (ТОПЗ) являются экспериментальные вольт-амперные характеристики пленок углерода. Спектры «определения ПС вблизи уровня Ферми рассчитывались с использова-мем пошаговой методики ,ден-Боера, в которой усредненная плот-юсть состояний Л(Е) между положениями Ег>1 и уровня Ферми

щределяется соотношением:..

2lt0 AU

Ы(Е)" = -—--- " (5)

qdz AEf

где 1 [, 1!, точки экспериментальной ВАХ, AU = Ut - U1 + 1. t - диэлектрическая проницаемость материала, е0 диэлектрическая нос тоянная. q - заряд электрона, d - толщина пленок, AEf = Ef.t -Kf. i ♦ i ^ kT 1 n ( 11 * t ' U,/ I,-U10). к - постоянная Больцмана. Положение уровня Ферми по отношению к дну зоны проводимости определялось по величине энергии активации высокотемпературного участка зависимости 1пб от И Г/'Г) пленок, что обусловлено относитолык: небольшим влиянием статистического сдвига уровня Ферми на характер изменения темновой проводимости материала на этом участке.

Методом постоянного фототока в диапазоне энергий фотонов 1.i 2.4 эВ (длин волн 600 - 1000 нм) были измерены спектральные за висимости коэффициента поглощения пленок С:Н. Далее рассчитывались спектры ПС в щели подвижности исследованного материала.

Для большинства исследованных образцов устойчиво.проявляете* тенденция: по мере увеличения ВЧ мощности распыления и температуры подложки, плотность локализованных состояний в щели подвижности увеличивается. Предполагается, что за высокую ПС в пленках углерода в первую очередь отвечает графито-подобная компонента. Увеличение доли графито-подобной компоненты в пленках приводит t увеличению ПС и сдвигу уровня Ферми к дну зоны проводимости. Увеличение ПС сопровождается возрастанием электропроводности и оптического поглощения материала.

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Использованный в работе метод получения позволил приготовить гидрированные пленки углерода с параметрами атомной структуры. фазовым и компонентным составом, морфологией, электрическим! и оптическими свойствами, которые могут изменяться в весьма широких пределах. Имеется возможность получения как аморфных, так i аморфно-кристаллических пленок с различными особенностями морфо логии (характерным типом, формой и размерами), с заданным соотно-

шепигм концентраций различных аллотропных модификации углерода. Структурное многообразие, реализуемое в пленках за счет варьирования режимов технологического процесса (температуры подложки и ВЧ мощности распыления) приводит к широкому диапазону изменения электрических и оптических свойств. Так, темновая электропроводность материала принимает значения от 2-10"10 Ом"1-см"1 (Тп = 150 "С, V/ = 100 Вт) для пленок с преобладанием полимерной и алма-зо-подобной фазы, идо 7 Ом"1 см"1 (Тп = 400 °С, ДО = 650 Вт) для графито-подобных пленок. Ширина оптической щели меняется в диапазоне от 0 - 0.02 эВ для графито-подобных до 1.В5 эВ для алма-зо-подобных и полимерных пленок.

2. Сочетание независимых методов: электронографии. ИК-зпектроскопии и модели приближения эффективной среды Вебмана поз-золило сформировать целостную и в достаточной степени достоверную картину атомной структуры, фазового и компонентного состава материала. Показано, что пленки С:Н могут содержать структурные еди--шцы алмаза. ' графита, карбина, а также возможно присутствие спе-дифических структурных единиц, характерных лишь для аморфной фазы.

3. К пленкам углерода адаптирована модель эффективной среды. ; помощью которой по результатам исследования оптических свойств мссчитан компонентный состав исследуемого материала. Результаты эасчета компонентного состава материала таким методом в целом согласуются с результатами ИК- спектроскопических и электроногра-[4!ческих исследований. Исследования компонентного состава пленок углерода с использованием, модели приближения эффективной среды дополняют и уточняют результаты исследования структуры материала другими независимыми методами. Модель приближения . эффективной среды Вебмана, пригодна для экспресс-анализа компонентного состава этих пленок.

4. Выявлены наиболее обре закономерности влияния режимов технологического процесса на фазовый и компонентный состав пленок ;: Н.' Увеличение ВЧ мощности распыления приводит к увеличению кон-дентрации графито-подобной фазы в составе материала, до 75 - 80%. (апротив. по мере уменьшения мощности ВЧ разряда, увеличивается доля полимеро-подобной (до 90 - 95 %) и'алмазо-подобной фазы"(до Ю - 40 %). Аналогичное влияние' на .процессы формирования атомной ;труктуры пленок оказываеттемпература подложки, увеличение ко-

торой приводит к увеличению доли графито-подобной компоненты.

5. По результатам электронномикроскопических исследований были определены параметры характерных неоднородностей, обнаруженных в пленках (тип. размер, форма). Анализ частотных зависимостей электропроводности позволил определить высоту потенциальных барьеров между неоднородностями.:

6. Комплексные исследования особенностей морфологии пленок показали сложную зависимость параметров неоднородностей от технологических режимов получения. Выявлены характерные режимы при которых формируются однородные пленки, а также условия при которых на фоне мелких неоднородностей становится возможным формирование более крупных образований. Рассмотрено влияние параметров плазмы (ВЧ мощности разряда).и параметров осаждения (температуры подложки) на условия формирования неоднородностей различного типа. Использована феноменологическая модель роста пленок, основанная на анализе механизмов конденсации СН„- комплексов (где п = 0, 1, 2, 3) на поверхности роста и их влияния на : формирование неоднородностей различного типа и размеров в пленках.

