Технологические потребности рынка повышают актуальность получения высококачественных тонкопленочных слоев металлов, сплавов, диэлектриков и полупроводников. В настоящее время трудно найти область техники, где бы пленочные покрытия или изделия на их основе не выполняли определённой функциональной роли. В связи с развитием отраслей электронного и оптического приборостроения, машиностроения, и металлообработки, средств коммуникаций и авиастроения возрастает интерес к получению покрытий с особенными электрофизическими, оптическими, механическими, жаростойкими и антикоррозионными свойствами на различных органических и неорганических материалах.

На сегодняшний день представляются перспективными методы формирования пленок, основанные на ионной бомбардировке выращиваемой фазы. Облучение поверхности подложки ионами в процессе выращивания пленок - ионное ассистирование (ion beam assisted deposition - IBAD), позволяет в широких пределах управлять свойствами наносимых слоев независимой регулировкой потоков на подложку. Ионная бомбардировка является необходимым условием роста метастабильных фаз пленок сверхтвердых элементов и соединений, таких как алмазоподобные покрытия (diamond like carbon - DLC) и кубический нитрид бора (c-BN).

IBAD процессы могут осуществляться при термическом испарении путем подведения энергии к веществу резистивным и высокочастотным нагревом, электронной бомбардировкой и нагревом с помощью лазерного излучения. Кроме того, IBAD технология может быть реализована при испарении вещества взрывом, при импульсном воздействии на него лазерного излучения, а так же при формировании пленок ионно-плазменными и ионно-лучевыми методами, что получило наибольшее распространение. Для осуществления процессов IBAD используются ассистирующие ионные источники, разработка и изучение одного из которых и является темой данного дипломного проекта.

1. Анализ технических характеристик оборудования для исследования процессов ионного ассистирования

Исследование процесса ионно-лучевого нанесение тонких пленок оксидов металлов проводится в условиях вакуума. Технические данные применяемого оборудования должны соответствовать приведенным ниже. Данное исследование будет проводиться с помощью оборудования - вакуумная установка ВУ-2Мп.

Технические характеристики:

- Рабочее давление не хуже 6·10^-2 Па;

- Проводимая мощность до 7 кВт;

- Ток разряда до 200 мА;

- Рабочее напряжение до 5000 В;

Рис.1.1 - Вакуумная установка ВУ-2Мп

Оборудование предназначено для нанесения в вакууме покрытий на оптические детали методом электронно-лучевого и резистивного испарения диэлектриков, полупроводниковых материалов и металлов с одновременным фотометрическим контролем толщины покрытия.

Вакуумная установка обеспечивает возможность нанесения металлических, однослойных, просветляющих, ахроматических, интерференционных, зеркальных, фильтрующих, токопроводящих и других оптических покрытий для области спектра, ограниченной длинами волн в диапазоне 250-1100мм.

Вакуумная установка должна эксплуатироваться на вакуумных участках и в лабораториях при температуре окружающего воздуха от 17 до 280 ?С, относительной влажности от 40 до 75% и атмосферном давлении 8,4 х10⁴ - 10,6х10⁴ Па (630-800 мм рт. ст).

Вакуумная установка состоит:

- откачной пост (с высоковакуумными средствами откачки);

- агрегат форвакуумный АВР-60;

- комплекс фотометрического контроля толщины СФКТ-751В;

- стойка управления.

Цель исследования - разработка процесса осаждения тонких пленок с заданными свойствами непосредственно с помощью ионно-лучевого ассистированного распыления высокой интенсивности. Эта технология позволила улучшить такие параметры, как адгезия и плотность осаждаемых покрытий. Кроме того, так как при испарении оксидных материалов формируются пленки с недостатком кислорода, то проведение процесса с ассистированием ионами кислорода позволяет контролировать стехиометрию формируемых пленочных структур и в ряде случаев увеличить коэффициент преломления оксидных покрытий. При этом существенно уменьшаются поглощение, рассеяние и шероховатость пленок, а твердость и стойкость к истиранию повышаются.

Пучок ионов формируется ионным источником электронов, и управление свойствами осаждаемых тонких пленок осуществляется посредством изменения параметров ионных пучков в процессе осаждения, а также посредством изменение фазового состава газа-носителя (смесь аргона Ar и кислорода O₂).

