Получение кремний-углеродных пленок методом плазмохимического осаждения с индукционным ассистированием

Кремний-углеродные пленки вызывают большой интерес как алмазоподобные материалы, сочетающие уникальные свойства — высокую твердость, адгезию к широкому классу материалов, прочность на стирание, а также химическую стойкость, низкий коэффициент трения и биосовместимость. Наличие кремния в составе позволяет существенно уменьшить внутренние механические напряжения в таких покрытиях по сравнению с алмазными. В современном производстве пленки получили применение, прежде всего, в качестве твердых смазочных материалов и защитных покрытий. Существует большое количество методик получения кремний-углеродных пленок, наибольшее распространение среди которых получили различные варианты парофазового химического осаждения. В данной работе был предложен и опробован способ синтеза кремний-углеродных пленок, основанный на применении высокочастотного индуктора для получения плазмы паров кремний-углеродной жидкости, напускаемых в камеру из внешнего источника. На подложках ситалла были получены беспримесные кремний-углеродные пленки с содержанием атомов углерода с sp³-гибридизованными орбиталями 63—65 %. Исследовался состав, шероховатость поверхности и коэффициент трения беспримесных кремний-углеродных пленок, полученных предложенным методом. Была изучена возможность реализации резистивного переключения в тонких кремний-углеродных пленках в кроссбар-структурах с металлическими электродами. 

1. Meškinis Š., Tamulevičienė A. Structure, properties and applications of diamond like nanocomposite (SiOx containing DLC) films: A review. Materials Science. 2011; 17(4): 358—370. https://doi.org/10.5755/j01.ms.17.4.770

2. Горшунов Б.П., Шупегин М.Л., Иванов В.Ю., Прохоров А.С., Спектор И.Е., Волков А.А. Инфракрасная спектроскопия алмазоподобных кремний-углеродных пленок. Журнал технической физики. 2008; 78(5): 111—116.

3. Yu S. Neuro-inspired computing with emerging nonvolatile memorys. Proceedings of the IEEE. 2018; 106(2): 260—285. https://doi.org/10.1109/JPROC.2018.2790840

4. Wan J.Z., Pollak F.H., Dorfman B.F. Micro-Raman study of diamondlike atomic-scale composite films modified by continuous wave laser annealing. Journal of Applied Physics. 1997; 81(9): 6407—6414. https://doi.org/10.1063/1.364421

5. Gao X., Zhang X., Wan C., Wang J., Tan X., Zeng D. Temperature-dependent resistive switching of amorphous carbon/silicon heterojunctions. Diamond and Related Materials. 2012; 22: 37—41. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2011.12.012

6. Ren B., Wang L., Wang Lin., Huang J., Tang Ke, Lou Y., Yuan D., Pan Zh., Xia Y. Investigation of resistive switching in graphite-like carbon thin film for non-volatile memory applications. Vacuum. 2014; 107: 1—5. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2014.03.021

7. Santini C.A., Sebastian A., Marchiori Ch., Jonnalagadda V.P., Dellmann L., Koelmans W.W., Rossell M.D., Rossel Ch.P., Eleftheriou Ev. Oxygenated amorphous carbon for resistive memory applications. Nature Communications. 2015; 6(1): 8600. https://doi.org/10.1038/ncomms9600

8. Liao Y.-Y., Liao W.-B., Jaing C.-C., Chang Y.-C., Lee C.-C., Kuo C.-C. Optical properties of transparent diamond-like carbon thin films. In: Optical Interference Coatings 2016. Tucson, Arizona United States 19–24 June 2016. Washington, D.C.: OSA; 2016. P. TD.10. https://doi.org/10.1364/OIC.2016.TD.10

9. Grill A. Diamond-like carbon: state of the art. Diamond and Related Materials. 199; 8(2-5): 428—434. https://doi.org/10.1016/S0925-9635(98)00262-3

10. Белогорохов А.И., Додонов А.М., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н., Смирнов А.П., Шупегин М.Л. Исследование молекулярной структуры матрицы алмазоподобных кремний-углеродных нанокомпозитов. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2007; 1: 69—71.

