ГАЗОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНТЕЗА УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ПЛЕНОК

Полезная модель относится к технике получения тонких пленок на основе углерода. Основная область применения - микро- и нанотехнологии в электронике, машиностроении, медицине.
Известен газоразрядный источник ионов «Радикал М250», позволяющий проводить реактивный ионно-лучевой синтез пленок аморфного гидрогенизированного углерода а-С:Н непосредственно из пучков ионов при напуске в источник углеводородов (Валиев К.А., Маишев Ю.П., Шевчук С.Л. Реактивный ионно-лучевой синтез тонких пленок непосредственно из пучков ионов // ФИП. 2003. Т.1. №1. С.27-33). Известное устройство позволяет синтезировать пленки углерода с высокой скоростью. Высокая скорость роста пленки достигается благодаря реактивному характеру процесса синтеза (используется реакционоспособная плазма химически активных газов-углеводородов), а также благодаря непосредственному воздействию на подложку испускаемых плазмой ионов (ионы углеводородов стимулируют реакции роста и являются центрами зародышеобразования). Принцип действия указанного устройства состоит в поддержании высоковольтного тлеющего разряда (ВТР). Недостаток устройства состоит в том, что технологическая камера с подложками является катодом ВТР. Так как, обычно, напряжение горения ВТР в «Радикал М250» и его аналогах, например, ИИ-4-005 составляет 1-3 кВ, то ростовая поверхность пленок бомбардируется ионами высоких энергий и, как следствие, доля разупорядоченного углерода в пленках оказывается высока. Другой недостаток известного устройства связан с тем, что в качестве исходных углерод содержащих веществ могут выступать лишь напускаемые газы, которые, обычно, помимо углерода содержат еще водород, а также некоторые другие элементы. В связи с этим, синтезированные пленки во всех случаях оказываются гидрогенизированны. Таким образом, указанное устройство имеет узкий спектр технологических возможностей.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для напыления углеродных пленок (Семенов А.П., Семенова И.А. Тонкие пленки углерода. I. Техника выращивания пучками заряженных частиц // ЖТФ. 2004. Т.74. №4. С.102-107 // http://journals.ioffe.ru/jtf/2004/04/p102-107.pdf), содержащее: коробчатый полый катод из стали, анод, кольцевой магнит, катод-отражатель, ускоряющий электрод, распылительную камеру, графитовую мишень, держатель мишени, печь, подложку, механический привод с заслонкой, систему электропитания, систему напуска газа. При напуске в известное устройство инертного рабочего газа (аргона) и подаче напряжения (100-500 В) зажигается газовый разряд (ток разряда 1-2 А) и полученная плотная плазма является эффективным эмиттером ионов, ускоряемых отдельным источником питания на графитовую мишень (ток ионов 30-50 мА). В результате происходит распыление графита и синтез пленки из продуктов распыления. Основным недостатком устройства является низкая производительность, обусловленная низкой скоростью роста пленок. Недостаток связан с тем, что из газового разряда извлекается и участвует в распылении мишени лишь небольшое количество ионов, и ток на мишень составляет всего несколько процентов разрядного тока. В результате плотность тока распыляющих мишень ионов невысока, и пленка, формируемая из продуктов распыления мишени, имеет низкую скорость роста. При зажигании несамостоятельного разряда в ускоряющем промежутке между мишенью и газоразрядным эмиттером ионов, плотность тока на мишень удается увеличить, однако для этого требуется существенное дополнительное энергопотребление.
Задачей полезной модели является создание устройства для напыления углеродсодержащих покрытий с высокой скоростью и производительностью не требующего дополнительного энергопотребления.
Техническим результатом полезной модели является увеличение производительности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в газоразрядном устройстве для синтеза углеродсодержащих пленок, содержащем систему электропитания, систему напуска газа и осесимметричную систему деталей: полый катод, анод, кольцевой магнит, катод-отражатель, графитовую мишень, подложку, графитовая мишень имеет центральное отверстие для сообщения газового разряда и размещается на месте ближнего к магниту основания полого катода, заменяя его, а подложка устанавливается в зоне непосредственного воздействия частиц, эмитированных газоразрядной плазмой.
Полезная модель поясняется чертежами и рисунками. На фигуре 1 изображена принципиальная схема генератора плазмы, на фигурах 2 и 3 - вид из окна вакуумной камеры установки в процессе испытаний, на фигуре 4 приведены спектры комбинационного рассеяния света синтезированных пленок.
Газоразрядное устройство согласно полезной модели содержит: 1 - полый катод, 2 - графитовая мишень, 3 - магнит, 4 - анод, 5 - катод-отражатель, 6 - подложка, 7 - система электропитания, 8 - условная граница пучка эмитированных частиц, 9 - силовые линии проникающего магнитного поля (фиг.1).
