Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Плазменные источники химически активных ионов и их применения в технологиях микро- и наноэлектроники 12
1.1. Плазменные источники химически активных ионов и частиц .12
1.2. Управление распределением плотности тока по сечению пучка ионов 25
1.3. Технологические процессы обработки функциональных слоев микроплат с использованием ионных пучков 28
1.3.1. Очистка подложек микроплат 28
1.3.2. Синтез тонких пленок углерода 31
1.3.3. Ионно-лучевая модификация пленок углерода 36
1.4. Выводы и постановка задач 38
ГЛАВА 2. Источники химически активных ионов на основе отражательного разряда с полым катодом 41
2.1. Временные характеристики горения разряда 42
2.2. Энергетические спектры выходящих ионов 49
2.3. Исследование процессов в ускоряющем промежутке между катодом-отражателем и обрабатываемой поверхностью 54
2.4. Модернизации отражательного разряда с полым катодом 58
2.4.1 Магнетронно-распылительный графитовый элемент в полом катоде 58
2.4.2 Магнетронно-распылительный самонакаливаемый элемент с рабочим веществом в полом катоде 62
2.5. Выводы к главе 2 66
ГЛАВА 3. Источник с пучком большого сечения на основе двухступенчатого разряда с полым катодом 68
3.1. Исследование двухступенчатого разряда с полым катодом 68
3.2. Управление распределением плотности тока по сечению пучка ионов 80
3.3. Плазменный эмиттер электронов 89
3.4. Выводы к главе 3 92
ГЛАВА 4. Применение плазменных источников химически активных ионов для обработки функциональных слоев микроплат 94
4.1. Ионная очистка подложек как альтернатива многостадийной химической очистке 94
4.2. Синтез и исследование тонких пленок углерода .100
4.2.1 Пленки, синтезированные ионным пучком 102
4.2.2 Пленки, синтезированные чередующимися ионными и электронными пучками 118
4.3. Модификация пленок углерода лучом ионов С+ 123
4.4. Выводы к главе 4 128
Заключение 131
Список литературы 135
- Управление распределением плотности тока по сечению пучка ионов
- Энергетические спектры выходящих ионов
- Управление распределением плотности тока по сечению пучка ионов
- Пленки, синтезированные ионным пучком
Введение к работе
Газоразрядная плазма и пучки заряженных частиц широко применяются в качестве «инструментов» для управления свойствами поверхности и обеспечения устойчивого воспроизведения размеров в нанометровом диапазоне в технологиях создания электронной компонентной базы, входящих в перечень критических технологий РФ.
Традиционные методы обработки поверхности плазмой в реакторах с ВЧ генератором или магнетроном не всегда позволяют добиться требуемого результата. Это связано с недостаточной энергией ионов для проведения глубокой очистки или иммерсионной имплантации; трудностями при обработке рельефной поверхности при наличии областей затененности, канавок, выступов; отсутствием независимой регулировки энергии и плотности тока заряженных частиц, необходимой для эффективного управления характеристиками напыляемых покрытий.
Указанных недостатков лишены плазменные источники ионов (ИИ). С помощью внешних источников электропитания независимо регулируются энергия и плотность тока ионов, что позволяет контролировать скорость и результаты обработки. Пучки ионов могут направляться под любым углом к поверхности, благодаря чему осуществляется быстрая обработка заданного профиля даже при наличии рельефа и областей затененности. ИИ портативны и малогабаритны, благодаря чему их можно использовать на большинстве промышленных вакуумных установок. Возможность обработки лучом сепарированных ионов определенной массы - другое важное достоинство ионно-лучевых систем.
Генерация эмитирующей плазмы в ИИ может осуществляться с помощью различных разрядов. Для технологических ИИ одним из наиболее перспективных является низковольтный отражательный разряд с полым катодом.
В современных технологиях ясно прослеживается тенденция перехода к химически активным плазмообразующим газам. Использование этих газов в ИИ позволяет сочетать физическое и химическое воздействие испускаемых плазмой частиц на поверхность, что позволяет снизить на 1 - 2 порядка ускоряющие напряжения и расширить спектр технологических возможностей источников. Среди наиболее привлекательных возможностей можно выделить очистку подложек, синтез и модификацию пленок под непосредственным воздействием активных частиц, испускаемых плазменным источником. Таким образом, плазменные источники химически активных ионов являются перспективным оборудованием для создания тонкопленочных микроплат.
