Устройства со скрещенными электрическим и магнитным полями для нанесения тонкопленочных покрытий на подложки большой площади

Соловьев, Андрей Александрович

Вакуумная и плазменная электроника

автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Устройства со скрещенными электрическим и магнитным полями для нанесения тонкопленочных покрытий на подложки большой площади

кандидата технических наук: Соловьев, Андрей Александрович
город: Томск
год: 2007
специальность ВАК РФ: 05.27.02

Диссертация по электронике на тему «Устройства со скрещенными электрическим и магнитным полями для нанесения тонкопленочных покрытий на подложки большой площади»

Автореферат диссертации по теме "Устройства со скрещенными электрическим и магнитным полями для нанесения тонкопленочных покрытий на подложки большой площади"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

□030520Э1

Соловьев Андрей Александрович

УСТРОЙСТВА СО СКРЕЩЕННЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ И МАГНИТНЫМ ПОЛЯМИ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОДЛОЖКИ БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ.

05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2007

003052091

Работа выполнена в Институте сильноточной электроники СО РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Н.С. Сочугов

Официальные оппоненты: доктор технических наук H.H. Коваль

(Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск)

доктор физико-математических наук, профессор В.П. Кривобоков (НИИ ядерной физики при Томском Политехническом Университете, г. Томск)

Ведущая организация: Институт Электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург

Защита состоится: " 10 " апреля 2007г. в 16 час. на заседании диссертационного совета Д.003.031.01. в Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический, 2/3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН

Автореферат разослан " S^ " LcxlCi^

2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук профессор

Д.И. Проскуровский

Общая характеристика работы Актуальность темы

Проблема нанесения тонкопленочных покрытий, в которой переплетаются научные аспекты, относящиеся к физике, химии, механике является едва ли не самой обширной среди современных актуальных направлений технологии и материаловедения. Хорошим примером важности применения тонкопленочных покрытий являются полупроводниковая и оптическая промышленности. Высокие темпы развития этих наукоемких отраслей промышленности требуют непрерывного повышения качества, и эксплуатационных свойств покрытий. Реализация этих требований напрямую зависит от достижений в конструировании оборудования и совершенствования технологий получения тонких пленок.

В настоящее время наиболее перспективными методами нанесения покрытий являются вакуумные ионно-плазменные методы. Это обусловлено их экологической безопасностью, высокой чистотой технологических процессов и качеством продукции. Также известно, что в ионизованном или возбужденном состоянии атомы и молекулы легче взаимодействуют друг с другом, делая процесс нанесения покрытий более эффективным.

Проблемой существующих методов нанесения покрытий является либо высокая стоимость оборудования и небольшие скорости осаждения покрытий как в случае ВЧ или СВЧ разрядов, плохая однородность наносимых покрытий, как при использовании дугового распыления либо небольшие площади обрабатываемых поверхностей как при лазерной абляции, либо низкая адгезия, как при термическом испарении. Пожалуй, только магнетронное распыление в какой-то степени лишено этих недостатков, поскольку использующийся в нем дрейфовый ток электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях дает возможность получать протяженные потоки достаточно плотной плазмы с контролируемыми в широком диапазоне характеристиками. Магнетронные распылительные системы были изобретены еще в 70-х годах прошлого столетия, однако их конструкции совершенствуются до сих пор. Имеется ряд проблем, касающихся коэффициента использования мишени, однородности наносимых покрытий, плотности плазмы и т.д., которые остаются не решенными полностью.

Помимо магнетронов существуют другие устройства, в которых используется дрейф электронов в скрещенных Е*В полях. Это ионные источники с анодным слоем. В технологии нанесения тонких пленок они нашли применение для очистки поверхности подложек, травления, ионного ассистирования. Известны данные, что эти устройства могут также использоваться непосредственно для нанесения покрытий. Однако в настоящее время данная область не является всесторонне изученной, о чем говорит

небольшое количество публикаций по данной теме. Поэтому необходимо более подробно исследовать возможности ионных источников с анодным слоем применительно для осаждения покрытий.

Примером тонких пленок, для нанесения которых могут использоваться вышеуказанные устройства, являются твердые аморфные углеродные покрытия и ультратонкие пленки серебра. Этот выбор не случаен, поскольку данные пленки обладают уникальными свойствами и вызывают непрекращающийся интерес к ним со стороны исследователей.

Аморфные углеродные пленки обладают высокой твердостью и износостойкостью, низким коэффициентом трения, диэлектрическими свойствами, химической инертностью, оптической прозрачностью, биологической совместимостью и гладкостью поверхности. Тем не менее, для более эффективного использования этих пленок в промышленности необходимо снижать стоимость их производства за счет повышения производительности оборудования, использующегося для их нанесения и более совершенных технологий их производства. Для нанесения твердых аморфных углеродных покрытий предлагается использовать комбинирование импульсного и несбалансированного магнетронного распыления, достоинства которых при использовании по отдельности хорошо известны. Для получения углеводородных покрытий с умеренной твердостью (-10 ГПа) предлагается использовать осаждение их из плазмы углеводородного газа, генерируемой с помощью ионного источника с анодным слоем.

Ультратонкие пленки серебра обычно входят в состав многослойных пленочных структур. В качестве примера их практического применения можно привести низкоэмиссионные покрытия на архитектурных стеклах. В этом и других приложениях необходимы пленки с заданными структурными, электрическими, оптическими и иными характеристиками, достижение которых требует глубокого понимания процессов их нуклеации и роста. Поэтому существует необходимость углубления понимания связей между параметрами ионно-плазменного воздействия и свойствами пленок, что является необходимым шагом на пути создания покрытий с новыми функциональными свойствами.

Широкое использование твердых углеродных и углеводородных покрытий в промышленности обуславливает необходимость разработки высокотехнологичной установки для их нанесения. Такая установка должна отвечать современным требованиям по производительности, что может быть достигнуто за счет использования усовершенствованных конструкций устройств с замкнутым дрейфом электронов и технологий, разработанных на базе этих приборов.

Цель работы:

Повышение эффективности технологических устройств со скрещенными электрическим и магнитным полями для промышленного нанесения перспективных тонкопленочных покрытий на подложки большой площади и исследование технологий с их использованием.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

1) Исследовать протяженную магнетронную распылительную систему с цилиндрическим вращающимся катодом с точки зрения однородности нанесения покрытий, коэффициента использования материала катода, параметров создаваемой плазмы и стабильности работы в режимах с реактивными газами. На основе анализа полученных данных предложить конструктивные изменения, позволяющие улучшить работу магнетрона по указанным показателям.

2) Сравнить характеристики твердых аморфных углеродных пленок, наносимых методом импульсного сбалансированного и несбалансированного магнетронного распыления с использованием усовершенствованной конструкции цилиндрического магнетрона с вращающимся катодом.

3) Разработать конструкцию ионного источника с анодным слоем и исследовать процесс нанесения с его помощью аморфных углеводородных пленок на подложки большой площади Найти оптимальные для получения покрытий режимы работы ионного источника.

4) Исследовать влияние модификации поверхности подложки и параметров ионно-плазменных потоков на механизм роста и свойства ультратонких пленок серебра, наносимых магнетронным распылением.

5) На основе разработанных конструкций устройств со скрещенными электрическим и магнитным полями, а также исследованных технологий нанесения твердых углеродных и углеводородных покрытий создать вакуумную технологическую установку для нанесения пленок на подложки большой площади.

Научная новизна работы:

Основные результаты работы относятся к категории полученных впервые:

1. Впервые предложен способ модификации магнитной системы магнетронного распылительного устройства, позволяющий за счет увеличения на 10-15 % магнитного поля на концевых участках длиной 10-12 см магнитной системы и включения дополнительного магнита в ее поворотную часть для увеличения радиуса кривизны линий магнитного поля над поворотной частью эрозионной канавки расширить область нанесения покрытий с однородностью ± 1 % и устранить ускоренную эрозию на концах катода.

2. Впервые разработана магнегронная распылительная система, в которой несбалансированная конфигурация магнитного поля реализуется за счет использования замкнутого контура дополнительных постоянных магнитов, расположенных в пространстве между магнетроном и подложкой. Это устройство позволяет в 3-6 раз увеличить отношение потока ионов к потоку осаждаемых атомов и плотность плазмы в области подложки по сравнению с обычным сбалансированным магнетроном.

3. Исследован процесс нанесения аморфных а-С:Н пленок с помощью протяженного ионного источника с анодным слоем на диэлектрические и легкоплавкие подложки. Определены оптимальные режимы работы ионного источника с точки зрения формирования покрытий. Полученные пленки при низких коэффициенте трения (0.05), скорости износа (0.001 мкм3м"'Н"') и шероховатости поверхности (~ 0.13 нм) имели твердость 11 ГПа и хорошую адгезию к подложке. По трибологическим свойствам такие пленки не уступают покрытиям, полученным другими РАСУБ методами, однако преимуществом исследованного метода является возможность наносить их на подложки большой площади.

4. Исследован процесс нанесения а-С пленок методом импульсного магнетронного распыления графита, отличающегося тем, что использовалось несбалансированная конструкция магнетрона. Пленки с наилучшими характеристиками и твердостью 26 ГПа были получены при использовании низковольтного высокочастотного напряжения смещения подложки. Показано, что чередование углеродных нанослоев с разной твердостью, получаемых посредством изменения амплитуды импульсов напряжения смещения подложки, позволяет вырастить толстые пленки толщиной > 1 мкм. Исследованный метод дает возможность получать пленки с твердостью, уступающей только твердости покрытий наносимых методом вакуумного дугового распыления, но в отличие от последнего позволяет обрабатывать подложки большой площади.

5. Впервые показано, что импульсное магнетронное распыление позволяет вдвое уменьшить толщину образования сплошной пленки серебра, увеличить плотность ее структуры и значительно уменьшить шероховатость поверхности, по сравнению с пленками серебра, получаемыми на постоянном токе.

6. Впервые показано, что предварительная ионная имплантация поверхности подложки ионами титана с дозой порядка 1014 ион/см2 дает возможность существенно снизить деградацию ультратонких пленок серебра, находящихся длительное время на открытом воздухе.

Практическая значимость работы:

1. Предложены и реализованы способы повышения эффективности нанесения покрытий на подложки большой площади протяженными

цилиндрическими магнетронами с вращающимся катодом. Простота реализации данных способов позволяет использовать их и в магнетронах с плоскими прямоугольными катодами, которые также широко используются в промышленности.

2. Создано оборудование и в лабораторном масштабе реализована малоисследованная технология нанесения аморфных углеводородных покрытий с помощью ионного пучка, создаваемого ионным источником с анодным слоем. Конструкция ионного источника позволяет масштабировать данную технологию на подложки большой площади.

3. Создано оборудование и в лабораторном масштабе впервые реализована технология нанесения аморфных углеродных покрытий методом импульсного несбалансированного магнетронного распыления, совмещенного с подачей импульсного потенциала смещения на обрабатываемую подложку. Конструкция несбалансированного магнетрона позволяет масштабировать данную технологию на подложки большой площади.

4. Показано, что использование импульсного магнетронного распыления и предварительной имплантации поверхности подложки ионами титана позволяет повысить качество ультратонких пленок серебра. Это может быть использовано для улучшения характеристик многослойных низкоэмиссионных покрытий с серебряным функциональным слоем.

5. На базе проведенных исследований создана вакуумная технологическая установка для нанесения твердых углеродных и углеводородных покрытий на подложки большой площади в полупромышленном масштабе. Установка оснащена усовершенствованными конструкциями магнетронных распылительных систем и ионных источников с анодным слоем, современными источниками питания с дугогашением и автоматизированной системой откачки.

Положения, выносимые на защиту:

1. Расширение области нанесения покрытий с однородностью ± 1 % и устранение ускоренной эрозии на поворотных частях зоны распыления в магнетронных распылительных устройствах с цилиндрическим вращающимся катодом достигается с помощью магнитной системы с увеличенным на ее концевых участках магнитным полем и имеющей на поворотной части дополнительный магнит для увеличения радиуса кривизны силовых линий магнитного поля над поворотной частью зоны распыления.

