Тема. Алмазні та алмазоподібні матеріали на основі вуглецю.
Основні питання
1 Будова та структурні характеристики полікристалічних алмазних плівок.
2 Синтез безводневих плівок вуглецю.
3 Емісійні властивості алмазоподібних плівок.
4 Утворення алмазоподібних (а-С) покриттів.
Список літератури
1.Самсоненко Н.Д., Носанов Н.И., Самсоненко С.Н. и др. Поликристаллические алмазные пленки, выращиваемые методом химической транспортной реакции на чужеродных подложках// Proceedings of 4th International Symposium on Diamond Films and Related Materials.- Kharkov: NSC „KHIPHT”, 1999.-P. 27-35.
Аксенов И.И., Стрелецкий В.Е. Синтез безводородних пленок алмазоподобного углерода //Алмазные пленки и пленки родственных материалов.–Харьков: ННЦ ХФТИ, 2001.- С. 97-105.
Топоров Ю.П., Буйлов Л.Л., Алексенко А.Е. и др. Эмиссионные свойства алмазных пленок //Алмазные пленки и пленки родственных материалов.- Харьков: ННЦ ХФТИ, 2002.- С. 157-161.
Калиниченко А.И., Стрельницкий В.Е. Образование ta-C в термоупругих пиках ионов углерода и углеродов // Алмазные пленки и пленки родственных материалов.- Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003.- С. 147-152.
Тема. Матеріали, споріднені з алмазоподібними
Основні питання
Магнетронні розпилювальні системи для отримання алмазоподібних матеріалів
Отримання, будова і властивості плівок AlN
Тонкоплівкові термопечатні матриці та безнакальні
катоди
Пристрій на поверхневих акустичних хвилях
Список літератури
Белянин А.Ф. Выращивание магнетронным распылением пленок алмазоподобных материалов и применение слоистых структур на основе этих пленок в устройствах электронной техники// Алмазные пленки и пленки родственных материалов. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003.- С. 67-73; 77-85; 89-92; 92-97; 97-100.
Розділ 3 Алмазоподібні та споріднені їм матеріалили
До алмазоподібних матеріалів (порошків, плівок, покриттів) відносять не тільки матеріали на основі карбону з кристалічного решіткою, подібною до алмазу, а й багато інших матеріалів, до складу яких не входить карбон. Традиційно до алмазоподібних матеріалів відносять всі матеріали, що мають дуже велику твердість, тобто подібну до алмазу (алмаз за шкалою Маоса (мінералогічною) має максимальну твердість 10).
До матеріалів із високою твердістю можна віднести нітриди перехідних металів Ti, Nb, Zr та ін., бориди Ti, Zr, Y, W; карбіди W, Zr тощо. Більш детально ми розглянемо методи одержання та властивості матеріалів, споріднених з алмазоподібними, на прикладі нітридів, боридів та карбідів металів.
17 Методи одержання
Умовно всі методи отримання матеріалів, споріднених з алмазоподібними, можна класифікувати на фізичні (термічне випаровування, іонне осадження) та хімічні (осадження із газової фази, термічне розкладання, нітрування). Їх можна узагальнити у вигляді таблиці 1.8.
Розглянемо фізичні методи осадження матеріалів.
Термічне випаровування. У зв’язку з високою температурою плавлення більшості карбідів, нітридів та боридів цей метод використовується рідко. Суть методу полягає в електронно-променевому або лазерному випаруванні речовин (наприклад, боридів, нітридів) при одночасному нагріванні підкладки до 920-1870 К.
Таблиця 1.8 – Основні методи отримання матеріалів, споріднених з алмазоподібними
Метод
Основні різновиди
Сполуки
Фізичні методи
Термічне випарування
Активоване реактивне розпилення (АРР)
Електронно-променеве нагрівання
Лазерна обробка
Нітриди, карбіди
Бориди, карбіди
Нітриди, карбіди
Іонне осадження
Іонно-дугове розпилення
Магнетронне розпилен-ня (МР)
Іонно-променева обробка
Імплантація
Нітриди, карбіди
Нітриди, бориди, карбіди
Нітриди, бориди
Нітриди, бориди, карбіди
Хімічні методи
Осадження з газової фази
Плазмовоактивовані процеси
Нітриди, бориди, карбіди
Термічні розкладання
Газоподібні та конден-совані прекурсори (спо-луки)
Нітриди, бориди
Азотування (нітрування)
Низькотемпературні методи, імплантація
Нітриди
Іонне осадження (PVD або технологія плазмоактивованих процесів. Існує декілька різновидів іонного осадження:
іонно-дуговий розряд (ІДР);
магнетронне розпилення (МР);
іонно-променева обробка (ІПО).
