автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка высокоэффективных ионно-лучевых систем и технологических процессов формирования тонкопленочных структур с диапазоном энергий обрабатывающих ионов 100-2000эВ

РГб од

- q шз

МИНСКИЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

■ СВАДКОВСКИЙ Игорь Витальевич

РАЗРАБОТКА ШСОКОЭФШТИБНЫХ ИОННО-ЛУЧЕВЫХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР С ДИАПАЗОНОМ ЭНЕРГИЯ ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ИОНОВ

loo - гоооэв

Специальность 05. 27. Об - Технология полупроводников и материалов

электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени 1сандидата технических наук

Минск 1993

Работа выполнена в Минском радиотехническом институте

Научный руководитель: к. т. н., доцент

Ширипов Владимир Яковлевич Официальные оппоненты: - доктор фиэ. -мат. наук,

Лабуда Антон Антонович - кандидат технических наук, Маэуркавич Александр Михайлович Ведущая организация: "НПО "Шатан" г. фрявино, Россия

Защита диссертации состоится 16 сентября 1993 г. в

ча-

сов на васедании Специализированного совета Д 056.05.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Минском радиотехническом институте по адресу: 220027, г. Минск, ул. П. Бровки, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Минского радиотехнического института.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета д. т. н., профессор

Баранов В. Е

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный уровень развития технологии нанесения оптических, оптоэлектронных, износостойких и прочих функциональных покрытий предполагают формирование тонкопленочных многокомпонентных структур с высокой скоростью осаждения и высокими эксплуатационными характеристиками.' При этом, для управления электрофизическими, оптическими и механическими свойствами пленок необходимо контролировать структуру и стехиометрию наносимых покрытий посредством как изменения параметров состояния подложки, так и величиной и составом потоков энергетичных частиц,, конденсирующихся на поверхности осаждения.

В этой связи представляется перспективным исследование процессов формирования тонких пленок, основанных на методах ионно-лучевого осаждения (ИГО), при которых, как правило, управление потоками осаждаемого материала и энергии производится независимо. Величина энергии, приходящейся на один осаждаемый атом, может составлять несколько сотен эВ, что позволяет синтезировать пленки с уникальными свойствами, принципиально недостижимыми другими методами.

Современные тенденции развития методов ИЛО предполагают повышение производительности процесса нанесения, улучшение однородности свойств формируемых пленок при одновременном снижении до уровня порядка 100эВ энергии обрабатываемых ионов, что позволяет: создавать благоприятные условия протекания химических реакций на поверхности подложки; оказывать решающее воздействие на стехиометрию пленок; минимизировать повреждения выращиваемой пленочной фаза

Однако широкому промышленному внедрению оэначенных тенденций препятствует ряд нерешенных проблем, среди которых основными представляются:

1. Недостаточный уровень разработок сильноточных генераторов низкоэнергетичных (порядка 100зВ) ионов.

2. Недостаточно исследовано воздействие ниэкоэнергетичной ионной бомбардировки на структуру и стехиометрию формируемых пленок.

3. Отсутствие принципов проектирования ионно-лучевых систем СИЛС) и технологических процессов с использованием различных устройств формирования потоков энергетичных частиц.

Таким образом, на пути совершенствования технологии ионно-лу-

чевого осаждения функциональных слоев, соит ряд актуальных задач теоретического, методологического и практического характера, решение которых и легло в основу настоящей работы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование высокоэффективных ионно-лучевых систем и технологических процессов формирования тонкопленочных структур с диапазоном энергий обрабатывающих ионов 100 - 2000эВ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие 8адачи:

- Разработать и исследовать конструкции сильноточных низкоэ-нергетичных ионных источников, пригодных для использования в процессах ионно-лучевого синтеза поверхностных структур в составе ионно-лучевых технологических систем.

- Раеработать методику проектирования ионно-лучевых систем и процессов, спроектировать многолучевые технологические устройства для реализации различных конфигураций ионного осаадения.

- Провести исследование модификации свойств выращиваемых пленок низкознергетичной ионной бомбардировкой и определить эффективность её использования в различных вариантах процессов осаждения.

Научная новизна.

1. Разработаны принципы проектирования ионных источников с замкнутым ходловским током с пониженными анодными напряжениями, включающие в себя:

транспортировку электронов в разрядную область вдоль направления магнитного поля;

создание градиента давления по поперечному сечению ускорительного канала;

создание условий для варьирования конфигурацией магнитного поля в разрядной области устройства в процессе функционирования.

2. Разработана методика проектирования ионно-лучевых систем и технологических процессов с использованием ионных источников разработанных конструкций при соблюдении принципов оптимальной компоновки, электромагнитной и вакуумной совместимости.

3. Разработана методика проектирования магнитных систем ионных технологических устройств с несколькими источниками магнитного поля и рабочими ваворами.

4. Исследована зависимость композиционного индекса Б10х-пле-нок от соотношения потоков 31 и кислорода в воне конденсации при осаждении на холодную подложку. Показана возможность получения

иенок с более высокой стехиометрией , чем для методов реактивного гопарвния.