К сожалению, на сегодняшний день существуют определенные проблемы, препятствующие широкому применению ИИ на основе отражательного разряда с полым катодом для обработки функциональных слоев электронных приборов. Во-первых, работа ИИ на химически активных газах изучена недостаточно. В особенности это касается углеводородов и кремнийорганических соединений, которые необходимы для синтеза непосредственно с помощью пучков ионов перспективных материалов на основе углерода и карбидов (защитные, просветляющие, полупроводниковые, резистивные, сенсорные слои). Кроме того, существует проблема, связанная с отсутствием возможности полноценного, двухкоординатного управления распределением плотности тока по сечению пучка. Данная проблема вызывает зависимость энергетической эффективности ИИ от конструктивных особенностей конкретной вакуумной установки, и, как следствие, в ряде случаев наблюдается снижение производительности устройства.
В соответствии с вышеизложенным, целью диссертационной работы является исследование и разработка плазменных источников химически активных ионов на основе разряда с полым катодом, отвечающих современным требованиям их применения в технологиях обработки функциональных слоев микроплат. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Исследовать отражательный разряд с полым катодом при напуске органических соединений.
Исследовать ИИ с пучком большого сечения на основе двухступенчатого разряда с полым катодом, выявить оптимальные геометрические и электрофизические параметры его работы; разработать для этого ИИ систему управления распределением плотности тока по сечению пучка по двум координатам.
Исследовать ионную очистку подложек тонкопленочных микроплат как альтернативу многостадийной химической очистке.
Разработать основы технологии синтеза и модификации защитных и резистивных пленок и тонкопленочных структур углерода на подложках из различных материалов с помощью ускоренных пучков химически активных частиц.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
Исследованы физические процессы, определяющие стабильность работы отражательного разряда с полым катодом при напуске органических соединений, а также энергетические спектры выходящих из разряда ионов.
Исследован источник с пучком большого сечения на основе двухступенчатого разряда. Выявлены два возможных режима горения основного объемного разряда: разряд с плазменным катодом и разряд с полым катодом. Выявлены оптимальные геометрические параметры разрядной камеры и параметры горения разряда для обоих режимов. Исследовано распределение тока объемного разряда по электродам и их частям вдоль оси. Установлены условия перехода в режим объемного разряда с полым катодом разрядной камеры. В режиме объемного разряда с полым катодом отмечено существенное сокращение потребляемой мощности.
Показана возможность управления распределением плотности тока по сечению пучка ионов сразу по двум полярным координатам: как по радиусу, так и по углу, за счет регулировки токов вспомогательного и основного анодов, угла наклона электродов, образующих основной анод, и их потенциалов.
Предложена и автоматизирована новая методика определения высоких значений (свыше 5 МПа) адгезионной прочности твердых пленок.
Исследован синтез пленок углерода с различными характеристиками непосредственно с помощью источника ионов органических соединений на основе отражательного разряда с полым катодом. Предложен новый способ синтеза пленок при попеременном ускорении на подложку химически активных ионов и электронов за счет низкочастотного (50 Гц) синусоидального переменного ускоряющего напряжения. Установлено, что модификация синтезированных пленок лучом химически активных ионов С+ позволяет сохранить элементный состав облученных областей и толщину (изменение толщины не более 15 %) при падении поверхностного сопротивления до нескольких Ом/.
Научная и практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что:
Научные положения и выводы, сделанные на основе проведенных исследований, вносят существенный вклад в понимание особенностей генерации плазмы и пучков заряженных частиц в источниках на основе разряда с полым катодом в химически активных газах.
Разработано 4 плазменных источника заряженных частиц. Источники отличаются конструкцией, назначением, основными рабочими параметрами, дополнительными возможностями. Для увеличения времени непрерывной работы и тока пучка извлекаемых ионов при напуске углеводородов разработан источник с графитовым «самоочищающимся» магнетронно-распылительным элементом (МРЭ) катода, а также теплоизолированным самонакаливаемым МРЭ специальной конструкции для загрузки и ионизации дополнительных рабочих веществ, отличных от графита и имеющих более низкую температуру плавления. Разработаны источники с пучком большого сечения на основе двухступенчатого разряда с улучшенным управлением распределением плотности тока по сечению пучка, со сниженными энергозатратами.