11. Jana S., Das S., Gangopadhyay U., Mondal A., Ghosh P. A clue to understand environmental influence on friction and wear of diamond-like nanocomposite thin film. Advances in Tribology. 2013; (1-4): 1—7. https://doi.org/10.1155/2013/352387

12. Hofmann D., Kunkel S., Bewilogua K., Wittorf R. From DLC to Si-DLC based layer systems with optimized properties for tribological applications. Surface and Coatings Technology. 2013; 215: 357—363. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.06.094

13. Venkatraman C., Brodbeck C., Lei R. Tribological properties of diamond-like nanocomposite coatings at high temperatures. Surface and Coatings Technology. 1999; 115(2-3): 215—221. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00241-8

14. Barve S.A., Chopade S., Kar R., Chand N., Deo M.N., Biswas A., Patel N., Rao G.M., Patil D.S., Sinha S. SiOx containing diamond like carbon coatings: Effect of substrate bias during deposition. Diamond and Related Materials. 2017; 71: 63—72. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.12.003

15. Nakazawa H., Kamata R., Miura S., Okuno S. Effects of frequency of pulsed substrate bias on structure and properties of silicon-doped diamond-like carbon films by plasma deposition. Thin Solid Films. 2015; 574: 93—98. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.11.078

16. Batory D., Jedrzejczak A., Kaczorowski W., Kolodziejczyk L., Burnat B. The effect of Si incorporation on the corrosion resistance of a-C:H:SiOx coatings. Diamond and Related Materials. 2016; 67: 1—7. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2015.12.002

17. Lazauskas A., Grigaliunas V., Guobienė A., Puišo J., Prosyčevas I., Baltrusaitis J. Polyvinylpyrrolidone surface modification with SiOx containing amorphous hydrogenated carbon (a-C:H/SiOx) and nitrogen-doped a-C:H/SiOx films using Hall-type closed drift ion beam source. Thin Solid Films. 2013; 538: 25—31. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.11.109

18. Santra T.S., Bhattacharyya T.K., Patel P., Tseng F.G., Barik T.K. Structural and tribological properties of diamond-like nanocomposite thin films. Surface and Coatings Technology. 2011; 206(2-3): 228—233. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.06.057

19. Dorfman B.F. Stabilized sp2/sp3 carbon and metal-carbon composites of atomic scale as interface and surface-controlling dielectric and conducting materials. In: Handbook of Surfaces and Interfaces of Materials. 2001; 1(8): 447—508. https://doi.org/10.1016/B978-012513910-6/50015-3

20. Yang W.J., Sekino T., Shim K.B., Niihara K., Auh K.H. Microstructure and tribological properties of SiOx/DLC films grown by PECVD. Surface and Coatings Technology. 2005; 194(1): 128—135. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.05.023

21. Lanza M., Philip Wong H.-S., Pop E., Ielmini D., Strukov D., Regan B.C., Larcher L., Villena M.A., Yang J.J., Goux L., Belmonte A., Yang Y., Puglisi F.M., Kang J., Magyari-Kope B., Yalon E., Kenyon A., Buckwell M., Mehonic A., Shluger A.L., Li H., Hou T.-H. A., Hudec B., Akinwande D., Ge R., Ambrogio S., Roldan J.B., Miranda E., Sune J., Pey K.L., Wu X., Raghavan N., Wu E., Lu W.D., Navarro G., Zhang W., Wu H., Li R., Holleitner A., Wurstbauer U., Lemme M.Ch., Liu M., Long Sh., Liu Q., Lv H., Padovani A., Pavan P., Valov Il., Jing X., Han T., Zhu K., Chen Sh., Hui F., Shi Y. Recommended methods to study resistive switching devices. Advanced Electronic Materials. 2019; 5(1): 1800143. https://doi.org/10.1002/aelm.201800143

22. Robertson J. Diamond-like amorphous carbon. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2002; 37(4-6): 129—281. https://doi.org/10.1016/S0927-796X(02)00005-0