РЕАКТИВНЫЙ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ СИНТЕЗ ТОНКИХ ПЛЕНОК

ÓÄÊ 537.534.2
ÐÅÀÊÒÈÂÍÛÉ ÈÎÍÍÎ-ËÓ×ÅÂÎÉ ÑÈÍÒÅÇ ÒÎÍÊÈÕ ÏËÅÍÎÊ
ÍÅÏÎÑÐÅÄÑÒÂÅÍÍÎ ÈÇ ÏÓ×ÊΠÈÎÍÎÂ
Ê.À. Âàëèåâ, Þ.Ï. Ìàèøåâ, Ñ.Ë. Øåâ÷óê
Ôèçèêî-òåõíîëîãè÷åñêèé èíñòèòóò ÐÀÍ, (Ìîñêâà, Ðîññèéñêàÿ Ôåäåðàöèÿ)
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 25.02.2003
Ïðîâåäåíî êîìïëåêñíîå èññëåäîâàíèå ðàçðàáîòàííîãî ìåòîäà ðåàêòèâíîãî èîííî-ëó÷åâîãî ñèíòåçà (ÐÈËÑ) òîíêèõ
ïëåíîê íåïîñðåäñòâåííî èç ïó÷êîâ èîíîâ õèìè÷åñêèõ âåùåñòâ ñëîæíîãî ñîñòàâà.  êà÷åñòâå èñòî÷íèêà èîíîâ (ÈÈ)
èñïîëüçîâàëñÿ ìíîãîïó÷êîâûé èñòî÷íèê “Ðàäèêàë-Ì250” ñ çàìêíóòûì äðåéôîì ýëåêòðîíîâ è õîëîäíûì êàòîäîì.
Óïðàâëåíèå ýíåðãèåé èîíîâ ïó÷êà â ïðîöåññå îñàæäåíèÿ, ÿâëÿþùååñÿ îäíèì èç äîñòîèíñòâ ìåòîäà, ïîçâîëèëî
ñôîðìèðîâàòü òîíêîïëåíî÷íûå ïîêðûòèÿ ñ ðàçëè÷íûìè ñâîéñòâàìè èç ïó÷êîâ èîíîâ îäíîãî è òîãî æå âåùåñòâà.
Èññëåäîâàíèå ñâîéñòâ òîíêèõ ïëåíîê îñóùåñòâëÿëîñü ñîâîêóïíîñòüþ ìåòîäîâ: ýëëèïñîìåòðèÿ, ñïåêòðîôîòîìåòðèÿ,
ÈÊ è Îæå-ñïåêòðîìåòðèè, ýëåêòðîíîãðàôèÿ. Ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ ïîëó÷åííûõ àëìàçîïîäîáíûõ
è êðåìíèéñîäåðæàùèõ òîíêèõ ïëåíîê îò ïàðàìåòðîâ ïó÷êîâ èîíîâ â äèàïàçîíå èçìåíåíèÿ ñðåäíåé ýíåðãèè
îñàæäàåìûõ èîíîâ 150 ÷550 ýÂ. Ïðîäåìîíñòðèðîâàíû ïðàêòè÷åñêèå ïðèìåíåíèÿ ìåòîäà ÐÈËÑ.
ÂÂÅÄÅÍÈÅ
Îñíîâíûìè íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè â íàñòîÿùåå âðåìÿ ìåòîäàìè ïîëó÷åíèÿ òîíêèõ ïëåíîê â âàêóóìå ÿâëÿþòñÿ:ðàñïûëåíèå èëè èñïàðåíèå ìàòåðèàëà
ìèøåíè, òåðìîèîííîå îñàæäåíèå âåùåñòâà, ïëàçìîñòèìóëèðîâàííîå õèìè÷åñêîå îñàæäåíèå èç ãàçîâîé
ôàçû. Âîçìîæíîñòè ýòèõ ìåòîäîâ îãðàíè÷åíû â ïðîöåññå ïîëó÷åíèÿ òîíêèõ ïëåíîê ñ çàäàííûìè ýëåêòðîôèçè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè â ñâÿçè ñ îòñóòñòâèåì âîçìîæíîñòè óïðàâëåíèÿ ýíåðãèåé îñàæäàåìûõ ÷àñòèö, îòñóòñòâèåì íàïðàâëåííîãî ïåðåíîñà âåùåñòâà è òî÷íîãî ïðÿìîãî êîíòðîëÿ êîëè÷åñòâà îñàæäàåìîãî âåùåñòâà (òàáë.1).
