![](/hlam/New Folder/2010_10/image002.jpg)
Автoры: И.Кoрoташ, В.Одинoкoв, Г.Павлoв, Д.Пoлoцкий, Э.Руденкo, В.Семенюк, В.Сoлoгуб
Уcтрoйcтвo разрабoтанo в мocковcком ОАО "НИИ точного машиноcтроения" для изучения и реализации инновационных технологичеcких процеccов cоздания наноcтруктур. Уcтановка оcнащена ионно-плазменными иcточниками низкотемпературного формирования пленок и покрытий Инcтитута металлофизики им. Г.В. Курдюмова Национальной академии наук Украины.
Разработка и оcвоение производcтва элементной базы наноэлектроники cвязаны c решением трех задач: подготовкой квалифицированных кадров, созданием и отработкой новых технологических процессов и освоением мелкосерийного производства изделий интегральной электроники с наноразмерными структурами. Решение этих задач должно опираться на современную технологическую базу, основанную на новейших средствах создания вакуума и прецизионного управления рабочей средой, контроль ее параметров, процессов напуска рабочих газов, а также на высокоэффективных иошю-плазменных источниках прецизионного формирования наноструктур.
Ранее сообщалось [1, 2] об использовании в составе гибридной ионно-плазменной системы геликонного и магнитоактивированного вакуумно-дугового источников для низкотемпературного формирования нанокластеров металл-катализатор. Физические и технологические характеристики этих источников позволили создать предпосылки для использования их в инновационной многофункциональной установке прецизионного формирования наноструктур для микро-, нано-, радиоэлектроники, микромеханики, при синтезе наноматериалов.
Общий вид установки, предназначенной для индивидуальной обработки подложек размером 75x75 мм или диаметром 100 мм, представлен на рис.1.
![](/hlam/New Folder/2010_10/image002.jpg)
Рис.1. Общий вид малогабаритной многофункциональной установки
Площадь, занимаемая сконструированной по модульному принципу установкой и имеющей базовый вакуумный модуль и специализированные ионно-плазменные реакторы, составляет около 1 м2. Оснащение установки включает автоматизированную систему управления, малогабаритную безмасляную вакуумную откачную систему, обеспечивающую предельное разрежение до 10-4 Па, замкнутое циркулирующее водяное охлаждение (без подключения к внешним сетям). Питание оборудования осуществляется от однофазной сети переменного тока 220 В, 50 Гц; потребляемая мощность - не более 3 кВт.
Реакционная камера установки построена также по модульному принципу и включает в себя камеру геликонного источника, объединенную с камерой магнитоактивированных вакуумно-дуговых источников, устанавливаемой на камере подложкодержателя, которая присоединяется к фланпу базового вакуумного модуля.
Конструкция подложкодержателя позволяет подавать на обрабатываемую подложку постоянный и ВЧ-потенциал смешения, что обеспечивает возможность работы с проводящими и диэлектрическими подложками. Схема реакционной камеры установки приведена на рис.2.
![](/hlam/New Folder/2010_10/image005.jpg)
Рис.2. Реакционная камера гибридной ионно-плазменной системы
В установке используется геликоииый источник с внешней возбуждающей антенной [3], являющейся высокоэффективным генератором плазмы с концентрацией до 1012 см3 при удельной ВЧ-мошности 0,1-0,2 Вт/см3 на частоте 13,56 МГц и при работе в широком диапазоне давлений от 0,1 до 10 Па. В зависимости от конфигурации магнитного поля в реакционной камере геликонный источник работает в двух режимах.
Первый режим характеризуется объемным горением разряда в камере геликонного источника, которое поддерживается за счет возбуждениясобственных электромагнитных плазменных волн в области нижнегибридного резонанса. Радиальное распределение ионного тока на зонд, перемещаемый на расстояние 400 мм от возбуждающей антенны в камере подложкодержателя представлено кривой 1 (рис.3) и с точностью до радиального изменения функции распределения электронов по энергиям соответствует распределению плотности плазмы. При этом ток на зонд в этой области оказывается почти в 40 раз меньше, чем в случае зонда, на расстоянии 150 мм от антенны.
![](/hlam/New Folder/2010_10/image009.jpg)
Рис.3. Радиальное распределение ионного тока на зонд в камере подложкодержателя при различных режимах работы геликонного источника
Второй режим характеризуется возбуждением вторичного разряда и образованием плазменной колонны, простирающейся от диэлектрического окна, на котором размещена возбуждающая антенна, до подложкодержателя. Плотность плазмы в камере подложкодержателя (кривая 2, рис.3) возрастает более чем в 2,5 раза. При включении вакуумно-дугового источника дополнительно происходит почти четырехкратное увеличение ионного тока зонда. В режиме вторичного геликонного разряда плотность плазмы в камере подложкодержателя сравнима с плотностью плазмы в камере геликонного источника, что обеспечивает эффективную ионно-плазменную обработку подложки, несмотря на ее значительное удаление от возбуждающей антенны. Об этом свидетельствуют представленные на рис.4 фотографии плазменных образований, снятые в двух режимах работы геликонного источника в направлении, перпендикулярном оси реакционной камеры. Ось смотрового окна удалена от возбуждающей антенны на 350 мм. Это позволяет конструировать реакционную камеру по модульному принципу и размещать без потери эффективности ионно-плазменной обработки между камерами геликонного источника и подложкодержателя дополнительную разрядную камеру вакуумно-дуговых источников.