отношение потока ионов к потоку атомов и концентрацию плазмы в области подложки в 3-6 раз по сравнению с магнетроном без дополнительных магнитов.

3. Импульсное несбалансированное магнетронное распыление графита совместно с подачей на подложку низковольтных импульсов высокочастотного напряжения смещения позволяет формировать твердые (26 ГПа) аморфные углеродные пленки толщиной более 1 мкм на проводящих подложках большой площади (до нескольких м2). Адгезия пленок может улучшаться чередованием слоев разной твердости толщиной 30-40 нм, формируемых посредством изменения амплитуды импульсов напряжения смещения подложки.

4. Предварительная модификация поверхности подложки посредством высокоэнергетичной ионной имплантации ионами титана с дозой порядка 1014 ион/см2 и использование магнетронного распыления на импульсном токе для нанесения ультратонких пленок серебра позволяют повысить на порядок величины плотность центров нуклеации, вдвое снизить толщину образования сплошной пленки, на порядок уменьшить шероховатость ее поверхности, а также увеличить долговременную стойкость пленок к воздействию влаги.

5. На основе проведенных исследований разработана не имеющая аналогов вакуумная напылительная установка, позволяющая наносить углеродные и углеводородные покрытия с твердостью до 26 ГПа на подложки большой площади (до 1 м2).

Апробация результатов работы:

Материалы работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. 11-й международный конгресс по физике плазмы, Сидней, Австралия,

2002 г.

2. 6-я международная конференция по модификации материалов пучками заряженных частиц, Томск, 2002 г.

3. XXX Звенигородская конференция по физике плазмы и У ТС, Звенигород, 2003 г.

4. 7-й Корейско-Российский симпозиум по науке и технологии, Ульсан, Корея, 2003 г.

5. 7-я международная конференция по модификации материалов пучками заряженных частиц, Томск, 2004 г.

6. 8-я международная конференция по модификации материалов пучками заряженных частиц, Томск, 2006 г.

Структура и краткое содержание работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В работе 212 страниц, включая 107 рисунков, 23 таблицы, 2 приложения и список литературы (202 наименования).

Основное содержание работы:

Во введении кратко обоснована актуальность работы, сформулирована цель, основные решаемые задачи и научно-практическая значимость полученных результатов. Перечислены положения, выносимые на защиту. Дано краткое содержание работы.

В первой главе приведен обзор литературы по темам, связанным с проблемами, решаемыми в данной работе. Проанализированы основные существующие на сегодняшний день методы вакуумно-плазменного нанесения покрытий, преимущества и недостатки этих способов с точки зрения производительности. На основе этого анализа сделан вывод о перспективности использования таких методов нанесения покрытий как магнетронное распыление и осаждение их из плазмы органических газов, генерируемой с помощью автономного ионного источника.

Далее рассмотрены конструкции наиболее перспективных технологических устройств, применяемых в указанных методах. Сделаны выводы, что наиболее привлекательными для нанесения покрытий на подложки большой площади являются такие устройства со скрещенными электрическим и магнитным полями, как цилиндрические магнетронные распылительные системы с вращающимся катодом и ионные источники с анодным слоем.

Затем приведен обзор литературных источников, посвященных свойствам твердых аморфных углеродных покрытий и ультратонких пленок серебра, наносимых различными методами и с использованием вышеуказанных устройств, в частности. Сделаны выводы о перспективности использования ионного источника с анодным слоем для нанесения твердых углеводородных покрытий, импульсного несбалансированного магнетронного распыления для нанесения твердых углеродных покрытий, а также о необходимости исследования механизма роста и свойств ультратонких пленок серебра, наносимых магнетронным распылением.

В завершении рассмотрены основные типы вакуумных технологических установок для ионно-плазменного нанесения покрытий в промышленных масштабах. Довольно большой объем литературного обзора вызван необходимостью освещения проблем в нескольких неразрывно связанных областях, касающихся нанесения покрытий.

В качестве итога Главы 1 выделяются основные направления исследований и конкретизируются поставленные задачи.

Во второй главе описаны экспериментальное оборудование и методики экспериментов. Представлена конструкция созданной лабораторной установки для нанесения покрытий и разработанных источников плазмы, характеристики и электрические схемы источников питания, генераторов напряжения смещения, подаваемого на подложку.

Экспериментальная установка для вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий включает в себя:

- протяженный цилиндрический магнетрон с вращающимся катодом и длиной рабочей зоны 500 мм;

- источник ионов с анодным слоем и длиной рабочей зоны 300 мм;

- источник питания магнетрона на постоянном токе мощностью 5 кВт;

- импульсный источник питания магнетрона мощностью 25 кВт;

- источник питания ионного источника с выходным напряжением до 1100

В;

- генератор низковольтных импульсов напряжения смещения (амплитуда до 1 кВ, длительность 10-150 мкс, частота повторения до 20 кГц);

генератор высоковольтных импульсов напряжения смещения (амплитуда до 15 кВ, длительность 40-60 мкс, частота повторения до 1 кГц).

В Главе 2 также кратко описано использовавшееся стандартное измерительное и аналитическое оборудование. Описаны методики и определены погрешности измерений параметров разрядов и плазмы, а также свойств покрытий.

В третьей главе представлены результаты экспериментов, задачей которых было повышение эффективности работы цилиндрической магнетронной распылительной системы с вращающимся катодом с точки зрения расширения зоны однородного нанесения покрытий, устранения ускоренной эрозии концевых частей катода, увеличения плотности плазмы в области подложки и повышения стабильности работы магнетрона в атмосфере реактивных газов. Решение этих задач было достигнуто главным образом за счет модификации магнитной системы магнетрона, поскольку именно ее характеристики в значительной мере определяют параметры работы этого устройства.

Магнитная система располагалась внутри трубчатого катода (А1, И) длиной 600 мм с внутренним диаметром 70 мм и толщиной стенки 5-10 мм. Распыление катода осуществлялось при давлении аргона 0.15 Па и мощности разряда 2.5 кВт. В качестве начальной версии использовалась магнитная система традиционной конструкции, т.е. состоящая из центрального ряда постоянных магнитов и двух боковых рядов обратной полярности, замкнутых на концах концевыми магнитами.

Экспериментально показано, что в случае магнитной системы длиной 52 см, обеспечивающей однородное (± 5 %) по длине катода магнитное поле (начальная конструкция), область нанесения покрытия с однородностью ± 1 % составляет только 21.5 см (Рис. 1, кривая 1). Для расширения области однородного нанесения покрытий без увеличения размеров магнетрона выдвинуто предложение увеличить скорость распыления концевых частей катода для компенсации меньшей скорости напыления на краях подложки. Во

о 1,00-о

я-0,98-о

к °'92" §0,90.

§0,88-

Н0,86-

8 12 16 20 24 Расстояние, см

Рис. 1. Распределение толщины

пленки по длине подложки.

1- начальная магнитная система; 2-

модифицированная магнитная

система.

избежание значительного

увеличения скорости эрозии на ограниченной части катода, предложено использовать

сравнительно небольшое

увеличение магнитного поля (на 515 %), но на протяженных по длине участках магнитной системы, реализуемое посредством более сильных магнитов.

Экспериментально получено, что наибольший эффект наблюдается при длине области с увеличенным магнитным полем равной 10-ти см. В результате предложенного изменения конструкции магнитной

системы достигнуто увеличение на 8.5 см длины области нанесения покрытия с однородностью ± 1 %.

Однородность эрозии цилиндрического катода по его длине в данной работе исследована путем измерения поперечных сечений эрозионной канавки, получаемой на неподвижном во время распыления катоде. Распределение этих сечений по длине катода показало, что при использовании начальной конструкции магнитной системы на концах катода имеются области, на которых скорость эрозии превышает среднюю на 20 % (Рис. 2, кривая 1). Обнаружено, что эти области с ускоренной эрозией находятся непосредственно над поворотными частями магнитной системы, а максимум ускоренной эрозии располагается не в центре зазора между магнитами, а в 1 мм от края

центрального магнита, что 7 | обусловлено геометрическим

расположением и размерами магнитов, формирующих

поворотную часть магнитной системы. Посредством

моделирования магнитного поля с использованием компьютерной программы ЕЬСиТ была найдена 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 оптимальная форма магнитного Расстояние, см поля, которой соответствует

Рис. 2. Распределение площади сечения определенная конфигурация

эрозионной канавки по длине катода. магнитов. Это позволило сместить

(1- начальная магнитная система; 2- максимум магнитного поля в модибициоованная магнитная система.

центр зазора между магнитами и увеличить радиус кривизны линий магнитного поля вблизи поверхности катода (Рис. 3), что уменьшило плотность мощности, над поворотной частью магнитной системы. В результате произошло снижение до 5 % разницы между средней скоростью эрозии катода и скоростью эрозии на его концах.

Рис. 3. Картина магнитного поля над а) начальной (ЛХ=16 мм) и б) модифицированной поворотными частями магнитной системы.

Совместное использование предложенной конструкции поворотной части магнитной системы с увеличением на ее концах магнитного поля, как было предложено выше, позволило полностью устранить ускоренную эрозию на концах катода, а также увеличить область нанесения покрытий с однородностью ± 1 % на 11.5 см (Рис. 1, кривая 2; Рис. 2, кривая 2).

Для решения проблемы увеличения плотности плазмы в области подложки предложено сформировать несбалансированную конфигурацию магнитного поля за счет замкнутого контура дополнительных постоянных магнитов, расположенных снаружи распыляемого катода в пространстве между магнетроном и подложкой.

Проведено сравнение параметров плазмы, генерируемой магнетронами с традиционной сбалансированной и несбалансированной, по предложенной схеме, магнитными системами. В сбалансированном магнетроне плотность ионного тока на подложку непрерывно уменьшается при удалении от магнетрона и на большом расстоянии (15 см) от него составляет 0.165 мА/см2. Отношение потока ионов к потоку осаждаемых на подложку атомов на таком расстоянии от магнетрона не превышает значений 0.1-0.15 (Рис. 4, кривая 1). В несбалансированном магнетроне с дополнительными магнитами во всех исследуемых точках эти параметры выше в 3-6 раз, и на оси системы на расстоянии 15 см от магнетрона равняются 1 мА/см2 и 0.8 (Рис. 4, кривая 3), соответственно. Также продемонстрировано, что создание несбалансированной конфигурации магнитного поля только за счет магнитов, расположенных внутри катода (Рис. 4, кривая 2), дает меньший эффект по сравнению с предложенным

Рис. 4. Пространственные зависимости отношения потока ионов к потоку осаждаемых атомов F/F„ для разных конструкций магнетрона.

1-сбалансированный магнетрон,

2-несбалансированный магнетрон с внутренней

разбалансировкой,

3- несбалансированный

способом. Если в сбалансированном магнетроне максимальная плотность плазмы наблюдается вблизи магнитной ловушки у поверхности катода (2.57* 10ю см"3), то в несбалансированной конструкции магнетрона с дополнительными магнитами она доходит до значения 1.3*10" см"3 на расстоянии 5 см от катода. Потенциал плазмы в обоих исследуемых магнетронах составляет единицы вольт и слабо меняется от расстояния до магнетрона. Температура электронов в сбалансированном магнетроне лежит в пределах 1-2 эВ. В несбалансированном магнетроне Те имеет большие значения на оси системы и находится в диапазоне от 1.6 до 2.6 эВ.

Для увеличения времени стабильной работы магнетрона при реактивном осаждении непроводящих пленок предложено использовать аноды, на которых затруднено накопление диэлектрического материала. Это могут быть аноды, выполненные из материала, к которому наносимые пленки заведомо имеют очень плохую адгезию и будут отслаиваться от него в результате внутренних напряжений, освобождая чистую поверхность анода. Проведено сравнение эффективности двух конструкций анодов. В первом случае анод представлял собой стальной стержень, а во втором этот стержень покрывался углеграфитовой тканью. Эффективность анода оценивалась временем до полного отравления катода при осаждении оксида алюминия. Показано, что при использовании металлического анода время до полного отравления катода составляет 150 мин. В случае анода из графитовой ткани это время увеличено почти вдвое и составило 290 минут, отваливаться

В четвертой главе представлены результаты по усовершенствованию технологий нанесения твердых аморфных углеродных пленок и ультратонких пленок серебра на подложки большой площади с помощью устройств со скрещенными электрическим и магнитным полями. Глава 4 делится на три части, в которых описываются и обсуждаются эксперименты по нанесению с помощью ионного источника с анодным слоем аморфных углеводородных

пленок в атмосфере метана, показываются преимущества использования несбалансированного импульсного магнетронного распыления графита для осаждения аморфных углеродных пленок, а также исследуются свойства ультратонких пленок серебра при различных режимах их нанесения методом магнетронного распыления.