7. Исследованы параметры токопереноса как на постоянном, так и на переменном токе (100 Гц - 35 МГц), в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды (20 - 200 °С).

8. По экспериментально измеренным спектрам пропускания и отражения (200 - 900 нм) рассчитаны оптические параметры пленок (комплексный показатель преломления и ширина оптической щели). Установлено, что оптические параметры пленок определяются концентрациями компонент входящих в их состав.

9. Установлено, , что свойства исследованных пленок занимают промежуточное положение по отношению к свойствам известных аллотропных кристаллических модификаций углерода.

10. Рассчитаны спектры плотности состояний в щели подвижности гидрированных пленок углерода. Для расчета использовались два независимых метода: метод токов ограниченных пространственным зарядом и метод постоянного фототока. Установлено, что с увеличением графито-подобной компоненты в составе материала плотность локализованных состояний увеличивается. Увеличение,плотности состояний приводит к возрастанию электропроводности и оптического поглощения материала в видимой области спектра.

И. Для исследованных пленок С:Н обнаружено изменение положе

шя уровня Ферми без введения легирующей примеси, посредством изменения режимов технологического процесса.

12. Использованный метод получения гидрогекизированых пленок /глерода сочетает в себе сравнительную безопасность и простоту /правлений технологическим процессом, позволяет с достаточной степенью воспроизводимости получать пленки С: Н с заданными композитным и фазовым составом, особенностями морфологии, электричес-сими, оптическими свойствами, которые можно варьировать.в достаточно широком диапазоне.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Лигачев В.А.у Попов А.И.. Стукач С.Н.: Влияние условий :онденсации на процессы поляризации в пленках гидрированного уг-юрода // Диэлектрики - 93: Тез. докл. Рос.: научн.-техн. конф. по )из. диэлектриков с междунар. уч. 22-24 июня 1993 г. -:анкт-Петербург, 1993. - Т.1. - С. 141-142.

2. Релаксационные процессы в пленках углерода в зависимости >т условий их изготовления / Попов А.И., Лигачев В.А.. Васильева [. Д.. Стукач С. Н. // Шумовые и деградационные процессы в полупро-юдниковых приборах: Тез. докл. науч.-техн. семинара 23 - 25 но-бря 1993 г. - Москва. 1994.- С. 78 - 82.

3. Гидрированные пленки углерода: режимы изготонлпшн. труктура. гвойствэ / Васильева Н.Д., Лигачев,-Д.. а;, Попов A.n., тукач С.Н. // Материалы твердотельной электроники: Конкурс гран-ов 1992 - 1993 гг. по исследованиям в области твердотельной лектроники. - М.: МГИЭиМ, 1994. - 4.2. - С. 289 - 301.

4. Лигачсн В. А.. Попов А.И. , Стукач С.Н. Условия получении, труктура и свойства гидрированных пленок аморфного углерода // Til. - 1994. Т. 20. - N 12. С. 2145 - 2155'.

5. Исследование гидрированных пленок" углерода для электро-ехнических и электрофотографических устройств / Попов А.И., Ли-ачонВ.А.. Стукач С.Н., Васильева Н. Д. // МКЭЭ'- 94: Тез. докл.

Межд,- Конф. по электромеханике и электротехнологии 13 16 сен-ября 1994 г., - Суздаль, 1994.- С. 52.

' 6. Попов А.И., Лигачев В.А.. Стукач С.Н: Определение компо-ентного состава гидрированных пленок углерода по результатам оп-ических измерений // Тез. докл. Международного семинара по прог-ессивным технологиям многокомпонентных пленок и структур 28 - 30

сентября 1994 Г. - Ужгород. 1994. - С. 93 - 94.

7. Попов Л.И., Лигачев В. А., Стукач С.Н. Деградация и спектры плотности состояний в пленках С:Н. // Шумовые и деграда-ционные процессы в полупроводниковых приборах: Тез. докл. науч. -техн. семинара 28 ноября - 1 декабря 1994 г. - Москва. 1995. -С. 95 - 99.

8. Попов А.И., Лигачев В.А.. Стукач С.Н. Оптические исследования тонких гидрогенизированных пленок углерода // Mlcroelect.ro-nic Manufacturlng'94: Тез. докл. конференции 20 октября 1994 -Остин. США. - Т. 2337. - С. 112 - 116. (на англ. языке).

!). Попои А.И.. Лигачев H.A.. Стукач С.Н. Исследование струк туры, электрических и оптических свойств гидрированных пленок углерода // МКЭМК - 95: Тез. докл. Межд. конф. по электротехническим материалам и компонентам 2-7 октября 1995 г. - Крым. 1995.

С. 34.

10. Получение тонких гидрированных пленок углерода методом ВЧ ионно-плазменного распыления / Попов А. И., Лигачев В. А.. Васильева Н.Д.. Стукач С.Н. // Вакуумная техника и вакуумные техно логни: Тез. докл. научно-практической конф. 14 16 ноября 1995 Г. Харьков. 1У95. Т. 1. - С. 240-251.'

Подписано к печати Л— //)/) ^ О X?

Печ. л. (fi£ Тираж tVU Заказ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.