ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 114-121
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 537.525
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК C БОМБАРДИРОВКОЙ БЫСТРЫМИ АТОМАМИ АРГОНА
© 2014 г. А. С. Метель, В. П. Болбуков, М. А. Волосова, С. Н. Григорьев, Ю. А. Мельник
Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" Россия, 127994, Москва, Вадковский пер., 3а E-mail: ametel@stankin.ru Поступила в редакцию 24.05.2013 г. После доработки 09.08.2013 г.
Приводятся результаты исследования нанесения на диэлектрические подложки тонких металлических пленок источником совмещенного потока атомов металла и быстрых атомов аргона. Быстрые атомы образуются в результате перезарядки в вакуумной камере поступающих в нее через эмиссионную сетку ионов аргона, ускоряемых разностью потенциалов между сеткой и плазмой тлеющего разряда с полым катодом. Атомы металла образуются в результате распыления ионами металлической фольги на внутренней поверхности полого катода и поступают в камеру через ту же сетку. Предварительная бомбардировка подложки атомами аргона с энергией ~1 кэВ и импульсно-перио-дическая бомбардировка ими осаждаемой пленки обеспечивают адгезию меди к стеклу до 2 • 107 Па. Применение полого держателя подложек, покрытого изнутри такой же фольгой, позволяет исключить потери осаждаемого металла и рекомендовать устройство для осаждения тонких пленок драгоценных металлов.
DOI: 10.7868/S0032816214020116
ВВЕДЕНИЕ
Свойства осаждаемой пленки зависят от энергии, передаваемой конденсирующимся на ее поверхности атомам, например, при нагреве подложки. Эта энергия активирует поверхность подложки и пленку конденсата, что повышает адгезию пленки и влияет на ее морфологию [1, 2].
Передавать энергию поверхностным атомам можно также путем бомбардировки осаждаемой пленки ускоренными ионами. В этом случае вместо равновесного нагрева пленки и подложки имеет место неравновесный нагрев материала в атомарном масштабе [3], которым можно управлять путем изменения электрических параметров. Энергия, передаваемая ионами, не зависит от температуры подложки, что позволяет осаждать пленки на низкотемпературные материалы и регулировать их свойства, сильно зависящие от кинетической энергии ионов. Если на подложке конденсируются медленные атомы, а пленку бомбардируют ускоренные ионы, свойства пленки зависят не только от энергии ионов, но и от отношения плотности их потока на поверхности подложки к плотности потока конденсирующихся атомов [4—6].
Ионы с энергией в единицы и десятки килоэлектронвольт проникают в подложку и осаждаемую пленку на глубину до 100 нм. Они интенсивно перемешивают атомы подложки и осаждаемой
пленки и увеличивают ширину переходного слоя (интерфейса) до величины, сравнимой с толщиной покрытия [7—9]. Это значительно улучшает адгезию и изменяет свойства пленок. Однако ионы с высокой энергией могут тут же распылять осаждаемые на подложке атомы. Поэтому модификацию пленок такими ионами проводят в им-пульсно-периодическом режиме. В результате получают наноструктурные пленки [7—9], которые невозможно сопоставить с известными моделями структурных зон [1, 2].
При осаждении проводящих пленок на проводящие подложки их бомбардируют ионами из плазмы магнетронного разряда, ускоряемыми подаваемым на подложку постоянным [10] или импульсным [7—9] напряжением отрицательной полярности. Однако на диэлектрики невозможно подать ни постоянное, ни импульсное высокое напряжение, поэтому для модификации свойств диэлектрических пленок или любых пленок на диэлектрических подложках приходится использовать источники широких пучков ионов [11, 12] или быстрых атомов и молекул [13—19].
При одновременном использовании источника атомов металла и источника быстрых атомов газа транспортировка последних до подложки исключает полное перекрытие с помощью каких-либо экранов ухода атомов осаждаемого материала на стенки вакуумной камеры и другие элемен-
ты конструкции. Потери материала распыляемой мишени являются серьезным препятствием для осаждения пленок драгоценных металлов.
Эту проблему может решить источник, в котором атомы металла и быстрые атомы газа стартуют с одной и той же эмиссионной сетки и до поверхности подложки летят по одним и тем же траекториям, как в источниках, описанных в работах [20, 21]. Он позволяет модифицировать непрерывной или импульсно-периодической бомбардировкой быстрыми атомами инертного газа, например аргона, свойства пленок, осаждаемых на подложку внутри полого коллектора, на стенках которого осаждаются все не попавшие на подложку атомы металла. В данной работе приводятся результаты исследования такого источника, полностью исключающего потери осаждаемого материала.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
На рис. 1 приведена схема комбинированного источника, установленного на вакуумной камере 1 длиной 600 и 0500 мм. Основным элементом является полый катод 2 глубиной 100 и 0260 мм из нержавеющей стали. Рядом с его выходным отверстием 0200 мм расположена изолированная от катода сетка 3 из медной фольги толщиной 0.7 мм с отверстиями 05 мм. Ее можно заменить другой сеткой с отверстиями 07 мм. В обоих случаях расстояние между центрами отверстий равно 8 мм. Внутренние стенки полого катода покрыты медной фольгой 4 толщиной 0.7 мм. Этот материал был выбран для моделирования осаждения драгоценных металлов, потому что адгезия медных пленок к стеклянным подложкам, а также коэффициент распыления меди атомами аргона сравнимы с соответствующими величинами для золота. Камера 1, полый катод 2, держатель сетки 3, а также анод 5 длиной 80 и 06 мм охлаждаются водой.