1. Исследованы два режима работы ионного источника с анодным слоем, зависящие от давления рабочего газа. Первый режим - высоковольтный (с коллимированным ионным пучком) характеризуется высоким разрядным напряжением (до 1100 В) и низкими разрядными токами (10-30 мА). Концентрация плазмы в этом режиме не велика и равняется примерно 109 см"3. Средняя энергия ионов в пучке составляет примерно половину разрядного напряжения (~ 450 эВ). Высоковольтный режим наблюдается при давлении менее 0.08 Па (в случае аргона или метана) и в большей степени подходит для предварительной очистки подложек или их травления. Второй режим работы ионного источника - низковольтный (с рассеянным ионным пучком) отличается от первого более низким разрядным напряжением (300-400 В) и большими разрядными токами (100-500 мА). Этот режим характеризуется наличием относительно плотной плазмы в камере (~ 1010 см"3) и средней энергией ионов примерно 100 эВ. Он наблюдается при давлении > 0.08 Па и, как показали эксперименты, наиболее подходит для нанесения а-С:Н покрытий.

Нанесение покрытий осуществлялось на подложки из стекла и углепластика в условиях, представленных в Таблице 1.

Таблица. 1. Параметры процессов предварительной очистки подложек и нанесения покрытий______

Процесс № образца Р{ Па) г/0 (В) и„(в) и (мА) V (нм/ч)

Предварительная очистка КЬКЗ 0.03 1200 1100 30 -

Нанесение покрытия 181 0.1 1200 800 800 1008

1Б2 0.08 1200 900 500 432

КЗ 0.08 900 700 350 252

где Р- давление, и0- напряжение холостого хода источника питания, Цц-разрядное напряжение, /¿г разрядный ток, V- скорость нанесения пленки.

Основные характеристики полученных пленок представлены в Таблице

Таблица 2. Основные характеристики полученных а-С:Н штенок.

№ образца (НМ) Н (ГПа) ЕТ (ГПа) XV (мкм3м"'Н"') И

0.35 8.8410.08 75.7+0.5 0.010 0.07

1Б2 0.13 11.1910.23 87.6+1.3 0.001 0.05

1БЗ 0.16 10.19+0.11 82.5+1.6 0.002 0.08

где Лгт- среднеквадратичная шероховатость, Н- нанотвердость, Е- модуль упругости, ц>- скорость износа, р- коэффициент трения.

Исходя из того, что алмазоподобные пленки, выращенные при оптимальной ионной бомбардировке, являются менее шероховатыми, чем полимероподобные или графитоподобные пленки, нанесенные при недостаточном или избыточном ионном воздействии, соответственно, сделан вывод, что режим, при котором наносилось покрытие на образец 1Б2, является оптимальным с точки зрения ионного воздействия, а пленка имеет структуру, наиболее близкую к алмазоподобной. Это подтверждено тем, что пленка, полученная на образце 1Б2, обладает наилучшими трибологическими свойствами, а именно наибольшей твердостью (11 ГПа) и наименьшими скоростью износа (0.001 мкм3м"1Н'1) и коэффициентом трения (0.05).

2. Проведено сравнение свойств а-С покрытий, полученных на кремниевых подложках методом импульсного сбалансированного и несбалансированного магнетронного распыления графитового катода. В обоих случаях параметры разряда (давление аргона 0.2 Па, ток разряда 10-60 А, напряжение 660 В, длительность импульса 400 мкс, частота 1 кГц) были одинаковыми. Зондовыми измерениями параметров плазмы показано, что максимум концентрации ионов в области подложки достигается примерно через 200 мкс после подачи напряжения на магнетрон. Поэтому импульс разряда должен быть достаточно длинным (~ 400 мкс), для того чтобы достигалась максимальная плотность плазмы вблизи подложки, а значит и наиболее эффективное ионное воздействие на растущую пленку. При сбалансированном магнетронном распылении наилучшие результаты получены при подаче на подложку импульсного высоковольтного напряжения смещения амплитудой -3.4 кВ, длительностью 40 мкс и частотой 1 кГц, синхронизованного с импульсами магнетронного разряда. Полученные пленки отличаются высокой адгезией, имеют твердость 13 ГПа и содержат 21-23 % Бр3-связанного углерода. Этого достаточно для их применения в качестве износостойких в условиях средних и низких нагрузок.

При несбалансированном магнетронном распылении вдвое более твердые (26 ГПа) покрытия получены при использовании низковольтного напряжения смещения подложки амплитудой -400 В, длительностью 10 мкс и частотой 20 кГц, не синхронизованного с импульсами магнетронного разряда. Кривая наноиндентации такой пленки представлена на рис. 5. При этом толстые покрытия (1-2 мкм) с удовлетворительной адгезией получены путем напыления чередующихся твердых и мягких углеродных нанослоев толщиной 30-40 нм. 3. Исследование свойств ультратонких пленок серебра проведено после их нанесения в различных технологических режимах, во время которых поддерживались одинаковыми мощность разряда (0.45 кВт) и давление рабочего

Нагрузка, мН Рис. 5. Кривая наноиндентации а-С пленки, полученной методом импульсного несбалансированного магнетронного распыления.

газа (0.09 Па). В качестве подложек использовались

стеклянные пластины толщиной 1 мм и шероховатостью поверхности приблизительно 0.5 нм.

Атомно-силовая микроскопия показала, что пленки серебра толщиной 4-8 нм, наносимые с помощью сбалансированного и несбалансированного магнетронного распыления на постоянном токе, а также с использованием предварительной ионно-плазменной очистки поверхности подложки ионным источником имеют одинаковую структуру и морфологию поверхности.

Также установлено, что они имеют практически одинаковую твердость, удельное сопротивление и кристаллическую структуру, в которой преобладают зерна с ориентацией (200). Однако, как показал рентгеноструктурный анализ, пленки толщиной 1.6 мкм, полученные несбалансированным магнетронным распылением, имеют существенно меньший размер зерна (67±5 нм), что подтверждает тот факт, что текстура пленки сильно зависит от потока ионов на подложку. Показано, что пленки серебра толщиной 4 нм, полученные на постоянном токе, являются не сплошными и островковыми по структуре. Профиль таких пленок, полученный методом атомно-силовой микроскопии, представлен на Рис. 6,а. Среднеквадратичная шероховатость пленок равняется 4.1 нм, а составляющие ее островки имеют диаметр от 20 до 40 нм. Пленки, полученные данным методом, становятся сплошными при толщине 8 нм и характеризуются низкой среднеквадратичной шероховатостью (0.99 нм), удельным сопротивлением равным 2.4><10"5 Омхсм и коэффициентом отражения в ИК-диапазоне длин волн, лежащим в диапазоне 0.81-0.85.

С целью повышения сплошности и плотности ультратонких пленок серебра предложено наносить их магнетронным распылением на импульсном токе с частотой 100 Гц при максимальной скважности импульсов. Данным методом получены и затем исследованы пленки серебра толщиной 4-8 нм. АСМ-изображения этих пленок показали, что все полученные пленки являются сплошными. Покрытие, толщиной 4 нм, профиль которого изображен на Рис. 6,6, имеет среднеквадратичную шероховатость 0.52 нм, что на порядок меньше чем у пленки, полученной на постоянном токе. Пленки толщиной 8 нм имеют более плотную структуру, больший коэффициент отражения в ИК-диапазоне

а) Расстояние (нм) б) Расстояние, им

Рис. 6. Профили пленок серебра толщиной 4 нм нанесенных магнетронным распылением на постоянном (а) и импульсном (б) токе.

длин волн (0.89), несколько меньшее удельное сопротивление (1.9 хЮ"5 Омхсм) чем у пленок, полученных на постоянном токе. Большие изменения произошли в структуре этих пленок, в которой начали преобладать зерна с ориентацией (111).

Проведено исследование деградация пленок серебра толщиной до 10 нм, находящихся длительное время на открытом воздухе. Обнаружено, что со временем на поверхности пленки образуются пятна желто-коричневого цвета, размер которых увеличивается со временем. Данные пятна состоят из кольцеобразных структур с различной шероховатостью и толщиной, которые уменьшаются по мере удаления от центра пятна. В области пятен происходит собирание серебра в агломераты, высотой до 50-60 нм, что значительно превышает изначальную толщину пленки.

Для снижения деградации пленок под воздействием влаги, находящейся в окружающем воздухе, предложено модифицировать поверхность подложки перед нанесением на нее покрытия посредством высокоэнергетичной ионной бомбардировки. Для этого поверхность подложки была проимплантирована ионами титана с энергией 40 кэВ и дозой имплантации 5*1014 ион/см2. На рис. 7 представлены изображения поверхности пленок, нанесенных на не обработанную (а) и предварительно имплантированную ионами титана подложку (б), полученные сразу после нанесения. Осажденная на не обработанную подложку пленка имеет размер зерна 100-200 нм и шероховатость около 3 нм, а в случае предварительной ионной имплантации эти параметры значительно меньше, 50 нм и ~ 1 нм, соответственно. Таким образом, предварительная модификация подложки позволяет значительно увеличить количество центров роста наносимой пленки.

Повторными исследованиями этих пленок через год после нанесения показано, что в случае предварительно обработанной подложки наблюдается

Рис. 7. ЛСМ-изображения пленок серебра, нанесенных на не обработанную (а) и предварительно имплантированную нонами титана подложку (б), сделанные сразу после нанесения.

уменьшение на порядок количество дефектов, возникающих в пленке серебра под воздействием влаги, видимое как невооруженным глазом, так и с помощью атомно-силовой микроскопии. Это вызвано, по-видимому, снижением миграции серебра по имплантированной подложке,

В пятой главе описана разработанная вакуумная напылительная установка периодического действия для реализации в полупромышленном масштабе технологий нанесения твердых аморфных а-С и а-С:Н покрытий, описанных в Главе 4, на подложки большой площади.

В состав установки, изображенной на рис. входит вакуумная камера объемом I*}*) м , имсюшая волоохлаждаемые стенки из нержавеющей стали. Процесс вакуумирования камеры полностью автоматизирован и осуществляется с помощью вакуумной системы на базе диффузионного насоса АВДМ-400 с

предельным давлением

камеры по углам расположены два цилиндрических магнетрона с вращающимися катодами и два ионных источника с анодным слоем длиной около I м. На верхней стенке камеры установлен вращающийся манипулятор для крепления и вращения

обрабатываемых деталей. Имеется два источника питания с функцией дугогашения, каждый из которых способен работать как С магнетроном (номинальная

мощность 8 кВт), так и с ионным

остаточным

Ю"3 Па. Внутри

Рис. 8. Внешний вид вакуумной установки для ион но-плазменного нанесения а-С и а-С:Н покрытий.

источником (номинальная мощность 2 кВт). Поэтому возможно одновременное включение двух технологических источников из четырех имеющихся. В состав установки также входит импульсный источник питания с номинальной мощностью 8 кВт для подачи отрицательного потенциала смещения на обрабатываемые детали. Отдельным элементом является стойка управления для контроля за вакуумной системой, источниками электропитания и системой газонапуска.

Основные результаты и выводы по работе:

1. Экспериментально показана возможность увеличения области нанесения покрытий с однородностью толщины ± 1 % и устранения ускоренной эрозии концевых частей вращающегося катода цилиндрической магнетронной распылительной системы за счет увеличения на 5-15 % магнитного поля на концах распыляемого катода и оптимизации формы магнитного поля над поворотной частью магнитной системы. Показано, что в цилиндрических магнетронах наиболее эффективным способом создания несбалансированной конфигурации магнитного поля является использование дополнительных разбалансирующих магнитов, расположенных снаружи распыляемого катода. Данная конструкция позволяет получить плотность ионного тока до 2.5 мА/см2 и концентрацию электронов до 1.3*10" см"3, что в 3-6 раз больше чем в обычном сбалансированном магнетроне. Продемонстрирована возможность увеличения в 2 раза времени стабильной работы магнетрона при реактивном нанесении покрытий за счет использования графитовых анодов взамен широко использующихся металлических анодов.

