СПОСОБ ГАЗОРАЗРЯНОГО НАПЫЛЕНИЯ ПЛЕНОК
METHOD FOR GAS-DISCHARGE SPUTTERING OF FILMS

Изобретение относится к физическим методам модификации поверхности, в частности к способам распыления металлов, образующего покрытие, осуществляемым с помощью электрического разряда, и может быть использовано для получения металлических и металлосодержащих пленок на металлических, диэлектрических и полупроводниковых поверхностях.
Известны различные способы получения металлических пленок с помощью различных типов разряда.
2
Известен способ электровзрывного получения металлических пленок, основанный на пропускании через фольги и проволочки испаряемого материала импульсов тока, достаточных для их электрического взрыва, с последующей конденсацией продуктов взрыва на поверхность [Романов Д.А., Будовских Е.А., Ващук Е.С., Громов В.Е. Способ электровзрывного напыления композитных покрытий системы TiB-Cu на медные контактные поверхности // Патент RU 2489515, С23С 14/32, 14/14]. Недостатком этого способа является нестабильность процесса взрыва и, как следствие, выхода испаряемого и осаждаемого материала.
-1
-2
Известны способы получения пленок, основанные на катодном распылении материала мишени в плазме магнетронного разряда, осуществляемого при давлениях 10-10 Па и диффузионном конвективном переносе в плазме при катодном распылении (давление около 1 Па) [Будилов В.В., Шехтман С.Р., Киреев P.M. Способ катодного распыления // Патент RU 2101383 С23С 8/36, Кривобоков В.П., Кузьмин О.С., Легостаев В.Н. Магнетронная распылительная система // Патент RU 2107970, H01J 37/34, H01J 37/317, С23С 14/35]. Магнетронное распыление позволяет получать покрытия из металлов, сплавов, полупроводниковых материалов без нарушения их стехиометрического состава. Также можно получать пленки нитритов, карбидов, сульфитов, оксидов различных материалов. Осаждение при низких давлениях (близких к вакуумным условиям) исключает модификацию напыляемого вещества в объеме, что полезно при получении чистых пленок (металлических, окисных, полупроводниковых и т.д.). Пленки формируются только на поверхности изделия.
Распыление материала, его транспортировка и осаждение на поверхность может осуществляться с помощью плазмотронов [Абдуллин И.Ш. Кашапов Н.Ф. Способ напыления пленки на подложку // Патент RU 2185006, H01L 21/31, С23С 14/35]. Применяются различные плазмотроны, в которых струи плотной плазмы формируются в дуговом (электродуговое напыление), высокочастотном или индуктивном разряде в т.н. плазмообразующих газах: аргоне, гелии, азоте, водороде, кислороде и воздухе. Варьируя параметры плазматрона, можно получать пленки из различных материалов и разной толщины. Плазматроны могут работать как в атмосферных условиях (атмосферное плазменное напыление), так и в условиях контролируемой атмосферы, в том числе при умеренных величинах давления среды. Этот способ обеспечивает только напыление материала на изделие без предварительной подготовки поверхности, что в ряде задач является недостатком.
Общими недостатками электродугового и магнетронного распыления является сложность оборудования и процедуры напыления.
Задачей изобретения является упрощение процедуры напыления пленки, обеспечение работы в плотных газовых средах, в том числе атмосферного давления, получение пленки из распыляемого материала, в том числе материала, подвергнутого плазмохимическим изменениям в разряде, сочетание процесса напыления пленки с известными методами модификации поверхности - одновременной очистки поверхности, внедрения в нее элементов газовой среды.
Поставленная задача реализуется с помощью разряда, инициируемого пучком электронов лавин в газовых средах при давлениях от 100 Торр до атмосферного. Разряд формируется с помощью высоковольтных импульсов напряжения с длительностью импульсов на полувысоте, не превышающей 10 наносекунд, и длительностью фронта, не превышающей 4 наносекунды, в промежутке между высоковольтным распыляемым острийным электродом с радиусом кривизны 0,2 мм и электропроводящей поверхностью для напыления. Получение напыляемого материала, его транспортировка и осаждение на поверхность реализуются под воздействием разряда, а также сопровождающими разряд электронным пучком, ударной волны, ультрафиолетового и вакуумного ультрафиолетового излучения плазмы.
Способ обеспечивает работу в плотных газовых средах, в том числе атмосферного давления. Кроме того, в описанном способе формируется пленка из материала, подвергнутого плазмохимическим изменениям в плазме разряда, процесс напыления пленки одновременно сочетается с процессами очистки поверхности, внедрения в нее элементов газовой среды.
Способ поясняется следующим образом (фиг. 1).