Показана перспективность использования разработанных источников для очистки подложек микроплат СВЧ ГИС, а также для синтеза и литографии функциональных слоев микроплат на основе углерода.
Диссертационная работа состоит из четырех глав.
Первая глава носит обзорный характер и посвящена рассмотрению современного состояния исследований по теме диссертации. Рассматриваются особенности техники плазменных источников ионов. Как следует из обзора технологических ИИ, одним из наиболее перспективных является низковольтный отражательный разряд с полым катодом. К его достоинствам относятся: возможность энергетически эффективной эмиссии, как ионов, так и электронов; широкий диапазон рабочих давлений газа (1 – 110-4 Па); высокий ресурс непрерывной работы; высокая плотность плазмы (1012 – 1013 см-3); простота конструкции, возможность рабочей конструкции с двухступенчатой газоразрядной системой и пучком ионов большого сечения. В первой главе анализируются возможности и результаты работы источников при напуске химически активных газов. Подвергаются анализу способы управления распределением плотности тока по сечению пучка ионов. Рассматривается применение плазменных источников в качестве технологического оборудования для обработки функциональных слоев микроплат, включая операции очистки подложек, синтеза пленок. В заключении главы 1 формулируются основные задачи исследований.
Вторая глава посвящена исследованию источника ионов на основе отражательного разряда с полым катодом при напуске химически активных технологических газов: органических и кремнийорганических соединений, воздуха; изучению временных характеристик горения разряда. Показано, что при потоках углеводорода 2,4 м3мПа/с и более через некоторый промежуток времени, зависящий от разрядного тока и давления газа, наблюдается рост разрядного напряжения, что объясняется образованием на электродах разрядной камеры покрытий из продуктов диссоциации молекул углеводорода; рост со временем углеродных покрытий на катодах и зарядка их ионами приводит в конечном итоге к электрическому пробою покрытий и образованию катодных пятен. Исследованы энергетические спектры выходящих ионов; определены оптимальные рабочие параметры, соответствующие длительной непрерывной работе при напуске активных газов; рассмотрены новые разработанные источники с возможностью длительной непрерывной работы при напуске углеродсодержащих газов.
В третьей главе приводятся результаты исследования двухступенчатого отражательного разряда с полым катодом, анализируются возможные режимы горения в зависимости от геометрических параметров, давления газа, соотношения токов основного и вспомогательного разряда, делаются выводы об оптимальных геометрических параметрах и элементах конструкции двухступенчатой разрядной камеры; рассматривается новый разработанный источник с возможностью управления распределением плотности тока по сечению пучка заряженных частиц по двум полярным координатам - по радиусу и по углу путем регулировки потенциала, угла наклона электродов составного анода основного разряда, токов вспомогательного и основного разряда; рассматривается новый разработанный плазменный эмиттер электронов с удаленным от полого катода эмиссионным сеточным анодом.
Четвертая глава посвящена применению плазменных источников в технологических операциях обработки функциональных слоев микроплат: очистки подложек, синтеза и модификации тонких пленок с использованием пучков ионов химически активных газов. Проводится сравнение ионно-лучевой и многостадийной жидкостной очистки на основе показателей качества, экономичности и экологичности технологического процесса очистки. Разрабатывается технология синтеза пленок углерода с различными характеристиками на различных подложках с использованием пучков ионов пропана, метана, водорода, ацетона, спиртобензина, аргона а также их смесей. Исследуется модификация углеродных пленок лучом ионов С+, которая проводится с целью создания графитизированных участков этих пленок с заданной электрической проводимостью для увеличения функциональной нагрузки углеродных слоев микроплат.
Полученные результаты позволяют сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:
В процессе непрерывной работы отражательного разряда с полым катодом при давлении углеводорода/? 1,5 Па (поток газа Q > 2,5 м хмПа/с) через некоторый промежуток времени, зависящий от тока разряда Id, наблюдается рост разрядного напряжения, образование катодных пятен и кратковременный переход тлеющего разряда в дуговой, что связано с осаждением на катодах покрытий из продуктов диссоциации углеводорода. Увеличение времени стабильной непрерывной работы источника достигается путем снижения Id и р, либо путем использования «самоочищающегося» МРЭ катода.
