19 апреля 2020г.
Важным направлением исследования возможностей модификации и развития элементной базы электроники и радиоэлектроники является изучение применимости наноразмерных частиц в качестве основы электронных элементов. Довольно широко проводятся работы по созданию нанотранзисторов и аналогичных устройств, использующих наноразмерные частицы и кластеры [1-6]. Наночастицы и наноразмерные плёнки представляют собой системы, обладающие избыточной энергией и высокой химической активностью, причём частицы размером порядка 1 нм могут практически без энергии активации вступать как в процессы агрегации, ведущие к образованию ансамблей наночастиц, так и в реакции с другими химическими соединениями, в результате которых получаются вещества с новыми свойствами. Запасенная энергия наночастиц и плёнок определяется в первую очередь нескомпенсированностью связей поверхностных и приповерхностных атомов. Поэтому большинство синтезированных наночастиц и их агрегатов находится в неравновесном метастабильном состоянии. Поэтому неравновесность системы позволяет осуществлять необычные, непрогнозируемые и невозможные в равновесных условиях химические превращения, особенно с учетом самоорганизации [7-10]. Вопрос о влиянии роста ассоциатов на конечные свойства наноструктурированного материала остается актуальной проблемой. Поскольку одним из самых востребованных методов получения наноразмерных частиц и нанопленок является магнетронное распыление (МР) в скрещенных полях, то моделирование и исследование процессов в плазме МР и их влияния на свойства синтезируемых частиц и пленок представляется актуальной задачей [11-15].
В установке МР формируется плазма аномального тлеющего разряда, в которую попадают нейтральные атомы мишени, выбитые из нее потоком падающих ионов плазмы и в дальнейшем осаждающиеся на подложке в виде наносимого покрытия или наноразмерных частиц, сформировавшихся в плазме. Преимуществом устройств МР является возможность наносить наноразмерные по толщине однородные покрытия или формировать наночастицы заданного размера за счет управления параметрами процесса [16,17].
К недостаткам устройств МР относится низкая степень ионизации паров напыляемого вещества, которая составляет 5-10%, что приводит к ухудшению адгезии наносимого покрытия. К тому же обычно установки МР не позволяют произвести нагрев подложек непосредственно перед нанесением покрытия, когда это требуется и в ряде других применений, что не способствует получению особо высококачественных стойких покрытий и ухудшает адгезию.
Поэтому более целесообразным представляется использование электродугового осаждения вещества из плазмы аномально тлеющего разряда [18]. Преимуществом такого способа нанесения покрытий является более высокая адгезия напыляемого на подложку вещества. При возникновении дугового разряда на поверхности испарителя образуется катодное пятно с диаметром горения разряда дуги порядка 1-3 мкм при токе дуги 100-150 А. Расплавленный металл испаряется, проходит через зону горения дуги. При этом атомы металла почти все ионизируются (~100% ионизации). Образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем (подложка - отрицательный электрод) и осаждаются с высокой энергией, что и обеспечивает высокую степень адгезии наносимого покрытия. Недостатком 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. Это поток ионов, попадающих на расплавленный металл, создает давление на расплав, что и вызывает его разбрызгивание в виде капель размером до 10 мкм. Однако этот недостаток может стать достоинством, если целью процесса является синтез наночастиц, которые потом осаждают на специальную подложку с целью их анализа или практического использования.
Для реализации этого метода установка МР оснащается дополнительным магнетронным распылительным устройством, к которому дополнительно подключается последовательно через резистор блок питания подложек и параллельно резистору подключается выключатель, а к держателю подложек подключаются через переключатель блок питания подложек, дополнительный источник питания переменного тока и дополнительный источник питания постоянного тока [19].