Ïðè èñïàðåíèè è ðàñïûëåíèè ìàòåðèàëà ìèøåíè
ïîòîê îñàæäàåìîãî âåùåñòâà ñîñòîèò èç íåéòðàëüíûõ
÷àñòèö, ýíåðãèÿ êîòîðûõ íèçêàÿ è íå ïðåâûøàåò 0,2 è
10 ýÂ ñîîòâåòñòâåííî. Îñàæäàåìîå âåùåñòâî ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ïî çàêîíó êîñèíóñà. Îòñóòñòâèå èîííîé êîìïîíåíòû çàòðóäíÿåò îïåðàòèâíûé êîíòðîëü ðîñòà îñàæäàåìîãî ïîêðûòèÿ.
 ìåòîäàõ ñ ÷àñòè÷íîé èîíèçàöèåé ðàáî÷åãî âåùåñòâà èîííàÿ êîìïîíåíòà ñîñòàâëÿåò íåçíà÷èòåëüíóþ
äîëþ (äî 20 %), ïîýòîìó â ýòèõ óñëîâèÿõ ïðàêòè÷åñêè
ñîõðàíÿþòñÿ íåäîñòàòêè, ñâîéñòâåííûå èñïàðåíèþ è
ðàñïûëåíèþ ìàòåðèàëà ìèøåíè (îòñóòñòâèå íàïðàâëåííîãî ïåðåíîñà âåùåñòâà è íåâîçìîæíîñòü îïåðàòèâíîãî êîíòðîëÿ ðîñòà ïîêðûòèÿ). Ïðèìåíåíèå ýëåêòðè÷åñêîãî Â× ñìåùåíèÿ ïîäëîæêè ïîçâîëÿåò èçìåíÿòü
ýíåðãèþ òîëüêî èîííîé êîìïîíåíòû, íå îêàçûâàÿ âëèÿíèÿ íà íåéòðàëüíûå ÷àñòèöû. Ïîñòîÿííîå ýëåêòðè÷åñêîå ñìåùåíèå ìîæíî ïîäàâàòü òîëüêî íà ïðîâîäÿùèå
ïîäëîæêè è ïðè îñàæäåíèè ìåòàëëè÷åñêèõ ïîêðûòèé.
Ðàçðàáîòàííûé ìåòîä ðåàêòèâíîãî èîííî-ëó÷åâîãî
ñèíòåçà òîíêèõ ïëåíîê îñíîâàí íà îñàæäåíèè ïîêðûòèÿ
íåïîñðåäñòâåííî èç íèçêîýíåðãåòè÷íûõ ïó÷êîâ èîíîâ
âûñîêîé èíòåíñèâíîñòè.  äàííîì ñëó÷àå èñïîëüçóåòñÿ
àâòîíîìíûé èîííûé èñòî÷íèê, â êîòîðîì îñóùåñòâëÿåòñÿ èîíèçàöèÿ ãàçî-ïàðîîáðàçíîãî ðàáî÷åãî âåùåñòâà.
 èîííî-îïòè÷åñêîé ñèñòåìå (ÈÎÑ) èñòî÷íèêà îñóùåñòâëÿåòñÿ ôîðìèðîâàíèå èîííîãî ïó÷êà, êîòîðûé, óñêîðåííûé äî îïðåäåëåííîé ýíåðãèè, ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ
áåç ñòîëêíîâåíèé äî ïîäëîæêîäåðæàòåëÿ, ãäå ïðîèñõîäèò îñàæäåíèå è ðîñò ïëåíêè íåïîñðåäñòâåííî èç âåùåñòâà, ïåðåíîñèìîãî èîííûì ïó÷êîì. Òàêèì îáðàçîì, ïîòîê îñàæäàåìîãî âåùåñòâà, èç êîòîðîãî îñóùåñòâëÿåòñÿ ðîñò ïëåíêè, ïðàêòè÷åñêè íà 100 % ñîñòîèò èç
èîíîâ, îáðàçîâàííûõ è óñêîðåííûõ â ÈÎÑ. Ýòîò ìåòîä îáëàäàåò ðÿäîì äîñòîèíñòâ:
èìååòñÿ âîçìîæíîñòü óïðàâëåíèÿ ñâîéñòâàìè îñàæäàåìûõ òîíêèõ ïëåíîê ïîñðåäñòâîì èçìåíåíèÿ â