Для зажигания объемного двухступенчатого разряда с полым катодом требуется увеличение диаметра отверстия связи до ~ 7 мм при исследованных параметрах газоразрядной системы. Объемный разряд с полым катодом имеет ряд отличий, среди которых: обратная зависимость напряжения горения основной ступени U2 от тока вспомогательной ступени 1\; относительно низкие значения I], U2 и давления газа (до 8,5 мПа); сниженные энергозатраты. Электронный ток объемного разряда замыкается преимущественно на наиболее удаленную от полого катода часть рабочей поверхности основного анода.
Использование основного анода в виде полого усеченного конуса, разделенного по образующим на изолированные электроды, дает возможность управления распределением плотности тока по поверхности плазменного эмиттера сразу по двум полярным координатам, как по радиусу, так и по углу за счет изменения углов наклона и потенциалов электродов, а также за счет изменения отношения токов основного и вспомогательного разрядов.
Плазменный источник ионов органических соединений при различных условиях позволяет синтезировать следующие тонко пленочные материалы: аморфный углерод а-С и а-С:Н (С# до 10 ат. %) алмазоподобного и графитоподобного типов; нанокристаллический графит с линейным размером частиц 5 - 7 нм; протяженные слои из шестиугольных колец sp углерода, разупорядоченный углерод и sp углерод. Попеременное ускорение на подложку ионов пропана и электронов за счет низкочастотного (50 Гц) синусоидального переменного ускоряющего напряжения позволяет синтезировать пленки углерода заданного состава независимо от материала подложки (одновременно на подложках из различных материалов) в широком диапазоне давлений газа (до 10 Па).
5. Модификация синтезированных алмазоподобных пленок a-C и a-C:Н с поверхностным сопротивлением Ks 10 Ом/ ионами С с энергией 30 кэВ (доза 1 10 см ) позволяет достичь резкого падения поверхностного сопротивления до величины 5 - 10 Ом/, вызванного образованием sp углерода. Величина ARS зависит от исходных характеристик пленок: концентрации связанного водорода, разупорядоченного углерода, кристаллической структуры.
Управление распределением плотности тока по сечению пучка ионов
В микроэлектронных технологиях большое значение имеет качество обработки поверхности подложек тонкопленочных микроплат [32]. В условиях производства микросхем пластины и подложки соприкасаются с различными средами, и полностью защитить их от адсорбции различного рода примесей невозможно. Для обеспечения эффективной очистки с помощью жидкостных химических реактивов необходимо знать источник и вид загрязнения, характер его поведения на поверхности. Обычно, на поверхности присутствуют загрязнители различной природы, органического и неорганического строения. В связи с этим очистку проводят последовательно с использованием различных химических реактивов (поверхностно активных веществ, спиртов, неорганических кислот и прочее). Каждый используемый реактив направлен на снижение концентрации того или иного загрязнителя. Основными операциями являются обезжиривание, травление, промывка, сушка. На различных этапах очистки производят промывание подложек. Для промывания применяют дистиллированную и деионизованную воду. Производство такой воды требует значительных затрат рабочего времени и электроэнергии. Говоря о материальных затратах на проведение очистки, следует также отметить высокую стоимость расходуемых химических реактивов. Сочетание химических и физических механизмов воздействия при промывке в ультразвуковых и нагревательных ваннах, центрифугировании, горячей сушке, прокаливании, плазменной обработке позволяет улучшить качественные показатели очистки, а также снизить затраты. Газоразрядная плазма и ионные пучки являются весьма эффективным инструментом для очистки подложек [7, 33]. Плазмохимическая очистка основана на разрушении обрабатываемого материала ионами активных газов, образующимися в плазме газового разряда и вступающими в химическую реакцию с атомами материала при бомбардировке поверхности подложек. При этом молекулы газа в разряде распадаются на химически активные частицы – электроны, ионы и свободные радикалы, атомы, взаимодействующие с поверхностью. В результате химических реакций образуются летучие соединения, удаляемые с откачкой.
Замена химических реактивов, предназначенных для очистки, плазмой позволяет получить высокую степень чистоты, сократить затраты реактивов и рабочего времени. Применение плазмы для очистки подложек несомненно перспективно, так как влечет значительный экономический эффект за счет отказа от химических реактивов и по той же причине снижает фактор риска для экологии. Наиболее часто используют высокочастотную (13,56 МГц) плазму. В качестве реагентов выступают напускаемые в плазмохимическую установку газы, среди которых используют: кислород, хлор, фтор, водород.