Газоразрядное устройство для синтеза углеродсодержащих пленок работает следующим образом. Сначала создается вакуум в рабочей камере. Затем при включении системы электропитания 7 и системы напуска газа и подаче напряжения на электроды 1, 2, 4, 5 зажигается разряд. Из-за высокой плотности плазмы в полом катоде 1 плотность тока на графитовой мишени 2, которая в предлагаемом устройстве установлена вместо стального основания этого катода и имеет отверстие связи разряда, достаточно высока. Так как графит в отличие от стали является немагнитным материалом, то увеличению плотности тока на мишени 2 и ее интенсивному распылению в разряде способствует наличие магнитной ловушки для электронов, которая создается силовыми линиями 9 проникающего через графит поля магнита 3. Силовые линии магнитного поля 9 формируют зоны интенсивного распыления графитовой мишени 2 в разряде. Частицы, испускаемые полученной плазмой, формируются в пучок с границами 8 и непосредственно воздействуют на подложку 6. Существенно увеличенная плотность распыляющего ионного тока на мишени 2 и непосредственное воздействие на подложку эмитированных плазмой частиц в предлагаемом устройстве обуславливают существенное увеличение производительности.
Для решения некоторых технологических задач напускаемый газ аргон в предлагаемом устройстве разбавляется химически активными газом, например, водородом или углеводородом. Разбавление аргона углеводородом несет цель еще большего увеличения скорости напыления пленок, а разбавление водородом позволяет воздействовать на состав и структуру напыляемых пленок. Если разбавление производится до 50% объемной доли аргона, то оно не влияет на интенсивность распыления (Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М.: Энергоатом-издат. 1989. С.58). Как показали испытания прототипа, при напуске углеводорода (пропана) со временем наблюдается нестабильное горение разряда и переход в дугу, связанный с формированием пленок на поверхности катодов (Мартенс В.Я., Шевченко Е.Ф. «Исследование отражательного разряда с полым катодом при напуске углеводорода» // ЖТФ. 2010. Т.80. №8. С.59-62 // http://journals.ioffe.ru/jtf/2010/08/p59-62.pdf). При испытаниях предлагаемого устройства нестабильной работы на углеводороде не наблюдалось, что объясняется наличием распыляемого катода в виде графитовой мишени 2, и невозможностью напыления пленок на распыляемую поверхность катода. Таким образом, работа предлагаемого устройства при напуске углеводорода, в отличие от работы прототипа, характеризуется стабильностью, что позволяет использовать его для высокоскоростного реактивного ионно-лучевого синтеза. В итоге в предлагаемом устройстве скорость синтеза пленок увеличивается за счет более интенсивного распыления графитовой мишени и возможности напуска химически активных газов и углеводородов.
Пример конкретной технической реализации предлагаемого устройства состоит в использовании полого катода 1 из стали Ст-3 с внутренним диаметром 60 мм и высотой 8 мм, графитовой мишени диаметром 54 мм и толщиной 3.5 мм с центральным отверстием диаметром 4.5 мм, медного анода диаметром 12 мм и высотой 10 мм, Sm-Co магнита 3 с индукцией магнитного поля 80 мТл и катода-отражателя из стали Ст-3 с центральным отверстием 8.5 мм. С использованием указанных деталей были проведены испытания устройства (вид из окна вакуумной камеры установки в процессе испытаний показан на фиг.2 и фиг.3). При токе разряда 0.8 А, токе на подложку 70 mA и напуске газов аргон+пропан (1:1) время синтеза пленок с толщиной 200-400 нм на подложке из монокристаллического кремния не превышало 5 минут. При разбавлении аргона спиртобензином или водородом время синтеза не превышало 10 и 13 минут соответственно. При напуске исключительно аргона время синтеза не превышало 15 мин. Кроме того, было отработано осаждение пленок при различных параметрах синтеза, соответствующих наиболее известным методам синтеза с использованием газоразрядной плазмы: PIII&D, IBD, DC PECVD, RF PECVD. В случае использования метода синтеза RF PECVD на подложку подавалось переменное напряжение от дополнительного источника питания. В процессе этих испытаний удалось синтезировать образцы твердых углеродсодержащих пленок (твердость, измеренная прибором Nanoscan-01, H=10-26 ГПа) различного состава и типа. Синтезированные пленки исследовались спектроскопическими методами с помощью спектрометра Renishaw in Via Raman Microscope (514.5 nm), ИК Фурье спектрометра ФСМ-1201. Анализировались спектры комбинационного рассеяния света (фиг.4) и ИК спектры. Можно заключить, что предлагаемое устройство с высокой скоростью и производительностью при различных условиях позволяет синтезировать твердые, адгезионнопрочные углеродсодержащие пленки различных типов: DLC (diamond-like carbon, алмазоподобный углерод), PLC (polimer-like carbon, полимероподобный углерод), графитоподобный углерод, стеклоуглерод и др.