Рис. 1.2 - Ионно-лучевое распыление материалов

Ионно-лучевой процесс нанесения пленок целесообразно разделить на три основных этапа:

1. распыление материала мишени;

2. перенос распыленного материала в пространстве мишень - подложка;

3. осаждение материала на подложке.

Материалами для мишени, которая, вследствие бомбардировки ионами, будет испускать частицы материала для последующего осаждения тонкой пленки, являются металл Zn, сплав Zn и Vn, а также оксиды металлов ZnO, Vn₂O₃. Размещено на Allbest.ru

Материалом подложки служит кремниевая пластина и полированное оптическое стекло марки М1. Кремниевая пластина - основной материал для производства полупроводниковых деталей, которые используются во многих областях электроники (вычислительная техника, бытовая электроника, телекоммуникация, автомобильная промышленность и др.).

Полированное стекло M1 - это универсальный материал, который используется в производстве зеркал, стеклянных дверей, автомобильных стекол, стеклопакетов, витрин, витражей и других архитектурных конструкций, другими словами в местах, где предъявляются высокие требования к пропусканию света и внешнему оформлению.

2. Поиск научно-технической литературы по теме исследования

Для литературного обзора по теме исследования была использована следующая научно-техническая литература:

1. Панфилов Ю. В. Нанесение тонких плёнок в вакууме // Технологии в электронной промышленности. 2007. №3.

2. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К. В. Фролов (пред.) и др. - М.: Машиностроение. Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении. Т. III - 8 / Ю. В. Панфилов, Л. К. Ковалев, В. А. Блохин и др.; Под общ. ред. Ю. В. Панфилова. 2000. 744 с., ил.

3. Ионно-плазменные методы формирования тонкопленочных покрытий: Монография / Под ред. А.П. Достанко.- Мн.: “Бестпринт”.

4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М. Мир. 1987 - 595с.

5. Плазменные процессы в производстве изделий электронной техники. В 3-х т. Том 1 / А.П. Достанко, С.П. Кундас, М.Н. Босяков и др.; Под общ. ред. А.П. Достанко. - Мн.: ФУАинформ, 2001. - 424 с.

6. Плазменная металлизация в вакууме. Достанко А.П., Грушецкий С.В., Киселевский Л.И. и др. - Мн.: Наука и техника, 1983.-279c.

7. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. - М.: Радио и связь, 1986. - 232 С.

8. Полак Л.С., Овсянников А.Я., Словецкий Д.И. и др. Теорети-ческая и прикладная плазмохимия. - М.: Наука, 1975. - 304 с.

9. Словецкий Д.И. Механизмы химических реакций в неравновесной плазме. М.: Наука, 1980. - 312 с.

10. Райзер Ю. П., Шнейдер М. Н., Яценко Н. А. Высокочастотный емкостный разряд: Физика. Техника эксперимента. Применение. М.: Наука, 1995. - 320 с.

11. Голант В.Е., Жилинский А. П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. М. Атомиздат, 1977 г. - 364 с.

12. Плазменная технология в производстве СБИС / Под ред. А. Айнспрука, Д. Брауна. М. Мир, 1987. - 470с.

13. Иванов Ю.А., Лебедев Ю.А., Полак Л.С. Методы контактной диагностики в неравновесной плазмохимии. М.: Наука. 1981. - 143 с.

В результате обзора данной литературы, интернет-источников и патентного поиска сформирован раздел магистерской диссертации «Процессы создания тонкопленочных слоев в условиях вакуумных технологий, анализ структуры и свойств тонкопленочных покрытий».

3. Исследование характеристик процесса ионно-лучевого нанесения тонких пленок

Основными характеристиками ионного ассистирующего источника являются его вольт-амперные характеристики (ВАХ). На первом этапе исследований были получены ВАХ ассистирующей ступени ионного источника. Снятие ВАХ проводилось при токе соленоида ионного источника 10 А и минимальном расходе рабочего газа в 15 мл/мин. Такой режим был выбран потому, что в последующем необходимо будет обеспечить газоснабжение или ионного распыляющего источника или магнетронной распылительной системы. Поэтому газоснабжение ассистирующего источника осуществлялось в минимальном количестве, необходимом для устойчивой работы. Полученная ВАХ приводится на рисунке 3.1.1.