В настоящее время производится множество установок плазменного травления и плазменной очистки. Среди производителей можно выделить предприятия «Nordson MARCH» (США), «Diener electronic» (Германия), «СОВТЕСТ АТЕ» (Россия). Производятся установки для нанесения покрытий микроплат, комплектующиеся встроенными устройствами плазмохимической очистки [35]. Такие установки имеют преимущество над автономными установками плазмохимической очистки, так как позволяют осуществлять очистку подложек непосредственно перед напылением пленок и избегать контакта операторов с очищенными подложками, а также трудностей, связанных с хранением и транспортировкой очищенных подложек перед напылением. Таким образом, предпочтительна очистка подложек в установке вакуумного напыления непосредственно перед напылением пленок в одном вакуумном цикле. Однако универсальные установки такого типа имеют более высокую стоимость.
Другим подходом к решению проблемы очистки является использование ионных источников – портативных и малогабаритных устройств, которые могут монтироваться на большинство промышленных вакуумных установок напыления и применяться для очистки непосредственно перед напылением. Стоимость источника ионов, обычно, существенно меньше стоимости установки плазмохимического травления, так как в последнюю входят затраты на систему откачки, рабочую камеру, приборы, панели управления и пр. В случае применения ионного источника нет необходимости приобретения автономной установки плазмохимического травления и строгого соблюдения правил вакуумной гигиены при выгрузке/загрузке очищенных подложек. Таким образом, для проведения очистки непосредственно перед напылением пленок в установке вакуумного напыления могут использоваться плазменные источники химически активных ионов (возможно как физическое распыление поверхности ионами, так и химическое воздействие на поверхность). Этими источниками могут быть модернизированы уже существующие на предприятии установки вакуумного напыления, и расходов на приобретение новых установок не потребуется.
К сожалению, на сегодняшний день о сравнительной эффективности тех или иных видов очистки известно крайне мало. Однако существуют способы качественной оценки эффективности очистки. По используемому оборудованию и критериям оценки эти способы можно разделить на несколько групп. Можно выделить методы, основанные на анализе: - гидрофильности поверхности; - адгезионной прочности напыленных пленок; - химического состава поверхности подложек после очистки. Известно, что гидрофильность поверхности подложек – это важный критерий при оценке степени чистоты, который позволяет получить информацию о присутствии на поверхности гидрофобных органических загрязнителей [36]. Другой критерий чистоты подложек – адгезионную прочность напыленных после очистки пленок исследуют методами, основанными на нормальном отрыве или скрайбировании пленок [37]. Наиболее информативен анализ поверхности подложек методами вторичной ионной масс-спектроскопии, атомно-силовой микроскопии. При использовании данных методов поверхность подложек должна сохраняться неизменной с момента окончания очистки к моменту начала исследований на соответствующей аппаратуре, включая ее время «выхода на режим», что весьма затруднительно, ввиду загрязнений подложки в процессе необходимых перемещений, во время нахождения подложки в исследовательской камере при создании вакуума и выполнении прочих операций.
Энергетические спектры выходящих ионов
Для изучения энергетических характеристик выходящих ионов использовалась схема эксперимента, представленная на рисунке 2.5 [68, 79]. На расстоянии 20 мм от катода-отражателя устанавливался многосеточный зонд-энергоанализатор 5 таким образом, чтобы его входное отверстие диаметром 3 мм и глубиной 5 мм было на одной оси с эмиссионным отверстием. Корпус энергоанализатора находился под потенциалом корпуса экспериментальной установки. Практически под таким же потенциалом находились и катоды разрядной камеры. Сетка с і являлась экранирующей и соединялась с корпусом энергоанализатора. Напряжение на сетках поддерживалось с точностью ±0,5 %. Коллектор находился под потенциалом катодов. Материал корпуса, коллектора и сеток - нержавеющая сталь. Размеры ячеек сеток - 0,20,2 мм. Расстояние между сетками - 2 мм. На сетку с 2 относительно корпуса подавалось анализирующее напряжение Uс2 = 0 – 450 В. На сетку c3 относительно корпуса подавали отрицательное напряжение Uз = 200 В, задерживающее вторичные электроны, эмитированные коллектором, а также электроны с аномально большой энергией, которые могут проникать в энергоанализатор из отражательного разряда с полым катодом [23]. Задерживающее напряжение Uз было определено экспериментально. Для этого была снята зависимость Ic (Uс3), показанная на рисунке 2.6. Как видно из рисунка, началу области насыщения по оси Uc3 соответствует значение Uз.