øèðîêîì äèàïàçîíå ýíåðãèé èîíîâ ïó÷êà;
ñòðîãàÿ íàïðàâëåííîñòü èîííîãî ïó÷êà ïîçâîëÿåò
íàíîñèòü ïîêðûòèÿ íà ñòðóêòóðû ñëîæíîãî ïðîôèëÿ,
îñóùåñòâëÿòü çàïîëíåíèå ãëóáîêèõ êàíàâîê;
Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà îñíîâíûõ ìåòîäîâ íàíåñåíèÿ òîíêèõ ïëåíîê â âàêóóìå
Ìåòîä íàíåñåíèÿ òîíêîé ïëåíêè
Ý íåðãèÿ îñàæäàåìûõ
÷àñòèö
Íàïðàâëåííîñòü ïîòîêà
îñàæäàåìûõ ÷àñòèö
Òàáëèöà 1
Äîëÿ èîííîé
êîìïîíåíòû â
ïîòîêå
îñàæäàåìûõ
÷àñòèö
Êîíòðîëü
êîëè÷åñòâà
îñàæäàåìîãî
âåùåñòâà
ýÂ
óïðàâëåíèå
Èñïàðåíèå ìàòåðèàëà ìèøåíè:
òåðìè÷åñêîå, ýëåêòðîííî- ëó÷åâîå
≈ 0,2
íåò
çàêîí êîñèíóñà
íåò
íåò
Ðàñïûëåíèå ìàòåðèàëà ìèøåíè:
èîííî- ïëàçìåííîå, ìàãíåòðîííîå, èîííî- ëó÷åâîå
5÷10
íåò
çàêîí êîñèíóñà
íåò
íåò
1÷10 %
íåò
≈10÷20 %
íåò
Òåðìîèîííîå îñàæäåíèå,
ion- plating
Ïëàçìîñòèìóëèðîâàííîå
õèìè÷åñêîå îñàæäåíèå èç
ãàçîâîé ôàçû
Ðåàêòèâíûé èîííî- ëó÷åâîé
ñèíòåç (ÐÈËÑ)
Â× èëè ïîñòîÿííîå ñìåùåíèå íà
ïîäëîæêå
Íåéòðàëû: çàêîí êîñèíóñà
Èîíû ïî íîðìàëè ê
ïîâåðõíîñòè
0 ÷ 500
Â× ñìåùåíèå íà
ïîäëîæêå
Íåéòðàëû: õàîòè÷åñêîå
äâèæåíèå Èîíû: ïî
íîðìàëè ê ïîâåðõíîñòè
10 ÷1000
Óñêîðÿþùåå
íàïðÿæåíèå ÈÈ
Íàïðàâëåííîå ïîä ëþáûì
çàäàííûì óãëîì ê
ïîâåðõíîñòè
0,2÷2000
Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol. No 1
≈ 100 %
òî÷íûé êîíòðîëü
ïî òîêó ïó÷êà
èîíîâ
27
ÐÅÀÊÒÈÂÍÛÉ ÈÎÍÍÎ-ËÓ×ÅÂÎÉ ÑÈÍÒÅÇ ÒÎÍÊÈÕ ÏËÅÍÎÊ ÍÅÏÎÑÐÅÄÑÒÂÅÍÍÎ ÈÇ ÏÓ×ÊΠÈÎÍÎÂ
èìååòñÿ âîçìîæíîñòü òî÷íîãî êîíòðîëÿ ñêîðîñòè
ðîñòà ïëåíêè ïî ïëîòíîñòè òîêà ïó÷êà â ïðîöåññå
îñàæäåíèÿ.
 ðàáîòå îñóùåñòâëåíî îáøèðíîå èññëåäîâàíèå
ïðîöåññà îñàæäåíèÿ òîíêèõ ïëåíîê ìåòîäîì ÐÈËÑ, óñòàíîâëåíà çàâèñèìîñòü îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ ïîëó÷åííûõ àëìàçîïîäîáíûõ è óãëåðîäíûõ êðåìíèéñîäåðæàùèõ òîíêèõ ïëåíîê îò ýíåðãèè èîíîâ ïó÷êà, ïîêàçàíû
ïðàêòè÷åñêèå ïðèìåíåíèÿ ÐÈËÑ, ñâÿçàííûå ñ íàïðàâëåííîñòüþ èîííîãî ïó÷êà è çàâèñèìîñòüþ ñâîéñòâ îñàæäàåìîãî ïîêðûòèÿ îò ýíåðãèè èîíîâ ïó÷êà.
ÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÅ È ÌÅÒÎÄÈÊÀ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÉ
Èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëèñü íà óñòàíîâêå èîííî-ëó÷åâîé îáðàáîòêè “Êàøòàí” [1] (ðèñ. 1), îñíàùåííîé ìíîãîÿ÷åèñòûì èñòî÷íèêîì èîíî⠓Ðàäèêàë-Ì250” (4) [2,3],
ôîðìèðóþùèì èîííûé ïó÷îê ðàáî÷åãî âåùåñòâà, ðàñïðîñòðàíÿþùèéñÿ â òåõíîëîãè÷åñêîé êàìåðå (1) íà ðàññòîÿíèå äî 180 ìì. Îòêà÷êà ñèñòåìû äî îñòàòî÷íîãî
âàêóóìà 10–4 Ïà îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì òóðáîìîëåêóëÿðíîãî íàñîñà ÒÌÍ 1500 (3). Ðàáî÷åå äàâëåíèå èçìåíÿåòñÿ â äèàïàçîíå 2×10–2 ÷ 2×10–1 Ïà.  ñîñòàâ
óñòàíîâêè âõîäèò îõëàæäàåìûé âîäîé ïîäëîæêîäåðæàòåëü (2), ñîâåðøàþùèé ñëîæíîå âðàùàòåëüíî-êîëåáàòåëüíîå äâèæåíèå, áëîê ïèòàíèÿ ÈÈ (5), ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ òåõíîëîãè÷åñêèì ïðîöåññîì (6).
Èñòî÷íèê èîíîâ ñ õîëîäíûì êàòîäîì è çàìêíóòûì
äðåéôîì ýëåêòðîíî⠓Ðàäèêàë-Ì250” ôîðìèðóåò øèðîêèå íèçêîýíåðãåòè÷íûå èíòåíñèâíûå ïó÷êè èîíîâ
õèìè÷åñêè àêòèâíûõ âåùåñòâ (ðèñ. 2). Ïðèíöèï ñîçäàíèÿ ïó÷êà îñíîâàí íà èîíèçàöèè ðàáî÷èõ âåùåñòâ âûñîêîýíåðãåòè÷íûìè ýëåêòðîíàìè, óñêîðÿåìûìè â ñïåöèàëüíî îðãàíèçîâàííîé ïîòåíöèàëüíîé “ÿìå” è â ëîêàëèçîâàííûõ ñêðåùåííûõ ýëåêòðè÷åñêîì è ìàãíèòíîì ïîëÿõ, îáåñïå÷èâàþùèõ ìàêñèìàëüíîå èçìåíåíèå
ýíåðãèè ýëåêòðîíîâ â ïðîìåæóòêå àíîä – êàòîä. Èçâëå÷åíèå èîíîâ è ôîðìèðîâàíèå ïó÷êà èîíîâ îñóùåñòâëÿåòñÿ óñêîðÿþùèì ýëåêòðîäîì. ÈÈ ôîðìèðóåò ñëàáîðàñõîäÿùèéñÿ ïó÷îê èîíîâ ðàáî÷åãî ãàçà äèàìåòðîì
5
≈ 250 ìì, ðàñïðîñòðàíÿþùèéñÿ â òåõíîëîãè÷åñêîé êàìåðå äî ïîäëîæêîäåðæàòåëÿ íà ðàññòîÿíèå 70 ÷180 ìì.
 êà÷åñòâå ðàáî÷èõ âåùåñòâ ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ óãëåâîäîðîäû, îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, õëîð- ôòîðñîäåðæàùèå ãàçû, àðãîí, êèñëîðîä.
Óïðàâëåíèå ïàðàìåòðàìè èîííîãî ïó÷êà (ýíåðãèåé
è èíòåíñèâíîñòüþ èîíîâ ïó÷êà) îñóùåñòâëÿëîñü ïîñðåäñòâîì âàðèàöèè ýëåêòðîôèçè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ
ðàçðÿäà (íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ â óñêîðÿþùåì ïðîìåæóòêå, íàïðÿæåíèå íà ðàçðÿäå, ïîòîê ðàáî÷åãî âåùåñòâà) è êîíñòðóêöèè èîííî-îïòè÷åñêîé ñèñòåìû èñòî÷íèêà. Äëÿ õàðàêòåðèñòèêè ãåîìåòðèè èîííîîïòè÷åñêîé ñèñòåìû ââåäåí êîíñòðóêòèâíûé êîìïëåêñíûé ïîêàçàòåëü “à”, ñîäåðæàùèé â ñåáå äàííûå î ãåîìåòðè÷åñêîé ôîðìå è ðàçìåðàõ ýëåìåíòîâ èîííî-îïòè÷åñêîé ñèñòåìû è çàçîðîâ ìåæäó íèìè. Ïðè ýòîì ðàññìàòðèâàëèñü ÷åòûðå ðàçëè÷íûå âàðèàíòà ÈÎÑ, ïîëó÷èâøèå îáîçíà÷åíèå “à0”…”à3”, ãäå “à0” ñîîòâåòñòâóåò
ðàñïîëîæåíèå øòûðÿ â ïëîñêîñòè àíîäà, “à1” – ñìåùåíèå øòûðÿ îò ïëîñêîñòè àíîäà íà 1 ìì è ò.ä. Äëÿ
ïðîâåäåíèÿ àíàëèçà ðàñïðåäåëåíèÿ èîíîâ ïî ýíåðãèÿì
â ïó÷êå ïðèìåíÿëñÿ ÷åòûðåõñåòî÷íûé çîíä.
