Исследование характеристик процесса ионно-лучевого нанесения тонких пленок

Основными характеристиками ионного ассистирующего источника являются его вольт-амперные характеристики (ВАХ). На первом этапе исследований были получены ВАХ ассистирующей ступени ионного источника. Снятие ВАХ проводилось при токе соленоида ионного источника 10 А и минимальном расходе рабочего газа в 15 мл/мин. Такой режим был выбран потому, что в последующем необходимо будет обеспечить газоснабжение или ионного распыляющего источника или магнетронной распылительной системы. Поэтому газоснабжение ассистирующего источника осуществлялось в минимальном количестве, необходимом для устойчивой работы. Полученная ВАХ приводится на рисунке 3.1.1.

Рисунок 3.1.1 – Вольт-амперная характеристика асссистирующей ступени ИИ

 

Очевидно, что физические свойства формируемых пленок значительно зависят от состояния ее поверхности, стехиометрии, плотности, кристалличности, микроструктуры, то есть, в свою очередь, от метода ее получения. Проблема также усложняется необходимостью высокотемпературного нагрева для получения нужной структуры формируемой пленки.

В связи с этим возникла необходимость усовершенствовать метод и получить возможность формировать тонкие пленки без нагрева подложки. Был проведен ряд экспериментов по выявлению наиболее подходящих режимов работы ионного источника для получения тонких пленок с нужными параметрами. Схема измерений изображена на рисунке 3.1.2.

Так же основной проблемой технологии ионно-ассистированного нанесения тонкопленочных покрытий является нейтрализация объемного заряда, вносимого ионным источником. Наиболее простым и распространенным способом является использование накальных катодов-компенсаторов. Накальные катоды изготавливаются из вольфрамовой или танталовой проволоки. Накальные компенсаторы располагаются непосредственно в зоне пучка или размещаются рядом с ионным пучком, обеспечивая хорошую его нейтрализацию. Ресурс накальных катодов составляет десятки часов, но резко сокращается при использовании химически активных газов (O₂, N₂, и т.д.). Поэтому для улучшения режима работы было решено использовать компенсаторы, в качестве которых были закреплены 3 лампы – 12 В, 20 Вт каждая. Они располагались в непосредственной близости к ионному источнику и выполняли функцию компенсации объемных зарядов, возникающих на поверхности подложки, элементах конструкции ионного источника и внутрикамерной оснастки. При отсутствии компенсации могут наблюдаться изменения режимов напыления, изменение направления распространения ионного пучка, накопление заряда на поверхности формируемой пленки, что приводит к неконтролируемому изменению ее свойств, локальным разрушениям вследствие электрического пробоя.

Рисунок 3.1.2 – Схема измерения параметров режимов работы ионного источника

 

В результате проведенных исследований получили зависимости изменения потенциала на подложке от режимов работы ионного источника, приведенные на рисунке 3.1.3 и в приложении Д.

Целью данного исследования являлось установление влияния работы компенсатора на потенциал подложки. Установлено, что применение компенсатора позволяет снизить потенциал подложки до величины порядка 40-60 В на отдельных участках ВАХ. Это на 100 В меньше по сравнению с работой источника без компенсатора в обычно используемом режиме (I_р = 200 мА и U_р = 5 кВ).

Наиболее важными параметрами при работе с ионным источником являются ток разряда, напряжение разряда и потенциал, возникающий на подложке в зависимости от этих параметров. Из приведенных выше зависимостей видно, что наиболее низкий потенциал на подложке достигается при I_р = 52 – 120 мА и U_р = 3,8 – 4,2 кВ. Так как эти значения оказывают значительное влияние на скорость формирования пленки, то выбираем в качестве предпочтительных рабочих значения напряжения и тока разряда максимально возможные величины, а именно: I_р = 110 мА и U_р = 4 кВ.

а) б)

Рисунок 3.1.3 – Зависимости потенциала подложки от

а) тока разряда при U_р = 4 кВ, б) напряжения разряда при I_р = 110мА

 

Также были проведены экспериментальные исследования по изменению геометрии ионного пучка, вызванные накоплением зарядов на поверхности диэлектрической подложки. Из внутрикамерной оснастки был модифицирован узел крепления подложек. С карусели внутрикамерной оснастки были удалены все металлические элементы. В центре карусели был установлен металлический экран. Между экраном и ионным источником, на расстоянии 23 см от мишени ионного источника, располагалась линейка из диэлектрического материала с закрепленными на ней контактными площадками площадью 1 см². Место расположения измерительной линейки выбрано таким, что во первых оно соответствует зоне расположения подложек, а во вторых так, что подложка размером 230 на 320 мм полностью перекрывала бы ионный пучок.

При проведении экспериментальных исследований варьировались такие параметры разряда как ускоряющее напряжение, ток разряда, ток соленоида ионного источника. Измерения плотности ионного тока проводились на трех следующих ускоряющих напряжениях 500В, 700В и 1000В. Ток разряда при этом принимал два фиксированных значения 100 и 180 мА, а ток соленоида ионного источника 8 и 10А. Типичная зависимость плотности ионного тока вдоль вертикальной оси и ее изменение при обработки подложки из стекла размером 320 на 230 мм приводятся на рисунке 3.1.4.

