Termooptyczne właściwości warstw a-C:N:H

• Autorzy: Tkacz-Śmiech K. , Jaglarz J. , Pieczyńska E. , Marszałek K.

Warianty tytułu

EN

Thermo-optical properties of a-C:N:H layers

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki pomiarów elipsometrycznych dla amorficznych warstw a-C:N:H, osadzonych na monokrystalicznych waflach krzemowych Si(001) z zastosowaniem metody PACVD (13,56 MHz). Pomiary wykonano w szerokim zakresie widmowym, 300÷1700 nm, podczas grzania próbki od temperatury pokojowej do 300°C oraz w powtórnym wygrzewaniu po wcześniejszym schłodzeniu próbki do temperatury pokojowej. Do otrzymanych dyspersyjnych zależności kątów elipsometrycznych, Ψ(λ) i Δ(λ), dopasowano model warstwy i wyznaczono dyspersję współczynników załamania i ekstynkcji, szerokość przerwy optycznej oraz grubość warstwy w różnej temperaturze. Wyniki pokazują, że wszystkie wyznaczone parametry są zasadniczo różne dla warstwy w temperaturze pokojowej nie poddanej wygrzewaniu, oraz dla warstwy w 300°C i warstwy wygrzanej po schłodzeniu do temperatury pokojowej. Ponowne wygrzanie warstwy prawie nie zmienia parametrów warstwy. Ponadto stwierdzono, że wszystkie zmiany mają miejsce w pierwszym wygrzewaniu w zakresie temperatury 250÷270°C. W tej temperaturze następuje zmiana grubości warstwy do około 50% wartości początkowej. Jednocześnie współczynniki termooptyczne, dn/dT i dk/dT, wykazują skokowe zmiany od wartości ujemnych do dodatnich. Na podstawie uzyskanych wyników sformułowano wniosek, że w temperaturze 270÷300°C ma miejsce stopniowa grafityzacja struktury, o charakterze nieodwracalnym. Dowodzą tego zmiany szerokości przerwy optycznej od wartości 2,45 eV (przed wygrzewaniem), charakterystycznej dla warstw z małym udziałem fazy C-sp2 (około 20%) do 0,7 eV (dla próbki w 300°C i po schłodzeniu), charakterystycznej dla warstw o dominującym udziale fazy C-sp2 (50÷70%). Wniosek ten został poparty zmianami w widmie Ramana, w którym zaobserwowano wzrost intensywności pasma G przy około 1620 cm–1 względem intensywności pasma D przy 1360 cm–1, od ID/IG W pracy przedstawiono wyniki pomiarów elipsometrycznych dla amorficznych warstw a-C:N:H, osadzonych na monokrystalicznych waflach krzemowych Si(001) z zastosowaniem metody PACVD (13,56 MHz). Pomiary wykonano w szerokim zakresie widmowym, 300÷1700 nm, podczas grzania próbki od temperatury pokojowej do 300°C oraz w powtórnym wygrzewaniu po wcześniejszym schłodzeniu próbki do temperatury pokojowej. Do otrzymanych dyspersyjnych zależności kątów elipsometrycznych, Ψ(λ) i Δ(λ), dopasowano model warstwy i wyznaczono dyspersję współczynników załamania i ekstynkcji, szerokość przerwy optycznej oraz grubość warstwy w różnej temperaturze. Wyniki pokazują, że wszystkie wyznaczone parametry są zasadniczo różne dla warstwy w temperaturze pokojowej nie poddanej wygrzewaniu, oraz dla warstwy w 300°C i warstwy wygrzanej po schłodzeniu do temperatury pokojowej. Ponowne wygrzanie warstwy prawie nie zmienia parametrów warstwy. Ponadto stwierdzono, że wszystkie zmiany mają miejsce w pierwszym wygrzewaniu w zakresie temperatury 250÷270°C. W tej temperaturze następuje zmiana grubości warstwy do około 50% wartości początkowej. Jednocześnie współczynniki termooptyczne, dn/dT i dk/dT, wykazują skokowe zmiany od wartości ujemnych do dodatnich. Na podstawie uzyskanych wyników sformułowano wniosek, że w temperaturze 270÷300°C ma miejsce stopniowa grafityzacja struktury, o charakterze nieodwracalnym. Dowodzą tego zmiany szerokości przerwy optycznej od wartości 2,45 eV (przed wygrzewaniem), charakterystycznej dla warstw z małym udziałem fazy C-sp2 (około 20%) do 0,7 eV (dla próbki w 300°C i po schłodzeniu), charakterystycznej dla warstw o dominującym udziale fazy C-sp2 (50÷70%). Wniosek ten został poparty zmianami w widmie Ramana, w którym zaobserwowano wzrost intensywności pasma G przy około 1620 cm–1 względem intensywności pasma D przy 1360 cm–1, od ID/IG W pracy przedstawiono wyniki pomiarów elipsometrycznych dla amorficznych warstw a-C:N:H, osadzonych na monokrystalicznych waflach krzemowych Si(001) z zastosowaniem metody PACVD (13,56 MHz). Pomiary wykonano w szerokim zakresie widmowym, 300÷1700 nm, podczas grzania próbki od temperatury pokojowej do 300°C oraz w powtórnym wygrzewaniu po wcześniejszym schłodzeniu próbki do temperatury pokojowej. Do otrzymanych dyspersyjnych zależności kątów elipsometrycznych, Ψ(λ) i Δ(λ), dopasowano model warstwy i wyznaczono dyspersję współczynników załamania i ekstynkcji, szerokość przerwy optycznej oraz grubość warstwy w różnej temperaturze. Wyniki pokazują, że wszystkie wyznaczone parametry są zasadniczo różne dla warstwy w temperaturze pokojowej nie poddanej wygrzewaniu, oraz dla warstwy w 300°C i warstwy wygrzanej po schłodzeniu do temperatury pokojowej. Ponowne wygrzanie warstwy prawie nie zmienia parametrów warstwy. Ponadto stwierdzono, że wszystkie zmiany mają miejsce w pierwszym wygrzewaniu w zakresie temperatury 250÷270°C. W tej temperaturze następuje zmiana grubości warstwy do około 50% wartości początkowej. Jednocześnie współczynniki termooptyczne, dn/dT i dk/dT, wykazują skokowe zmiany od wartości ujemnych do dodatnich. Na podstawie uzyskanych wyników sformułowano wniosek, że w temperaturze 270÷300°C ma miejsce stopniowa grafityzacja struktury, o charakterze nieodwracalnym. Dowodzą tego zmiany szerokości przerwy optycznej od wartości 2,45 eV (przed wygrzewaniem), charakterystycznej dla warstw z małym udziałem fazy C-sp2 (około 20%) do 0,7 eV (dla próbki w 300°C i po schłodzeniu), charakterystycznej dla warstw o dominującym udziale fazy C-sp2 (50÷70%). Wniosek ten został poparty zmianami w widmie Ramana, w którym zaobserwowano wzrost intensywności pasma G przy około 1620 cm–1 względem intensywności pasma D przy 1360 cm–1, od ID/IG = 0,8 do prawie ID/IG = 0,45. 0,8 do prawie ID/IG = 0,45. 0,8 do prawie ID/IG = 0,45.