Энергетический спектр ионов строился в программе MathCad по результатам снятия кривой задержки тока ионов на коллектор Ic (Uс2) (рисунок 2.7) и путем интерполирования кривой кубическими сплайнами с заданием функций Ic_csp = cspline (Ic) и Uc2_csp = cspline (Uc2) с последующим дифференцированием:
Для сравнения спектров, полученных в разных экспериментальных условиях, проводилась их нормировка. По положению максимума энергетического спектра определялся потенциал плазмы на оси разряда относительно катодов и, соответственно, катодное падение потенциала Ucpd на оси отражательного разряда с полым катодом. Кроме того, по этим результатам, зная разрядное напряжение Ud, определялась величина радиального провисания потенциала AU в разряде:
Энергетические спектры ионов исследуемых газов представлены на рисунке 2.8. Положение максимумов энергетических спектров определяет наиболее вероятную энергию ионов, выходящих из разряда. Разброс по энергиям в ионных спектрах объясняется [15] колебательными процессами в исследуемом разряде, в частности, колебаниями потенциала плазмы на оси разряда [82]. Ширина энергетического спектра на полувысоте Д Е во всех случаях не превышала нескольких десятков эВ, что на порядок меньше, чем в ионном источнике «Радикал - М250», который используется для реактивного ионно-лучевого синтеза тонких пленок [4]. Более узкий энергетический спектр позволяет более эффективно и предсказуемо управлять свойствами синтезируемых пленок. Наибольшая Д Е наблюдается у диметилдихлорсилана. Увеличение разрядного тока и потока газа приводит к уменьшению Д Е (рисунке 2.9), что совпадает с результатами аналогичных исследований спектров ионов водорода [15] Рост Ud, который наблюдается в некоторых случаях при напуске углеводорода, (раздел 2.1) сопровождается повышением катодного падения потенциала Ucpa. Об этом свидетельствует смещение со временем максимумов энергетических спектров ионов углеводородов в сторону больших энергий (рисунок 2.10).
При этом увеличивается и радиальное провисание потенциала AU. Образование углеродсодержащих покрытий на части катодной поверхности приводит к ухудшению условий поддержания разряда, что вызывает рост Ucpej.
Таким образом, установлено, что выходящие ионы имеют разброс по энергиям Д Е порядка нескольких десятков эВ. Снижение Q и Id приводит к увеличению разброса по энергиям выходящих ионов, и к уменьшению интенсивности ионного потока и давления углеводорода. Образование углеродсодержащих покрытий на части катодной поверхности приводит к ухудшению условий поддержания разряда за счет снижения интегрального по поверхности катода коэффициента ионно-электронной эмиссии, что вызывает рост катодного падения потенциала Ucpd и радиального провисания потенциала
Технологические возможности источника ионов и результат его применения в процессе изготовления микроплат во многом зависят от параметров ионного пучка в ускоряющем промежутке. Для большинства источников эти характеристики определяются наиболее важными рабочими параметрами: давлением газа в ускоряющем промежутке, ускоряющим напряжением, поддерживаемым током.
Схема исследования вольтамперных характеристик источника, показана на рисунке 2.11. Проводились измерения тока на коллектор 1С и ускоряющего напряжения U между катодом-отражателем и коллектором [66, 84]. Зависимости IC(U) снимались при различных давлениях и составах рабочего газа (регулировка давления осуществлялась путем изменения расхода газа); полярностях и формах сигнала ускоряющего напряжения; диаметрах эмиссионного отверстия в катоде-отражателе.
