Введение к работе
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 ( a-Sl:H) позволяющий в определенной степени управлять свойствами этих материалов. В этих случаях получаемые зазличия в свойствах связаны либо с изменениями атомной структуры ia уровне среднего порядка (случай ХСП). либо с изменениями в тодсистеме дефектов (случай a-Sі:Н), при неизменном.ближнем по-эядке 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-ієской таблицы является углерод, полиморфные кристаллические мо-шфикации которого (алмаз, графит, карбин) обладают диаметраль-1о противоположными Физико химическими свойствами вследствие раз шчий в атомной структуре на уровне ближнего порядка в расположеній атомов. В случае пленок аморфного углерода следует ожидать юзможиости кардинального изменения свойств материала посредством пмшкшия режимов изготовления. Это позволит при постоянном хими-іеском составе получать диэлектрические слои и слои с высокой іліжтропропплностью. пленки с существенно различными оптическими, іеханическими 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, фа
зового и компонентного состава пленок углерода независимыми мето
дами, с целю получения достоверной информации о строении пленок;
-выявление режимов технологических процессов при которых формируются плпнки с заданным соотношением концентраций различных .uuiiiTpDiiiiux мпдификлций углерода;
- исследование морфологии пленок, определение параметров не
однородности различного типа и размера, иослидонание 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
на ііі:|и;м(.'іиіим тики, при различных температурах икружающей среды,
рпечпт важнейших параметров токопереноса;
-- спектроскопические исследования оптических свойств пленок. |г|.-:ч<.т оптических параметров;
исследование спектров плотности состояний в щели подвижности, определение положение уровня Ферми; .
анализ взаимосвязи между условиямиполучения пленок, их структурой, морфологией, оптическими и электрическими свойствами.
Часть исследований:осуществлялась на основании приказов Комитета по Высшей школе от 15.09.92т. И 572; от 9. 07.93 г. N 67 и приказа Государственного комитета РФ по высшемуобразованию 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 кафедре ФТЭМК: МЭИ в период'с 1993 - 1996 г.г.
Научная новизна работы:
-
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.
-
Определены режимы получения пленок углерода методом ВЧ ионно-плазменного распыления графитовой мишени, обеспечивающие формирование пленок с различным соотношением алмазо-подобной, графито-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.
-
По .;результатам исследований частотных зависимостей параметров пленок С:Н определена энергия барьеров, разделяющих неоднородности различной формы и размеров.
-
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 СНП- комплексов на поверхности роста пленок.
-
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 зашиту:
1. Метод ВЧ ионноплазменного 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 210"10 Ом-1 см"1 (Тп = 150 С. W = 100 Вт) для пленок с преобладанием полимерной и алмазо-подобной компоненты, и до V 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.
-
Феноменологическая модель для анализа взаимосвязи между параметрами морфологии и компонентного состава пленок углерода.
-
Увеличение плотности состояний в окрестности уровня Ферми связано с ростом доли графито-подобной компоненты в пленках С:Н.
-
За счет варьирования условий получения и компонентного состава можно добиться изменения положения уровня Ферми относительно дна зоны проводимости.
-
Увеличение доли графито-подобной компоненты в составе пленок приводит к сдвигу уровня Ферми по направлению к дну зоны проводимости.
Практическая значимость работы:
-
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.
-
Метод ВЧ ионноплазменного распыления графитовой мишени может биті, использован для получения пленок углерода, имеющих и і'ьоем составе различные аллотропные модификации углерода и характеризующиеся широким диапазоном изменения электрических и оптических СВОЙСТВ. '
-
Показано, что адаптированную к пленкам углерода модель эффективной среды Вебмана можно .применять для расчета их'компонентного состава.
-
Данино по режимам приготовления широкогюпиых пленок 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 к научных рабо та:-: кафедри ФТЛМК МЯИ для расчета компонентного состава пленок. Д.-ниши по структуро и свойствам гидрогонизированних пленок угле рода используются в учебном процессе в МЭИ при подготовке бакалавров но направлению "Электроника и микроэлектроника" и инженеров 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 электро-гехнологии (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 торы - 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 опублико
ваны 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. - .