5. Продемонстрирована возможность управления структурой угле-юдных пленок параметрами пучка углеводородов при непосредствен-юм ионном осаждении.

Практическая ценность работы.

1. Определены оптимальные параметры функционирования ускорителей с анодным слоем при работе в вакуумном режиме с точки зрения повышения интенсивности ионного пучка, улучшения стабильности, ра-5оты и минимизации загрязнений растущей пленочной структуры. Установлена взаимосвязь газодинамических, параметров системы "УАС-Ва-кумный пост" с величиной генерируемого ионного тога; исследованы и оптимизированы параметры ионно-опгической системы УАС.

2. Разработаны базовые конструкции сильноточных (порядка единиц ампер) низкоэнергетичных ионных источников с широкой диаграммой направленности пучка, пригодных для использования в ионно-лучевых технологических системах и процессах стимулированного роста пленочных структур.

3. Создан унифицированный ряд конструкций ионно-лучевых технологических устройств для реализации различных конфигураций процессов ионного осаждения о использованием низкоэнергетичных ионов: ионно-стимулированное осаждение пленок, полученных методом испарения; ионная бомбардировка при распылении; и прямое осаждение из ионного пучка

4. Продемонстрирована возможность эффективного синтеза 310Х-пленок при распылении 31-мгапеней ионами аргона с одновременной обработкой подложки ионами кислорода. Шлученная предельная величина композиционного индекса (х = 1,81) позволяет прогнозировать получение пленок с высокой степенью стехиометрии при использовании в качестве источника материала компонентных мишеней.

5. Разработан технологический процесс формирования многослойных просветляющих покрытий на холодную подложку методом низкознер-гетичной ионной бомбардировки при испарении. Возможность управления свойствами получаемых пленок в широком диапазоне' при хороших предельных значениях оптических характеристик (к=3-10~'1 для УОх (х-1,5); п-2,51 при к-З-Ю"" для Т10х (х~2)) сочеталась с высокой плотностью упаковки формируемых пленок и.послойной адгезией покрытий.

5. Исследован процесс синтеза углеродных пленок методом осаж-

дения из ионного пучка углеводородов с высокой скоростью осаждения (до 10 А/с) и удовлетворительной управляемостью структурой пленок в зависимости от режимов нанесения, что предопределяет перспективность исследования процесса осаждения алмазоподобных покрытий с помощью ионов низких анергий.

Внедрение и использование результатов.

В рамках диссертационной работы спроектированы ионно-лучевые технологические устройства, внесенные в Республиканскую научно-техническую программу: "Вакуумная техника и вакуумные технологии" и планируется их внедрение на Сморгоньском ваводе оптического станкостроения.

По результатам работы разработана и внедрена на НПО "Шатан" (г. Зрязино, Россия) технология нанесения многослойных просветляю-щпх покрытий методом ни8коэнергетичной ионной бомбардировки при испарении, в производстве антибликовых защитных фильтров средств отображения информации. Изготовляемые изделия соответствует требования международного стандарта MIL, и экспортируются в страны Западной Европы.

На зацщту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Оптимальные режимы функционирования ускорителей с анодным слоем (УАС) в вакуумном режиме работы.

2. Принципы проектирования нивкоэнергетичных ионных источников с замкнутым холловскйм тйком.

3. Констру1сции сильноточных источников ионов с энергиями порядка 100эЕ

4. Методика проектирования ИЛО и процессов с использованием ионов с диапазоном энергий 100. ..2000эВ.

5. Конструкции технологических ионно-лучевых устройств, предназначенных для реализации процессов ИЛО.

6. Методика расчета магнитных систем ионно-лучевых устройств.

7. Математические модели, позволяющие оптимизировать взаимное расположение источников энергетичных частиц и обьектов обработки.

8. Зависимости параметров SlOx-пленок от соотношения моноэлементных потоков частиц..

9. Процесс нанесения многослойных просветляющих покрытий.

10. Зависимости мевду структурными и технологическими параметрами углеродных пленок. ■

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Всесоюзной конференции "Физика низкотемпера-

турной плазмы", г. Минск, 1991г, 1-м международном научно-техническом семинаре "Прикладные вопросы ионной имплантации", Сморгонь, Республика Беларусь, 17-20 ноября 1992г.

Работа выполнялась в лаборатории проблем ионно-лучевой технологии в рамках республиканских комплексных научно-технических программ 18.02р и 27. ОЗр, ряда хоздоговорных и госбюджетных НИР в период 1987^-1993 г. г..

Публикации. Ш материалам диссертации опубликовано 12 работ, получено положительное решение.

Объем работы. Диссертационная работа содержит 121 страницу машинописного текста, 70 рисунков и. состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (182 наименования).

содержание: работы

Во введении сформулирована научно-техническая проблема, обоснована её актуальность, сформулированы цель й задачи исследований, изложены основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы особенности формирования тонкопленочных покрытий с использованием автономных ионных источников. Генерация ионообразующзй плазмы в квазизамкнутом обьеме ионного источника практически независимо от объекта обр>аботки, обеспечивает: конструктивную и технологическую гибкость метода; возможность независимого и одновременного функционирования различных устройств формирования потоков энергетичных частиц и благоприятные условия транспортировки потоков, что позволяет реализовывать множество конфигураций технологических процессов формирования тонкопленочных структур.