Управление распределением плотности тока по сечению пучка ионов
В предыдущем разделе было показано, что в плазменном источнике на основе двухступенчатого разряда с полым катодом независимо от режима работы основная доля тока основного анода замыкается на наиболее удаленную часть его рабочей поверхности. Данное обстоятельство позволяет предположить, что в такой системе возможно эффективное управление распределением плотности тока по поверхности газоразрядного эмиттера ионов за счет изменения конструкции основного анода и параметров основного разряда. Как указывалось в разделе 1.2, среди наиболее актуальных задач техники и конструирования плазменных источников ионов можно выделить разработку и исследование источника ионов, в котором возможно управление распределением плотности тока по поперечному сечению пучка ионов сразу по двум полярным координатам – и по радиусу и по углу. Внедрение такого устройства в производственные технологии позволит увеличить энергетическую эффективность при формировании пучков ионов с различной формой поперечного сечения с помощью одного и того же эмиттера. Кроме того, с помощью этого источника можно добиться увеличения производительности за счет возможности формирования пучков не только с симметричным относительно оси распределением плотности тока, но и с несимметричным распределением плотности тока без конструктивных изменений источника. Полноценная система управления распределением плотности тока по сечению пучка открывает возможности использования плазменного источника с одинаковой и максимальной для него энергетической эффективностью независимо от конструктивных особенностей технологической установки, ее марки, типа, конструкции подложкодержателя и прочего, что, несомненно, важно для успешного и широкого применения плазменных источников.
В предлагаемом в настоящей работе плазменном источнике возможно управление распределением плотности тока по сечению пучка по двум полярным координатам – и по радиусу и по углу [103, 104]. Источник ионов (рисунок 3.8) представляет собой систему с основным анодом 7, полым катодом 1, вспомогательным анодом 2, катодом-отражателем 3. Магнитное поле 80 мТл в разрядной камере создается постоянным кольцевым магнитом 4. Эмитирующая плазма генерируется двухступенчатым разрядом. Разрядная камера образована также эмиссионным электродом 6 (стальная сетка с ячейками 2 2 мм, диаметр проволоки 0,2 мм) и полым электродом (полый цилиндр с внутренним диаметром 300 мм и высотой 130 мм) 5. Возможность управления распределением плотности тока по сечению пучка сразу по двум координатам обеспечивается за счет конструктивных особенностей основного анода 7. Он представляет собой кольцо, состоящее из нескольких (в данном случае четырех) одинаковых электрически изолированных электродов, образованных в результате рассечения по образующим полого усеченного конуса, обращенного торцом меньшего диаметра (70 мм) в сторону отверстия в катоде-отражателе. Электроды размещены на изоляторе с возможностью изменения их угла наклона к оси эмиттера от 60 до 90. Электрическое питание изолированных электродов, образующих составной основной анод, может осуществляться либо от различных источников питания, либо от одного источника путем подключения электродов к источнику через переменные резисторы. Распределение плотности тока по поверхности эмиттера зависит: 1) от соотношения между токами вспомогательного и основного анодов, 2) от углов наклона электродов составного основного анода 7 к оси источника и 3) от распределения тока на основной анод по составляющим его электродам. При изменении соотношения между токами вспомогательного и основного анодов изменяется соотношение между концентрациями эмитирующей плазмы на оси и на периферии, где интенсивность ионизационных процессов определяется в основном током на основной анод. Поскольку ток основного разряда замыкается на наиболее удаленные участки основного анода, то, изменяя углы наклона электродов, составляющих основной анод, к оси эмиттера, мы тем самым изменяем в радиальном направлении размеры области, в которой генерируется эмитирующая плазма. С учетом разлета заряженных частиц в осевом и радиальном направлениях это в свою очередь приведет к изменению радиального распределения плотности плазмы вблизи эмиссионного электрода. При равномерном распределении тока по электродам основного анода и одинаковом угле наклона всех этих электродов к оси эмиттера можно управлять только радиальным распределением плотности тока по сечению пучка за счет изменения первых двух указанных выше параметров. Это позволяет эффективно формировать пучки только с круглым сечением и симметричным относительно оси распределением плотности тока.
Изменение распределения тока основного разряда по электродам основного анода позволяет осуществлять управление распределением плотности тока по сечению пучка и по второй координате – по полярному углу. Плотность эмитирующей плазмы максимальна для того полярного угла, который соответствует положению электрода, на который замыкается максимальная доля общего тока основного анода.
