21 августа 2019г.
В настоящее время магнетронное распыление является самым распространенным и наиболее технологичным методом синтеза наноразмерных пленок различных материалов [1-6]. К несомненным достоинствам этого метода относится возможность проведения аналитического контроля в процессе синтеза нанопленок, очистка поверхности подложек перед нанесением покрытия методом ионной очистки [7-12].
Эффективным типом таких устройств является устройство магнетронного ионного распыления (МИР), которое содержит вакуумную камеру со средствами получения вакуума и управления им, подсоединенные к вакуумной камере через натекатели баллоны с рабочим и реактивным газом, средства контроля вакуума. Внутри вакуумной камеры находится держатель подложек, устройство магнетронного распыления (магнетрон), подсоединенные к держателю подложек два источника питания - низкого напряжения для питания магнетрона и высокого напряжения (источник ионной очистки).
В установке МИР формируется плазма аномального тлеющего разряда, в которую попадают нейтральные атомы мишени, выбитые из нее потоком падающих ионов плазмы и в дальнейшем осаждающиеся на подложке и формирующие наносимое покрытие. Преимуществом устройств МИР является возможность наносить наноразмерные по толщине однородные покрытия. [14-16].
К недостаткам устройств МИР относится низкая степень ионизации паров напыляемого вещества, которая составляет 5-10%, что приводит к ухудшению адгезии наносимого покрытия. С другой стороны установки МИР не позволяют произвести нагрев подложек непосредственно перед нанесением покрытия, [14-16]. Поэтому для синтеза нанопленок целесообразно использовать устройство, использующее электродуговое осаждение вещества из плазмы аномально тлеющего разряда [16].
Преимуществом такого устройства нанесения покрытий является более высокая адгезия напыляемого на подложку вещества. При возникновении дугового разряда на поверхности испарителя образуется так называемое катодное пятно с диаметром горения разряда дуги порядка 1-3 мкм при токе дуги 100-150 А. Таким образом на поверхности дугового испарителя имеется чрезвычайно высокая плотность тока, что вызывает локальное плавление испарителя в области пятна. Недостатком такой конструкции является наличие капельной фазы в плазменном осаждаемом потоке. Капли расплавленного металла появляются в связи с тем, что на катод испарителя подается небольшое отрицательное напряжение, которое вытягивает на себя часть ионов, образующихся в дуговом разряде из испаренных атомов катода.
Для избавления от этого недостатка в конструкцию устройства включено дополнительное магнетронное распылительное устройство и несколько дополнительных источников питания, позволяющих управлять рабочим плазменным факелом. Источник питания подложек, имеющий ступенчато-плавную регулировку от -20 В до -1700 В и токе нагрузки до 15А по своим энергетическим и эксплуатационным параметрам вполне подходит для обеспечения питания магнетронного устройства, поэтому он подключен к мишени магнетронного устройства через резистор [8].
К сожалению, такое устройство не позволяет использовать подложки, которые нельзя нагревать в процессе нанесения покрытий, что характерно для получения наноразмерных покрытий вследствие их малой толщины и зависимости от технологических параметров процесса напыления.
Поэтому источник питания подложки подключен к магнетронному распылительному устройству через последовательное соединение двух резисторов, управляющих процессом [9].
Проведенные эксперименты по использованию такой конструкции показали ее пригодность. Были нанесены металлические нанопленки титана и никеля толщиной порядка 100 ангстрем на пленочную подложку из полиэтилентерефталата толщиной порядка 20 мкм с хорошей адгезией. Неравномерность по толщине менее одного процента. При этом пленка полиэтилентерефталата не претерпела никаких изменений. Ток в магнетронном устройстве составлял 350 мА.
Список литературы
1. А.И. Кузьмичёв Магнетронные распылительные системы, Книга 1, Введение в физику и технику магнетронного распыления, Киев "Аверс" 2008, 244 с.
