eng
Выпуск #8/2016
А.Айрапетов, Е.Кралькина, П.Неклюдова, В.Одиноков, В.Павлов, Г.Павлов, В.Сологуб
Установка с гибридным плазменным реактором
Установка с гибридным плазменным реактором
Просмотры: 3828
Рассмотрена конструкция установки для ионно-стимулированного формирования одно- и многокомпонентных металлических, диэлектрических и полупроводниковых слоев.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.104.108
DOI:10.22184/1993-8578.2016.70.8.104.108
Теги: hybrid plasma system thin film technology гибридная плазменная система тонкопленочные технологии
В последнее десятилетие для улучшения ресурсных и функциональных характеристик изделий машиностроения, электроники и медицины взамен гальванотехнических методов модификации поверхностей все большее распространение получают экологически чистые вакуумно-плазменные системы формирования многокомпонентных тонкопленочных структур, в том числе на основе магнетронного и вакуумно-дугового газовых разрядов. Причем сочетание в одной напылительной системе магнетронного и вакуумно-дугового источников позволяет охватить практически неограниченную номенклатуру распыляемых материалов: металлов, полупроводников и диэлектриков, – обеспечивая получение качественных покрытий с достаточно высокой скоростью осаждения. Однако для целенаправленного управления наноструктурой, фазовым и химическим составом носимых слоев требуются дополнительные технические средства. Введение ассистирующей ионной бомбардировки подложки одновременно с осаждением на нее пленок из распылительных источников с реализацией гибридной плазменной системы (ГПС) решает эту задачу. Особенно эффективными являются источники на основе плазмы высокой плотности, которую наиболее просто получить с помощью индуктивного ВЧ-разряда, помещенного во внешнее магнитное поле. Такие источники плазмы называются геликонными. При использовании геликонного разряда, в отличие от обычного, в котором варьируется только мощность, существуют дополнительные инструменты для управления составом и структурой плазмы, а именно величина и конфигурация внешних магнитных полей. Регулирование указанных параметров позволяет управлять плотностью плазмы и ее пространственным распределением в области подложкодержателя [1–3].
Инновационная установка "Геликон-ТМ" спроектирована для проведения исследований и разработки широкого класса новых управляемых технологических процессов нанесения функциональных покрытий различных материалов методами магнетронного распыления и / или электродугового испарения в плазме геликонного разряда. Плазмостимулированные процессы осаждения с регулируемой плотностью и энергией плазменного воздействия обеспечивают управляемое наноструктурирование покрытий, которые могут использоваться в различных областях науки и техники (нано-, микро-, опто-, фото- и радиоэлектроника, медицина, накопители энергии и др.). Геликонный разряд обеспечивает в области подложкодержателя концентрацию плазмы до 1012 см–3, а подаваемое на подложку ВЧ-смещение – энергию ионов от 10 до 300 эВ. Это позволяет разрабатывать инновационные технологические процессы плазмостимулированного осаждения, а также "сухого" травления и очистки. Нанесение покрытий одновременно методами физического (physical vapor deposition, PVD) и плазмохимического (plasma enhanced chemical vapor deposition, PE CVD) осаждения материалов дает возможность в значительной мере управлять характеристиками получаемых структур.
Конструкция установки, совмещающей магнетронный, дуговой и магнитоактивированный индуктивный ВЧ-разряды, приведена на рис.1.
Установка состоит из двух частей. Основная часть – это металлическая технологическая камера цилиндрической формы диаметром 500 мм и высотой 350 мм. На дне камеры находится вращающийся столик для размещения обрабатываемых образцов. Для проведения спектрометрических исследований параметров плазмы над столиком имеются два окна оптического контроля, расположенные строго друг против друга. На боковых сторонах технологической камеры установлены магнетронный и вакуумно-дуговой источники. В настоящей статье приведены результаты экспериментов при работе только магнетрона.
Над основной камерой смонтирована кварцевая разрядная камера длиной 250 мм и диаметром 220 мм. Сверху объем камеры закрыт глухим стеклянным фланцем, а снизу – металлическим фланцем с отверстием, обеспечивающим выход плазмы в основную камеру.
Магнитная система состоит из двух электромагнитов, расположенных в верхней и нижней частях технологической камеры. Электромагниты обеспечивают создание расходящегося магнитного поля в области разрядной камеры и слабо расходящегося к подложке (с преимущественной продольной компонентой) магнитного поля в технологической камере.