Ïðè èññëåäîâàíèè ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè òîêà
ïó÷êà âäîëü äèàìåòðà ïó÷êà, ïðîâîäèìîì çîíäîâûì
ìåòîäîì, âûïîëíÿëîñü äèàôðàãìèðîâàíèå ïó÷êà. Äèàôðàãìà ïðåäñòàâëÿëà ñîáîé óçêóþ ùåëü, ðàñïîëîæåííóþ âäîëü äèàìåòðà ïó÷êà.
Àëìàçîïîäîáíûå (ÀÏÏ) è êðåìíèéñîäåðæàùèå óãëåðîäíûå ïëåíêè îñàæäàëèñü íà ïëàñòèíû ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî êðåìíèÿ ÊÝÔ-20 èç ïó÷êîâ èîíîâ óãëåâîäîðîäîâ (öèêëîãåêñàí, àöåòîí, ïðîïàíîë) è êðåìíèé
îðãàíè÷åñêèõ ìîíîìåðîâ (ãåêñàìåòèëäèñèëàçàí
(ÃÌÄÑ), âèíèëòðèìåòîêñèñèëàí (ÂÒÌÎÑ), ñìåñè
ÂÒÎÌÑ è àòîìàðíîãî êèñëîðîäà). Íåïîñðåäñòâåííî
ïåðåä íàíåñåíèåì ïîêðûòèÿ ïðîâîäèëàñü î÷èñòêà ïîäëîæêè ïó÷êàìè èîíîâ àðãîíà.
Îïðåäåëåíèå òîëùèíû è ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ
ïëåíîê îñóùåñòâëÿëîñü ýëëèïñîìåòðè÷åñêèì ìåòîäîì
ïðè íàíåñåíèè ïëåíêè íà ïîëèðîâàííóþ êðåìíèåâóþ
4
2
Àíîä
ÁÏ -413
Ñ îëåíîèä
Êàòîä
ÈÈ
Ä àò÷è ê
è çìåðåí è ÿ
âàêóóìà
È
Ï
Ï Ì Ì -32
ÒÊ
Í àï óñê
ã àçà
6
ÑÓ ÒÏ
ÀÂ
Á ëîê ï è òàí è ÿ
òóðáîìîëåêóëÿðí îã î
í àñîñ à
Ðèñ.1 Ñõåìà óñòàíîâêè èîííî-ëó÷åâîé îáðàáîòêè “Êàøòàí”.
28
Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol. 1, No 1
Ê.À. Âàëèåâ, Þ.Ï. Ìàèøåâ, Ñ.Ë. Øåâ÷óê
Ðèñ. 2 Ôîòîãðàôèÿ èñòî÷íèêà èîíî⠓Ðàäèêàë-Ì250”
ïîäëîæêó. Èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü íà ñòàíäàðòíîì
ïðîìûøëåííîì ýëëèïñîìåòðå “ËÝÌ-2̔ íà äëèíå
âîëíû 0,6328 ìêì ñ èñïîëüçîâàíèåì íîìîãðàìì è òàáëèö, ïðèâåäåííûõ â òåõíè÷åñêîì îïèñàíèè ýëëèïñîìåòðà.
Ïðè îïðåäåëåíèè øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû èçìåðÿëîñü ïîãëîùåíèå ïëåíîê, íàíåñåííûõ íà òîíêîå ïîêðîâíîå ñòåêëî (äëÿ ìèêðîñêîïà). Èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü íà ñïåêòðîôîòîìåòðå “ÑÔ-26” â äèàïàçîíå ýíåðãèé ôîòîíîâ 4,25 ÷ 2,00 ý (292 ÷ 620 íì). Îïðåäåëÿëîñü
ïðîïóñêàíèå òîíêîãî ñòåêëà ñ ïëåíêîé îòíîñèòåëüíî
ïðîïóñêàíèÿ ñòåêëà áåç ïëåíêè. Ïîñëå ðàñ÷åòà α âû÷èñëÿëñÿ êîýôôèöèåíò Òàóöà (αhν)1/2, ïî êîòîðîìó ñòðîèëèñü çàâèñèìîñòè (αhν)1/2 = ƒ(hν). Ýêñòðàïîëÿöèÿ ýòèõ
êðèâûõ ê (αhν)1/2 → 0 ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü øèðèíó çàïðåùåííîé çîíû ïëåíîê.
