ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 3, с. 136-139
_ ЛАБОРАТОРНАЯ _
- ТЕХНИКА -
УДК 621.793.184
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ИОННО-СТИМУЛИРОВАННОГО
ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЙ АРГО-2
© 2007 г. А. Г. Гугля, Ю. А. Марченко, Н. В. Перун, И. В. Сасса, И. В. Лопатин*, А. С. Тищенко*
ННЦ Харьковский физико-технический институт Украина, 61108, Харьков, ул. Академическая, 1 E-mail: guglya@kipt.kharkov.ua *Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины Украина, 61085, Харьков, ул. Академика Проскуры, 12 Поступила в редакцию 25.10.2006 г.
Описана технологическая установка ионно-стимулированного осаждения покрытий АРГО-2, предназначенная для получения композитных покрытий, конденсируемых в условиях бомбардировки газовыми ионами с энергией несколько десятков килоэлектронвольт. Изложены конструктивные особенности ионного источника Пеннинга и двухлучевого электронного испарителя.
PACS: 81.15.Jj, 79.20.Rf
1. ВВЕДЕНИЕ
Из многочисленных способов нанесения упрочняющих и защитных покрытий в настоящее время широкое распространение получили технологии осаждения материала в условиях ионной бомбардировки. Наличие ионной компоненты в потоке конденсируемых атомов позволяет интенсифицировать фазообразование, трансформировать структуру покрытия и улучшить адгезию покрытия с подложкой.
Метод ионно-стимулированного осаждения (Ion Beam Assisted Deposition (IBAD)), получивший свое развитие в начале 80-х годов, объединяет процесс нанесения тонких пленок с облучением высокоэнергичными ионами от автономного источника ионов газа. Применение независимых друг от друга источника ионов и источника пара обусловливает управляемость, воспроизводимость и гибкость данной технологии. Такие параметры, как поток ионов, поток атомов, энергия ионов, угол попадания ионов и др., могут управляться независимо и в широком диапазоне.
Аппаратура для ионно-стимулированного осаждения состоит из испарителя металла и источника высокоэнергичных ионов газа для одновременного или последовательного (для получения многослойных покрытий) облучения осаждаемого материала. Металл испаряется либо путем электронно-лучевого нагрева, либо посредством распыления дополнительным источником ионов аргона. Электронно-лучевое испарение более широко используется благодаря лучшей управляемости и возможности нанесения покрытий с более высокими скоростями. Энергия металличе-
ских частиц в таком паровом потоке не превышает 0.5-0.8 эВ.
В качестве источников ионов применяются источники Кауфмана, Пеннинга, радиочастотные и кластерные источники, дуоплазматроны и другие. Энергии ионов в этих источниках изменяются от сотен электронвольт до десятков килоэлектронвольт при плотностях токов 1-200 мкА/см2. Обстоятельный обзор параметров источников ионов, применяемых в установках ионно-стимулированного осаждения, дан в работе [1], практические конструкции установок представлены, например, в [2-4].
В начале 90-х годов нами была создана и многие годы эксплуатируется лабораторная установка ионно-стимулированного осаждения АРГО-1 [5]. В ней применены источник ионов Пеннинга и электронно-лучевые испарители, пучок электронов в которых генерируется при резистивном нагреве вольфрамовой нити. Опыт эксплуатации данной установки выявил ряд недостатков, ограничивающих ее возможности. В первую очередь это связано с недостаточной мощностью источника ионов, что не позволяло наносить покрытия необходимой толщины за приемлемые промежутки времени. Потоки электронов, эмитируемые вольфрамовыми спиралями, были невелики и не обеспечивали испарение тугоплавких металлов.
В развитие работ по созданию покрытий с использованием ионно-стимулированных технологий нами разработана и эксплуатируется технологическая установка АРГО-2, описание которой приведено ниже.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Рабочая камера
Держатель подложки
Электронно-лучевые модули (2 штуки)
Источник ионов
Вода
ч
2.5 м
3 м
Газ
Ду-250
Рис. 1. Схема установки ионно-стимулированного осаждения АРГО-2.
2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ АРГО-2
В установке АРГО-2 можно выделить три области с различными вакуумными условиями: область ионного источника, тракт транспортировки ионного пучка и рабочую камеру. Откачка установки осуществляется тремя турбомолекулярны-ми насосами ТМН-500, два из которых установлены в области ионного тракта между рабочей камерой и источником ионов, а один - непосредственно на рабочей камере (рис. 1).
Для уменьшения влияния изгибов вакуумных трубопроводов на скорость откачки системы насосы на ионном тракте установлены под углом 90° к его оси. Такая компоновка позволяет обеспечить перепад давлений между ионным источником и рабочей камерой от 10-2 до 10-4 Па. Высоковакуумные вентили Ду-250 (см. рис. 1) обеспечивают автономную разгерметизацию отдельных узлов без нарушения вакуума во всей системе, что позволяет снизить время на перезагрузку рабочей камеры. Доступ в камеру максимально упрощен за счет наличия двух дверей, расположенных в ее торцах.