На газоразрядный промежуток 1, заполненный плотной газовой средой, образованный электродом 2 с малым радиусом кривизны (или несколькими электродами) и электропроводящей поверхностью для напыления 3 от источника питания 4, подаются высоковольтные импульсы напряжения с длительностью импульсов на полувысоте, не превышающей десятков наносекунд, и длительностью фронта, не превышающей нескольких наносекунд. Это ведет к формированию разряда, инициируемого пучком электронов лавин в плотных газовых средах, в том числе атмосферного давления. При зажигании происходят несколько процессов: благодаря малому радиусу кривизны происходит распыление электрода 2 в сторону поверхности для напыления 3 и радиально оси разряда. Одновременно разряд служит источником электронного пучка, ударной волны, ультрафиолетового и вакуумного ультрафиолетового излучения плазмы. Перечисленные факторы воздействуют на поверхность для напыления 3, на распыляемые с электрода 2 частицы и на плотную газовую среду в разрядном промежутке 1. В результате происходит как плазменная очистка поверхности для напыления 3, так и внедрение в нее ионов газовой среды, в которой осуществляется разряд, напыление материала электрода 2 на поверхность для напыления 3, а также плазмохимические реакции по взаимодействию напыляемого материала с возбужденной разрядом плотной газовой средой.
Такой способ обеспечивает работу в плотных газовых средах, в том числе атмосферного давления, как в случаях с электровзрывным методом и плазмотронным напылением, но процедура напыления пленки проще, чем в перечисленных способах. Кроме того, в описанном способе формируется пленка из материала, подвергнутого плазмохимическим изменениям в плазме разряда, процесс напыления пленки одновременно сочетается с процессами очистки поверхности, внедрения в нее элементов газовой среды. Такую совокупность процессов аналогичные способы не обеспечивают.
Конкретным примером, доказывающим работоспособность способа, является эксперимент, проведенный в следующих условиях.
Использовали разрядный промежуток, соответствующий фиг. 1, между медным острийным электродом с головкой, имеющей радиус кривизны 0.2 мм, и плоской медной поверхностью для напыления диаметром 38 мм, разрядным зазором 2 мм. Перед началом работы систему вакуумировали и тренировали разрядом в аргоне при давлении 30 Торр. После этого промежуток заполнялся азотом при величинах давления от 100 Торр до атмосферы. Для формирования разряда, инициируемого пучком электронов лавин, на промежуток подавались высоковольтные импульсы напряжения с амплитудой порядка 13 кВ, длительностью импульса на полувысоте 10 не, длительностью фронта 4 не и частотой  60 Гц. В сформованном разряде пиковые величины импульсов тока составляли 300 А.
Процесс распыления материала медного острийного электрода наблюдался визуально. Также проводилась фотосъемка области разряда с выдержкой 1 с, результат которой показан на фиг. 2. На фотографии отчетливо видны светящиеся потоки, эмитируемые из разрядной области и распространяющиеся радиально к оси разрядной области.
Кроме того, с помощью спектрометра ЕРР2000С-25 (StellarNet-Inc., рабочий диапазон длин волн 195-850 нм) через точечные диафрагмы получены спектры излучения плазмы разряда в различных зонах разряда и в областях визуально наблюдаемых светящихся потоков. В спектрах достоверно присутствуют атомарные линии меди (с наибольшей интенсивностью на длинах волн 521.8, 515.3, 510.5 и 324.7 нм). Полученный распыленный материал не только осаждался на поверхность для напыления, но и подвергался комплексному воздействию факторов разряда, инициируемого пучком электронов лавин, в том числе воздействию активированного разрядом азота и рентгеновскому облучению [Бакшт Е.X., Тарасенко В.Ф., Шутько Ю.В., Ерофеев М.В., Квант, электрон, 2012, том 42, номер 2, 153-156, Runaway Electrons Preionized Diffuse Discharges. Editor: V.F. Tarasenko. Nova Science Publishers, Inc. New York. USA. 2014. 598 р.]. В результате на напыляемой поверхности образовалась пленка черно-коричневого цвета, характерного для азида меди [Руководство по неорганическому синтезу: в 6-ти томах. T.4., М.: Мир, 1985. С. 1076].
Анализ Фурье-спектров полученной пленки, проведенный с помощью инфракрасного Фурье-спектрометра «ФТ-801» с использованием микроскопа «Микрон-2» на стальной зеркальной поверхности, подтвердил тот факт, что в состав пленки входят азиды. На фиг. 3 приведен пример Фурье-спектра, характерный для вещества с азидной группой, полученный при анализе полученной пленки. Таким образом, при использовании разряда, инициируемого пучком электронов лавин, были обеспечены как напыление материала острийного электрода, так и его плазмохимическая модификация.
Отметим, что за счет наличия в разряде ударной волны разлет напыляемого материала происходит не только на напыляемую поверхность, но и в стороны (фиг. 2), что увеличивает площадь напыления. Кроме того, разряд, инициируемый пучком электронов лавин, позволяет модифицировать поверхность, очищать и внедрять в нее элементы газовой среды [Шулепов М.А., Тарасенко В.Ф., Гончаренко И.М., Коваль Н.Н., Костыря И.Д. Модификация приповерхностных слоев из меди при воздействии объемным наносекундным разрядом в воздухе атмосферного давления // Письма в ЖТФ. 2008. Том 34. Вып. 7. С. 51-57].
Таким образом, испытания показали, что в сравнении с другими способами предложенный способ обеспечивает напыление в плотных газовых средах, в том числе атмосферного давления, получать пленки из распыляемого материала, в том числе материала, подвергнутого плазмохимическим изменениям в разряде, является простым в реализации в сравнении с аналогами, сочетает процесс напыления пленки с известными методами модификации поверхности - одновременную очистку поверхности, внедрение в нее элементов газовой среды.