Пленки, синтезированные ионным пучком
В современной нано- и микроэлектронике востребованы многие углеродные материалы. Углеродные атомы обладают способностью образовывать различные типы связей друг с другом. Это sp1, sp2 и sp3 связи. В аморфном углероде (а-С) содержатся разупорядоченные структуры, где одновременно могут существовать все типы углеродных связей и от соотношения их количества, порядка расположения возможны различные характеристики материала. Наличие неоднородности (существование областей с различными типами связи) приводит к возникновению новых свойств образца – люминесценции в видимой области, изменению механических свойств, возникновению поверхностных состояний и др. Понятно, что простая аналогия между разупорядоченными структурами и «неиспорченными» структурами исходных «эталонных» материалов (алмаза, графита, графена, карбина) неприемлема, так как разупорядоченная структура является уже другим новым материалом [159]. Более того, свойство углеродных атомов легко образовывать различные типы связей приводит к тому, что два различных образца синтезированные при условиях, отличающихся, с точки зрения технолога, лишь незначительно, могут на самом деле обладать отличающимися структурами и реально их нужно рассматривать как два различных материала. В связи с этим в современной микро- и наноэлектронике уделяется большое внимание технологиям синтеза углеродных материалов.
Анализ технологий синтеза пленок углерода (раздел 1.3.2) показывает успешное применение для этих целей прямого ионно-лучевого осаждения с помощью ионных источников. Важным вопросом является выбор технологического оборудования для реализации данного метода.
Исследования плазменного источника на основе отражательного разряда с полым катодом (глава 2) показали некоторые его особенности, которые необходимо учитывать при использовании данного источника в качестве технологического оборудования для синтеза пленок углерода. Во-первых, как было отмечено, в случае напуска в источник углеводородов, обработку следует проводить при относительно низких токах разряда и потоках газа, что позволяет получить длительное время непрерывной работы источника. Во-вторых, этот источник генерирует ионы с относительно небольшим разбросом ионов по энергия ( Е 10 В), что предполагает предсказуемое управление свойствами синтезируемых пленок [110 - 112]. В-третьих, источник дает возможность независимой регулировки тока пучка ионов и энергии ионов в широком диапазоне значений этих величин. В-четвертых, источник позволяет осуществлять энергетически эффективное воздействие пучками, как ионов, так и электронов различных энергий без проведения конструктивных изменений за счет простой регулировки потенциала и полярности коллектора-подложкодержателя.
Указанные обстоятельства обуславливают необходимость проведения исследований по отработке технологии синтеза пленок углерода с помощью плазменного источника химически активных ионов на основе отражательного разряда с полым катодом.
Источник на основе отражательного разряда с полым катодом использовался для синтеза тонких пленок углерода непосредственно с помощью пучков химически активных частиц. Исследования проводились в рамках программы «УМНИК» Министерства образования и науки РФ (Приложение Г). Пленки синтезировались двумя разными способами: пучками ионов (постоянное смещение на подложке) и чередующимися пучками ионов и электронов (низкочастотное переменное синусоидальное смещение). Откачка вакуумной камеры производилась турбомолекулярным насосом ТМН-1500 до предельного вакуума 2 мПа. Расход газа регулировался в диапазоне 1,3 - 5,0 м мПа/с при напуске в полый катод углеводородов (пропан или метан). В отдельных опытах использовались смеси с аргоном, водородом, азотом, спиртобензином и ацетоном. Разряд в источнике поддерживался в непрерывном режиме. Перед синтезом пленки проводилась очистка подложки в течение 5 минут ионами аргона при ускоряющем напряжении Udc = 3,5 кВ, токе ионного пучка на подложку 1ъ = 40 мА и давлении в рабочей камере 12 мПа. Температура неохлаждаемой подложки в процессе осаждения пленки не превышала 250 С за исключением опытов с нагреванием подложки, о которых будет сказано отдельно. Среднее время осаждения - 20 минут. Подложки из монокристаллического кремния КЭФ-4.5 (100) и/или и керамики Al2O3 (поликор) устанавливались на расстоянии 12 см от источника.
Синтезированные пленки исследовались с помощью измерителя твердости наноиндентора Nanoscan-01, спектрометра комбинационного рассеяния света (КРС) Renishaw in Via Raman Microscope (к = 514,5 нм), ИК Фурье спектрометра ФСМ-1201, спектроскопического эллипсометра VASE J.A. Woolam Co.Inc.USA.