Рисунок 3.1.1 - Вольт-амперная характеристика асссистирующей ступени ИИ

Очевидно, что физические свойства формируемых пленок значительно зависят от состояния ее поверхности, стехиометрии, плотности, кристалличности, микроструктуры, то есть, в свою очередь, от метода ее получения. Проблема также усложняется необходимостью высокотемпературного нагрева для получения нужной структуры формируемой пленки.

В связи с этим возникла необходимость усовершенствовать метод и получить возможность формировать тонкие пленки без нагрева подложки. Был проведен ряд экспериментов по выявлению наиболее подходящих режимов работы ионного источника для получения тонких пленок с нужными параметрами. Схема измерений изображена на рисунке 3.1.2.

Так же основной проблемой технологии ионно-ассистированного нанесения тонкопленочных покрытий является нейтрализация объемного заряда, вносимого ионным источником. Наиболее простым и распространенным способом является использование накальных катодов-компенсаторов. Накальные катоды изготавливаются из вольфрамовой или танталовой проволоки. Накальные компенсаторы располагаются непосредственно в зоне пучка или размещаются рядом с ионным пучком, обеспечивая хорошую его нейтрализацию. Ресурс накальных катодов составляет десятки часов, но резко сокращается при использовании химически активных газов (O₂, N₂, и т.д.). Поэтому для улучшения режима работы было решено использовать компенсаторы, в качестве которых были закреплены 3 лампы - 12 В, 20 Вт каждая. Они располагались в непосредственной близости к ионному источнику и выполняли функцию компенсации объемных зарядов, возникающих на поверхности подложки, элементах конструкции ионного источника и внутрикамерной оснастки. При отсутствии компенсации могут наблюдаться изменения режимов напыления, изменение направления распространения ионного пучка, накопление заряда на поверхности формируемой пленки, что приводит к неконтролируемому изменению ее свойств, локальным разрушениям вследствие электрического пробоя.

Размещено на Allbest.ru

Рисунок 3.1.2 - Схема измерения параметров режимов работы ионного источника

В результате проведенных исследований получили зависимости изменения потенциала на подложке от режимов работы ионного источника, приведенные на рисунке 3.1.3 и в приложении Д.

Целью данного исследования являлось установление влияния работы компенсатора на потенциал подложки. Установлено, что применение компенсатора позволяет снизить потенциал подложки до величины порядка 40-60 В на отдельных участках ВАХ. Это на 100 В меньше по сравнению с работой источника без компенсатора в обычно используемом режиме (I_р = 200 мА и U_р = 5 кВ).

Наиболее важными параметрами при работе с ионным источником являются ток разряда, напряжение разряда и потенциал, возникающий на подложке в зависимости от этих параметров. Из приведенных выше зависимостей видно, что наиболее низкий потенциал на подложке достигается при I_р = 52 - 120 мА и U_р = 3,8 - 4,2 кВ. Так как эти значения оказывают значительное влияние на скорость формирования пленки, то выбираем в качестве предпочтительных рабочих значения напряжения и тока разряда максимально возможные величины, а именно: I_р = 110 мА и U_р = 4 кВ.

Рисунок 3.1.3 - Зависимости потенциала подложки от

Также были проведены экспериментальные исследования по изменению геометрии ионного пучка, вызванные накоплением зарядов на поверхности диэлектрической подложки. Из внутрикамерной оснастки был модифицирован узел крепления подложек. С карусели внутрикамерной оснастки были удалены все металлические элементы. В центре карусели был установлен металлический экран. Между экраном и ионным источником, на расстоянии 23 см от мишени ионного источника, располагалась линейка из диэлектрического материала с закрепленными на ней контактными площадками площадью 1 см². Место расположения измерительной линейки выбрано таким, что во первых оно соответствует зоне расположения подложек, а во вторых так, что подложка размером 230 на 320 мм полностью перекрывала бы ионный пучок.

При проведении экспериментальных исследований варьировались такие параметры разряда как ускоряющее напряжение, ток разряда, ток соленоида ионного источника. Измерения плотности ионного тока проводились на трех следующих ускоряющих напряжениях 500В, 700В и 1000В. Ток разряда при этом принимал два фиксированных значения 100 и 180 мА, а ток соленоида ионного источника 8 и 10А. Типичная зависимость плотности ионного тока вдоль вертикальной оси и ее изменение при обработке подложки из стекла размером 320 на 230 мм приводятся на рисунке 3.1.4.