EN

Amorphous a-C:N:H layers, deposited on monocrystalline silicon Si(001) by PACVD (13.56 MHz), were subjected to ellipsometric studies. The measurements were performed in a broad spectrum, 300÷1700 nm, at heating from the room temperature to 300°C and at the reheating after earlier cooling the sample. The layer model was fitted to the recorded dispersion dependencies of ellipsometric angles, Ψ(λ) and Δ(λ). Hence, the dispersion of refractive and extinction indices, optical gap and thicknesses of the layer at various temperatures were determined. The results show that all these parameters are essentially different for the unheated layer and the layer heated to 300°C, as well as for the same layer cooled down the room temperature. The re-heating hardly changes the layer parameters. All observed changes occur during first heating, at the temperatures 250÷270°C. Starting from the temperature 250°C the layer thickness decreases to 50% of the initial value. Simultaneously, the thermo-optical parameters, dn/dT i dk/dT, show abrupt changes from negative to positive values. On the basis of the obtained results a conclusion has been formulated that at the temperature 250÷300°C a partial graphitization of the structure of a-C:N:H layer takes place. The structure transformation is irreversible. It is demonstrated mainly by the changes of the optical gap, from 2.45 eV (for the unheated sample), characteristic for the layers with small fraction of C-sp2 phase (about 20%) to 0.7 eV (for the sample at 300°C and after cooling down), typical for the layers with prevailing C-sp2 phase (50÷70%). Such conclusion has been additionally confirmed by the changes in Raman spectrum, in which an increase of the intensity of G band, at about 1620 cm–1 with respect to the intensity of D band at 1360 cm–1, from ID/IG = 0.8 to ID/IG = 0.45 has been found.

Słowa kluczowe

PL

warstwy a-C:N:H; PACVD; elipsometria spektroskopowa; współczynniki termooptyczne

EN

a-C:N:H layers; PACVD; ellipsometry; thermo-optical parameters

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 35, nr 5
• Strony: 423--426
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Tkacz-Śmiech K.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

autor

Jaglarz J.

