Лабраторія технології тонких плівок

Лабораторія іонно-плазмових систем та технологій

Центр 10.1 НІЧ БДУІР

Іонні джерела набули широкого поширення в технології тонких плівок. Однією з головних переваг іонно-променевих технологій є поділ областей плазмоутворення, прискорення іонів та об'єкта обробки. Це дозволяє розпорошувати метали, діелектрики та напівпровідники без використання ВЧ потужності. В даний час у лабораторії розроблено та експлуатуються іонні джерела різних типів. Різноманітність розроблених іонних джерел дозволяє користувачеві підібрати для конкретної операції джерело з відповідними параметрами пучка, що формується. Однією з найбільш розвинених напрямів у сфері технологічних генераторів іонних пучків у СРСР і нині у Білорусі є розробка технологічних іонних джерел з урахуванням прискорювачів з анодним шаром і торцевих холлівських прискорювачів. У цих джерелах іонізація робочого газу виробляється електронам, намагніченим у поперечному магнітному полі. Прискорення іонів відбувається в зоні розряду без порушення квазінейтральності плазми, що знімає обмеження на щільність відібраного іонного струму. У лабораторії іонно-плазмових систем та технологій розроблено ряд іонно-променевих пристроїв на основі прискорювача з анодним шаром та торцевого холлівського прискорювача для технології формування тонких плівок: розпилювальні іонні джерела, іонні джерела для іонно-асистованого нанесення шарів, двопроменеві іонні. Залежно від форми та розмірів підкладки, необхідної продуктивності, конфігурації вакуумної камери, властивостей матеріалу мішені і необхідних властивостей покриття, що наноситься пропонуються аксіальні, протяжні, і циліндричні версії іонних джерел з різною геометрією іонного пучка.Розроблено аксіальні іонні джерела з мішенню, що розпилюється, діаметром від 35 мм до 100 мм і протяжні іонні джерела з довжиною робочої зони до 100 см (40”). У розпорядженні є як внутрішньокамерні, і зовнішні (фланцевые) моделі іонних джерел. Залежно від призначення іонного джерела та умов експлуатації як джерела магнітного поля використовуються як електромагніти (соленоїди), так і Sm-Co, Nd-Fe-B, Sr-Fe-O постійні магніти. Магнітна система на постійних магнітах найчастіше використовується у разі внутрішньокамерного виконання джерела та для промислових протяжних іонних джерел. Застосування соленоїдів дозволяє оптимізувати індукцію магнітного поля в каналі прискорення та підвищити ефективність формування іонних пучків. Розроблені іонні джерела пристрою мають просту конструкцію, прості у застосуванні та нечутливі до забруднення. Оригінальна конструкція фланцевого кріплення та знімного мішеного блоку іонного джерела забезпечує легкий доступ оператора для очищення іонних джерел та зміни мішеней. Це дозволяє використовувати дані пристрої як для досліджень, так і в промисловості.

Плазмові джерела електронів для нейтралізації іонних пучків

Області застосування іонних джерел дещо обмежуються необхідністю використання досить сильноточних емітерів електронів. Так для торцевого холлівського прискорювача потужне джерело електронів необхідне підтримки процесу плазмоутворення і компенсації просторового заряду іонного пучка. Проблема компенсації потоку іонів також виникає під час формування сфокусованих іонних пучків. Електричні поля, що виникають при транспортуванні іонного пучка, що фокусується, можуть досягати високих значень, розфокусуючи іони. Як наслідок,поширення сфокусованих іонних пучків супроводжується їх розпливанням внаслідок взаємного розштовхування іонів. Також проблема виникнення нестійкості розряду іонних джерел відзначається в процесах іонно-променевого розпилення діелектричних мішеней або реактивного іонно-променевого розпилення при нанесенні діелектричних шарів. Ця проблема пов'язана з нескомпенсованістю іонного пучка та утворенням поверхневого позитивного заряду на поверхні мішені та плівки, що росте. При цьому значно погіршується стабільність процесу та зменшується швидкість розпилення. Крім того, поверхневий заряд може стати джерелом виникнення електричного пробою діелектричної плівки. Особливо це актуально при нанесенні конденсаторних діелектриків та оптичних шарів. Застосування систем активної нейтралізації іонних пучків дозволяє не тільки практично усунути нескомпенсованість іонних пучків, а й у деяких випадках інтенсифікувати процеси плазмоутворення та дисоціації газів у процесах реактивного розпилення. Ефективна нейтралізація сфокусованих іонних пучків дозволяє усунути електричні поля об'ємного заряду. У цьому випадку лише обмеження, пов'язані з формуванням щільної плазми, обмежують розмір плями сфокусованого іонного пучка. В даний час для нейтралізації іонних пучків іонних джерел все ширше застосування отримують плазмові джерела електронів (ПІЕЛ), в яких емітером електронів служить газорозрядна плазма. У ПІЕЛ відбір електронів провадиться з межі плазми, утвореної в локалізованому обсязі. Відхід електронів із плазми заповнюється електронною емісією з катода та іонізацією газу. У технології іонно-променевого розпилення та травлення шарів з використанням іонних пучківдоцільним є метод примусової компенсації, який дозволяє працювати при нижчих тисках в камері, активно керувати процесом компенсації іонного пучка та потенціалом підкладки. У цьому методі електрони створюються джерелами, розташованими поза області вакуумного транспортування пучка. Електрони витягуються шляхом примусової екстракції або під дією позитивного електричного поля, створюваного іонним пучком, та у необхідній кількості "приєднуються" до іонів (дивіться малюнок). В результаті нейтралізований пучок має щільність електронів приблизно рівну щільності пучка. У лабораторії розроблено плазмові джерела електронів на основі магнетронного розряду, в якому використовується холлівський струм електронів у схрещених ExH полях. Розряд у схрещених ExH полях є ефективним джерелом електронів, які можуть бути використані для компенсації просторового заряду іонного джерела. Відсутність напружених елементів дозволяє значно підвищити ресурс роботи нейтралізатора під час роботи в атмосфері інертних та активних газів та час міжсервісного обслуговування.