Исследования проводились следующим образом. На первом этапе проводились измерения плотности ионного тока без подложки, т.е. получалась невозмущенная картина распределения плотностей ионного тока в зоне расположения подложки. Затем помещалась диэлектрическая стеклянная подложка, и измерения повторяются. Такие пары измерений проводились для каждой комбинации ускоряющего напряжения, ток разряда и тока соленоида ионного пучка.

Рисунок 3.1.4 - Изменения плотности ионного тока с и без диэлектрической подложки в зоне обработки

Установлено, что наличие диэлектрической подложки в зоне обработки вызывает изменение равномерности распределения плотности ионного тока, неравномерность увеличивается с 10 % до 30 %. Однако одновременно с этим происходит увеличение максимальной возможной зоны обработки подложек (с 200 до 300 мм). Подобный характер зависимости наблюдается для всех экспериментально исследованных ускоряющих напряжений и токов разряда. Подобное поведение можно объяснить накоплением зарядов на поверхности диэлектрической подложки и их влиянием на траекторию движения ионов, что в итоге приводит к изменению плотности ионного тока в отдельных областях зоны обработки. В результате можно сделать вывод о том, что накопление зарядов на диэлектрической подложке приводит к изменению геометрических параметров ионного пучка, однако эти изменения не являются критичными и требуют анализа для каждого конкретного случая отдельно.

Таблица 3.1.1 - Рабочие экспериментальные данные по исследованию изменения геометрических параметров ионного потока

По данным таблицы 3.1.1 получили совокупность зависимостей:

Рисунок 3.1.5 - Изменения плотности ионного тока с и без диэлектрической подложки в зоне обработки при токе разряда 180 мА

Рисунок 3.1.6 - Изменения плотности ионного тока с и без диэлектрической подложки в зоне обработки при напряжении разряда 0,6 кВ

Рисунок 3.1.7 - Изменения плотности ионного тока с и без диэлектрической подложки в зоне обработки при напряжении разряда 0,7 кВ

Таким образом, в ходе выполнения исследований был установлен наиболее предпочтительный режим работы интегрированного источника (600 В, 180 мА), определены области существования разряда в разработанной системе (от 500 В до 1000 В, при токе разряда до 180 - 200 мА и токе соленоида 10А). Определен характер влияния диэлектрической подложки на изменение распределения плотности ионного тока в зоне обработки. Появляется дополнительный пик на токовой характеристике (увеличивается неравномерность) и одновременно происходит увеличение зоны обработки (на 50%) от первоначальной, т.е. несмотря на возросшую неравномерность плотности тока с практической точки зрения это не является недостатком.

Заключение

В результате прохождения практики были произведены следующие работы:

- изучение САПР Autodesk Inventor Professional 2014;

- анализ технических характеристик оборудования для исследования процессов ионного ассистирования;

- изучение научно-технической литературы по теме исследования;

- исследование процесса нанесения тонких пленок с помощью ионно-лучевого распыления, а также модернизация ионного источника и последующая разработка конструкторской документации на него;

- произведён анализ современных способов вакуумного нанесения тонких плёнок;

Все выше перечисленные работы помогут в дальнейшем более организованно и грамотно выполнить магистерскую диссертацию.

Список использованных источников

1. Панфилов Ю. В. Нанесение тонких плёнок в вакууме // Технологии в электронной промышленности. 2007. №3. Стр. 76-80.

2. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К. В. Фролов (пред.) и др. - М.: Машиностроение. Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении. Т. III - 8 / Ю. В. Панфилов, Л. К. Ковалев, В. А. Блохин и др.; Под общ. ред. Ю. В. Панфилова. 2000. 744 с.,ил.

3. Охрана труда: учебник / В. А. Девисилов. - Москва.:ФОРУМ, 2009.- 496 с.

4. EuropeanPatent Office [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://ep.espacenet.com/.

5. Патенты России [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://ru-patent.info/.

6. United States Patent and Trademark Office [Электронный ресурс]. - Электронные данные. - Режим доступа: http://patft.uspto.gov/.