Алмазоподобные кремний-углеродные пленки представляют собой новый класс аморфных материалов, сочетающих ряд свойств, близких к свойствам алмаза [1].
Особенностью аморфных кремний – углеродных пленок, содержащих металл, является то, что они имеют нанокластерную структуру. Это существенно отличает их от других аморфных материалов, в частности, от полупроводников Si и Ge, и они представляют самостоятельный фундаментальный интерес для наноструктурных технологий [2].
Матрица пленок, обладая всеми достоинствами алмазоподобных материалов, может накапливать в себе большие концентрации металлов, оставаясь аморфной. Легирующими элементами могут быть простые (Mg, Cu, Ag, Au, Li, Na и др.), переходные металлы (Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb и др.) и элементарные полупроводники (Si, Ge, Te и др.) [3]. Структура DLN хорошо описывается моделью взаимно проникающих друг в друга сеток различного типа атомов или молекул, чаще всего дополнительно стабилизированных водородом. Конкретно для рассматриваемых здесь DLN – это сетки –C–С–, –Si–O– и сетка атомов легирующего металла [4]. Благодаря этим свойствам пленки представляют огромный интерес и находят широкое применение в различных отраслях, таких как механика, медицина, биология, оптика, твердотельная электроника, наноэлектроника и др [5].
В качестве образцов были использованы легированные (Pd, Pt, Ta), а также нелегированные кремний-углеродные пленки, синтезированные на основе кремний-углеродного соединения полифенилметилсилоксана (ПФМС). Характеристики этих пленок представлены в табл. 1.
Для исследования влияния плазмохимического травления на рельеф поверхности образцов кремний-углеродных пленок, часть поверхности легированных кремний-углеродных пленок была протравлена. Скорость травления определяется отдельно на легированных и нелегированных образцах пленки. Травление производилось в плазме аргона, высокочастотный потенциал на подложке 1 кВ. Скорость травления нелегированной матрицы превышает скорость травления легированной пленки в 3 раза.
| Протравленная область |
Не протравленная область |
|
| Pt |  |
 |
|
а |
б |
|
| Ta |  |
 |
|
в |
г |
|
| Pd |  |
 |
|
д |
е |
Рис. 1. АСМ изображения кремний-углеродной пленки, легированной Pt, Ta, Pdв протравленной (a, в, д) и не протравленной (б, г, е) области
Таблица 1
Исходные данные нелегированных образцов
|
Образец 1 |
Образец 2 |
Образец 3 |
|
|
Толщина пленки, мкм |
50–60 |
9 |
16 |
|
Время роста пленки, час |
6,5 |
3 |
7 |
|
Скорость роста пленки, мкм/час |
9 |
3 |
2 |
|
Uвч, кВ |
0,1 |
1,5 |
0,5 |
Нелегированные образцы исследовались с применением атомно-силовых методик (т.к. эти пленки являются хорошими диэлектриками), а легированные образцы исследовались с применением как атомно-силовых, так и туннельных методик.
Результаты, полученные атомно-силовыми методиками
В результате проведенных исследований на установке NTEGRA Прима по изучению топографии поверхностей на образцах кремний-углеродных пленок с включениями металлических гранул Pt, Pd, Ta с использованием атомно-силовых методик были получены образы этих поверхностей (рис. 1) и систематизированы в табл. 2 и 3 по величине пиков.
Проанализировав данные таблицы, можно сделать вывод о том, что максимальная величина шероховатости наблюдается у кремний-углеродных пленок, легированных Pd. По результатам, полученным контактным методом, значительных изменений в величине шероховатости в протравленных и не протравленных областях не наблюдается. При использовании полуконтактного метода изменения в величинах шероховатостей наблюдаются у кремний-углеродных пленок, легированных Pt более чем в 2 раза, у Pd в пределах ошибки.