2. Исследован процесс нанесения износостойких аморфных а-С:Н пленок с помощью протяженного ионного источника с анодным слоем на диэлектрические и легкоплавкие подложки большой площади. Для подложек из стекла и углепластика определены наиболее подходящие условия для предварительной очистки (РАг=0.03 Па, 11=1000 В, 1=30 мА) и нанесения покрытий (РСн4=0.08 Па, и=900 В, 1=500 мА). Показано, что полученные пленки обладают значительно лучшими трибологическими свойствами (твердостью ~ 11 ГПа, низкой шероховатостью -0.13 нм, коэффициентом трения (0.05) и скоростью износа (0.001 мкм3м"1Н'1)), чем диэлектрические подложки, на которые они наносились.

частотой 1 кГц и длительностью 40 мкс, синхронизованного с импульсами магнетронного разряда. Полученные пленки отличаются высокой адгезией, обладают нанокристаллической структурой и содержат 21-23 % эр'-связанного углерода. Показано, что использование несбалансированного импульсного магнетронного распыления позволяет в 2 раза увеличить твердость покрытий (до 26 ГПа). Наибольший эффект производит использование низковольтного напряжения смещения подложки амплитудой -400 В, длительностью 10 мкс и частотой 20 кГц.

4. Экспериментально показана возможность управления механизмом роста ультратонких пленок серебра. Показано, что использование импульсного магнетронного распыления позволяет значительно улучшить свойства этих пленок. Пленки, наносимые на импульсном токе, имеют лучшую текстуру, большие коэффициент отражения в ИК-диапазоне длин волн и плотность, меньшие удельное сопротивление и шероховатость поверхности, чем пленки, получаемые в DC режиме. Импульсным магнетронным распылением получены сплошные пленки серебра толщиной 4 нм со среднеквадратичной шероховатостью поверхности 0.52 нм. Исследование деградация пленок серебра толщиной до 10 нм под действием влаги показало, что со временем на их поверхности образуются пятна, состоящие из кольцеобразных структур с различной шероховатостью и толщиной. Обнаружено, что в области пятен происходит собирание серебра в агломераты, высотой до 50-60 нм. Экспериментально показано, что предварительная имплантация поверхности подложки ионами титана позволяет значительно снизить деградацию ультратонких пленок серебра на открытом воздухе, что позволит существенно увеличить срок службы и надежность этих пленок.

5. Создана вакуумная напылительная установка периодического действия для нанесения углеродных и углеводородных покрытий на подложки большой площади (около 1 м2) или множество мелких изделий одновременно. Оснащение ее автоматизированной системой откачки, оригинальной оснасткой вакуумной камеры, усовершенствованными конструкциями протяженных цилиндрических несбалансированных магнетронных распылительных систем и ионных -источников с анодным слоем, современными источниками питания к ним делает установку конкурентоспособной на рынке промышленного нанесения покрытий.

Работы, опубликованные по теме диссертации

1. A.A. Solovjev, S.P. Bugaev, A.N. Zakharov, K.V. Oskomov, and N.S. Sochugov, "Plasma-immersion ion déposition of amorphous hydrogenated diamond-like films on dielectric substrates"/ in proceedings of 5th Conférence on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2000.

2. Rotating cylindrical magnetrons and accelerators with anode layer for large-area film deposition technologies / S.P. Bugaev , A.N. Zakharov, K.V. Oskomov, N.S. Sochugov, A.A. Solovjev / in proceedings of the 11th International Congress on Plasma Physics, Sydney, Australia, 2002.

3. Цилиндрическая магнетронная распылительная система с вращающимся катодом / А.А. Соловьев, А.Н. Захаров, Н.С. Сочугов // Тез. докл. 6-й международной конференции по модификации материалов пучками заряженных частиц, Томск, 23-28 сентября, 2002, с. 625-628.

4. Improvement of coating deposition and target erosion uniformity in rotating cylindrical magnetrons / S.P. Bugaev, N.S. Sochugov, K.V. Oskomov, A.A. Solovjev, A.N. Zakharov // Laser and particle beams, Vol. 21 (2), 2003, p. 279-283.

5. Extended unbalanced magnetron sputtering system with a cylindrical cathode / N.S. Sochugov, Hui-Gon Chun, A.A.Soloviev, A.N. Zakharov // in proceedings of 7th Korea-Russia international symposium on science and technology, Ulsan, Korea, june 28-july 6,2003, p. 30-35.

6. Повышение эффективности цилиндрических магнетронных распылительных систем с вращающимся катодом / А.Н. Захаров, А.А. Соловьев, Н.С. Сочугов // Прикладная физика, № 5,2003, с. 41-45.

7. Role of magnetic field configuration in a performance of extended magnetron sputtering system with a cylindrical cathode / H.-G. Chun, N.S. Sochugov, J.-Z. You, A.A. Soloviev, A.N. Zakharov // Journal of the Korean society of semiconductor equipment technology, V.2, № 3,2003, p. 19-24.

8. Properties of nanolayered carbon films deposited by unbalanced magnetron sputtering deposition / K.V.Oskomov, S.V. Rabotkin, N.S. Sochugov, A.A. Soloviev // in proceedings of 7th international conference on modification of materials with particle beams and plasma flows, Tomsk, June 25-29, 2004, p. 409-412.

9. Installation for hard carbon films deposition on large area substrates / N.S. Sochugov, A.A.Soloviev, S.V. Rabotkin, I.R. Arslanov, K.V.Oskomov, V.G. Podkovirov, and N.F. Kovsharov / in proceedings of 7th international conference on modification of materials with particle beams and plasma flows, Tomsk, June 25-29, 2004, p. 85-88.

10. Ellipsometric studies of thin silver films deposited by DC magnetron sputtering / A.A. Soloviev, N.S. Sochugov, K.V. Oskomov // Изв. вузов. Физика. -2006. -№8. Приложение. -С. 488-490.

11. Магнетронная распылительная система. Патент РФ № 2242821 от 20.12.2004 г.

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Соловьев, Андрей Александрович

Введение.

Глава 1. Методы вакуумного ионно-плазменного нанесения тонкопленочных покрытий на подложки большой площади и проблемы повышения их эффективности.

1.1. Технологические устройства для нанесения тонкопленочных покрытий.

1.1.1. Плазменно-ассистированное химическое газофазное осаждение (PACVD).

1.1.1.1. Нанесение покрытий методом РACVD.,.

1.1.1.2. Конструкции низкоэнергетичных ионных источников.

1.1.2. Физическое газофазное осаждение (PVD).

1.1.2.1. Нанесение покрытий методом PVD.

1.1.2.2. Пути повышения эффективности магнетронных распылительных систем.

1.2. Свойства и методы нанесения твердых углеродных покрытий и ультратонких пленок серебра.

1.2.1. Свойства твердых углеводородных покрытий, формируемых из углеводородной плазмы газового разряда низкого давления.

1.2.2. Свойства твердых углеродных покрытий, полученных при распылении графита в вакууме.

1.2.3. Ультратонкие пленки серебра, наносимые методами PVD.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Экспериментальное оборудование.

2.1. Экспериментальная установка для вакуумного ионно-плазменного нанесения тонких пленок.

2.1.1. Магнетронная распылительная система с цилиндрическим вращающимся катодом.

2.1.2. Источники питания магнетрона.

2.1.3. Генераторы импульсов напряжения смещения подложки.

2.1.4. Ионный источник с анодным слоем.

2.1.5. Источник питания ионного источника.

2.2. Измерительное и аналитическое оборудование. Методики исследования характеристик разработанных устройств, параметров образующейся плазмы, а также свойств получаемых покрытий.

2.2.1. Измерительное и аналитическое оборудование.

2.2.2. Методика измерения однородности эрозии цилиндрического катода магнетрона по его длине.

2.2.3. Методика измерения однородности толщины наносимых покрытий по длине подложки.

2.2.4. Методика измерения однородности ионного пучка и вольт-амперных характеристик ионного источника.

2.2.5. Методика измерения параметров плазмы.

2.2.6. Методика определения плотности ионного тока и отношения потока ионов к потоку атомов на подложку.

2.2.7. Методика измерения механических свойств а-С и а-С:Н пленок с помощью наноиндентора.

2.2.8. Методика исследования структуры а-С и а-С:Н пленок с помощью атомно-силового микроскопа.

2.2.9. Методика определения доли алмазоподобной фазы в углеродных и углеводородных пленках с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

2.2.10. Определение удельного электрического сопротивления ультратонких пленок серебра методом Ван-дер-Пау.

2.2.11. Исследование ультратонких пленок серебра методом спектральной эллипсометрии.

2.2.12. Моделирование магнитного поля с помощью программы ELCUT.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Повышение эффективности магнетронных распылительных систем с цилиндрическим вращающимся катодом.

3.1. Расширение зоны однородного нанесения покрытий протяженным цилиндрическим магнетроном.

3.2. Устранение ускоренной эрозии концевых частей цилиндрического магнетрона с вращающимся катодом.

3.3. Несбалансированная магнетронная распылительная система на базе магнетрона с цилинрическим вращающимся катодом.

3.4. Повышение длительности непрерывной работы магнетрона при . реактивном распылении.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Получение твердых аморфных углеродных покрытий и пленок серебра с помощью устройств со скрещенными электрическим и магнитным полями.

4.1. Нанесение а-С:Н пленок с помощью ионного источника с замкнутым дрейфом электронов.

4.2. Нанесение а-С пленок методом импульсного несбалансированного магнетронного распыления графита.

4.3. Получение ультратонких пленок серебра методом магнетронного распыления.

Выводы к главе 4.

Глава 5. Установка для вакуумного ионно-плазменного нанесения твердых углеродных покрытий на подложки большой площади.

5.1. Вакуумная камера и система вакуумизации.

5.2. Технологические устройства для нанесения покрытий.

5.3. Источники питания.

Выводы к главе 5.

Введение 2007 год, диссертация по электронике, Соловьев, Андрей Александрович

Проблема нанесения тонкопленочных покрытий является едва ли не самой обширной среди современных актуальных направлений технологии и материаловедения. В ней переплетаются научные аспекты, относящиеся к физике, химии, механике. Тонкопленочные покрытия применяются во многих областях народного хозяйства и потребность в них постоянно возрастает. Хорошим примером важности их применений является полупроводниковая и оптическая промышленность. Высокие темпы- развития этих наукоемких отраслей промышленности требуют непрерывного повышения качества, прочности и долговечности покрытий. Реализация этих требований напрямую зависит от достижений в конструировании оборудования и совершенствования технологий получения тонких пленок.

В настоящее время наиболее перспективными методами нанесения покрытий являются вакуумные ионно-плазменные методы. Главным их достоинством является экологическая безопасность. Также известно, что в ионизованном или возбужденном состоянии атомы и молекулы легче взаимодействуют друг с другом, делая процесс нанесения покрытий более эффективным с разных точек зрения. По способу формирования ионно-плазменных потоков методы нанесения покрытий делятся на основных два класса - методы ассистированного плазмой химического газофазного осаждения (PACVD) и методы физического газофазного осаждения (PVD). К первому классу относятся технологии, в которых покрытие образуется в результате химических реакций протекающих в плазме, возбуждаемой тлеющим [1], дуговым [2], ВЧ [3] или СВЧ [4] разрядами. Ко второй группе технологий относятся методы, в которых покрытие на подложке осаждается из паровой фазы, получаемой за счет распыления или испарения поверхности мишени из наносимого материала. Основными из них являются вакуумное дуговое распыление [5], лазерная абляция [6], распыление ионным пучком [7], магнетронное распыление [8] и термическое испарение [9].

- высокая скорость распыления при низких рабочих напряжениях (400-800 В) и при л небольших давлениях рабочего газа (10 -10 Па),

- отсутствие перегрева подложки,

- малая степень загрязнения пленок,

- возможность получения равномерных по толщине пленок на большей площади подложек.