Ïðè îïðåäåëåíèè ôàçîâîãî ñîñòàâà ïëåíîê ïðîâîäèëîñü èññëåäîâàíèå ïîãëîùåíèÿ îáðàçöîâ â äèàïàçîíå
400 ÷ 4000 ñì–1 ïî ñòàíäàðòíîé ìåòîäèêå ñ èñïîëüçîâàíèåì ÈÊ ñïåêòðîìåòðà Perkin Elmer 1720X ñ Ôóðüå ïðåîáðàçîâàíèåì. Ìàêñèìàëüíàÿ ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü ïðèáîðà ïðè èñïîëüçîâàíèè ñòàíäàðòíîãî KBr
èíòåðôåðîìåòðà ñîñòàâëÿåò 0,5 ñì–1.
Èññëåäîâàíèå ýëåìåíòíîãî ñîñòàâà ïîâåðõíîñòè
òîíêèõ ïëåíîê îñóùåñòâëÿëîñü ïî ñòàíäàðòíîé ìåòîäèêå Îæå-ñïåêòðîñêîïèè ñ èñïîëüçîâàíèåì ñïåêòðîìåòðà “ÌÀÑ-2”ôèðìû “Riber”. Îáëó÷åíèå ïîâåðõíîñòè
îáðàçöà îñóùåñòâëÿëîñü ýëåêòðîííûì ïó÷êîì ñ ýíåðãèåé ýëåêòðîíîâ 2,5 êýÂ, ïðè ýòîì äèàìåòð ïó÷êà
ýëåêòðîíîâ ñîñòàâëÿë 0,2 ìì. Ãëóáèíà âûõîäà Îæåýëåêòðîíîâ äîñòèãàëà 8 ÷ 10 àíãñòðåì. Íà îñíîâå àíàëèçà äèôôåðåíöèàëüíûõ Îæå-ñïåêòðîâ îáðàçöîâ óñòàíîâëåí ýëåìåíòíûé ñîñòàâ ïîâåðõíîñòè ïëåíîê. Îïðåäåëåíèå äîëè sp3 ñâÿçåé àòîìîâ â ïëåíêå îñóùåñòâëÿëîñü ïî ðàñïðåäåëåíèþ ïëîòíîñòè ýëåêòðîííûõ ñîñòîÿíèé â ïëåíêå, ðàññ÷èòàííîìó îáðàùåíèåì ñàìîñâåðòêè KVV Îæå-ëèíèè óãëåðîäà.
Èññëåäîâàíèå ñòðóêòóðû òîíêèõ ïëåíîê ïðîâîäèëîñü ýëåêòðîíîãðàôè÷åñêèì ìåòîäîì ñ èñïîëüçîâàíèåì ýëåêòðîíîãðàôà “ÝÐ 100” ïðè óñêîðÿþùåì íàïðÿæåíèè 100 ê (äëèíà âîëíû ýëåêòðîíà 0,037Å) ìåòîäîì
îòðàæåíèÿ. Ìàêñèìàëüíàÿ ãëóáèíà ïðîíèêíîâåíèÿ
ïó÷êà ýëåêòðîíîâ â îáúåì îáðàçöà ñîñòàâèëà 20 ÷ 25 íì.
ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÏÀÐÀÌÅÒÐΠÏÓ×ÊÀ ÈÎÍÎÂ
Èññëåäîâàíèå ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè òîêà èîííîãî
ïó÷êà âäîëü äèàìåòðà ïó÷êà ïðîâîäèëîñü ñ öåëüþ îïðåäåëåíèÿ íåðàâíîìåðíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè
òîêà âäîëü äèàìåòðà, îáóñëàâëèâàþùåé íåðàâíîìåðíîñòü îáðàáîòêè â ïðîöåññå îñàæäåíèÿ ïëåíêè èç èîííûõ ïó÷êîâ íà íåïîäâèæíóþ ïîäëîæêó.
Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol. No 1
Íåðàâíîìåðíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè òîêà
ðàáî÷èõ ðåæèìàõ ÈÈ íà äèàìåòðå 150 ìì íå ïðåâûøàåò ±(2,5 ÷ 3) %, íà äèàìåòðå 100 ìì – ±(0,7 ÷ 1,25) %,
÷òî îáåñïå÷èâàåò íàíåñåíèå òîíêèõ ïëåíîê ñ áîëüøîé
îäíîðîäíîñòüþ íà íåïîäâèæíûå ïëàñòèíû äèàìåòðîì
äî 150 ìì.