Таблица 2
Экспериментальные данные полученные в контактной моде на легированных кремний-углеродных пленках
|
Pt |
Pd |
Ta |
||
|
Max(Zmax, максимальная высота пика) |
протравленный |
0,24 nm |
11,81 nm |
0,18 nm |
|
не протравленный |
0,18 nm |
10,59 nm |
0,14 nm |
|
|
Min (Zmin, минимальная высота пика) |
протравленный |
–0,23 nm |
–8,75 nm |
–0,22 nm |
|
не протравленный |
–0,92 nm |
–9,31 nm |
–0,18 nm |
|
|
Peak-to-peak, Ry Ry Zmax – Zmin, размах высот (peak to peak value, ISO4287/1), nm |
протравленный |
0,47 nm |
20,56 nm |
0,41 nm |
|
не протравленный |
1,11 nm |
19,89 nm |
0,32 nm |
|
|
Ten point height, Rz Rz = 1/5(Zmax1 + Zmax2 ++ Zmax3 + Zmax4 + Zmax5 –‒ Zmin1- Zmin2- Zmin3- Zmin4- Zmin5), десять точек по высоте, (ten point height, ISO 4287/1), параметр выражает шероховатость поверхности по выбранным пяти максимальным высотам и впадинам, nm |
протравленный |
–0,004 nm |
1,44 nm |
–0,016 nm |
|
не протравленный |
–0,11 nm |
0,49 nm |
–0,0079 nm |
|
|
Average (среднее значение) |
протравленный |
–0,006 nm |
0,0003 nm |
–4,1E–05 nm |
|
не протравленный |
0,0002 nm |
0,00003 nm |
1,6E–05 nm |
|
|
Average Roughness, Ra(средняя шероховатость) |
протравленный |
0,08 nm |
2,65 nm |
0,09 nm |
|
не протравленный |
0,06 nm |
3,61 nm |
0,048 nm |
|
|
Dispersion |
протравленный |
0,09 nm |
3,47 nm |
0,11 nm |
|
не протравленный |
0,11 nm |
3,27 nm |
0,06 nm |
|
Таблица 3
Экспериментальные данные, полученные в полуконтактной моде на легированных кремний-углеродных пленках
|
Pt |
Pd |
Ta |
||
|
Max |
протравленный |
2,71 nm |
5,67 nm |
0,18 nm |
|
не протравленный |
0,67 nm |
5,09 nm |
0,17 nm |
|
|
Min |
протравленный |
–1,82 nm |
–4,47 nm |
–0,26 nm |
|
не протравленный |
–0,89 nm |
–5,81 nm |
–0,18 nm |
|
|
Peak-to-peak, Ry |
протравленный |
4,53 nm |
10,15 nm |
0,44 nm |
|
не протравленный |
1,57 nm |
10,89 nm |
0,35 nm |
|
|
Ten point height, Rz |
протравленный |
0,38 nm |
0,31 nm |
–0,031 nm |
|
не протравленный |
–0,12 nm |
–0,28 nm |
0,006 nm |
|
|
Average |
протравленный |
0,0002 nm |
0,0006 nm |
–2,6E–05 nm |
|
не протравленный |
–0,009 nm |
4,2E–05 nm |
1,8E–06 nm |
|
|
Dispersion |
протравленный |
0,82 nm |
2,49 nm |
0,11 nm |
|
не протравленный |
0,36 nm |
2,92 nm |
0,07 nm |
|
|
Average Roughness, Ra |
протравленный |
0,66 nm |
1,89 nm |
0,09 nm |
|
не протравленный |
0,31 nm |
2,52 nm |
0,06 nm |
|
Результаты, полученные при исследовании топографии поверхности нелегированных кремний-углеродных пленок контактным и полуконтактным методами, представлены образами этих поверхностей (рис. 2) и сведены в табл. 4 и 5.