Положительный полюс источника питания разряда 6 с максимальным напряжением 1.2 кВ и максимальным током 2 А соединен через амперметр 7 с анодом 5. Его отрицательный полюс через резисторы 8 и 9 сопротивлением по 250 Ом соединен с полым катодом и сеткой. Через резистор 10 сопротивлением = 5 кОм сетка 3 соединена с камерой 1. Токи в цепях катода 2, сетки 3 и камеры 1 измеряются, соответственно, амперметрами 11, 12 и 13. Источник питания 14 с максимальным напряжением 1.2 кВ и максимальным током 0.25 А подключен к резистору 10 через диод 15 и ключ 16. При замкнутом ключе и постоянном токе в цепи анода 5 он позволяет увеличить напряжение между камерой 1 и сеткой 3 до ~1 кВ, а в результате снизить до нуля ускоряющее ионы напряжение между анодом 5 и камерой 1 и, соответственно, энергию частиц.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 — вакуумная камера; 2 — полый катод; 3 — эмиссионная сетка; 4, 20 — металлические фольги; 5 — стержневой анод; 6, 14 — источники питания; 7, 11—13 — амперметры; 8—10 — резисторы; 15 — диод; 16 — ключ; 17 — диск; 18 — держатель; 19 — подложка; 21 — плазменный эмиттер; 22 — катодный слой; 23, 30—32 — ионы; 24 — сеточный слой; 25 — атом газа; 26 — быстрый атом; 27 — медленный ион; 28 — вторичная плазма; 29, 33 — вольтметры.
В центре сетки 3 можно установить медный диск 17 диаметром 75 мм, а внутри камеры можно установить полый держатель 18 глубиной 130 и 0260 мм подложек 19. Держатель подложек изолирован от камеры, а его внутренняя поверхность также покрыта медной фольгой 20.
На стенке камеры установлено описанное в [17] устройство предварительной ионизации газа (на рис. 1 не показано). После прохождения через него подаваемый в камеру газ ионизуется, и поэтому камера постоянно заполнена плазмой низкой концентрации, проникающей через сетку 3 в полый катод 2.
При включении источника питания 6 слабо ионизованный газ внутри полого катода 2 инициирует при давлении аргона р = 0.2—0.5 Па зажигание тлеющего разряда [22], и катод 2 заполняется зарядной плазмой 21, отделенной от катодной поверхности слоем 22 положительного объемного заряда. Так как ток в цепи катода в несколько раз больше, чем в цепи сетки, падения напряжения на резисторах 8 и 9 снижают потенциал сетки относительно катода на 100—300 В.
Это не позволяет электронам, эмитированным катодом, уходить из него через отверстия сетки. Ионы аргона 23 из плазменного эмиттера 21 ускоряются в слое 24 между эмиттером и сеткой и че-
рез отверстия сетки поступают в камеру. При столкновениях с медленными атомами аргона 25 происходит перезарядка, и ионы 23 превращаются в быстрые атомы 26, бомбардирующие подложку 19 и фольгу 20 внутри держателя 18.
Например, при энергии ионов аргона 900 эВ сечение их перезарядки равно стс = 2.7 • 10-19 м2 [23], плотность атомов аргона при комнатной температуре и давлении газа р = 0.2 Па равна п0 = = 5 • 1019 м-3 и длина перезарядки составляет Хс = = 1/я0стс ~ 0.07 м. Это означает, что снижающаяся экспоненциально доля ионов в пучке быстрых нейтральных атомов аргона на расстоянии от сетки к = 0.07 м составляет 36.8% и снижается до 13.5% при к = 0.14 м и до 5% при к = 0.21 м.
Вторичные электроны, эмитируемые камерой 1, сеткой 3, держателем 18, а также подложкой 19 и фольгой 20 внутри него, нейтрализуют положительный объемный заряд образованных в результате перезарядки медленных ионов 27. В результате образуется вторичная плазма 28 с концентрацией, максимальной вблизи сетки и монотонно снижающейся с увеличением расстояния от нее [24, 25]. Поэтому ток медленных ионов 27 в цепи сетки заметно превышает их ток в цепи камеры, индуцирующий падение напряжения 100-200 В на резисторе 10. Отрицательный потенциал указанной величины на сетке не позволяет электронам вторичной плазмы 28 проникать в полый катод.
С помощью термоэмиссионного зонда было установлено, что в указанных условиях потенциал вторичной плазмы 28 не превышает 10 В. Разность потенциалов между плазменным эмиттером 21 и анодом 5 имеет такую же величину, поэтому можно полагать, что энергия ионов 23, ускоренных между эмиттером 21 и вторичной плазмой 28, соответствует измеряемому вольтметром 29 напряжению между анодом и камерой. Эквивалентный ток быстрых частиц 26 равен 1Ь = = П^ет = + 1ск) [17], где п — геометрическая прозрачность сетки; 1ет — ток эмиссии, равный сумме тока в цепи сетки и тока 1ск в цепи камеры.
Ионы аргона 30—32 ускоряются в слое 22 измеряемым вольтметром 33 катодным падением разряда ис и бомбардируют медную фол
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.