Величина магнитного поля в каждой конкретной точке объема технологической камеры определяется токами Itop и Ibot, текущими через верхний и нижний электромагниты соответственно, причем одно и то же значение индукции магнитного поля можно обеспечить, задавая различные соотношения между токами магнитов. В таблице представлены значения индукции магнитного поля, достигаемые в области расположения антенны, в центре технологической камеры и вблизи подложки, при различных значениях Itop, Ibot.
Для возбуждения индуктивного ВЧ-разряда используется соленодоидальная антенна, расположенная на внешней поверхности кварцевой камеры. Концы антенны через систему согласования подключаются к ВЧ-генератору с рабочей частотой 13,56 МГц и выходной мощностью до 1 000 Вт. ВЧ-генератор используется для возбуждения и поддержания магнетронного разряда.
Результаты исследования параметров геликонного источника плазмы показали перспективность выбранной конструкции ГПС, основанной на взаимном влиянии двух типов разрядов, которое обеспечивает увеличение плотности плазмы и концентрации распыляемых атомов. Оптимальной конструкцией является двухкамерный индуктивный источник, оснащенный соленодоидальной антенной и магнитной системой, позволяющей создавать в технологической камере однородное магнитное поле с индукцией не менее 7 мТл, а в разрядной камере – слабо расходящееся магнитное поле.
Предложенная конфигурация установки обеспечивает эффективное управление структурой тонкопленочных покрытий, что весьма полезно в различных приложениях. Так например, при изготовлении тонкопленочных аккумуляторных слоев для увеличения энергоемкости особенно важно иметь развитую структуру покрытий.
На рис.2 показана структура анодных пленок на основе нанокомпозитов кремния, полученных при магнетронном распылении кремниевой мишени с содержанием 10% алюминия, при отключении и при применении бомбардировки растущих пленок потоком ускоренных ионов аргона от геликонного источника. Из иллюстрации видно, что воздействие плазмы ассистирующего геликонного разряда на растущую пленку приводит к кардинальному изменению ее структуры.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ. Соглашение № 14.576.21.0021 от 30 июня 2014 года. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57614X0021.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кралькина Е.А. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления и возможности оптимизации источников плазмы на его основе // УФН. 2008. Т. 178. № 5. C. 519–540.
2. Александров А., Петров А., Вавилин К., Кралькина Е., Неклюдова П., Никонов А., Павлов В., Айрапетов А., Одиноков В., Сологуб В., Павлов Г. Исследование параметров плазмы геликонного разряда в макете ВЧ гибридной плазменной системы // Прикладная физика. 2015. № 3. C. 25–28.
3. Aleksandrov A.F., Petrov A.K., Vavilin K.V., Kralkina E.A., Neklyudova P.A., Nikonov A.M., Pavlov V.B., Ayrapetov A.A., Odinokov V.V., Sologub V.A., Pavlov G.Ya. Investigation of the Helicon Discharge Plasma Parameters in a Hybrid RF Plasma System // Plasma Physics Reports. March 2016. Vol. 42. № 3. P. 290–292.
Инновационная установка "Геликон-ТМ" спроектирована для проведения исследований и разработки широкого класса новых управляемых технологических процессов нанесения функциональных покрытий различных материалов методами магнетронного распыления и / или электродугового испарения в плазме геликонного разряда. Плазмостимулированные процессы осаждения с регулируемой плотностью и энергией плазменного воздействия обеспечивают управляемое наноструктурирование покрытий, которые могут использоваться в различных областях науки и техники (нано-, микро-, опто-, фото- и радиоэлектроника, медицина, накопители энергии и др.). Геликонный разряд обеспечивает в области подложкодержателя концентрацию плазмы до 1012 см–3, а подаваемое на подложку ВЧ-смещение – энергию ионов от 10 до 300 эВ. Это позволяет разрабатывать инновационные технологические процессы плазмостимулированного осаждения, а также "сухого" травления и очистки. Нанесение покрытий одновременно методами физического (physical vapor deposition, PVD) и плазмохимического (plasma enhanced chemical vapor deposition, PE CVD) осаждения материалов дает возможность в значительной мере управлять характеристиками получаемых структур.