2. Каштанов П.В., Смирнов Б.М., Хипплер Р. Магнетронная плазма и нанотехнология // Успехи физических наук.- 2007, Т. 177.- № 5.- С. 473-510
3. Марголин В.И., Жабрев В.А., Лукьянов Г.Н., Тупик В.А. Введение в нанотехнологию: Учебник, - СПб.: Издательство "Лань", 2012.- 464 с. гриф УМО
4. Кузнецов Н.Т., Новоторцев В.М., Жабрев В.А., Марголин В.И. Основы Нанотехнологии: Учебник, М.: Изд-во "Бином. Лаборатория знаний", 2014.- 397 с. гриф УМО
5. Марголин В.И., Жабрев В.А., Тупик В.А., Аммон Л.Ю. Методы синтеза наноразмерных структур. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2013. 287 с.
6. Грачев В.И., Жабрев В.А., Марголин В.И., Тупик В.А. Основы синтеза наноразмерных частиц и пленок.- Ижевск, Изд-во "Удмуртия", 2014. 200 с.
7. Серов И.Н., Жабрев В.А., Марголин В.И. Проблемы нанотехнологии в современном материаловедении // Физика и химия стекла. 2003, Т. 29, № 2. С. 242 – 256.
7 Zhabrev V.A., Margolin V.I. Some Questions in Fractal Nanotechnology // Inorganic Materials, 2008, Vol. 44, No 13, pp 65-82. Ó Pleiades Publishing, Ltd, 2008
8. Устройство для нанесения тонкопленочных покрытий. Ефремов С.В., Марголин В.И., Старобинец И.М., Тоисев В.Н., Тупик В.А. Патент РФ на полезную модель № 154033, по заявке № 2015112692/02, приоритет от 07 апреля 2015, опубл. 10.08.2015, бюл. № 22
9. Устройство для нанесения тонкопленочных покрытий, Марголин В.И., Марков Е.С., Старобинец И.М., Трефилов В.В., Тоисев В.Н., Тупик В.А. Патент РФ на полезную модель № 173348, по заявке № 2016140778, приоритет от 17.10. 2016, опубл. 23.08.2017, бюл. № 24,
10. Грачёв В.И., Марголин В.И., Тупик В.А. Новые аспекты в технологии производства элементов радиоэлектроники на основе тлеющего разряда // Технология производства и оборудование в приборостроении.- 2017.- № 2.- С. 63-66
11. Грачёв В.И., Марголин В.И., Тупик В.А. Основы технологии производства элементов радиоэлектроники на основе тлеющего разряда // Norwegian Journal of development of the International Science No 6/2017 .- С. 88-91
12. Грачёв В.И., Марголин В.И., Тупик В.А. Роль физических эффектов при переходе к наноразмерным структурам // Norwegian Journal of development of the International Science No 6/2017 .- С. 91-95.
13. Бестаев М.В.,. Жабрев В.А, Марголин В.И., Арутюнянц А.А. Физико-химические и химико-технологические основы субмикронной технологии: Учебное пособие; Сев.-Осет. гос. ун-т им. К.Л. Хетагурова. Владикавказ: Изд-во СОГУ, 2009.- 172 с. гриф УМО
14. Жабрев В.А., Лукьянов Г.Н., Марголин В.И., Рыбалко В.В., Тупик В.А. Введение в нанотехнологию. Учебное пособие - Московский государственный институт электроники и математики (технический университет), М., 2007.- 293 с.
15. V A Tupik, V I Margolin and M S Potekhin The influence of weak impacts on certain processes of nanotechnology // 24th International Conference on Vacuum Technique and Technology IOP Publishing; IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 872 (2017) 012031 doi :10.1088/1742-6596/872/1/012031
16. В.М. Шулаев, А.А. Андреев, В.П. Руденко Модернизация вакуумно-дуговых установок для синтеза покрытий и азотирования методом ионной имплантации и осаждения // ФИП PSE 2006, Т. 4.- № 3-4.- С. 136-142