Исследования проводились следующим образом. На первом этапе проводились измерения плотности ионного тока без подложки, т.е. получалась невозмущенная картина распределения плотностей ионного тока в зоне расположения подложки. Затем помещалась диэлектрическая стеклянная подложка, и измерения повторяются. Такие пары измерений проводились для каждой комбинации ускоряющего напряжения, ток разряда и тока соленоида ионного пучка.

Рисунок 3.1.4 – Изменения плотности ионного тока с и без диэлектрической подложки в зоне обработки

 

Установлено, что наличие диэлектрической подложки в зоне обработки вызывает изменение равномерности распределения плотности ионного тока, неравномерность увеличивается с 10 % до 30 %. Однако одновременно с этим происходит увеличение максимальной возможной зоны обработки подложек (с 200 до 300 мм). Подобный характер зависимости наблюдается для всех экспериментально исследованных ускоряющих напряжений и токов разряда. Подобное поведение можно объяснить накоплением зарядов на поверхности диэлектрической подложки и их влиянием на траекторию движения ионов, что в итоге приводит к изменению плотности ионного тока в отдельных областях зоны обработки. В результате можно сделать вывод о том, что накопление зарядов на диэлектрической подложке приводит к изменению геометрических параметров ионного пучка, однако эти изменения не являются критичными и требуют анализа для каждого конкретного случая отдельно.

Таблица 3.1.1 – Рабочие экспериментальные данные по исследованию изменения геометрических параметров ионного потока

Расстояние	Плотность тока ионного пучка при различных параметрах разряда
0,6kV, 100mA	0,6kV, 180mA	0,7kV, 180mA	0,7kV, 100mA	1kV, 180mA,
см	мА/см2	отн.ед	мА/см2	отн.ед	мА/см2	отн.ед	мА/см2	отн.ед	мА/см2	отн.ед
	0,12	1,00	0,25	1,00	0,27	1,00	0,12	1,00	0,26	1,00	Без подложки
	0,04	0,33	0,17	0,68	0,15	0,56	0,05	0,42	0,14	0,54
	0,07	0,58	0,14	0,56	0,15	0,56	0,08	0,67	0,16	0,62
	0,05	0,42	0,17	0,68	0,17	0,63	0,06	0,50	0,15	0,58
	0,06	0,50	0,12	0,48	0,14	0,52	0,05	0,42	0,16	0,62
	0,00	0,00	0,07	0,28	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
	0,01	0,08	0,04	0,16	0,05	0,19	0,01	0,08	0,05	0,19
	0,16	1,00	0,24	1,00	0,29	1,00	0,19	1,00	0,35	1,00	С подложкой
	0,08	0,50	0,17	0,71	0,19	0,66	0,11	0,58	0,23	0,66
	0,10	0,63	0,19	0,79	0,24	0,83	0,18	0,95	0,23	0,66
	0,10	0,63	0,15	0,63	0,16	0,55	0,09	0,47	0,18	0,51
	0,06	0,38	0,11	0,46	0,14	0,48	0,07	0,37	0,17	0,49
	0,09	0,56	0,14	0,58	0,18	0,62	0,11	0,58	0,23	0,66
	0,02	0,13	0,05	0,21	0,07	0,24	0,02	0,11	0,07	0,20

 

По данным таблицы 3.1.1 получили совокупность зависимостей:

Рисунок 3.1.5 – Изменения плотности ионного тока с и без диэлектрической подложки в зоне обработки при токе разряда 180 мА

 

Рисунок 3.1.6 – Изменения плотности ионного тока с и без диэлектрической подложки в зоне обработки при напряжении разряда 0,6 кВ

 

Рисунок 3.1.7 – Изменения плотности ионного тока с и без диэлектрической подложки в зоне обработки при напряжении разряда 0,7 кВ

 

Таким образом, в ходе выполнения исследований был установлен наиболее предпочтительный режим работы интегрированного источника (600 В, 180 мА), определены области существования разряда в разработанной системе (от 500 В до 1000 В, при токе разряда до 180 – 200 мА и токе соленоида 10А). Определен характер влияния диэлектрической подложки на изменение распределения плотности ионного тока в зоне обработки. Появляется дополнительный пик на токовой характеристике (увеличивается неравномерность) и одновременно происходит увеличение зоны обработки (на 50%) от первоначальной, т.е. несмотря на возросшую неравномерность плотности тока с практической точки зрения это не является недостатком.

Заключение

В результате прохождения практики были произведены следующие работы:

- изучение САПР Autodesk Inventor Professional 2014;

- анализ технических характеристик оборудования для исследования процессов ионного ассистирования;

- изучение научно-технической литературы по теме исследования;

- исследование процесса нанесения тонких пленок с помощью ионно-лучевого распыления, а также модернизация ионного источника и последующая разработка конструкторской документации на него;

- произведён анализ современных способов вакуумного нанесения тонких плёнок;

Все выше перечисленные работы помогут в дальнейшем более организованно и грамотно выполнить магистерскую диссертацию.