Конструкция установки, совмещающей магнетронный, дуговой и магнитоактивированный индуктивный ВЧ-разряды, приведена на рис.1.
Установка состоит из двух частей. Основная часть – это металлическая технологическая камера цилиндрической формы диаметром 500 мм и высотой 350 мм. На дне камеры находится вращающийся столик для размещения обрабатываемых образцов. Для проведения спектрометрических исследований параметров плазмы над столиком имеются два окна оптического контроля, расположенные строго друг против друга. На боковых сторонах технологической камеры установлены магнетронный и вакуумно-дуговой источники. В настоящей статье приведены результаты экспериментов при работе только магнетрона.
Над основной камерой смонтирована кварцевая разрядная камера длиной 250 мм и диаметром 220 мм. Сверху объем камеры закрыт глухим стеклянным фланцем, а снизу – металлическим фланцем с отверстием, обеспечивающим выход плазмы в основную камеру.
Магнитная система состоит из двух электромагнитов, расположенных в верхней и нижней частях технологической камеры. Электромагниты обеспечивают создание расходящегося магнитного поля в области разрядной камеры и слабо расходящегося к подложке (с преимущественной продольной компонентой) магнитного поля в технологической камере.
Величина магнитного поля в каждой конкретной точке объема технологической камеры определяется токами Itop и Ibot, текущими через верхний и нижний электромагниты соответственно, причем одно и то же значение индукции магнитного поля можно обеспечить, задавая различные соотношения между токами магнитов. В таблице представлены значения индукции магнитного поля, достигаемые в области расположения антенны, в центре технологической камеры и вблизи подложки, при различных значениях Itop, Ibot.
Для возбуждения индуктивного ВЧ-разряда используется соленодоидальная антенна, расположенная на внешней поверхности кварцевой камеры. Концы антенны через систему согласования подключаются к ВЧ-генератору с рабочей частотой 13,56 МГц и выходной мощностью до 1 000 Вт. ВЧ-генератор используется для возбуждения и поддержания магнетронного разряда.
Результаты исследования параметров геликонного источника плазмы показали перспективность выбранной конструкции ГПС, основанной на взаимном влиянии двух типов разрядов, которое обеспечивает увеличение плотности плазмы и концентрации распыляемых атомов. Оптимальной конструкцией является двухкамерный индуктивный источник, оснащенный соленодоидальной антенной и магнитной системой, позволяющей создавать в технологической камере однородное магнитное поле с индукцией не менее 7 мТл, а в разрядной камере – слабо расходящееся магнитное поле.
Предложенная конфигурация установки обеспечивает эффективное управление структурой тонкопленочных покрытий, что весьма полезно в различных приложениях. Так например, при изготовлении тонкопленочных аккумуляторных слоев для увеличения энергоемкости особенно важно иметь развитую структуру покрытий.
На рис.2 показана структура анодных пленок на основе нанокомпозитов кремния, полученных при магнетронном распылении кремниевой мишени с содержанием 10% алюминия, при отключении и при применении бомбардировки растущих пленок потоком ускоренных ионов аргона от геликонного источника. Из иллюстрации видно, что воздействие плазмы ассистирующего геликонного разряда на растущую пленку приводит к кардинальному изменению ее структуры.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ. Соглашение № 14.576.21.0021 от 30 июня 2014 года. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57614X0021.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кралькина Е.А. Индуктивный высокочастотный разряд низкого давления и возможности оптимизации источников плазмы на его основе // УФН. 2008. Т. 178. № 5. C. 519–540.
2. Александров А., Петров А., Вавилин К., Кралькина Е., Неклюдова П., Никонов А., Павлов В., Айрапетов А., Одиноков В., Сологуб В., Павлов Г. Исследование параметров плазмы геликонного разряда в макете ВЧ гибридной плазменной системы // Прикладная физика. 2015. № 3. C. 25–28.
3. Aleksandrov A.F., Petrov A.K., Vavilin K.V., Kralkina E.A., Neklyudova P.A., Nikonov A.M., Pavlov V.B., Ayrapetov A.A., Odinokov V.V., Sologub V.A., Pavlov G.Ya. Investigation of the Helicon Discharge Plasma Parameters in a Hybrid RF Plasma System // Plasma Physics Reports. March 2016. Vol. 42. № 3. P. 290–292.
Отзывы читателей