Проведено аналитическое исследование основных конфигураций технологических процессов формирования тонких пленок с использованием ионно-лучевых источников; определены тенденции совершенствования этого вида технологии, а также сформулированы основные требования к источникам ионов для применения в процессах ЙЖ>. Оптимальными представляются устройства, обеспечивающие генерацию сильноточных пучков ионов инертных и практически любых активных газов со средней энергией около 100 эВ, при давлениях в вакуумной 1самере не превышающих по порядку величины уровень 10"4 Тор. Кроме того, обоснована перспективность наличия широкой диаграммы направленности ионного пучка, возможность ее управления, а также расширение

энергетическогЬ диапазона ионов до уровня. ЗООэВ для реализации процессов ионной очистки. В случае использования ионно-лучевого распыления в качестве источника наносимого материала энергии распыляющих частиц могут достигать 1000 и более эВ.

Соответствие этим требованиям ионно-лучевых устройств, применяемых в • ШЮ, обеспечивает благоприятные условия протекания химической реакции на обрабатываемой поверхности; позволяет эффективно осуществлять процессы ионно-лучевого осаждения совместно с испарителями и различными распылительными модулями; обеспечивает различные варианты процессов взаимодействия низкоэнергетичных ионов с поверхностью обработки; позволяет проводить обработку подложек больших площадей без использования сложных устройств взаимного перемещения.

Проведено исследование конструкций ионно-лучевых устройств, используемых в технологии тонких пленок; осуществлен анализ принципов их функционирования, на основании которого определены их потенциальные возможности по соответствию сформулированным требованиям к источникам ионов для реализации процессов ИЛО. Установлено, что наиболее перспективным классом устройств для использования в тонкопленочной технологии являются ионные источники с замкнутым холловским током, которые характеризуются многообразием конструктивных решений, что предопределяет широкий диапазон режимов функционирования, при относительно высокой надежности функционирования.

Вгорая глава посвящена разработке экспериментальной вакуумной установки для исследования параметров ионных источников с замкнутым холловским током, а также исследованию параметров УАС, функционирующих в вакуумном режиме работы, с точки зрения их использовании в процессах ИЛО.

Описана экспериментальная установка, разработанная на базе модернизированной УЩ-73П-2, внутрикамерная оснастка которой была выполнена из трех основных компонентов: тестового ионного источника; системы двухкоординатного перемещения и различного ряда вондо-вых устройств для исследования парамтров ионного пучка и ргшрядной области, которая обеспечивала:

-. моделирование практически любой конфигурации уосорительиогс канала ионных источников о замкнутым ХОЛЛОБОКИМ током с возможностью её оперативного изменения при обеспечении значительных нап-ряхьшюстей ' электрических и магнитных полей в зоне ионообразова-

ния, что достигалось: продольным взаимным перемещением трех соосно расположенных узлов устройства (внутреннего магнитопровода-газораспределителя,. анододержателя, и внешнего магнитопровода с элек-ромагнитом); большим количеством внешних и внутренних катодных и анодных насадок различной конфигурации; а также возможностью различных способов подачи рабочего газа в разрядную область устройства;

- идентификацию пространственного, энергетического и зарядового состояния ионного пучка и характеристик разрядного, слоя, что осуществлялась с помощью, системы двухкоординатного перемещения;, одиночных и многосеточного зондов; подключения датчика давления непосредственно в ускорительный канал ионного источника, а также возможностью контроля ионного тока на- катодные насадки..

Экспериментально установлены соотношения между газодинамическими параметрами системы "Вакуумный пост - УАС" - расходом рабочего газа через ионный источник (Q), производительностью откачки вакуумного поста (Sv), и площадью поперечного сечения ускорительного канала ионного источника (Аи) и параметрами ионного пучка - вероятностью ионизации рабочего газа (в) и интенсивностью ионного тока (Ii):

- параметр g увеличивается при увеличении Q до. определенного критического значения, который тем больше, чем меньше Sv;

- Ii увеличивается пр росте Q до некоторого критичного уровня, определяемого давлением в разрядной камере ионного источника, при этом, скорость роста Ii=f(Q) уменьшается, а максимальное значение ионного тока несколько увеличивается с увеличением Sv;

- аналогичная зависимость Ii-f(Q) наблюдается при увеличении

Аи;

- с увеличением среднего радиуса ускорительного канала наблюдается тенденция пропорционального роста Ii.

Исследование ионно-оптической системы УАС позволили установить, что для различных конфигураций, ускорительного канала и нал-рпизнностсй полей оптимальные параметры ионного пучка достигаются в общем случае при дистанции анод-магнитопровод соответствующей соотношению Ь-З.Зб-Ю^иа1 /2/В.

Третья глава посвящена разработке принципов проектирования ионных источников с замкнутым холловским тисом с пониженными анодными напряжениями, а также разработке и исследованию конструкций источников низкоэнергетичных ионов.