Известно, что этот метод, например, используется для нанесения низкоэмиссионных, однородных по толщине покрытий на подложки большой площади (до 3.2 х 6 м2) [10]. Магнетронные распылительные системы, получившие свое название от СВЧ приборов М-типа, позволяют получить очень протяженные, хотя в основном в одном направлении, потоки частично ионизованной плазмы. Хотя изобретение первого магнетрона было зарегистрировано еще в 1974 году [11], конструкции этих устройств, использующих скрещенные электрическое и магнитное поля, совершенствуются до сих пор. Существует ряд проблем, касающихся коэффициента использования мишени, однородности наносимых покрытий, плотности плазмы и т.д., которые остаются не решенными полностью. Решение большинства этих проблем представляется возможным путем оптимизации магнитной системы магнетронов, которая во многом определяет характеристики их работы.

Другими устройствами, в которых используются скрещенные электрическое и магнитное поля, являются ионные источники с замкнутым дрейфом электронов. Изначально они представляли собой плазменные ускорители, используемые в качестве двигателей для космических кораблей [12]. Однако со временем они нашли использование в технологии нанесения тонких пленок для очистки поверхности подложек, травления, ионного ассистирования. Имеется ряд публикаций, в которых это устройство используется непосредственно для нанесения покрытий [13]. Однако в настоящее время данная область не является всесторонне изученной, о чем говорит небольшое количество публикаций по данной теме и поэтому необходимо более подробного исследовать возможности ионных источников с замкнутым дрейфом электронов применительно к осаждению покрытий.

Можно смело утверждать, что актуальной задачей в области нанесения покрытий является совершенствование технологий и повышение эффективности имеющегося оборудования для нанесения пленок на подложки большой площади с высокой степенью однородности и достаточно высокой скоростью. Эту задачу можно решить с использованием оборудования, позволяющего эффективно генерировать большие объемы плазмы с контролируемыми в широком диапазоне характеристиками, как, например, устройствами со скрещенными электрическим и магнитным полями.

Говоря о технологическом оборудовании для нанесения покрытий нужно иметь в виду проблемы, связанные с самими покрытиями. Примером тонких пленок, обладающих уникальными свойствами и поэтому вызывающих непрекращающийся интерес со стороны исследователей, могут быть твердые аморфные углеродные покрытия и ультратонкие пленки серебра.

Аморфные углеродные пленки обладают высокой твердостью и износостойкостью, низким коэффициентом трения, диэлектрическими свойствами, химической инертностью, оптической прозрачностью, биологической совместимостью, гладкостью поверхности и способностью избирательно поглощать фотоны. Из-за наличия ^-гибридизированного углерода в пленке некоторые ее физические характеристики (твердость, электрические свойства, плотность) близки к свойствам алмаза. Поэтому такие пленки в литературе часто называют алмазоподобными [14]. Твердые углеродные покрытия нашли применение в электронике, оптике, инструментальной промышленности, медицине, производстве пар трения и т.д. Тем не менее, для более эффективного использования этих пленок в промышленности необходимо снижать стоимость их производства за счет повышения производительности оборудования, использующегося для их нанесения и более совершенных технологий их производства.

В настоящее время во многих областях науки и технологиях находят применение ультратонкие пленки серебра, входящие в состав многослойных пленочных структур. Большой интерес ученых и исследователей к пленкам толщиной до 20 нм вызван тем, что они обладают уникальными свойствами, нехарактерными для материалов в массивном состоянии. В качестве примера практического применения тонких пленок серебра можно привести низкоэмиссионные покрытия на архитектурных и автомобильных стеклах [15]. В этом и других приложениях необходимы пленки с заданными структурными, электрическими, оптическими и иными характеристиками, достижение которых требует глубокого понимания процессов их нуклеации и роста. Поэтому существует необходимость углубления понимания связей между параметрами ионно-плазменного воздействия и свойствами пленок в диапазоне их толщин от самой минимальной до той, при которой пленки становятся сплошными. Это является необходимым шагом на пути создания покрытий с новыми функциональными свойствами.

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать главную цель работы -разработка эффективного технологического оборудования для технологий нанесения перспективных тонкопленочных покрытий на подложки большой площади и изучение свойств формируемых покрытий.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1) Исследовать протяженную магнетронную распылительную систему с цилиндрическим вращающимся катодом с точки зрения однородности нанесения покрытий, коэффициента использования мишени, параметров создаваемой плазмы и стабильности работы в режимах с реактивными газами. На основе анализа полученных данных предложить конструктивные изменения, позволяющие улучшить работу магнетрона по указанным показателям.

3) Разработать конструкцию ионного источника с анодным слоем и исследовать процесс нанесения с его помощью аморфных углеводородных пленок на подложки большой площади. Найти оптимальные для получения покрытий режимы работы ионного источника.

5) На основе разработанных конструкций устройств со скрещенными электрическим и магнитным полем, а также исследованных технологий нанесения твердых углеродных и углеводородных покрытий создать вакуумную технологическую установку для нанесения пленок на подложки большой площади.

Научная новизна работы:

2. Впервые разработана магнетронная распылительная система, в которой несбалансированная конфигурация магнитного поля реализуется за счет использования замкнутого контура дополнительных постоянных магнитов, расположенных в пространстве между магнетроном и подложкой. Это устройство позволяет в 3-6 раз увеличить отношение потока ионов к потоку осаждаемых атомов и плотность плазмы в области подложки по сравнению с обычным сбалансированным магнетроном.

3. Исследован процесс нанесения аморфных а-С:Н пленок с помощью протяженного ионного источника с анодным слоем на диэлектрические и легкоплавкие подложки. Определены оптимальные режимы работы ионного источника с точки зрения формирования покрытий. Полученные пленки при низких коэффициенте трения (0.05), скорости износа (0.001 mkmVH"1) и шероховатости поверхности (~ 0.13 нм) имели твердость 11 ГПа и хорошую адгезию к подложке. По трибологическим свойствам такие пленки не уступают покрытиям, полученным другими PACVD методами, однако преимуществом исследованного метода является возможность наносить их на подложки большой площади.

Практическая значимость работы:

1. Предложены и реализованы способы повышения эффективности нанесения покрытий на подложки большой площади протяженными цилиндрическими магнетронами с вращающимся катодом. Простота реализации данных способов позволяет использовать их и в магнетронах с плоскими прямоугольными катодами, которые также широко используются в промышленности.

Положения, выносимые на защиту:

1. Расширение области нанесения покрытий с однородностью ± 1 % и устранение ускоренной эрозии на поворотных частях зоны распыления в магнетронных и распылительных устройствах с цилиндрическим вращающимся катодом достигается с помощью магнитной системы с увеличенным на ее концевых участках магнитным полем и имеющей на поворотной части дополнительный магнит для увеличения радиуса кривизны силовых линий магнитного поля над поворотной частью зоны распыления.

2. Использование замкнутого контура из постоянных магнитов, расположенных в пространстве между магнетронным распылительным устройством и подложкой, и имеющих полярность, обратную полярности внешних магнитов магнитной системы магнетрона, позволяет реализовать несбалансированную конфигурацию магнитного поля и тем самым увеличить отношение потока ионов к потоку атомов и концентрацию плазмы в области подложки в 3-6 раз по сравнению с магнетроном без дополнительных магнитов.

3. Импульсное несбалансированное магнетронное распыление графита совместно с подачей на подложку низковольтных импульсов высокочастотного напряжения смещения позволяет формировать твердые (26 ГПа) аморфные углеродные пленки толщиной более 1 у мкм на проводящих подложках большой площади (до нескольких м ). Адгезия пленок может улучшаться чередованием слоев разной твердости толщиной 30-40 нм, формируемых посредством изменения амплитуды импульсов напряжения смещения подложки.

Апробация результатов исследования:

Материалы работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. 11-й международный конгресс по физике плазмы, Сидней, Австралия, 2002 г.

2. 6-я международная конференция по модификации материалов пучками заряженных частиц, Томск, 2002 г.

3. XXX Звенигородская конференция по физике плазмы и У ТС, Звенигород, 2003 г.

4. 7-й Корейско-Российский симпозиум по науке и технологии, Ульсан, Корея, 2003 г.

5. 7-я международная конференция по модификации материалов пучками заряженных частиц, Томск, 2004 г.

6. 8-я международная конференция по модификации материалов пучками заряженных частиц, Томск, 2006 г.

Структура и краткое содержание работы:

Заключение диссертация на тему "Устройства со скрещенными электрическим и магнитным полями для нанесения тонкопленочных покрытий на подложки большой площади"

Основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Экспериментально показана возможность увеличения области нанесения покрытий с однородностью толщины ± 1 % и устранения ускоренной эрозии концевых частей вращающегося катода цилиндрической магнетронной распылительной системы за счет увеличения на 5-15 % магнитного поля на концах распыляемого катода и оптимизации формы магнитного поля над поворотной частью магнитной системы. Показано, что в цилиндрических магнетронах наиболее эффективным способом создания несбалансированной конфигурации магнитного поля является использование дополнительных разбалансирующих магнитов, расположенных снаружи распыляемого л катода. Данная конструкция позволяет получить плотность ионного тока до 2.5 мА/см и концентрацию электронов до 1.3-1011 см"3, что в 3-6 раз больше чем в обычном сбалансированном магнетроне. Продемонстрирована возможность увеличения в 2 раза времени стабильной работы магнетрона при реактивном нанесении покрытий за счет использования графитовых анодов взамен широко использующихся металлических анодов.

2. Исследована возможность нанесения износостойких аморфных а-С:Н пленок с помощью протяженного ионного источника с анодным слоем на диэлектрические подложки большой площади. Для подложек из стекла и углепластика были определены наиболее подходящие условия для предварительной очистки (РАг = 0.03 Па, [/=1000 В, /=30 мА) и нанесения покрытий (Рст = 0.08 Па, [/=900 В, 7=500 мА). Показано, что полученные пленки обладают значительно лучшими трибологическими свойствами (твердостью ~ 11 ГПа, низкой шероховатостью ~ 0.13 нм, коэффициентом трения (0.05) и скоростью износа (0.001 мкм3м"1Н"1)), чем диэлектрические подложки, на которые они наносились.

3. Впервые экспериментально показана возможность нанесения а-С пленок методом импульсного несбалансированного магнетронного распыления. Проведено сравнение пленок, полученных данным методом с пленками, осаждаемыми магнетронными распылительными системами со сбалансированной конструкцией магнитной системы. При сбалансированном импульсном магнетронном распылении наиболее твердые (13 ГПа) пленки были нанесены при подаче на подложку импульсного высоковольтного напряжения смещения амплитудой -3.4 кВ и длительностью 40 мкс, синхронизованного с импульсами магнетронного разряда. Полученные пленки отличаются высокой адгезией, обладают нанокристаллической структурой и содержат 21-23 % 5р3-связанного углерода.

Показано, что использование несбалансированного импульсного магнетронного распыления позволяет в 2 раза увеличить твердость покрытий (до 26 ГПа). При этом наибольший эффект приносит применение низковольтного напряжения смещения подложки амплитудой -400 В, длительностью 10 мкс и частотой 20 кГц.

5. Создана вакуумная напылительная установка периодического действия для нанесения углеродных и углеводородных покрытий на подложки большой площади л около 1 м) или множество мелких изделий одновременно. Оснащение ее автоматизированной системой откачки, оригинальной оснасткой вакуумной камеры, усовершенствованными конструкциями протяженных цилиндрических несбалансированных магнетронных распылительных систем и ионных источников с анодным слоем, современными источниками питания к ним делает установку конкурентноспособной на рынке промышленного нанесения покрытий.

Автор выражает благодарность Н.С. Сочугову, под руководством которого была выполнена данная работа.

Автор признателен К.В. Оскомову за помощь в проведении анализа образцов покрытий и плодотворные обсуждения результатов исследований.