• Wydział Fizyki, Matematyki i Informatyki, Politechnika Krakowska

autor

Pieczyńska E.

• Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

autor

Marszałek K.

• Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji

Bibliografia

• [1] Liu A. Y., Cohen M. L.: Prediction of new low compressibility solids. Science 245 (1989) 841÷842.
• [2] Muhl S., Mendez J. M.: A review of the preparation of carbon nitride films. Diamond Relat. Mater. 8 (1999) 1809÷1830.
• [3] Zou Y. S., Wu Y. F., Huang R. F., Sun C., Wen L. S.: Mechanical properties and thermal stability of nitrogen incorporated diamond-like carbon films. Vacuum 83 (2009) 1406÷1410.
• [4] Wang D. F., Kato K., Umehara N.: Mechanical characterization and tribological evaluation of ion-beam-assisted sputter coatings of carbon with nitrogen incorporation. Surf. Coat. Tech. 123 (2000) 177÷184.
• [5] Cutiongco E. C., Li D., Chung Y. W., Bhatia C. S.: Tribological Behavior of Amorphous Carbon Nitride Overcoats for magnetic thin-film rigid disks. J. Tribol. 118 (1996) 543÷548.
• [6] Robertson J.: Ultrathin carbon coatings for magnetic storage technology. Thin Solid Films 383 (2001) 81÷88.
• [7] Katsuno T., Nitta S., Habuchi H., Stolojan V., Silva S. R. P.: Highly photoconductive amorphous carbon nitride films prepared by cyclic nitrogen radical sputtering. Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 2803÷2805.
• [8] Aryal H. R., Adhikari S., Adhikary S., Uchida H., Umeno M.: Characteristics of nitrogen doped diamond-like carbon thin films grown by microwave surface-wave plasma CVD. Diam. Relat. Mater. 15 (2006) 1906÷1908.
• [9] Dwivedi N., Kumar S., Malik H. K., Rauthan C. M. S., Panwar O. S.: Influence of bonding environment on nano-mechanical properties of nitrogen containing hydrogenated amorphous carbon thin films. Mater. Chemistry & Physics 130 (2011) 775÷785.
• [10] Casiraghi C., Robertson J., Ferrari A. C.: Diamond-like carbon for data and beer storage. Mater. Today 10 (2007) 44÷53.
• [11] Robertson J.: Diamond-like amorphous carbon. Mat. Sc. Eng. 37 (2002) 129÷281.
• [12] Ferrari A. C., Rodil S. E, Robertson J.: Interpretation of infrared and Raman spectra of amorphous carbon nitrides. Phys. Rev. B. 67 (2003) 155306-1÷20.
• [13] Lazar G., Zellamaa K., Vascan I., Stamate M., Lazar I., Rusu I.: Infrared absorption properties of amorphous carbon films. J. Optoelectronics Adv. Mater. 7 (2005) 647÷652.
• [14] Ferrari A. C., Rodil S. E., Robertson J.: Resonant Raman spectra of amorphous carbon nitrides: the G peak dispersion. Diamond Relat. Mater. 12 (2003) 905÷910.
• [15] Rodil S. E., Ferrari A. C., Robertson J., Muhl S.: Infrared spectra of carbon nitride films. Thin Solid Films 420-421 (2002) 122÷131.
• [16] Kaufman J. H., Metin S., Saperstein D. D.: Symmetry breaking in nitrogen-doped amorphous carbon: Infrared observation of the Raman-active G and D bands. Phys. Rev. B 39 (1989) 13053÷13060.
• [17] Rodil S. E., Muhl S.: Deposition of ta-C:N:H as function of experimental parameters. Surf. Eng. 20 (2004) 17÷24.
• [18] Jaglarz J.: Metody optyczne w badaniach powierzchni i powłok rzeczywistych. Politechnika Krakowska, Kraków (2007).
• [19] Brudzewski K.: Wstęp do elipsometrii. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa (1983).
• [20] J. A. Woollam Co., Inc. http://www.jawoollam.c(2001, Maj)om/m2000_ home.html (2001, Maj).
• [21] Jellison Jr G. E.: Characterization of thin-film amorphous semiconductors using spectroscopic ellipsometry. Thin Solid Films 377-378 (2000) 68÷73.
• [22] Jellison Jr G. E., Modine F. A.: Parameterization of the optical functions of amorphous materials in the interband region. Appl. Phys. Lett. 79 (1996) 371÷373.