Рассмотрены теоретические основы функционирования УАС, что позволило определить взаимосвязь между плотностью осевого электронного тока, направленного навстречу ионному пучку и необходимого для поддержания процесса генерации и ускорения ионов; анодным потенциалом и концентрацией частиц в разрядной области. Установлено, что, с одной стороны, требование уменьшения анодного напряжения при одновременном увеличении интенсивности генерируемого ионного тока предполагает уменьшение воздействия поперечного магнитного поля на электроны, движущиеся к аноду, а с другой - уменьшение напряженности поля приводит к ограничению ионного тока в пучке.

Предложено видоизменение ускорительного канала УАС, при котором ускорительный канал ориентируется не парралельно оси устройства, а под некоторым углом к нему, при этом: сторона анода, формирующая приоритетное направление ускорения ионов, вырождается в поверхность конической формы, а внутренние полюсные наконечники смешаются внутрь усройства таким образом, что формируемое магнитное поле имеет значительную осевую составляющую и направлено парралельно рабочей поверхности анода. Это позволило уменьшить энергозатраты на транспортировку электронов в разрядный слой, за счет уменьшения поперечной составляющей магнитного поля относительно направления транспортировки, и, в то же время, сохранению благоприятных условий протекания процесса ионообразования, что в конечном итоге ведет к уменьшению анодного напряжения при повышенных значениях генерируемого тока.

В результате подобного подхода сформулированы принципы проектирования сильноточных низкоэнергетичных ионных источников с замкнутым дрейфом электронов:

1. Минимизация энергии ионов за счет дрейфа электронов в разрядную область вдоль направления магнитного поля.

2. Создание градиента давления по поперечному сечению ускорительного канала.

3. Создание условий для варьирования конфигурацией магнитного поля в разрядной области устройства в процессе функционирования.

На основании изложенных принципов разработаны две конструкции низкоэнергетичных ионных источников с замкнутым холловским током.

Первая ив них представла•собой устройство с замкнутым холловским током с закрепленным на одном из торцов накальным катодом- нейтралнзатором, источником магннтного поля на другом торце устройства, и кольцевым анодом, расположенным между ними и была

- и -

выполнена на базе тестового ионного источника. Возможность независимого перемещения компонентов устройства позволило оптимизировать конфигурацию ускорительного канала

Проведенные экспериментальные исследования показали, что устройство устойчиво функционировало в широком диапазоне питающих напряжений (45... 200В), давления рабочего газа в камере (0,5... 3-10~4Тор), при различном составе подаваемого в источник газа (Аг, 02, N2, воздух). При этом, величина ионного тока изменялась от 0 до 1,2А, а вероятность ионизации рабочего газа (д) приближалась к единице. Установлено, что II в общем случае пропорционален разрядному току источника - 1а и составлял величину 0,15. ..0,3 (1а). Средняя энергия ионов при различных режимах составляла 0,6... 0,85 от анодного напряжения. Степень моноэнергетич-ности ионов, которая оценивалась как отношение полосы энергетического спектра по уровню 0,1 от максимума к средней энергии ионов, менялась в пределах 0,25... 0,45. Исследование конфигурации генерируемого пучка показало, что плотность ионного тока можно описать косинусным законом распределения, где т - показатель степени - изменяется в зависимости от режима в пределах 1...3.

В результате анализа экспериментальных данных установлено, что разработанная конструкция низкоэнергетичного источника соответствует требованиям, сформулированным к устройствам подобного типа для применения в процессах ИЛО, однако наличие одного источника магнитного поля не позволило удовлетворить третьему принципу проектирования, что ограничило область применения конструкции.

Второе из разработанных устройств представляет собой осесим-метричную конструкцию, состоящую из трех основных функциональных узлов: магнитной системы, анодной системы и источника электронов. Магнитная система содержит два электромагнита, каждый из которых подключен к энергонезависимому источнику напряжения с возможностью реверсивного включения напряжений. Между двумя электромагнитами расположен полюсный наконечник кольцевой геометрии, одновременно являющийся газораспределителем для подачи рабочего газа. Внутри области, охватываемой магнитопроводом, помещена анодная система, состоящая из двух концентрически расположенных анодов, в области между которыми происходит ионизация и ускорение ионов.

Конфигурация разрядной области источника обеспечивает ему обладание наряду с преимуществами первой конструкции несколькими принципиальными положительными качествами: возможностью проектиро-

вания на его основе устройств различной конфигурации с заранее заданными профилями ионного пучка; возможностью оперативного управления геометрией ионного пучга в процессе эксплуатации; возможностью использования ионного источника в принципиально разных режимах работы при.расширении энергетического диапазона ионного пучка до значений порядка ЗООэВ, что позволяет эффективно проводить процессы ионной очистки.

Предложенная схема ионного источника полностью удовлетворяет требованиям,. предъявляемым к источникам для ИЛО .и представляется перспективной для разработки на ее основе ионно-лучевых технологических систем и процессов.

Четвёртая глава посвящэна рзаработке ионно-лучевых систем и технологических процессов на базе спроектированных низкознергетич-ных ионных источников.