Óñòàíîâëåíî, ÷òî îñíîâíûìè ïàðàìåòðàìè, îïðåäåëÿþùèìè ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè òîêà ïó÷êà âäîëü
äèàìåòðà ïó÷êà, ÿâëÿþòñÿ ñïîñîá ïîäà÷è è âåëè÷èíà
ïîòîêà ãàçà â ÈÈ, íàïðÿæåíèå íà ðàçðÿäå è íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ÿ÷åéêå ÈÈ. Âàðèàöèÿ âûøåíàçâàííûõ ïàðàìåòðîâ ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè òîêà ïó÷êà âäîëü äèàìåòðà ïó÷êà ðàçëè÷íîãî òèïà (âîãíóòîå, ïëîñêîå, âûïóêëîå), ïðè ýòîì
ñòåïåíü êðèâèçíû ïðîôèëÿ ðàñïðåäåëåíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ýëåêòðîôèçè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè èîííûõ
ïó÷êîâ è ñïîñîáîì íàïóñêà ãàçà â ÈÈ (ðèñ. 3).
à)
á)
Ðèñ. 3. Ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè òîêà èîíîâ ïó÷êà âäîëü
äèàìåòðà ïó÷êà: à) çàâèñèìîñòü îò òîêà ïó÷êà; á) çàâèñèìîñòü
îò íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ÿ÷åéêå ÈÈ.
Íà ðèñ. 4 ïðåäñòàâëåíû ãðàôèêè ðàñïðåäåëåíèÿ
èîíîâ ïî ýíåðãèÿì ƒ(Å) äëÿ ïó÷êîâ èîíîâ öèêëîãåêñàíà,
ïîëó÷åííûå äèôôåðåíöèðîâàíèåì êðèâûõ çàäåðæêè
èîííîãî òîêà, â ãåîìåòðèè ÈÎÑ “à2” è íàïðÿæåíèè íà
ðàçðÿäå Uð=1,7 ê ïðè ðàçëè÷íûõ ïîòîêàõ ãàçà â èñòî÷íèê. Èç ãðàôèêîâ ñëåäóåò, ÷òî èîííûé ïó÷îê õàðàêòåðèçóåòñÿ ðàçáðîñîì èîíîâ ïî ýíåðãèÿì. Äåéñòâèòåëüíî, â ÈÈ äàííîãî òèïà èîíèçàöèÿ ýëåêòðîííûì
óäàðîì ìîæåò ïðîèñõîäèòü â ëþáîì ìåñòå óñêîðÿþùåãî ïðîìåæóòêà. Ñëåäñòâèåì ýòîãî ÿâëÿåòñÿ ýíåðãåòè÷åñêèé ðàçáðîñ èîíîâ ïó÷êà, òàê êàê ýíåðãèÿ èîíà
â äàííûõ óñëîâèÿõ îïðåäåëÿåòñÿ ðàçíîñòüþ ïîòåíöèàëîâ ìåæäó ýêâèïîòåíöèàëüþ â ìåñòå “ðîæäåíèÿ” èîíà
è ïîòåíöèàëîì óñêîðÿþùåãî ýëåêòðîäà è ïîäëîæêè,
èìåþùèõ ïîòåíöèàë çåìëè. Àíàëîãè÷íûå çàâèñèìîñòè ïîëó÷åíû äëÿ âñåõ èññëåäóåìûõ âàðèàíòîâ ãåîìåò29
ÐÅÀÊÒÈÂÍÛÉ ÈÎÍÍÎ-ËÓ×ÅÂÎÉ ÑÈÍÒÅÇ ÒÎÍÊÈÕ ÏËÅÍÎÊ ÍÅÏÎÑÐÅÄÑÒÂÅÍÍÎ ÈÇ ÏÓ×ÊΠÈÎÍÎÂ
Ðèñ. 4. Ðàñïðåäåëåíèå èîíîâ ïî ýíåðãèÿì â ïó÷êå èîíîâ öèêëîãåêñàíà äëÿ ãåîìåòðèè ÈÎÑ “à2”, íàïðÿæåíèè íà ðàçðÿäå
Uð=1,7 ê è òîêàõ ðàçðÿäà 0,1 À, 0,2 À, 0,3 À.
ðèè ÿ÷åéêè â ðàçëè÷íûõ ðàáî÷èõ ðåæèìàõ äëÿ ðÿäà
èñõîäíûõ âåùåñòâ: öèêëîãåêñàí, àðãîí, êèñëîðîä [4].
Ïðîâåäåííûå ýêñïåðèìåíòû ïîçâîëèëè âûÿâèòü
ðàçëè÷èÿ â ðàñïðåäåëåíèè èîíîâ ïî ýíåðãèÿì è îñóùåñòâèòü ðàñ÷åò ñðåäíèõ ýíåðãèé èîíîâ ïó÷êà. Óñòàíîâëåíà âîçìîæíîñòü óïðàâëåíèÿ ñðåäíåé ýíåðãèåé èîíîâ
ïó÷êà â äèàïàçîíå îò 150 äî 550 ý ïîñðåäñòâîì ìîäèôèêàöèè ãåîìåòðèè ÈÎÑ (ðèñ.5).