Іонно-дуговий розряд утворюється в атмосфері азоту чи вуглецевій атмосфері (метан, етан та ін.). Найчастіше використовують реактивні середовища із Ar+N2 при одержані нітридів або Ar+CnHm (метан, етан) при одержанні карбідів при тиску 10-3 мм рт.ст. Також використовують металеві катоди (Ti, Ir, Mo, W, Cr) залежно від поставленої задачі.
При магнетронному розпиленні можна використо-вувати не тільки катоди із металів і сплавів, а також катоди із різних сполук (TiN, ZnN, та інші). До того ж температуру підкладки можна знизити до 370-470 К. Ці фактори значно розширюють можливості одержання плівок в аморфному і нанокристалічному стані.
Існує багато варіантів магнетронного розпилення: розпилення при постійному струмі, високочастотне розпилення ТОЩО. Однак ступінь іонізації, кінетична енергія іонів і швидкість осадження майже в усіх випадках нижчі, ніж при ІДР.
При іонно - променевій обробці відбувається вибивання атомів мішені за рахунок бомбардування її поверхні іонними пучками. На рис. 1.26 наведена схема іонно - стимульованого осадження нітридних плівок.
Перейдемо до розгляду хімічних методів осадження.
Осадження газової фази. Традиційно CVD-технологія (хімічне осадження) пов’язана з високотемпературними газовими реакціями таких типів:
TiCl4 + 1/2 N2 + 2H2®TiH + 4HCl,
TiCl4 + 1/n CnHm + H2®TiC + 4HCl + (m/2n – 1)?H2,
TiCl4 + 2DCl3 + 5H2®TiB2 + 10HCl.
Вони давно застосовуються для одержання зносостійких захисних шарів, плівок і покриттів. У більшості випадків температурний інтервал осадження CVD– плівок складає 1173 – 1373 К, швидкість осадження – 0,03 – 0,2 мкм?хв-1.
Рисунок 1.26 – Схема бінарного іонно-стимульованого осадження нітридних плівок: 1 – мішень (Ti, Zr, Hf); 2 – джерело іонів азоту або суміші іонів аргону ТА азоту для підкладки; 3-джерело іонів аргону, ксенону, неону або азоту для мішені; 4 – підкладка; 5 – механізм кутового обертання; 6 – фіксатор координат; 7 – лічильник густини струму; 8 – лічильник швидкості осадження
Пошук можливостей зниження температури процесу, обумовлений, головним чином, вимогами електроніки і машинобудування, посприяв створенню різних варіантів фізично стимульованих режимів, у яких використовуються плазмова і лазерна техніка, електронний циклотронний резонанс. Для цих варіантів характерні такі особливості:
температура осадження знижується до 500-800 К;
швидкість осадження складає 10-3 – 0.2 мкм?хв-1;
використовуються металоорганічні прекурсори тиску тетрадиметил(етил)амідів – Ті(N(СН3)2)4, Ті(N(С2Н5)2)4 та ін., які мають високий тиск пари;
порівняно зі звичайною СVD-технологією ці методи вимагають особливих приладів, тому їх використання у більшості випадків економічно доцільне тільки в електроніці.
Вищеописаними методами можна отримати при відносно низьких температурах (500 – 700 К) такі нітриди: ТіN, Zr3N4, Hf3N4, VN, Nb3N4 та Та3N5.
Термічне розкладання. Термоліз газоподібних і конденсованих прекурсорів для одержання плівок використовується дуже рідко. Стосовно плівок нітриду і карбо-нітриду титану їх можна отримувати термічним розкладанням деяких металоорганічних сполук титану.
Осадження плівок боридів титану, цирконію і гафнію термолізом боргідридів можливо провести при дуже низьких температурах розкладання (400 – 550 К), і при цьому відбувається утворення як аморфних, так і кристалічних плівок, які мають достатню металеву провідність. Остання властивість особливо приваблива для використання цих плівок в електроніці як дифузійних бар’єрів.
Нітрування. Нітрування можна провести різними методами:
іонна і лазерна імплантація азоту в тонкі металеві плівки або поверхневі шари;
низькотемпературне (673 К) нітрування гідразином.
Разом з тим, у порівняно з методами осадження із газової фази і термічного розкладання, метод нітрування не має особливих переваг.