Под ионно-лучевыми системами (ИЛС) понимаются комплексные технологические устройства, включающие в себя источники наносимого материала, ионные источники, генерирующие пучки ионов в зону кон' денсации, объекты обработки, и вакуумный пост. В качестве источников наносимого материала" могут испольвоваться резистивные или электронно-лучевые испарители, ионно-лучевые распылительные устройства, выполненные на базе УАО , а также низкоэнергетичные пучки ионов в случае непосредственного ионного осаждения. Ионные потоки в зону конденсации могут формировать источники любой из разработанных модификаций. Сформулированы принципы проектирования ИЛС включающее в себя: принцип оптимальной компоновки;' принцип.вакуумной совместимости; принцип -электромагнитной совместимости объектов ИЛС. -

Предложена схема взаимосвязей между параметрами, определяющими требования к процессу нанесения - физические свойства пленок, геометрические размеры .подложек;' неоднородность свойств по поверхности нанесения;' а также скорость формирования пленок и, с другой стороны - параметрами, характеризующими: типы и режимы работы устройств, используемых в качестве генераторов энергетичных частиц; их взаимного расположения и перемещения относительно объекта обработки, а также тип используемого вакуумного поста.

Построены математические модели, позволяющие оценить параметры наносимых пленок' для различных конфигураций источник-подложка и проводить оптимизацию компоновочных параметров технологических установок с точки врейия однородности наносимых пленок на основании учета пространственного распределения генерируемых потоков и вза-

«много расположения компонентов ИЛС. Результаты моделирования использовались при проектировании технологических процессов, в частности, процесса формирования многослойных просветляющих покрытий на подложках большой плошдди.

На основе разработанных и исследованных типов ионных источников были спроектированы ионно-лучевые технологические устройства, позволяющие реализовывать три различные.варианта процессов ИЛО: 1)ионно-стимулированное осаждение пленок, полученных методом испарения; 2)ионную бомбардировку при. распылении; 3)прямое осавдонио из ионного пучка.

1. Для эффективной реализации процесса ионно-стимулированного осаждения пленок, полученных методом испарения, необходимо обеспечить высокий уровень генерируемого ионного тока при широкой диаграмме направленности ионного пучка.

На базе первого варианта ниакоэнергетичного ионного источника спроектировано ионно-лучевое устройство с параметрами Ii max =1,ЗА; m = 1...2 при диапазоне средних энергий ионов 50. ..140эЕ Описываемое устройство использовалось в технологии формирования многослойных просветляющих покрытий на подложках большой площади.

Разработано также ионно-лучевое технологическое устройство, выполненное на базе второго варианта низкоэнергетичного ионного источника, позволяющее проводить процессы ионной очистки (энергия ионов порядка ЗООэВ), и ионно-стимулированное осаждение пленок (энергия ионов порядка ЮОэВ). Наличие замкнутой разрядной области позволило проектировать технологические устройства, в которых магнитная и анодная системы формируют различные конфигурации вони ио-нообрааования (прямоугольная, эллиптическая для технологии In line и др.).

2. Для реализации процесса низкоэнергетичного ионного подст-рела при распылении был разработан ионный источник, способный обеспечивать минимальную энергию генерируемых тонов при низких значениях подаваемого в источник потока рабочего газа. Устройство обеспечивало диапазон средних энергий ионов от 25 до 90 эВ при суммарном токе пучка до бОО гпА и показателе расходимости ш = 2... 3. Интенривность ионного пучка оказалась достаточной для эффективной реализации процесса синтеза композитных пленок иэ двух моноэлементных потоков частиц.

Кроме того, было разработало ионно-лучевое устройство, представляющее собой осесимметричнута конструкцию тороидальной формы с

- 14 -• '

кольцевой областью разряда, у одного из торцов которой расположена мишень, а у другого - подложка. Устройство выполнено в виде двух независимых модулей кольцевой геометрии, при этом: распыление мишени производится коническим ионным пучком, генерируемым УАС, а поток ионов по направлению к подложке формирует ионный модуль, выполненный на базе второго варианта конструкции низкоэнергетично-го источника.

Также было разработано ионно-лучевое устройство, объединяющее аналогичные модули в едином конструктивном исполнении. Такой шаг позволил упростить конструкцию, повысить надежность функционирования устройства, а также обеспечил эффективную нейтрализацию поверхностного варяда на мйшени. Это позволило проводить эффективное распыление диэлектриков, что в совокупности с низкоэнергетичной обработкой подложки позволило синтезировать композитные пленки высокой стехиометрии.

3. Для реализации метода непосредственного осаждения в процессе формирования углеродных пленок ив ионного пучка, полученного в результате ионизации смеси углеводородов и аргона использовалось устройство, описанное в п. 2.

Было также разработано ионно-лучевое устойство, позволяющее формировать пучки ионов углеводородов с энергией порядка 100эВ и Аг с энергией порядка 1000эВ при независимом контроле интеноивнос*-ти и энергии этих потоков на поверхности осаждения, что предопределило хорошую управляемость свойствами синтезируемых пленок.