![](/hlam/New Folder/2010_10/image011.jpg)
Рис.4. Плазменные образования при работе геликонного источника (а - режим объемного разряда, б - режим вторичного разряда)
Детальное описание принципа и технологических возможностей магнитоактивированного вакуумно-дугового источника приведено в [2]. Важным обстоятельством, позволяющим структурно объединять вакуумно-дуговой источник с геликонным, является генерация в нем слаборасходящегося (угол расходимости не более 20°) ускоренного потока плазмы материала расходного электрода с почти 100%-ной степенью ионизации в потоке, распространяющегося не более чем с двухкратной потерей плотности на расстояние 40-50 см от катода. Поскольку массоперенос осуществляется ионной компонентой плазмы, скомпенсированной по объемному заряду, такой источник, с одной стороны, обеспечивает нанесение высококачественных пленок, а с другой, - ионный поток в нем эффективно управляется внешним магнитным полем.
На рис.5 представлена зависимость плотности ионного тока в потоке плазмы от расстояния от катода вакуумно-дугового источника. При работе источника с магнитным полем (кривая 2) по сравнению с дуговым разрядом без магнитного поля (кривая 1) плотность ионного потока на оси возрастает почти на порядок. Как видно (кривая 3), при разрядном токе 90 А плотность ионного потока составляет 10-30 мА/см2 в зависимости от расстояния до рабочей поверхности катода.
![](/hlam/New Folder/2010_10/image014.jpg)
Рис.5. Зависимость плотности ионного тока в потоке плазмы от расстояния от катода вакуумно-дугового источника
В установке геликонный источник выполняет функции:
- • финишной очистки пластик после их загрузки в реакционную камеру;
- • поддержания технологической чистоты поверхности подложки при переходе от одного процесса к другому;
- • реализации при разряде в углеродсодержащем газе плазменно-активированных CVD-процессов формирования углеродных наноструктур.
Магнитоактивированный вакуумно-дуговой источник используется для нанесения переходных слоев, например, нитрида титана при формировании нанокластеров металлов переходной группы, для непосредственного создания при работе с графитовым катодом потоком углеродной плазмы углеродных наноструктур, а также для нанесения одно-, многокомпонентных (в том числе окисных и нитридных) и многослойных пленок с повышенными физико-техническими характеристиками.
Характерная продолжительность процессов формирования наноструктур в данной многофункциональной установке -от 20-30 с при нанесении переходных слоев и до 10-15 мин при создании углеродных наноструктур. При нанесении конструкционных пленок в зависимости от толщины (в диапазоне толщин от долей до десятков микрометров) продолжительность процесса - 1-50 мин.
Для высокой воспроизводимости результатов, контроля начальных условий и хода технологического процесса установка оснащена оптическим спектрометром, обеспечивающим регистрацию на экране компьютера спектров излучения, поглощения, пропускания, а также контроль интенсивности в определенных участках спектра. Прибор представляет собой малогабаритный блок, работающий под управлением специальной программы в спектральном диапазоне от 203,5 до 795,9 им. Программа позволяет:
- • регистрировать в реальном масштабе времени спектральные зависимости излучения,поглощения, пропускания при различных значениях времени экспозиции (10 мс- 10 с) и параметра усреднения (1-16);
- • в реальном масштабе времени управлять отображением спектральных данных на экране компьютера благодаря возможностям масштабирования и перемещения выбранного участка спектра с помощью мыши, считывать значения интенсивности в произвольной точке спектра;
- • определять четыре спектральные линии (или точки на спектре) для дальнейшего контроля интенсивности в них с возможностью сохранения полученных зависимостей;
- • задавать параметры настройки, в том числе калибровку пикселей по длинам волн.
Благодаря высокому уровню контроля и автоматизации процессов установка может быт рекомендована для подготовки кадров высокой квалификации, разработки перспективных технологических процессов, мелкосерийного производства элементной базы на основе субмикронных и наноразмерных структур.
Модульный принцип пострсения реакционной камеры позволяет комплектовать установку дополнительными опциями например, камерой ВЧ магнетронного разряда для создания двухразрядной геликонно-магнетронной установки прецизионного размерного травления материалов микро- и наноэлектропики.
Авторы выражают признательностъ М.Тузову, ведущему специалисту НИИТМ, за ктивное и квалифицированное участие в подготовке на стоящей статьи.
Литература
1. Шпак А., Руденко Э., Ксроташ И., Семенюк В., Шамра:К., Одиноков В., Павлов Г., Сологуб В. Плазменный источни пизкотемпературного формирования нанокластеров металла-катализатора. - Наноиндустрия, 2009, № 4, с. 12-15.
2. Осипов Л., РуденкоЭ., Семенюк В., Короташ И., Одиноков В., Павлов Г., Сологуб В. Высокоэффективный источник низкотемпературного нанесения пленок и покрытий. Наноиндустрия, 2010, Х- 2, с. 4-6.