а ‒ толщина пленки 9 мкм
б ‒ Толщина пленки 16 мкм
в ‒ Толщина пленки 50 мкм
Рис. 2. АСМ изображения нелегированных кремний-углеродных пленок
Таблица 4
Экспериментальные данные, полученные в контактной мoде на нелегированных кремний-углеродных пленках
|
Образец 1 (50–60 мкм) |
Образец 2 (9 мкм) |
Образец 3 (16 мкм) |
|
|
Max |
0,11 nm |
0,41 nm |
0,24 nm |
|
Min |
–0,07 nm |
–0,11 nm |
–0,26 nm |
|
Peak-to-peak, Ry |
0,18 nm |
0,52 nm |
0,51 nm |
|
Ten point height, Rz |
–0,006 nm |
0,05 nm |
–0,009 nm |
|
Average |
–0,0002 nm |
–0,0007 nm |
–0,0018 nm |
|
Average Roughness, Ra |
0,024 nm |
0,052 nm |
0,11 nm |
|
Dispersion |
0,049 nm |
0,066 nm |
0,13 nm |
Таблица 5
Экспериментальные данные, полученные в полуконтактной моде на нелегированных кремний-углеродных пленках
|
Образец 1 (50–60 мкм) |
Образец 2 (9 мкм) |
Образец 3 (16 мкм) |
|
|
Max |
0,12 nm |
0,14 nm |
0,21 nm |
|
Min |
–0,09 nm |
–0,12 nm |
–0,28 nm |
|
Peak-to-peak, Ry |
0,21 nm |
0,26 nm |
0,49 nm |
|
Ten point height, Rz |
–0,005 nm |
0,009 nm |
–0,039 nm |
|
Average |
–0,0007 nm |
1,7E–05 nm |
0,00014 nm |
|
Average Roughness, Ra |
0,03 nm |
0,04 nm |
0,081 nm |
|
Dispersion |
0,03 nm |
0,05 nm |
0,11 nm |
Ранее было показано, что при высоких пиковых значениях импульса пленки получаются наименее равновесные, более напряженные, и эти обстоятельства могут оказать влияние на величину шероховатости.
Результаты, полученные туннельными методиками
В результате проведенных исследований на установке NTEGRA Прима по изучению топографии поверхностей на образцах кремний-углеродных пленок с включениями металлических гранул Pt, Pd, Ta с использованием туннельной методики (постоянного тока) были получены СТМ изображения этих поверхностей (рис. 3) и систематизированы в табл. 6 по величине пиков.
Проанализировав данные таблицы, можно сделать вывод о том, что величина шероховатости в протравленной области кремний-углеродных пленок, легированных Pt ,увеличивается примерно в 2 раза по сравнению с непротравленной областью. Примерно такие же изменения в величине шероховатости наблюдаются у кремний-углеродных пленок легированных Pd. Размер шероховатости у кремний-углеродных пленок легированных Ta, практически не изменяется.
| Не протравленная область | Протравленная область | |
| Pt |  |
 |
Рис. 3. СТМ изображения кремний-углеродной пленки, легированной Pt, в протравленной и не протравленной областях
Таблица 6
Экспериментальные данные, полученные в туннельной моде на легированных кремний-углеродных пленках
|
Pt |
Pd |
Ta |
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Max |
протравленный |
1,29 nm |
2,71 nm |
1,32 nm |
|
не протравленный |
0,48 nm |
1,53 nm |
1,28 nm |
|
|
Min |
протравленный |
–1,32 nm |
–2,37 nm |
–0,79 nm |
|
не протравленный |
0,41 nm |
–1,84 nm |
–0,53 nm |
|
|
Peak-to-peak, Ry |
протравленный |
2,61 nm |
5,08 nm |
2,11 nm |
|
не протравленный |
0,07 nm |
3,37 nm |
1,81 nm |
|
|
Ten point height, Rz |
протравленный |
0,006 nm |
0,21 nm |
0,14 nm |
|
не протравленный |
–0,008 nm |
–0,071 nm |
0,29 nm |
|
|
Average |
протравленный |
1,2E–05 nm |
–0,007 nm |
–0,00014 nm |
|
не протравленный |
1,64E–06 nm |
0,027 nm |
2,8E–05 nm |
|
|
Average Roughness, Ra |
протравленный |
0,41 nm |
0,91 nm |
0,28 nm |
|
не протравленный |
0,26 nm |
0,58 nm |
0,24 nm |
|
|
Dispersion |
протравленный |
0,53 nm |
1,14 nm |
0,35 nm |
|
не протравленный |
0,24 nm |
0,70 nm |
0,31 nm |
|
Данные, полученные в полуконтактной моде, хорошо коррелируют с данными, полученными в туннельной моде (постоянного тока), что говорит об адекватности полученных данных.
Рецензенты:
Магкоев Т.Т., д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой общей физики, ФГБОУ ВПО «Северо-Осетинский государственный университет им. К.Л. Хетагурова», Министерство образования и науки Российской Федерации, г. Владикавказ;
Козырев Е.Н., д.т.н., д.э.н., заведующий кафедрой электронных приборов ФГБОУ ВПО СКГМИ, г. Владикавказ.
Работа поступила в редакцию 07.12.2012.