Разработана и исследована методика расчета параметров магнитных систем (МО) ионно-лучевых устройств, позволяющая проводить оптимизацию с точки зрения достижения необходимой величины и конфигурации напряженности нагнитного поля в разрядных зонах источников ионов. Наличие нескольких рабочих промежутков МС или нескольких источников магнитного поля предопределило разработку специальных подходов, основанных на графоаналитическом способе расчета магнитных цепей.

Пятая глава посвящена исследованию эффективности применения низкоэнергетичных ионов в различных конфигурациях процессов ИЖ>.

1. Метод низкоэнергетичной ионной бомбардировки при распылении использовался для экспериментального исследования процесса синтеза многокомпонентных слоев из двух монозлементных потоков на примере ЗЮх-плевок. Поток атомов кремния образовывался в результате распыления кремниевой мишени ионами Аг, генерируемыми УАО с

ионическим пучком. Низкоэнергетичный ионный источник формировал поток ионов кислорода на подложку. С целью идентификации состава и определения стехиометрии полученных пленок проводились измерения ИК спектров пропускания на двухлучевом спектрофотометре ИКС-20 в области 4200. ...400 см"1. По смещению основной полосы поглощения (1085 см-1) определялся композиционный индекс х. Для оценки плотности упаковки полученных пленок проводились измерения показателя преломления п на длине волны 632,8 нм и толщины пленок с1.

При средней энергии ионов 50эВ, с увеличением соотношения ион/атом от 1,66 до 10 наблюдалось насыщение пленки кислородом , а 8атем интенсивный рост показателя преломления при практически неизменной стехиометрии, что свидетельствует об уплотнении пленок при увеличении плотности ионного тога на поверхность подложки. Отмечено отсутствие в ИК спектрах максимумов поглощения, соответствующих группам 31 — Н и О — Н для всех режимов ионного облучения, что говорит о хорошей плотности упаковки синтезируемых слоев. При соотношении ион/атом 10:1 показатель преломления достигает нормального для данной стехиометрии значения: п-1,560 при х<-1,81 (наиболее плотной упаковке плавленого кварца соответствует п-1,45? при х=2,00). При увеличении средней энергии ионов от 35 до 70эВ и соотношении ион/атом - 3,33, х изменялся в незначительных пределах в районе 1,7, а п уменьшался от 1,46 до 1,34.

2. Метод ионно-стимулированного осаждения пленок, полученных методом испарения, использовался для реализации процесса формирования многослойных просветляющих покрытий конструкции:

Х/4(ЗЮг) - \/2(ТЮг) - Х/4(У203) - стекло(п0=1,52); формируемых на экранах с диагональным размером 14 дюймов.

При разработке технологического процесса ионно-стимулирован-ного осаждения многослойных оптических покрытий бшш выдвинуты и удовлетворены следующие требования:

- высокие оптические характеристики наносимых слоев при осаждении на холодную подложку при обеспечении возможности управления свойствами пленок в широком диапапзонв;

- высо]сая плотность упаковки формируемых пленок при хорошей послойной адгезии и адгезии к подложке;

- снижение продолжительности технологического цикла нанесения в 1,5. ..2 раэа, ва счет отсутствия операции нагрева и охлаждения подложек;

- высокую равномерность механических и оптических свойств

наносимых пленок по поверхности подложи (не хуже -77.).

Процесс осаждения, был реализован в вакуумной установке модульного типа LEYBOLD А1100. Сферический подложкодержатель диаметром в основании 1000мм обеспечивал одновременную установку четырех подложек. Для оптимизации компоновки внутрикамерной оснастки использовались результаты математического моделирования.

У0х(х=1,5)-слои осаждались испарением мишени Y203 с обработкой ионами аргона и кислорода. При этом показатель преломления пленок на Х-550 нм изменялся в пределах п-1,66... 1,74. Режим интенсивной обработки ионами кислорода приводил к снижению показателя поглощения (до уровня k-3-iO"4). Сравнение Y0x(x*l,5)-пленок с аналогичными, полученными при участии ионов с Ei=d000 эВ, показало что при адекватном высоком уровне механических характеристик использование ионов с энергиями порядка 100 эВ позволяет синтезировать слои с повышенными оптическими свойствами.

Оптимизация режимов нанесения Т10х(х=2)-слоя проводилась при испарении TiO-мишеней с одновременной обработкой ионами кислорода Время нанесения слоя толщиной Х/2 составляло 20 мин, ток ионного пучка «вменялся от О до 1А. С увеличением ионного тока наблюдался рост показателя преломления ТЮх(х~2)-слоев до значений п-2,51 на Х-550нм при сохранении высокой прозрачнооти пленок (к=2,7-10~4).

Неравномерность оптических свойств по поверхности подложи составляла не более 77. при высокой плотности упаковки пленок. Исследования спектров отражения трехслойного просветляющего покрытия показали, что коэффициет отражения в диапазоне длин волн 400... 700нм не превышает 1%, а испытания на.механическую прочность и адгезию продемонстрировали, что изготовляемое изделие соответствует достаточно жестам требованиям стандарта MIL, предъявляемым к покрытиям подобного рода.