Автор благодарит А.Н. Захарова, Н.Ф. Ковшарова, В.Г. Подковырова, С.В. Работкина, И.Р. Арсланова за участие в проведении экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Соловьев, Андрей Александрович, диссертация по теме Вакуумная и плазменная электроника

1. Diamond-like carbon films grown by large-scale DC plasma CVD reactor: system, design, film characteristics and applications / M. Ham, K.A. Lou // J. Vac. Sci. Technol. A, V.8,№ 3,1990, p. 2143-2149.

2. Fast deposition of amorphous hydrogenated carbon by an expanding cascaded arc plasma / A.J.M. Buuron, M.C.M. van de Sanden, W.J. van Ooij, D.C. Schram // Proceedings of CIP-93, Antibes, France, 1993, p. 89-93.

3. Mechanical properties of a-C:H films prepared by plasma decomposition of СгН2 / X. Jiang, K. Reichelt, B. Stritzker//J. Appl. Phys., V.68, №3,1990, p. 1018-1022.

4. High rate deposition of ta-C:H using an electron cyclotron wave resonance plasma source / N.A. Morrison, S.E. Rodil, A.C. Ferrari, J. Robertson, W.I. Milne // Thin Solid Films, V.337,1999, p. 71-73.

5. Amorphous diamond film by enhanced arc deposition / B.F. Coll, M. Chhowalla // Surf. Coat. Technol., V.79,1996, p. 76-86.

6. Pulsed laser deposition of diamond-like amorphous carbon films from graphite and polycarbonate targets / A.A. Voevodin, S.J.P. Laube, S.D. Walck, J.S. Solomon, M.S. Donley, J.S. Zabinsky // J. Appl. Phys., V.78 (3), 1995, p. 4123-4130.

7. Diamond film by ion-assisted deposition at room temperature / M. Kitabatake, K. Wasa // J. Vac. Sci. Technol. A, V.6, №3,1988, p. 1793-1797.

8. Магнетронные распылительные системы / B.C. Данилин, B.K. Сырчин // М.: Радио и связь, 1982, 70 с.

9. Металличекие и керамические покрытия / М. Хокинг, В. Васантасри, П. Сидки //М.: Мир, 2000,516 с.

10. Magnetron sputtering on large scale substrates: an overview on state of the art / R. Kukla// Surface and Coatings Technology, V.93,1997, p. 1-6.

11. Sputtering process and apparatus / J.S. Chapin // United States Patent № 4,166,018,1979.

12. Плазменные ускорители / Под ред. АЛ. Арцимовича // М: Машиностроение, 1972,312 с.

13. Diamond-like amorphous carbon coatings for large areas of glass / V.S. Veerasamy, H.A. Luten, R.H. Petrmichl, S.V Thomsen // Thin Solid Films, V.442,2003, p. 1-10.

14. New DLC coating method using magnetron plasma in an unbalanced magnetic field / S. Fujimaki, H. Kashiwase, Y. Kokaku // Vacuum, V.59,2000, p.657-664.

15. The base layer effect on the d.c. conductivity and structure of direct current magnetron sputtered thin films of silver / M. Arbab // Thin Solid Films, V.381, 2001, p. 1521.

16. Hollahan J.R., Rosier R.S. "Thin film processes",Vossen J.L., Kern V. (Eds.), Acad. Press, NY, 1978.

17. Yasuda H. "Thin Film Processes", Vossen J.L., Kern W. (Eds.), Acad. Press, NY,1978.

18. Tehcniques and Applicaton of Plasma Chemistry, Hollahan J.R., Bell A.T. (Eds.), Wiley, NY, 1974.

19. Bonifield T.G. "Films and Coatings for Technology", Jacobson B.E., Bunshah R.F. (Eds.), 1982.

20. Archer N.J. in "Ceramic Surfaces and Surface Treatments", Morell R., Nicolas M.G. (Eds.), Brit. Ceram. Proc., 1984, No. 34, p. 187-194.

21. Generation of pulsed direct-current plasma above 100 torr for large area diamond deposition / W.-S. Lee, K.-W. Chae, K.Y. Eun, Y.-J. Baik // Diamond and Related Materials, 2001, V. 10, p. 2220-2224.

22. CVD-processes by hollow cathode glow discharge / A. Hellmich, T. Jung, A. Kielhorn, M Ribland // Surf. Coat. Technol., 1998, V.98, p. 1541-1546.

23. Low pressure r.f. plasma jet—a new tool for surface processing / L. Bardos, S. Berg // Surf. Coat. Technol., V.54/55,1992, p.91-95.

24. Thin film processing by radio frequency hollow cathodes / L. Bardos, H. Barankova, S. Berg // Surf. Coat. Technol., 1997, V.97, p. 723-728.

25. Ion-induced secondary electron emission in SitL} glow discharge, and temperature dependence of hydrogenated amorphous silicon deposition rate // C. Bohm, J. Perrin and P.Roca // J. Appl. Phys., V.73,1993, p. 2578-2580.

26. J. Perrin, P.Roca, B. Allain and J. M. Friedt // Jpn. J. Appl. Phys., V.27, 1998, p.2041.

27. Effects of discharge parameters on deposition rate of hydrogenated amorphous silicon for solar cells from pure SitL} plasma / S. Ishihara, M. Kitagava, T. Hirao, K. Wasa, T. Arita and K. Mori // J. Appl. Phys., V.62, 1987, p. 485-491.

28. Fabrication of a-Si:H electrophotographic photoreceptors by magnetron plasma CVD method / M. Wakaki, K.Tamahashi and M. hanazoni // J. Non-Cryst. Solids,-V. 115, 1989, p. 207-209.

29. High rate PECVD of a-Si alloys on large areas / S. Rohlecke, R. Tews, A. Kottwitz, K. Schade // Surf. Coat. Technol., V.74/75,1995, p.259-263.

30. Linearly extended plasma source for large-scale applications / M Kaiser, K.-M. Baumgartner, A. Schulz, M. Walker, E. Rauchle // Surf. Coat. Technol., V.116-119, 1999. p. 552-557.

31. Handbook of thin-film deposition process and techniques / Edited by K.K. Schuegraf //Noyes Publications, 1988, p. 413.

32. Method for deposition of diamond-like carbon and silicon-doped diamond-like carbon coatings from a hall-current ion source / L.J. Mahoney, D.W. Brown, R.H. Petrmichl // United States Patent № 6,086,962,2000.

33. A review of ion beam assisted deposition of optical thin films / S. Mohan, M. Ghanashyam Krishna // Vacuum, V.46, № 7,1995, p. 645-659.

34. The rf-ion source «PRIS» with a metal ionizer chamber and a plasma embedded rf-coupling coil / Freisinger, et al. // Rev. Sci. Instrum. V.63,1992, p.2441-2443.

35. Physical Principles of Cosmic Electro-jet Engines / A.I. Morosov // V.l, Atomizdat, Moscow, 1978, pp. 13-15.

36. End-Hall ion source / H.R. Kaufman, et al. // United States Patent № 4,862,032,1989.

37. Microwave plasma etching / K. Suzuki, K. Ninomiya and S. Nishimatsu // Vacuum, V.34,1984, p. 953.

38. Microwave ion source for ion implantation / N. Sakudo // Nucl. Instrum. Methods in Phys. Res., B21,1987, p. 168-177.

39. A new large-scale plasma source with plasma cathode / K. Yamauchi, K. Hirokawa, H. Suzuki and T. Satake // Vacuum, V.47, № 6-8,1996, p. 1009-1012.

40. Stationary plasma thruster, development steps and future perspectives / A.I. Morozov // Proc. 23rd Int. Electric Propulsion Conf., Seattle, WA, 1993, p. 945-949.

41. Electric propulsion thrusters and plasmadynamics / A.I. Morozov // Proc. 24rd Int. Electric Propulsion Conf., Moscow, 1995, p. 41-53.

42. Momentum transfer through magnetic fields / G.S. Janes, J. Dotson and T. Wilson // Pros. 3rd Symp. on Advanced Propulsion Concepts, New York, 1962,153-176.

43. Acceleration of plasma by a closed Hall curent / A.V. Zharinov, Yu.S. Popov // Sov. Phys.-Tech. Phys.,V.12, 1967, p. 208-211.

44. Physics of closed drift thrusters / V.V. Zhurin, H.R. Kaufman and R.S. Robinson // Plasma Sources Sci. Technol., V.8,1999, p. 1-20.

45. Development of a stationary plasma thruster and its testing on the earth artificial satellite 'meteor' / L.A. Artsimovich, I.P. Andronov, Iu.V. Esipchuk, A.I. Morozov, R.K. Snarsky and K.N. Kozubsky // Kosmicheskie Issledovania, 1974, V.12, p. 451-468.

46. Stationary plasma thrusters / N.V. Belan, V.P. Kim, A.I. Oransky and V.B. Tikhonov//Kharkov, 1989,p.l42.

47. Accelerator with extended anode layer / E.A. Ljapin and A.V.Semenkin // 7th All-Union Conf. on Plasma Accelerators and Ion Injectors, Kharkov, 1989, p. 210-211.

48. Installation, operation and use of Spindrift 270EC and "S" series linear anode layer ion sources / Plasma Surface Engineering Corporation // Web address: www.msi-pse.com.

49. Источник ионов с замкнутым дрейфом электронов / М.А. Парфенюк, Ю.П. Маишев и Ю.П. Тереньтьев // Патент РФ № 2030807,1995.

50. Industrial ion sources and their application for DLC coating / A. Shabalin, M. Amann, M. Kishinevsky, K. Nauman and C. Quinn // SVC 42nd Annual Technical Conference Proceedings, Chicago, Illinois, 1999.

51. D.G. Teer "Evaporation and Sputter Techniques" in "Coatings for High Temperature Applications" / E. Lang (Ed.) // Applied Sci. Publ., NY, 1983, p. 79.

52. Evaporation / R.F. Bunshah // CEI Course on Deposition Technol. and Their Applications, 1981.

53. Review of Technical Development and Production Experience in Gas Turbine Overlay Coatings / R.J. Hill, D.H. Boone // Proc. 7th ICVM Conf., Tokyo, 1982, p. 338.

54. Process for the manufacture of thin films / M. Auwarter // United States Patent № 2,920,002,1960.

55. Method of producing titanium dioxide coatings / D.S. Brismaid et al. // United States Patent № 2,784,115,1957.

56. Plasma assisted physical vapor deposition processes: A review / R.F. Bunshah, C.V. Deshpandey // J. Vac. Sci. and Technol., A3 (3), 1985, p. 553-560.

57. State of the art in large area vacuum coatings on glass / K. Suzuki // Thin Solid Films, V.351,1999, p. 8-14.

58. Cathode-spot arc coatings: Physics, deposition and heating rates, and some examples / R. L. Boxman and S. Goldsmith // Surf. Coat. Technol., V.33,1987, p.153-167.

59. Hard coatings of TiN, (TiHf)N and (TiNb)N deposited by random and steered arc evaporation / S. Boelens and H. Veltrop // Surf. Coat. Technol., V.33, 1987, p.63-71.

60. Characteristics of titanium arc evaporation processes / P.J. Martin, D.R. McKenzie, R.P. Netterfield, P. Swift, S.W. Filipczuk, K.H. Muller, C.G. Pacey, B. James // Thin Solid Films, V.153,1987, p. 91-102.

61. Arc discharge synthesis of uniform thickness diamond coatings on large areas / V.A. Belous, V.V. Vasil'ev, D.Yu. Zaleskij, N.V. Samokhvalov, V.E. Strel'nitskij // Diamond and Related Materials, V.7,1998, p. 143-146.

62. Pulsed laser deposition of thin films: hard materials and solar cells / G.G. Gomlak // Dissertation Abstracts International, V. 64, № 03,2004.

63. Reactive pulsed laser deposition of silica and doped silica thin films / A.C. Ford, T. Tepper, C.A. Ross // Thin Solid Films V.437,2003, p. 211-216.

64. Технология и оборудование вакуумного напыления / М.М. Никитин // М: Металлургия, 1992, 112 с.

65. D.M. Mattox "Deposition Technologies for Films and Coatings", R.F. Bunshah (Ed.), Noyes, 1982, Chapter 6.

66. Vacuum Technology, Thin Film Sputtering / R.V. Stuart // Acad. Press, 1983.

67. D.G. Teer "Evaporation and Sputter Techniques", in "Coatings for High Temperature Applications", E. Lang (Ed), Applied Sci. Publ., NY, 1983, p.79.

