Microsc. Microanal. Microstruct. 1, 455-462 (1990)
DOI: 10.1051/mmm:0199000105-6045500

Surface structure and topography of vapour deposited carbon investigated by scanning tunneling microscopy

Ann-Sofie Norekrans et Jan-Otto Carlsson

Uppsala University, Institute of Chemistry, Thin Film and Surface Chemistry Group, Box 531, S-751 21 Uppsala, Sweden

Abstract
In atomistic deposition processes the surface structure, the surface steps and the surface topography strongly influence the growth behaviour and thus the properties of the deposited material. However, the structure, the step density and the topography are at the same time the result of the deposition process itself. Hence surface investigation on the atomic level will reveal characteristics of the deposition process and of the growth mechanisms. Scanning tunneling microscopy (STM) was used to characterize the surface topography and structure of carbon films. The films were deposited by chemical vapour deposition (CVD) from methane or ethene at temperatures ranging from 1030 to 1080 ° C and from 800 to 1050 ° C, respectively. Monocrystalline (012) sapphire wafers were used as substrates. The surface topography increased with deposition time and approached asymptotically a limit value of 100 A, which was independent of the growth temperature as well as of the precursor used. For 500 Å thick films deposition conditions yielding a topography less than 50 Å could be found. The microscope could also be operated close to atomic resolution. Surface areas with both ordered and disordered carbon atoms were then detected. The areas with the ordered atoms were very small (about 10 A). The atomic arrangement within these areas resembled that of graphite.

Résumé
Dans les processus de déposition atomique, la structure et la topographie de la surface et les marches en surface influencent fortement le mécanisme de croissance et les propriétés du matériau déposé. Cependant, structure, densité de marches et topographie résultent aussi du procédé de déposition. De ce fait, l'étude des surfaces à l'échelle atomique indique à la fois les caractéristiques du processus de dépôt et du mécanisme de croissance. La Microscopie Tunnel à Balayage a été utilisée pour caractériser la topographie de la surface et la structure des films de carbone. Ces films sont formés par déposition chimique en phase vapeur (CVD) à partir de méthane ou d'éthène à des températures respectivement de 1030 à 1080 ° C et 800 à 1050 ° C. Les substrats sont des plaquettes monocristallines de saphir. La topographie de la surface augmente avec le temps de dépôt et approche asymptotiquement une limite de 100 Å qui est indépendante de la température de croissance et du précurseur. Les conditions de déposition pour des films de 500 Å d'épaisseur ont permis d'obtenir une topographie de moins de 50 A. Le microscope est utilisé aussi avec une résolution proche de la résolution atomique. Des parties de surface avec des arrangements désordonnés ou ordonnés d'atomes de carbone ont été reconnues. Les zones ordonnées sont très petites (autour de 10 A) et l'arrangement des atomes ressemble à celui du graphite.

PACS
6835B - Structure of clean surfaces (reconstruction).
8115G - Chemical vapor deposition (including plasma-enhanced CVD, MOCVD, etc.).

Key words
Surface structure -- CVD -- Deposition process -- Growth mechanism -- Atomic structure -- STM -- Carbon -- Experimental study


© EDP Sciences 1990