3. Метод непосредственного ионного осаждения использовался при.формировании углеродных пленок, из рабочей смеси углеводородов (пары толуола или бутан) с различными (до 75У.) добавками аргона. Целью проводимых экспериментов было определение между структурой синтезируемых пленок и технологическими параметрами дсаждения. В качестве подложек использовались монокристаллы NaCl. Полученные пленки исследоваорюь методом просвечивающей электронной микроскопии на ЭМ-125. В качестве параметра, оценивающего режим нанесения выбиралась энергия, приходящаяся на один осаждаемый ион углеводорода - Есн+..

Слои, синтезированные из смеси толуол-аргон, представляли собой квазиаморфные углеродсодержашие пленки с поверхностными включениями контрастных частиц. Установлено три характерных диапазона, различающихся структурой синтезируемых слоев. При Есн+ 40... 70 эВ/ион осаждаемые пленки представляли собой квазиаморфные пленки с редкими включениями (менее 1Z общей площади) кристаллов. При Есн+ 70... 100 эВ/ион наблюдалось резкое увеличение площади, занимаемой областями упорядоченного роста поликристаллического графита. При Есн+ 100. ..200 зВ/ион наблюдлось преобладание кристаллитов большего размера, соответствующих модификации графита с постоянной решетки 8,948 Д. При этом, дифракциониая картина самой пленочной матрицы имела диффузные кольца, соответствующие межплоскостным расстояниям решетки алмаза. Скорость роста пленки для всех случаев составляла 5... 10 А/с. Исследования синтезированных из смеси бутан-аргон пленок показали, что при значениях Есн+ 120. ,.110 эВ/ион покрытие представляет собой чередующиеся области упорядоченного и неупорядоченного роста кристаллитов графита. При энергии ионов Ei =70эВ и Есн+ в диапазоне 200... 230 эВ/ион слои представляли собой мелкодиспесную структуру, электрограммы участков которых имели диффузные кольца, соответствующие ыежллоскостным расстояниям алмаза. При этом наблюдалось снижение скорости осаждения до значений 2... 3 А/с.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны принципы проектирования низкоэнергетичных (порядка 100эВ) сильноточных источников ионов с замкнутым холлонским током, включающие в себя: транспортировку электронов в разрядную область вдоль направления магнитного поля; создание градиента давления по поперечному сечению ускорительного канала; создание условий дли варьирования конфигурацией магнитного поля в разрядной области устройства в процессе функционирования.

2. Разработана и исследована конструкция источника ионов низких анергий, устойчиво работающая в широком диапазоне расхода газа (0,3. .,1,6 зкв. А), анодного напряжения (45-200 В) и нонного тока (до 1,2А; и удовлетворяющая требованиям, предъявляемым к устройствам подобного рода, для применения в тонкопланочной технологии.

3. Разработана конструкция низкоэнергетичиого ионного источника, позволяющая:

а Проектировать на Базе ионного источника устройства различной конфигурации с заранее заданными профилями ионного пучка.

b. Оперативно управлять геометрией ионного пучка в процессе функционирования.

c. Генерировать ионный пучок в двух диапазонах энергий: по- . рядка 100зВ для процессов химического взаимодействия; порядка ЗООэВ для процессов физического распыления.

Предложенная схема ионного источника представляется перспективной для разработки на ее основе ионно-лучевых технологических систем и процессов.

4. Разработаны сбщие положения методики проектирования ион-но-лучевых систем и технолргических процессов с использованием ионных источников разработанных конструкций при соблюдении принципов оптимальной компоновки, электромагнитной и вакуумной совместимости. Методика включает в себя схему взаимосвязей между параметрами, определяющими требования к процессу нанесения - физические овойства пленок, геометрические размеры подложек; неоднородность свойств по поверхности нанесения; а также скорость формирования пленок и, с другой стороны, параметрами характеризующими: типы и режимы работы устройств, используемых в качестве генераторов энер-гетичных частиц; их взаимного расположения и перемещения относительно объекта обработки,, а также тип используемого вакуумного поста.

6. Спроектирован унифицированный ряд технологических устройств, позболяюшх реализовывать различные варианты процессов ион-но-лучевого осаждения: ионно-стимулированное осаждение пленок методом испарения, ионно-стимулированное осаждение при распылении и прямое осаждение из ионного пучка. Основные из разработанных конструкций внесены в Республиканскую программу по освоению новой техники: "Вакуумная техника и вакуумные технологии" и планируется их внедрение на Сморгоньском заводе оптического станкостроения.

6. Разработана методика расчета магнитных систем, позволяющая учитывать несколько источников магнитного поля и рабочих зазоров. На основании методики проведена оптимизация конструкций технологических ионно-лучевых устройств.

7. Построены и опробованы математические модели, позволяющие оценить однородность толщины наносимых пленок и скорость их осаждения для различных конфигураций "источник материала-подложка" и "источник ионов-подложка" и проводить оптимизацию компоновочных

параметров ИЛС.

8. На примере ЗЮх-пленок продемонстрирована возможность эффективного ионно-лучевого синтеза компонентных структур из моноэлементных потоков энергетичных частиц. При распылении Si-мишеней ионами аргона с одновременной обработкой подложки нивкоэнерготич-ными ионами кислорода получена величина композиционного индекса (х - 1,81), что значительно превосходит аналогичные параметры для традиционных реактивных процессов.