68. J.A. Thornton "Deposition Technologies for Films and Coatings", R.F. Bunshah (Ed.), Publ. Noyes, Park Ridge, NJ, 1982.

69. Ion beam sputter deposition of SmCo permanent magnetic thin films formicrosystems applications / R. Balu, A.R. Raju and S. Mohan // Proceedings of ISSS International Conference on Smart Materials Structures and Systems, Bangalore, India, 2005.

70. Magnetron sputtering cathode / R.P. Welty // United States Patent № 4,892,633,1990.

71. Planar magnetron sputtering apparatus / W.P. Kastanis, et al. // United States Patent № 6,432,285, 2002.

72. High target utilization magnet array and associated methods / R.L. Newcomb, et al. // United States Patent № 6,372,098, 2002.

73. Sputtering cathode / M.A. Bernick // United States Patent № 5,736,019,1998.

74. Planar magnetron sputtering magnet assembly / B.W. Manley // United States Patent № 5,262,028, 1993.

75. Planar magnetron sputtering apparatus and its magnetic source / M. Suzuki, et al. // United States Patent № 4,872,964,1989.

76. Sputtering apparatus with a rotating magnet array having a geometry for specified target erosion profile / R.L. Anderson, et al. // United States Patent № 4,995,958, 1991.

77. Sputtering apparatus with a magnet array having a geometry for a specified target erosion profile / D.J.Harra // United States Patent № 5,314,597,1994.

78. Sputtering apparatus / Kokai // Japanese Patent № 62-211,375, 1987.

79. Sputter deposition system / K.S. Kim, et al. // United States Patent № 5,833,815,1998.

80. Advances in magnetron sputter sources / W. De Bosscher, H. Lievens / Thin Solid Films, V.351,1999, p. 15-20.

81. Rectangular magnetron with full target erosion / J. Musil // J. Vac. Sci. Technol., A 17(2), 1999, p. 555-563.

82. Magnetron cathode sputtering apparatus / H.E. McKelve // US Patent 4,356,073,1982.

83. Magnetron cathode for a rotating target / K. Hartig, A. Dietrich, J. Szczyrbowski // United States Patent № 5,364,518,1994.

84. Magnetron with parallel race track and modified end portions thereof / W. De Bosscher, H. Lievens // United States Patent № 6,375,814,2002.

85. Apparatus and method for sputtering / S.V. Morgan, J. Vanderstraeten, E. Vanderstraeten, G. Gobin // United States Patent № 6,264,803,2001.

86. A cross-corner effect in a rectangular sputtering magnetron / Qi Hua Fan, Li Qin Zhou and J. J. Gracio // J. Phys. D: Appl. Phys., V.36, 2003, p. 244-251.

87. An anomalous erosion of a rectangular magnetron system / E. Shidoji, M. Nemoto and T. Nomura // J. Vac. Sci. Technol., A 18(6), 2000, p. 2858-2863.

88. Apparatus for obtaining transverse uniformity during thin film deposition on extended substrate / S.F. Meyer // United States Patent № 4,849,087,1989.

89. Uniformity improvement in dc magnetron sputtering deposition on a large area substrate / T. Seino, Y. Kawakubo, K. Nakajimab and M. Kamei // Vacuum, V. 51(4), 1998, p. 791-793.

90. Non-planar magnet tracking during magnetron sputtering / H.I. Halsey, R.E. Demaray, R. Black, A. Hosokawa, A. De Salvo, V.L. Hall // United States Patent № 5,855,744, 1999.

91. Anode effects in magnetron sputtering / A. Belkind, F. Jansen // Surface and Coatings Technology, V.99,1998, p. 52-59.

92. Магнетронное устройство распыления для осаждения тонкой пленки на подложку и способ осаждения / П.А. Сик, Р.Д. Хилл, Д.Л. Воссен, С.К. Шульд // Патент РФ № 94022474,1996.

93. Магнетронная распылительная система / П.С. Ананьин, В.П. Кривобоков, В.Н. Легостаев // Патент РФ № 2107971,1998.

94. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications / P.J. Kelly, R.D. Arnell // Vacuum, V.56, 2000, p. 159-172.

95. Unbalanced magnetrons as sources of high ion fluxes / B. Window, N. Savvides // J. Vac. Sci. Technol, A 4(3), 1986, p. 453.

96. Ion-assisting magnetron sources: Principles and uses / B. Window and G.L. Harding // J. Vac. Sci. Technol., A 8(3), 1990, p. 1277-1282.

97. Optimized magnetic field shape for low pressure magnetron sputtering / S. Kadlec and J. Musil // J. Vac. Sci. Technol, A 13(2), 1995, p. 389-393.

98. Unbalanced planar magnetron with continuous control of operating mode from type I to type II / J. Kourtev, S. Groudeva-Zotova, I. Garnev and V. Orlinov // Vacuum, V.47(l 1), 1996, p. 1395-1397.

99. A comparison of internal plasma parameters in a conventional planar magnetron and a magnetron with additional plasma confinement / P. Spatenka, I. Leipner, J. Vicek and J. Musil // Plasma Sources Sci. Technol, V.6,1997, p. 46-52.

100. Anode structures for magnetron sputtering apparatus / E.R. Dickey, E.G. Bjornard, J.J. Hoffmann // United States Patent № 5,106,474,1992.

101. A Quasi-direct-current sputtering technique for the deposition of dielectrics at enhanced rates / G. Este, W.D. Westwood // J. Vac. Sci. Technol, A6(3), 1988, p. 1845.

102. Continuous deposition of insulating material using multiple anodes alternated between positive and negative voltages / Schatz; Douglas S. (Fort Collins, CO); Scholl; Richard A. (Fort Collins, CO) // 5,897,753,1999.

103. Effect of source gas and deposition method on friction and wear performance of diamondlike carbon films / A. Edemir, G.R. Fenske, J. Terry, P. Willburg // Surf. Coat. Technol, V.94-95, p. 525-530.

104. Diamond-like carbon films grown by very high frequency (100 MHz) plasma enhanced chemical vapor deposition technique / S. Kumar, P.N. Dixit, D. Sarangi, R. Bhattacharyya // Appl. Phys. Lett., V.69,1996, p. 49-51.

105. Commercial applications of ion beam deposited diamond-like carbon (DLC) coatings / F.M. Kimock, B.J. Knapp // Surf. Coat. Technol., V.56, p. 273-279.

106. Species characterization for a DC biased hot filament growth of diamond using spatial resolved optical emission spectroscopy / J. Cui, Y. Ma, R. Fang // Appl. Phys. Lett, V.69, №21,1996, p. 3170-3172.

107. Diamond film synthesis in low-pressure premixed methane-oxygen flames / J.S. Kim, M.A. Capelli // Appl. Phys. Lett, V.67, № 8,1995, p. 1081-1083.

108. Роль термодинамических и кинетических факторов при росте алмаза из газовой фазы / В.П. Варнин // Техника средств связи, вып. 4, 1991, с. 70-97.

109. Свойства металлических пленок и наноструктур, полученных методом ионно-лучевого распыления / Н.Н. Новицкий // Дисс. к.ф.-м.н, Минск, ИФТТП НАНБ, 2003.

110. Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния и ее применение к изучению биологических молекул» / И.Р. Набиев, Р.Г. Ефремов // ВИНИТИ.- М., 1989, 132 с.

111. С. Dellacorte, Н.Е. Sliney, D.L. Deadmore / Tribol. Trans, V.31(3), 1998, p. 329.

112. Y. Zeng, T.L. Zou, A. Amali, B.M. Ullrich, F. Deng, S.S. Lau / J. Appl. Phys, V.83(2), 1998.

113. The base layer effect on the d.c. conductivity and structure of direct current magnetron sputtered thin films of silver / M. Arbab // Thin Solid Films, V.381, 2001, p. 1521.

114. Ионно-плазменные методы нанесения твердых аморфных углеродных покрытий на подложки большой площади / К.В. Оскомов // Дисс. к.ф.-м.н, Томск, ИСЭ СО РАН, 2001.

115. CVD-processes by hollow cathode glow discharge / A. Hellmich, T. Jung, A. Kielhorn, M Ribland // Surf. Coat. Technol, 1998, V.98, p. 1541-1546.

116. Friction properties of diamond-like carbon layers / K. Enke, H. Dimigen, H. Hubsch // Appl. Phys. Lett, V.36 (4), 1980, p. 291-292.

117. Experimental design and modelling in the investigation of process parameter effects on the tribological and mechanical properties of r.f.-plasma-deposited a-C:H films / H.

118. Ronkainen, J. Koskinen, S. Varjus, K. Holmberg // Surf. Coat. Technol, V.122, 1999, p. 150160.

119. The deposition and study of hard carbon films / J.W. Zou, K. Reichelt, K. Schmidt, B. Dischler // J. Appl. Phys, V.65 (19), 1989, p. 3914-3918.

120. The properties of a-C:H films deposited by plasma decomposition of C2H2 / J.W. Zou, K. Schmidt, K. Reichelt, B. Dischler // J. Appl. Phys. V.67 (1), 1990, p. 487-494.

121. Effect of the substrate temperature on the deposition of hydrogenated amorphous carbon by PACVD at 35 kHz / R. Gagoa, O. Sanchez-Garrido, A. Climent-Font, J.M. Albella, E. Roman, J. Raisanen, E. Rauhala // Thin Solid Films, V.338,1999, p.88-92.

122. Growth and erosion of hydrocarbon films investigated by in situ Ellipsometry / A. von Keudell and W. Jacob // J. Appl. Phys. V.79 (2), 1996, p. 1092-1098.

123. Deposition of diamond-like carbon films by a hollow cathode multi-jet rf plasma system / G. Fedosenko, J. Engemann, D. Korzec // Surf. Coat. Technol, V. 133-134, 2000, p. 535-539.

124. CVD-processes by hollow cathode glow discharge / A. Hellmich, T. Jung, A. Kielhorn, M. Ribland // Surf. Coat. Technol, V.98, 1998, p. 1541-1546.

125. High rate deposition of diamond-like carbon films by magnetically enhanced plasma CVD / Z. Sun, X. Shi, E. Liu // Thin Solid Films, V.355-356,1999, p.146-150.

126. Deposition of ta-C:H films by r.f. plasma discharges / J. Schwan, S. Ulrich, K. Jung, H. Ehrhardt, R. Samlenski, R. Brenn // Diamond Rel. Mater. V.4,1995, p. 304-308.

127. Recent advances in plasma source ion implantation at Los Alamos National Laboratory / C.P. Munson, R.J. Faehl, I. Henins et.al. // Surf. Coat. Technol, V.84, 1996, p. 528-536.

128. Formation of amorphous carbon thin films by plasma source ion implantation / K. Baba, R. Hatada// Surf. Coat. Technol, V. 103-104,1998, p. 235-239.

129. Deposition of tetrahedral hydrogenated amorphous carbon using a novel electron cyclotron wave resonance reactor // M. Weiler, K. Lang, E. Li, J. Robertson // Appl. Phys. Lett, V.72, № 11, 1998, p. 1314-1316.

130. Large area and three-dimensional deposition of diamond-like carbon films for industrial applications / D. Roth, B. Rau, S. Roth, J. Mai, K.-H. Dittrich // Surf. Coat. Technol, V.74-75,1995, p. 637-641.

131. Plasma beam deposited amorphous hydrogenated carbon: Improved film quality at higher growth rate / J. W. A. M. Gielen, M. С. M. van de Sanden and D. C. Schram // Appl. Phys. Lett, V.69, №2,1996, p. 152-154.

132. Генерация объемной плазмы дуговым разрядом с накаленным катодом / Д.П. Борисов, Н.Н. Коваль, П.М. Щанин // Известия ВУЗов. Физика, т.37, №3, 1994, с. 115120.

133. The evolution of ion-beam diamond-like-carbon technology into data storage: space propulsion, sunglasses, sliders, and now disks / F.M. Kimock, D.W. Brown, S J. Finke, E.G. Thear // Diamonex, Inc., Allentown, PA, USA, Web address: www.diamonex.com.