тонких

Магнетронні розпилювальні системи

Метод магнетронного розпилення отримав швидкий розвиток в останні десятиліття, де він встановився як варіант процесу нанесення широкого діапазону важливих для промисловості покриттів. Прикладами є тверді, зносостійкі покриття, антикорозійні, декоративні покриття та покриття зі специфічними оптичними або електричними властивостями. Збільшення зусиль у галузі розробки магнетронних розпилювальних систем обумовлено зростаючим попитом на високоякісні функціональні покриття у різноманітних секторах ринку. Плівки, отримані методом магнетронного розпилення, тепер у багатьохвипадках за властивостями перевершують плівки, завдані іншим методами фізичного осадження (PVD). Крім того, метод має високу продуктивність і в порівнянні з іншими методами можуть бути отримані значно більш товсті плівки. Слід зазначити, що в даний час магнетронне розпилення складає близько 90% ринку розпилювального обладнання. У лабораторії іонно-плазмових систем та технологій проводяться роботи та накопичений великий досвід у галузі розробки та дослідження магнетронних розпилювальних систем. У лабораторії, починаючи з 1994 року, створено широку гаму моделей магнетронів, спеціально розроблених для наукових досліджень та промислового застосування. Залежно від форми та розмірів підкладки, необхідної продуктивності, конфігурації вакуумної камери, властивостей матеріалу мішені та необхідних властивостей покриття, що наноситься, пропонуються планарні аксіальні, прямокутні, протяжні, циліндричні версії магнетронів. У розпорядженні є як внутрішньокамерні, і зовнішні (фланцевые) моделі магнетронів. Дані МРС можуть функціонувати з DC, імпульсними MF, біполярними AC та RF джерелами живлення. Залежно від призначення магнетрону розроблені аксіальні магнетрони з розміром мішені від 2.5 см (1”) до 17.0 см (7”) та магнетрони протяжного типу серії MSPR з розміром мішені до 100 см (40”). Дані розпилювальні системи мають оригінальну конструкцію магнітної системи, що дозволяє створювати магнетрони зі збалансованою та незбалансованою (I та II типу) конфігурацією магнітного поля. Для кількісної оцінки ступеня незбалансованості нами введені поняття коефіцієнтів незбалансованості та геометричної незбалансованості МРС, які характеризують конфігурацію магнітного поля і, отже, мінімальний робочий тиск,величину іонного струму на підкладку та коефіцієнт використання матеріалу мішені. Для оперативної зміни рівня незбалансованості розроблено магнетронні розпилювальні системи з додатковим соленоїдом (серія MAC). Магнітні системи магнетронів виконуються на Sm-Co, Nd-Fe-B, Sr-Fe-O постійних магнітах та електромагнітах. У магнетронах з магнітною системою на феритових магнітах використовується безпосереднє охолодження магнітів та мембранне охолодження мішені. Для підвищення ефективності охолодження можливе використання безпосереднього охолодження мішені. У магнетронах на металевих магнітах магнітна система розміщується в мідному корпусі катода та ізольована від проточної води, що гарантує сталість характеристик магнітів протягом усього терміну експлуатації. Застосування інтегрованих систем газорозподілу дозволяє оптимізувати нерівномірність швидкості розпилення, знизити ефект асиметричності вакуумного відкачування та підвищити стабільність розряду при проведенні процесів реактивного розпилення. Нова конструкція магнетронних розпилювальних систем забезпечує легкий доступ оператора для зміни мішеней та очищення магнетрону. Одним із напрямів діяльності лабораторії є розробка високовакуумних магнетронних розпилювальних систем. При зниженні робочого тиску нижче рівня 0.1 Па значно змінюються фізичні умови формування розряду магнетрону та конденсації розпиленого потоку. При цьому можливе формування компонентних шарів методом магнетронного реактивного розпилення без використання систем управління парціальним тиском реактивного газу. Крім того, зниження мінімального робочого тиску магнетрону дозволяє поєднати роботу магнетронних розпилювальних систем з іонними джерелами та реалізувати методи спільногорозпилення та іонно-асистованого магнетронного розпилення (IBAM).