9. Разработан процесс нанесения многослойных просветляющих покрытий на подложках большого размера методом низкоэнергетичной ионной бомбардировки при испарении. Полученные слои характеризовались низким оптическим поглощением (k-3-lCr4 для У0Х (х-1,5), к-2,7-10"4 для TiOx (х=2)), что свидетельствует о насыщении пленок кислородом, а также о незначительном содержании посторонних примесей. Разработанная технология была исследована и внедрена на НПО "Платан" в производстве антибликовых защитных фильтров для средств отображения информации. Изготовляемые иоделия соответствуют требования международного стандарта MIL, и экспортируются в страны Западной Европы.

10. Исследованы некоторые закономерности синтеза углеродсо-держаших покрытий из ионного пучка смеси аргона и углеводородов при высокой скорости осаждения (до 10 А/с) и удовлетворительной управляемостью структурой пленок в зависимости от режимов нанесения. Установлено, что при увеличении энергии, приходящейся на один осаждаемый ион, наблюдалось поочередное преимущественное образование различных кристаллических фаз углерода, что, одновременно, сопровождалось увеличением внутренних напряжений. Эти моменты предопределяют перспективность дальнейших исследований процесса осаждения алмазоподобных покрытий с помощью ионов низких энергий.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Свадковский И. В., Семенюк И. Е , Хохлов А. Е. - Расчет и оптимизация конструкции магнитной системы двухлучевого ионного источника. - Материалы республиканской студенческой научной конференции по ф'ш. - мат. наукам, радиоэлектронике и вычислительной технике. - 16-18 скутября 1985г.

2. Отчет по ПИР "Разработать ионно-лучовые модули для нанесения оптических диэлектрических покрытий". ХД 87-1045; N ГР

01870042811, МИНСК, 1988г.

3. Отчет по НИР "Разработать ионно-лучевые методы нанесения тонкопленочных покрытий оптического назначения на подломсах 250x200 мм". N ГР 01880004299, Минск, 1990г.

4. Отчет по НИР "Исследовать комплекс физических явлений и разработать перспективные методы формирования высоконадежных тонкопленочных структур для изделий микрофункциональной электроники и оптики на основе низкоэнергетичной обработки материалов". ГВЦ 88-3003; N ГР 01880001292, Минск,-1991г.

5. Свадковский И. Е , Акулич Е. С., Ширипов Е Я , Достанко А. И

- Низкоэнергетический ионно-лучевой синтез. ИК спектральный анализ SlOx-пленок. - HtyfamaJi прикладной спектроскопии. , Том 55, N2, август 1991г. с. 322-325.

6. Хохлов А. Е., Ширипов Е Я , Достанко А. П., Свадковский И. Е

- Устройство ионно-лучевого формирования тонкопленочных структур.

- Положительное решение от 19.10.91 по заявке N 487579/21.

7. Свадковский 1t R , Ширипов ЕЯ- Исследование параметров разряда в низковольтном торцевом плазменном ускорителе, используемом в пленочной технологии. - Материалы на VIII Всесоюзной конференции "2нзика низкотемпературной плазмы", г.Минск, 1931г.

8. Отчет по НИР "Исследовать процессы генерации и ускорения низкоэнергетичных (до 150эВ) сильноточных (более 0,5А) пучков ионов для ионно-лучевого синтеза поверхностных структур". ГВЦ 913039; N ГР 0191004470, МИИСК, 1991г.

9. Отчет по НИР "Исследовать динамику физико-химического взаимодействия низкоэнергетичных (до 150эВ) сильноточных (более 0,5А) пучков ионов с конденсирующимися средами". ГВЦ 91-3043, N ГР 0191004471, Минск, 1991г.

10. Свадковский И.Е, Ширипов ЕЯ, Достанко A.n. - Исследование параметров торцевого холовского ускорителя в процессах формирования оптических тонких пленок. - Материалы международного семинара "Прикладные вопросы ионной инплантации",г.Сморгонь.РБ, 1992г.

11. Свадковский И.Е , Акулич Е.С., Ширипов ЕЯ , Достанко А.П.

- Исследование параметров торцевого холовского ускорителя в процессах формирования оптических тонких пленок. - журнал "Вакуумная техника и технология" N4, 1992г.

12. Отчет по НИР "Исследовать процесс стимулированного роста многослойных оптических покрытий широкого назначения методами ион-нолучевого синтеза". ГВЦ 92-3052, Минск, 1992г.

На правах рукописи

СВАДКОВСКИЙ Игорь Витальевич

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ИОННО-ЛУЧЕВЦХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВА!ШЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР С ДИАПАЗОНОМ ЭНЕРГИЯ ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ИОНОВ 100 - 2000эВ

Слещ1алыюсть 05. 27. Об - Технология полупроводников и материалов

электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 14.07. 93 Формат 60x84 1/16

Усл. печ. л. 1,1 Уч.-изд. л. 1,0 Заказ 374.

Тираж 90. Бесплатно.

Отпечатано на ротапринте МРТИ. 220600, Минск, ул. П. Бровки, 6