eng
Выпуск #4/2010
И.Короташ, В.Одиноков, Г.Павлов, Д.Полоцкий, Э.Руденко, В.Семенюк, В.Сологуб.
Установка для формирования наноструктур
Установка для формирования наноструктур
Просмотры: 2063
Многофункциональная малогабаритная установка настольного типа с гибридной ионно-плазменной разрядной системой разработана в ОАО “НИИ точного машиностроения“ (Москва)1 для изучения и реализации инновационных технологических процессов создания наноструктур. Установка оснащена ионно-плазменными источниками низкотемпературного формирования пленок и покрытий Института металлофизики им. Г.В. Курдюмова Национальной академии наук Украины (Киев)2.
Разработка и освоение производства элементной базы наноэлектроники связаны с 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 ионно-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 75х75 мм или диаметром 100 мм, представлен на рис.1.
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 фланцу базового вакуумного модуля.
Конструкция подложкодержателя позволяет подавать на обрабатываемую подложку постоянный и ВЧ-потенциал смещения, что обеспечивает возможность работы с проводящими и диэлектрическими подложками. Схема реакционной камеры установки приведена на рис.2.
В установке используется геликонный источник с внешней возбуждающей антенной [3], являющейся высокоэффективным генератором плазмы с концентрацией до 1012 см3 при удельной ВЧ-мощности 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 возбуждения собственных 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.
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.
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.
В установке геликонный источник выполняет функции:
• финишной очистки пластин 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.
При совместной работе с вакуумно-дуговым геликонный источник участвует в технологическом процессе низкотемпературного формирования регулярных нанокластеров металл-катализатор [1] для последующего выращивания ориентированных углеродных нанотрубок.
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 нм.
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.
Важная функция программного обеспечения прибора –возможность одновременного просмотра до 10 записанных спектров для их сравнения и отслеживания динамики процессов в разрядной плазменной камере. Программа также позволяет контролировать поведение четырех выбранных точек спектра в зависимости от времени или другого произвольного параметра (ВЧ-мощности, рабочего давления, плотности ионного тока), влияющего на спектральное распределение в излучении из плазмы.
Благодаря высокому уровню контроля и автоматизации процессов установка может быть рекомендована для подготовки кадров высокой квалификации, разработки перспективных технологических процессов, мелкосерийного производства элементной базы на основе субмикронных и наноразмерных структур.
Модульный принцип построения реакционной камеры позволяет комплектовать установку дополнительными опциями, например, камерой ВЧ магнетронного разряда для создания двухразрядной геликонно-магнетронной установки прецизионного размерного травления материалов микро- и наноэлектроники.
Авторы выражают признательность М.Тузову, ведущему специалисту НИИТМ, за активное и квалифицированное участие в подготовке настоящей статьи.
Литература
1. Шпак А., Руденко Э., Короташ И., Семенюк В., Шамрай К., Одиноков В., Павлов Г., Сологуб В. Плазменный источник низкотемпературного 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, № 2, с. 4–6.
3. Shamrai K.P., Shinohara S., Virko V.F., Slobodyan V.M., Virko Yu.V. and Kirichenko G.S. Wave stimulated phenomena in inductively coupled magnetized plasmas. Plasma Phys. Control. Fusion., 2005, vol. 47, № 5A, р. A307–315.
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 75х75 мм или диаметром 100 мм, представлен на рис.1.
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 фланцу базового вакуумного модуля.
Конструкция подложкодержателя позволяет подавать на обрабатываемую подложку постоянный и ВЧ-потенциал смещения, что обеспечивает возможность работы с проводящими и диэлектрическими подложками. Схема реакционной камеры установки приведена на рис.2.
В установке используется геликонный источник с внешней возбуждающей антенной [3], являющейся высокоэффективным генератором плазмы с концентрацией до 1012 см3 при удельной ВЧ-мощности 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 возбуждения собственных 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.
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.
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.
В установке геликонный источник выполняет функции:
• финишной очистки пластин 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.
При совместной работе с вакуумно-дуговым геликонный источник участвует в технологическом процессе низкотемпературного формирования регулярных нанокластеров металл-катализатор [1] для последующего выращивания ориентированных углеродных нанотрубок.
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 нм.
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.
Важная функция программного обеспечения прибора –возможность одновременного просмотра до 10 записанных спектров для их сравнения и отслеживания динамики процессов в разрядной плазменной камере. Программа также позволяет контролировать поведение четырех выбранных точек спектра в зависимости от времени или другого произвольного параметра (ВЧ-мощности, рабочего давления, плотности ионного тока), влияющего на спектральное распределение в излучении из плазмы.
Благодаря высокому уровню контроля и автоматизации процессов установка может быть рекомендована для подготовки кадров высокой квалификации, разработки перспективных технологических процессов, мелкосерийного производства элементной базы на основе субмикронных и наноразмерных структур.
Модульный принцип построения реакционной камеры позволяет комплектовать установку дополнительными опциями, например, камерой ВЧ магнетронного разряда для создания двухразрядной геликонно-магнетронной установки прецизионного размерного травления материалов микро- и наноэлектроники.
Авторы выражают признательность М.Тузову, ведущему специалисту НИИТМ, за активное и квалифицированное участие в подготовке настоящей статьи.
Литература
1. Шпак А., Руденко Э., Короташ И., Семенюк В., Шамрай К., Одиноков В., Павлов Г., Сологуб В. Плазменный источник низкотемпературного 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, № 2, с. 4–6.
3. Shamrai K.P., Shinohara S., Virko V.F., Slobodyan V.M., Virko Yu.V. and Kirichenko G.S. Wave stimulated phenomena in inductively coupled magnetized plasmas. Plasma Phys. Control. Fusion., 2005, vol. 47, № 5A, р. A307–315.
Отзывы читателей