При достижении необходимого вакуума камера заполняется газом (азотом или аргоном) через устройство напуска газов и на подложку от источника питания подложек подается отрицательное напряжение, в вакуумной камере возникает тлеющий разряд и происходит первичная предварительная очистка подложек. Далее тлеющий разряд выключается и вакуумная камера откачивается. При достижении давления в камере вакуума порядка 4-6·10-5 мм рт.ст. на подложки от источника питания подложек подается напряжение - 1,0-1,7 кВ и включаются электродуговые испарители в нужной комбинации. Все вместе или по отдельности – в зависимости от того, что является целью процесса – нанопленка или наночастицы. Подложки при этом подвергаются бомбардировке ионами, что приводит к более тщательной очистке поверхности подложек при одновременном их разогреве до требуемой температуры. При достижении необходимой температуры (определяется опытным путем), потенциал подложек снижается до 100-120 В и происходит, если он необходим, подпыл буферного слоя, (для увеличения адгезии) в течение 30-40 сек. Далее производится напуск реактивного газа, обычно азота, который в плазме ионизируется и на поверхность подложек осаждается либо нанопленка, либо сформировавшиеся наночастицы. При достижении требуемых параметров технологический процесс заканчивается [19].
Этот режим был успешно использован для получения металлических зеркал с повышенным коэффициентом отражения света, а также при металлизации различных диэлектриков.
Список литературы
1. Марголин В.И., Жабрев В.А., Тупик В.А. Физические основы микроэлектроники: учебник для студ. высш. учеб. заведений.- М.: Издательский центр "Академия", 2008.- 400 с. гриф УМО
2. Жабрев В.А., Марголин В.И., Павельев В.С. Введение в нанотехнологию (общие сведения, понятия и определения): учеб. пособие.- Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2007.- 172 с.
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. Pleskunov I.V., Syrkov A.G., Yachmenova L.A., Mustafaev A.S. Innovative methods of processing and analysis of metalcontaining raw materials based on adsorption phenomenon // Innovation-Based Development of the Mineral Resources Sector: Challenges and Prospects - 11th conference of the Russian-German Raw Materials, 2018. 2019. P.341-351.
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 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
8. Chu Trong Su, V.A. Tupik, A.A. Potapov and V.I. Margolin Computer simulation of nano-thin film condensation process in a vacuum, Journal of Physics: Conf. Series, 26th International Conference on Vacuum Technique and Technology, IOP Conf. Series: 1313 (2019) 012054 IOP Publishing doi:10.1088/1742- 6596/1313/1/012054
9. Жабрев В.А., Чуппина С.В., Марголин В.И. Самоорганизация как детерминированный выбор направления химического процесса. Часть I. Химический аспект. // Нанотехника.- 2011.- № 4.- С. 44-52.
10. Sychov M., Syrkov A., Nakanishi Y., Hara K., Kominami H., Mimura H. Acid-basic aspect of control of nanocomposite electrical properties (Book Chapter). Nanoscale-Arranged Systems for Nanotechnology. New York: Nova Science Publishers, Inc., 2015. P.89-95
11. Тупик В.А., Потапов А.А., Марголин В.И. Повышение качества нанопленок, получаемых магнетронным распылением // Нанофизика и наноматериалы. Сб. научн. трудов / Санкт-Петербургский горный университет. СПб. 2019. 322 с. (Междунар. Симпозиум, 27-28 ноября 2019 г.) - С. 290-294. ISBN 978-5-94211-893-8.
12. 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
13. 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.
14. V. A. Tupik, V. I. Margolin and Chu Trong Su // 41 Numerical Method in Modeling of Obtaining Thin Film Processes, chapter 41, pp. 217-223 in Applied Aspects of Nano-Physics and Nano-Engineering, Copyright © 2019 by Nova Science Publishers, Inc., ISBN: 978-1-53614-709-4 (ebook), Published by Nova Science Publishers, Inc. f New York.
15. Марголин В.И., Шишов С.Е. Перспективы и проблемы нанотехнологий // О национальной доктрине развития в Российской Федерации нанотехнологий. Аналитический сборник.- М.: 2006.- Издание Совета Федерации.- С. - 54 – 63.
16. 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.
17. Каштанов П.В., Смирнов Б.М., Хипплер Р. Магнетронная плазма и нанотехнология // Успехи физических наук. - 2007, Т. 177. - №5.- С. 473-510.
18. 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
19. Устройство для нанесения тонкопленочных покрытий. Ефремов С.В., Старобинец И.М., Тоисев В.Н., Марголин В.И., Тупик В.А.Патент РФ на полезную модель № 144198, по заявке № 2014114732, приоритет от 14 апреля 2014, опубл. 10.08.2014, бюл. № 22.