Электронно-лучевые испарители размещены на специальной подставке в нижней части камеры. Подложкодержатель крепится на водоохла-ждаемом вводе непосредственно над испарителями. Пучок ионов направлен под углом 30° по отношению к нормали подложки. Такое расположение минимизирует коэффициент распыления материала покрытия пучком ионов и является оптимальным в конфигурации установки ионно-стимулированного осаждения с горизонтально расположенным источником ионов.
В состав установки АРГО-2, кроме обозначенных на рис. 1 элементов, входят высоковольтные блоки питания источника ионов и электронно-лучевых модулей, а также пульт управления. Общая площадь, занимаемая установкой, равна 4 х 4 м2. Потребляемая мощность - 15 кВт.
2.1. Система формирования ионного пучка и его мониторирования
В установке АРГО-2 используется источник ионов с разрядом Пеннинга, который в наибольшей степени удовлетворяет требованиям, предъявляемым к технологическим установкам. Основными частями источника являются катод 1 и антикатод 4 с отверстием для экстракции ионов и с молибденовой вставкой, а также цилиндрический охлаждаемый полый анод 2 (рис. 2). Соленоид 3 создает аксиальное магнитное поле, направленное вдоль оси источника.
В качестве материала катода был выбран гек-саборид лантана LaB6 (5). В отличие от обычно используемого в источниках ионов Пеннинга холодного катода нами применен подогреваемый катод. Подогрев осуществлялся резистивной печью. Данное решение позволило стабилизировать температуру на поверхности гексаборида лантана и добиться плотности тока эмиссии 5 А/см2. Между катодом и антикатодом, с одной стороны, и цилиндрическим анодом - с другой, приложена разность потенциалов, создающая электрическое поле как с аксиальной, так и с радиальной компонентами напряженности. Достаточно сильное магнитное поле (около 0.1 Тл) препятствует непо-
138
ГУГЛЯ и др.
2 - цилиндрический охлаждаемый полый анод; 3 - соленоид; 4 - антикатод; 5 - таблетка из гексаборида лантана ^аВ6); 6 - молибденовая вставка; 7 - вытягивающий электрод; 8 - керамический изолятор.
средственному попаданию электронов из плазмы разряда на анод.
Система извлечения и первичного формирования пучка (на рис. 2 не показана) представляет собой аксиально-симметричную трехэлектродную линзу. Электрод, находящийся под отрицатель-
ным потенциалом по отношению к экстрактору (электрод смещения), создает потенциальный барьер на пути движения электронов из пучка в разрядную камеру, тем самым нейтрализуя пространственный заряд пучка ионов в области между вторым и третьим (находящимся под нулевым потенциалом относительно высоковольтного терминала инжектора) электродами, и изменяет угловую расходимость пучка без изменения его энергии.
На рис. 3 а представлены зависимости выходного ионного тока от тока разряда. При этом ток соленоида был практически постоянным, 3.8-4.0 А, а давление азота составляло 2 • 10-3 Па.
Юстировка ионного пучка осуществляется с помощью крестообразно расположенных в плоскости подложки на подвижной платформе датчиков - цилиндров Фарадея (девять штук по оси "х" и столько же по оси "у"), расстояние между которыми равно 1.5 см. На рис. 36 показано распределение плотности пучка ионов азота для тока разряда 1.0 А. В процессе осаждения платформа с цилиндрами убирается, а суммарная доза облучения определяется путем интегрирования токов с четырех стационарно расположенных в плоскости подложки цилиндров Фарадея. На положке также закреплены два кварцевых датчика для измерения скорости осаждения паров металлов, а также датчики для непрерывного измерения сопротивления формируемого покрытия [6]. Печь, расположенная на подложке, позволяет прогревать ее до 600°С и может быть использована как для получения покрытий, так и для их отжига.
2.2. Электронно-лучевой испаритель
Для одновременного или последовательного испарения двух различных материалов в установке применен двухлучевой электронный испари-
Ток
16 14 12 10
8 6 4
пучка, мА (а)
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Ток разряда, А
Относительное значение тока (б)
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
120 мм
0123456789 10 Номер цилиндра Фарадея (х-координата)
Рис. 3. Зависимость тока пучка ионов от тока разряда в камере ионного источника (ток соленоида 3.8-4.0 А, давление азота 2 • 10-3 Па) (а) и гистограмма распределения плотности пучка ионов на подложке (х-координата) (б).
0
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
139
тель (рис. 4). Его особенностью является общая для двух встречных электронных пучков основная магнитная квадрупольная отклоняющая система с фокусирующими свойствами, внутри которой расположены тигли с испаряемыми материалами. Система обеспечивает нормальное падение электронных пучков на поверхность испарения и неизменность размеров фокусных пятен при двухкоординатном сканировании электронных пучков, а также возврат вторичных и отраженных электронов.
Трансформируемая конструкция электронных пушек позволяет простой заменой отдельных элементов изменять их первеанс от 0.3 ■ 10-6 до 2.1 ■ 10-6 А/В3/2 и углы сходимости пучков при сохранении их ламинарности. В пушках применены катоды из особо чистого монокриста
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.