134. Process for deposition of diamondlike, electrically conductive and electron-emissive carbon-based films / D.A. Baldwin, S.L. Michel // United States Patent № 5,616,179,1997.

135. Deposition of a-C:H films in a Hall accelerator plasma / D.V. Fedoseev, B.A. Rychkov, R.K. Chuzhko, E.N. Lubnin, A.V. Klepikov, Т.К. Titova, V.V. Fedorov // Diamond Rel. Mater. V.4,1995, p. 314-317.

136. Properties of filtered-ion-beam-deposited diamondlike carbon as a function of ion energy / P.J. Fallon, V.S. Veerasamy, C.A. Davis, J. Robertson, G.A.J. Amaratunga, W.I. Milne, J. Koskinen // Phys. Rev. B, V.48,1993, p.4777-4782.

137. Ion-beam deposition of thin films of diamond like carbon / S. Aisenberg, R. Chabot // J. Appl. Phys., V.42, №7,1971, p. 2953-2958.

138. Chemically bonded diamondlike films from ion-beam deposition / S.R. Kasi, H. Kang, J.W. Rabalais // J. Vac. Sci. Technol. A, V.6, №3,1988, p. 1788-1792.

139. Sputter deposition of dense diamond-like carbon films at low temperature / J.J. Cuomo, J.P. Doyle, J. Bruley and J.C. Liu // Appl. Phys. Lett., V.58 (5), 1991, p. 466-468.

140. Preparation of amorphous diamond-like carbon by pulsed laser deposition: a critical review/A.A. Voevodin, M.S. Donley// Surf. Coat. Technol., V.82,1996, p. 199-213.

141. Pulsed laser deposition of carbon films: dependence of film properties on laser wavelength / P.T. Murray, D.T. Peeler // J. Electr. Mater., V.23, №9,1994, p. 855-860.

142. Vapor deposition processes for amorphous carbon films with sp3 fractions approaching diamond / J.J. Cuomo, D.L. Pappas, J. Bruley, J.P. Doyle and K.L. Saenger // J. Appl. Phys., V.70 (3), 1991, p.1706-1712.

143. Study of density in pulsed-laser deposited amorphous carbon films using x-ray reflectivity / Y. Huai, M. Chaker, J.N. Broughton, E. Gat, H. Pepin // Appl. Phys. Lett., V.65 (7), 1994, p.830-833.

144. Large-area pulsed laser deposition: Techniques and applications / J.A. Greer, M.D. Tabat // J. Vac. Sci. Technol. A, V.13, №3,1995, p. 1175-1182.

145. Influence of reactive gas on ion energy distributions in filtered cathodic vacuum arcs / M.M.M. Bilek, M. Chhowalla, W.I. Milne // Appl. Phys. Lett, V.71, №13, p. 17771779.

146. Nanocrystallites in a tetrahedral amorphous carbon films / S. Ravi, P. Silva, W.I. Milne, et. al. // Appl. Phys. Lett, V.69, №4, p. 491-494.

147. Ionized plasma deposition and filtered arc deposition: processes, properties and applications / P.J. Martin, A. Bendavid, H. Takikawa // J. Vac. Sci. Technol. A, V.17, №4,1999, p. 2351-2359.

148. Импульсный источник углеродной плазмы для технологических целей / А.И. Маслов, Г.К. Дмитриев, Ю.Д. Чистяков // Приборы и техника эксперимента, 1985, №3, с. 146-149.

149. Multilayers of amorphous carbon prepared by cathodic arc deposition / S. Anders, D.L. Callahan, G.M. Pharr, T.Y. Tsui, C.S. Bhatia // Surf. Coat. Technol, V.94-95, 1997, p. 189-194.

150. Production of large-area coatings on glasses and plastics / S.P. Bugaev, N.S. Sochugov // Surf. Coat. Technol, V.131, №1-3, 2000, p. 472-478.

151. Optical properties of mixed phase a-C/diamond films deposited by dc magnetron sputtering of vitreous carbon target / S.N. Kundu, M. Basu, K.K. Chattopadhyay, A.B. Maity, S. Chaudhuri, A.K. Pal // Vacuum, V.48, №5,1997, p. 435-441.

152. Hardness, intrinsic stress, and structure of the a-C and a-C:H films prepared by magnetron sputtering / V. Kulikovsky, P. Bohac, F. Franc, A. Deineka, V. Vorlicek, L. Jastrabik // Diamond and Related Materials, V.10,2001, p. 1076-1081.

153. On the structure of argon assisted amorphous carbon films / R.G. Lacerda, P. Hammer, F.L. Freire Jr., F. Alvarez, F.C. Marques // Diamond and Related Materials, V.9,2000, p. 796-800.

154. Deposition and tribological behaviour of sputtered carbon hard coatings / S. Yang, D. Camino, A.H.S. Jones, D.G. Teer // Surface and Coatings Technology, V.124, 2000, p. 110-116.

155. Физика тонких металлических и полупроводниковых слоев / И.Д. Конозенко // Успехи физических наук, т. LII. Вып. 4,1954, с. 561-602.

156. Low energy ion assist during deposition an effective tool for controlling thin film microstructure / W. Ensinger // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, V. 127/128,1997, p. 796-808.

157. Study of texture evolution and properties of silver thin films prepared by sputtering deposition / Y.S. Jung // Appl. Surf. Sci, V.221,2004, p. 281-287.

158. Texture development in silver films deposited by ionized magnetron sputter deposition / K.-F. Chiu, Z.H. Barber // Thin Solid Films, V.358,2000, p. 264-269.

159. Single films and heat mirrors produced by plasma ion assisted deposition / J.K. Fu, G. Atanassov, Y.S. Dai, et al. // Journal of Non-Crystalline Solids, V.218, 1997, p. 403-410.

160. Development of multilayer transparent conductive coatings / G. Leftheriotis, S. Papaefthimiou, P. Yianoulis // Solid State Ionics, V.136-137,2000, p. 655-661.

161. Ion assisted deposition of silver films / C.C. Lee, T.Y. Lee, Y.J. Jen // Thin Solid Films V.359, 2000, p. 95-97.

162. Property modification of Ag films by ion assisted deposition / X. Pan, F. Pan, Y. Yang, S. Yao // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, V.39, 1989, p. 162-165.

163. Effect of ion collisions on Langmuir probe measurements in Ti-N deposition by unbalanced magnetron sputtering / C. Wiemer, F. Levy, R. Messier // J. Phys. D: Appl. Phys, V.29,1996, p. 99-104.

164. Spatial survey of a magnetron plasma sputtering system using a Langmuir probe / D.J. Field, S.K. Dew, R.E. Burrell // J. Vac. Sci. Technol, V.20(6), 2002, p. 2032-2041.

165. Методы исследования плазмы / Под ред. В. Лохте-Хольтгревена // М.: Мир, 1971,552 с.

166. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments / W.C. Oliver, G.M. Pharr // J. Mater. Res, V.7(6), 1992, p. 1564-1583.

167. Современные физические методы исследования материалов / В.К. Карпасюк //Изд-воАПИ, 1994,231 с.

168. Determining hybridization differences for amorphous carbon from XPS Cls envelope / S.T. Jackson, R.G. Nuzzo // Applied Surface Science, V.90, 1995, p. 195-203.

169. Повышение эффективности цилиндрических магнетронных распылительных систем с вращающимся катодом / А.Н. Захаров, А.А. Соловьев, Н.С. Сочугов // Прикладная физика, № 5,2003, с. 41-45.

170. Improvement of coating deposition and target erosion uniformity in rotating cylindrical magnetrons / S.P. Bugaev, N.S. Sochugov, K.V. Oskomov, A.A. Solovjev, A.N. Zakharov // Laser and particle beams, V.21 (2), 2003, p. 279-283.

171. Физика газового разряда / Ю.П. Райзер // М.: Изд-во «Наука», 1987, с. 592.

172. Studies on the optimisation of unbalanced magnetron sputtering cathodes / M. Komath, G. Mhan Rao, S. Mohan // Vacuum, V.52 (3), 1999, p. 307-311.

173. Несбалансированные магнетронные распылительные системы с усиленной ионизацией плазмы / Ю.В. Агабеков, А.М. Сутырин // Труды научно-технического семинара "Электровакуумная техника и технология", Москва: Под ред. А.В.Горина, 1999, с. 102-108.

174. Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под ред. В.Е. Фортова // М.: Изд-во «Наука», 2000, Том 1.

175. The influence of magnetron configuration on ion current density and deposition rate in a dual unbalanced magnetron sputtering system / P.J. Kelly, R.D. Arnell // Surf. Coat. Technol., V. 108-109,1998, p. 317-322.

176. Langmuir probe characterization of magnetron operation / S.M. Rossnagel, H.R. Kaufman // J. Vac. Sci. Technol., V.4(3), 1986, p. 1822-1825.

177. Studies on glow-discharge characteristics during dc reactive magnetron sputtering / G. Mohan Rao, S. Mohan // Journal of Applied Physics, V.69(9), 1991, p. 6652-6655.

178. Target surface condition during reactive glow discharge sputtering of copper / D. Depla, J. Haemers, R. De Gryse // Plasma Sources Sci. Technol., V.l 1, 2002. p. 91-96.

179. Measurement of vacuum space potential by an emissive probe / M.H. Cho, C. Chan // Rev. Sci. Instrum. 55 (1984), N 4, 631-632.

180. Ellipsometric studies of thin silver films deposited by DC magnetron sputtering / A.A. Soloviev, N.S. Sochugov, K.V. Oskomov // Изв. вузов. Физика. -2006. -.№8. Приложение. -С. 488-490.

181. Cylindrical magnetron discharges. I. The formation of dc bias in rf-driven discharge sources / G.Y. Yeom, J.A. Thornton, M.J. Kushner // J. Appl. Phys., V.65(10), 1989, p. 3825-3832.

182. Mechanical and tribological properties of non-hydrogenated DLC films synthesized by IBAD / Q. Jun, L. Jianbin, W. Shizhu, W. Jing, L. Wenzhi // Surf. Coat. Technol., V.128-129,2000, p. 324-328.

183. Stress relaxation and stability in thick amorphous carbon films deposited in layer structure / M. Gioti, S. Logothetidis, C. Charitidis // Appl. Phys. Lett., V.73(2), 1998, p. 184— 186.

184. Graded layer design for stress-reduced and strongly adherent superhard amorphous carbon films / M. Stuber, S. Ulrich, H. Leiste, A. Kratzsch, H. Holleck // Surf. Coat. Technol, V.l 18-119, 1999, p. 591-598.

185. Ellipsometric studies of thin silver films epitaxially grown on Si(l 11) / A. Masten, P. Wissmann // Thin Solid Films, V.l87,1999, p. 343-344.

186. Single films and heat mirrors produced by plasma ion assisted deposition / J.K. Fu, G. Atanassov, Y.S. Dai, F.H. Tan, Z.Q. Mo // Journal of Non-Crystalline Solids, V.218, 1997, p. 403-410.

187. Characterisation and stability of low-emittance multiple coatings for glazing applications / G. Leftheriotis, P. Yianoulis // Solar Energy Materials & Solar Cells, V.58, 1999, p. 185-197.

188. Pulsed DC magnetron discharge for high-rate sputtering of thin films / J. Musil, J. Lestina, J. Vlcek, T. Tolg // J. Vac. Sci. Techn, V.l9(2), 2001, p. 420-424.

189. Sputtered silver-based low-emissivity coatings with high moisture durability / E. Ando, S. Suzuki, N. Aomine, M. Miyazaki, M. Tada // Vacuum, V.59, 2000, p. 792-799.

190. Moisture degradation mechanism of silver-based low-emissivity coatings / E. Ando, M. Miyazaki // Thin Solid Films, V.351,1999, p. 308-312.

191. TTER OF ACCEPTANCE Of Equipment and Technology for Low-Cost Large-Scale Diamond-Like Carbon Deposition Coatings for Industrial Applications (ISTC Project #2438(p))

192. Dr. James C. Withers, Chief Executive Officer1.1. December 7, 20041. HCEI

193. Dr. Nikolay Sochugov, Project Submangerfey-,.1. December 7, 2004

Похожие работы

Электроника
05.27.00