7.2 Метод кварцового резонатора

Суть методу базується на вимірюванні зміни частоти кварцу при осадженні на нього тонкої плівки. Пристрій для вимірювання товщини складається із кварцового генератора, кварцового еталона частоти, вимірника частоти (типу Ч3-34А), самозаписувача, стабілізатора температури кварцового кристала генератора. Кварцовий кристал встановлюється в тримачі так, що одна спеціально зрізана грань залишається відкритою для потоку атомів випаровуваної речовини. Конденсація плівки зменшує резонансну частоту порівняно з опорною частотою (~1Гц) прямо пропорційно масі сконденсованої речовини

m = С ( _ ), (1.15)

де С - стала приладу.

У зв'язку з тим, що частота змінюється при нагріванні або охолодженні, застосовують охолодження тримача кристала проточною водою.

Вибір частоти залежить від діапазону товщин плівок. При вимірюванні малих значень товщини слід використовувати більш чутливі високочастотні кварци. Але якщо діапазон товщин широкий, то для забезпечення лінійності кривої градуювання краще брати кварци з малою частотою.

Автори із власного досвіду знають, що розглянутий метод вимірювання товщини надзвичайно складний для практичного втілення. Основні його недоліки пов'язані з непередбачуваною поведінкою частоти кварцу та необхідністю його градуювання. Для побудови кривої градуювання необхідно користуватися прямими методами вимірювання товщини. Із розглянутого вище випливає, що до таких методів належать мікрозважування і методи оптичної інтерференції.

7.3 Оптичні методи

У технології тонких плівок метод оптичної інтерференції з його модифікаціями застосовується найбільш широко. Це пов'язано з тим, що товщина плівок має величину порядку довжини світлової хвилі. На рисунку 1.15 схематично показано хід променів у найбільш простому (двопроменевому) інтерферометрі. Цей метод буде досить ефективним за умови, що відбивання променів на межах вакуум-плівка та плівка-підкладка несильне. Тоді інтерференційна картина формуватиметься двома променями (1 та 2). Але в цьому випадку різкість інтерференційних смуг буде слабкою, і відповідно це призведе до великої похибки у визначенні товщини. Цей недолік відсутній у більш громіздкому методі багатопроменевої інтерференції. Для його реалізації необхідно, щоб відбивання променів на межах .

Рисунок 1.15 - Схематичне зображення двопроменевого відбиття та проходження променів світла через тонку плівку (n- коефіцієнт заломлення). Показано випадок, коли n₁< n₂< n₃

розділу було дуже інтенсивним (це досягається штучно за допомогою скляних пластин, одна з яких є підкладкою з нанесеною на неї напівпрозорою плівкою срібла).

Багатопроменева інтерферометрія має два різновиди: вимірювання смуг Фізо (метод Толанського) та використання смуг рівного хроматичного порядку. Ці методи дозволяють вимірювати товщину з точністю d = 0,1 нм.

7.4 Інші методи

Крім розглянутих вище оптичних, на даний час розроблені й інші методи. Ми лише назвемо деякі з них. Насамперед це методи еліпсометрії, клина, імерсійної

Таблиця 1.3 - Загальна характеристика методів вимірювання товщини

Метод	Товщина плівок, нм	Точність вимірювання	Примітки
Багатопроменевий інтерферометр	2–2000	0,2 нм	Необхідні: сходинки, відбивне покриття, спектрограф. Метод дуже точний, але трудомісткий
Інтерферометрія Фізо	3–2000	1-3 нм	Необхідні: сходинки і відбивне покриття
Інтерферометрія Майкельсона	30–2000	15–30 нм	Необхідна сходинка
Поляризаційна інтерферометрія	-	-	-
Еліпсометрія	0,1–1000	0,1 нм	Прозорі плівки. Математично дуже складний
Прилад з індикаторною голкою	2– без верхньої межі	10 %	Необхідна сходинка
Рентгенографічний	100-10^6	5%	Підкладка повинна давати характеристичне випромінювання
Відбивання  - променів	100–50000	5%	Атомні номери матеріалів плівки та підкладки мають бути різними

спектрофотометрії та ін. Але, крім оптичних, відомі також інші методи вимірювання товщини.

В історичному плані їх розвитку можна вказати на такі: метод електроопору (за допомогою кривої градуювання для даного плівкового матеріалу товщина оцінюється виходячи із величини опору), механічній (за допомогою профілометра), радіаційний (виходячи із інтенсивності поглинання радіаційного випромінювання) тощо. Незважаючи на їх відносно низьку точність, вони ще знаходять своє практичне застосування.

Найбільш сучасним високоточним методом є метод малокутової рентгенографії (т. зв. рефлектометрія), який забезпечує точність порядку 0,1 нм. Цей метод особливо ефективно застосовується при вимірюванні товщини окремих шарів у плівкових мультишарах.

Слід підкреслити, що цифрові дані таблиці значною мірою залежать від матеріалу плівки, відтак їх необхідно розглядати як найбільш типові.

Розділ 2 Технології осадження алмазоподібних матеріалів на основі карбону

Загальна інформація

Унікальні фізико-хімічні властивості алмазу стимулюють дослідників до пошуку нових можливостей його використання. Особливу увагу привертають алмазоподібні плівки (АПП), які мають дуже високу твердість (до 100 ГПа), низьке зношування, малий коефіцієнт тертя, високі питомий опір, коефіцієнт теплопровідності, хімічну інертність і корозійну стійкість, велику прозорість в ІЧ-діапазоні тощо.

Уперше АПП були одержані С. Айзенбергом та ін. (США) при осадженні вуглецю із пучка іонів. Плівки складалися з атомів С із алмазною гібридизацією валентних електронів (sp³-гібридізація), але розміри областей кристалографічного упорядкування мали величину порядку 10 нм (тому вони одержали назву а-С плівок, де а-аморфна фаза).

АПП, які одержуються методами хімічного осадження із газоподібних вуглеводнів, активованих різними видами плазми (радіочастотна, мікрохвильова), містять значну кількість водню і складаються із декількох фаз (дрібнодисперсної алмазної, графітної, полімерної), але за рядом властивостей близькі до алмазу (їх називають алмазоподібними гідрогенізованими плівками (АПГП) і позначають а-С:Н).

У загальному випадку в АПГП може реалізуватися в різному співвідношенні sp³-, sp²- та sp-гібридизація, що відповідає алмазному, графітовому або карбіновому зв’язку. Варто зазначити, що відношення Н/С не може бути критерієм віднесення плівок до типу АПП чи АПГП, оскільки поряд із величиною Н/С необхідно враховувати співвідношення типу зв’язків sp³:sp²:sp. Якщо sp³-гібридізація дає малий внесок, то одержані плівки можуть бути графітними або карбіновими.

Велика зацікавленість проявляється також до гранульованих АПП, які складаються із окремих мікрокристалів (повна аналогія між суцільними та острівцевими металевими плівками зі своїми методами одержання і комплексом властивостей).

Ультрадисперсні алмази (УДА) – це композиційні матеріали нового покоління із особливими трибологічними й оптичними властивостями, матеріали для монохроматорів рентгенівських променів та ін. Однією із проблем є питання управління функцією розподілу УДА за розмірами. При зменшенні температури підкладки (Т_п) збільшується пересичення пари і, як результат цього, - зменшення розмірів УДА. Існує оптимальна температура, при якій ростуть кристали алмазу.

Термодинамічні характеристики нанорозмірних частинок, їх магнітні та електричні властивості значно відрізняються від властивостей частинок мікронного розміру. Наприклад, температура плавлення зменшується на 40 К (Pb) або 400 К (Cu, Ag); знижується також температура Дебая, змінюються теплоємність, параметри і навіть тип кристалічної решітки. Температура спікання нанопорошків зменшується на 400-600 К, значно збільшується пластичність нанокристалічних керамік.

Поряд із монокристалічними алмазними плівками (АП), отриманими при низькому тиску із газової фази, становлять інтерес для електроніки і полікристалічні алмазні плівки (ПАП).

Тонкі шари алмазних та алмазоподібних речовин на різних підкладках, як правило, використовуються в мікроелектроніці як напівпровідники (н/п) і ізолятори завдяки їх специфічним електричним, хімічним і фізичним властивостям.

Алмаз – безбарвна прозора речовина, здатна сильно заломлювати світлові промені. Його густина вища, ніж у графіті, і дорівнює 3,5110³ кг/м³. Алмаз у 10 разів твердіший за графіт. Він не проводить електричного струму, кристалізується в основному в кубічну сингонію. Кристалічні решітки алмазу характеризуються симетричним розміщенням атомів карбону у просторі; кожний атом унаслідок sp³-гібридизації утворює 4 ковалентних -зв’язки із сусідніми атомами. Відстань між сусідніми атомами у всіх напрямках однакова (0,154 нм).

Відомі кристали алмазу кубічної та гексагональної сингонії. Алмаз гексагональної сингонії у природі спостерігається надзвичайно рідко. Кристали кубічної сингонії мають форму октаедрів. Огранені та відшліфовані прозорі алмази називаються діамантами. Завдяки високій твердості алмаз застосовують для різання, обробки та шліфування твердих матеріалів. Алмаз дуже стійкий проти дії хімічних реагентів.

Для одержання монофазного полікристалічного алмазу з нанодисперсною структурою можна використовувати три різновиди вихідних порошків матеріалу:

• алмаз, синтезований в ударних хвилях, з кубічною або із суміші кубічної і гексагональної фаз;

• алмаз каталітичний, отриманий після обробки в ударних хвилях;

• алмаз, отриманий в умовах детонації.

Зараз існують високопродуктивні технології одержання алмазу останнього різновиду.