Ðèñ.6. Çàâèñèìîñòü îòíîøåíèÿ òîêà ïó÷êà è òîêà ðàçðÿäà îò
ãåîìåòðèè ÈÎÑ äëÿ ïó÷êà èîíîâ öèêëîãåêñàíà ïðè íàïðÿæåíèÿõ íà ðàçðÿäå 1,05 êÂ, 1,7 êÂ, 2,45 êÂ.
Âåëè÷èíà ïîâåðõíîñòíîãî ïîòåíöèàëà íà äèýëåêòðèêå ìîæåò ñîñòàâëÿòü ñîòíè âîëüò, ïîâûøåíèå íàïðÿæåíèÿ íà ðàçðÿäå ïðèâîäèò ê âîçðàñòàíèþ ïîòåíöèàëà;
óâåëè÷åíèå òîêà ïó÷êà ñïîñîáñòâóåò íåéòðàëèçàöèè
çàðÿäà íà äèýëåêòðè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè ïðè íåèçìåííîì íàïðÿæåíèè íà ðàçðÿäå è ñíèæåíèþ ïîòåíöèàëà.
 ïðîöåññå òîêîâîé êîìïåíñàöèè ïîñðåäñòâîì ââåäåíèÿ â èîííûé ïó÷îê ìåäëåííûõ òåðìîýëåêòðîíîâ îñóùåñòâëÿåòñÿ íåéòðàëèçàöèÿ çàðÿäà íà ïîâåðõíîñòè
äèýëåêòðèêà (ðèñ.7).
à)
Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòü ñðåäíåé ýíåðãèè èîíîâ ïó÷êà öèêëîãåêñàíà îò ãåîìåòðèè ÈÎÑ ïðè íàïðÿæåíèÿõ íà ðàçðÿäå 1,05 êÂ,
1,7 êÂ, 2,45 êÂ.
Ñ âàðèàöèåé çîíû èîíèçàöèè ðàáî÷åãî âåùåñòâà â
óñêîðÿþùåì çàçîðå ïðè ïðåîáðàçîâàíèè ãåîìåòðèè
ÿ÷åéêè êîððåëèðóþò êàê ýíåðãåòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè, òàê è èíòåíñèâíîñòè ïó÷êîâ èîíîâ (ðèñ. 6). Ïðè óâåëè÷åíèè ðàññòîÿíèÿ ìåæäó øòûðåâûì êàòîäîì è óñêîðÿþùèì ýëåêòðîäîì (ò.å. èçìåíåíèè ïàðàìåòðà “à”)
íàáëþäàåòñÿ âîçðàñòàíèå îòíîøåíèÿ òîêà ïó÷êà è òîêà
ðàçðÿäà Iï/Ið, õàðàêòåðèçóþùåå ýôôåêòèâíîñòü ôîðìèðîâàíèÿ èîííûõ ïó÷êîâ äëÿ ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ ãåîìåòðèè ÈÎÑ. Ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ Iï/Ið ñîñòàâëÿþò
íà àðãîíå äî 60 %, íà öèêëîãåêñàíå äî 70 %, íà êèñëîðîäå äî 80 %. Èçìåíåíèå îòíîøåíèÿ òîêîâ îáóñëîâëåíî èçìåíåíèåì êàê òîêà ïó÷êà, òàê è òîêà ðàçðÿäà.
Àáñîëþòíûå çíà÷åíèÿ òîêà ïó÷êà ñîñòàâëÿþò äî 600 ìÀ
(j = 2,0 ìÀ/ñì2).
Ïðè íåîáõîäèìîñòè îáåñïå÷åíèÿ íåéòðàëèçàöèè
çàðÿäà íà ïîâåðõíîñòè ðàñòóùåé äèýëåêòðè÷åñêîé
ïëåíêè â ïðîìåæóòêå ìåæäó ÈÈ è ïîäëîæêîé óñòàíàâëèâàåòñÿ íàêàëèâàåìûé êàòîä íåéòðàëèçàöèè, êîòîðûé
â ïðîöåññå îñàæäåíèÿ äèýëåêòðè÷åñêîé ïëåíêè íåïîñðåäñòâåííî èç ïó÷êîâ èîíîâ ïîçâîëÿåò ýôôåêòèâíî
îñóùåñòâëÿòü êîìïåíñàöèþ òîêà ïó÷êà íà îáðàáàòûâàåìóþ ïîâåðõíîñòü è ïåðåêîìïåíñàöèþ íà 100 %.
30
á)
Ðèñ. 7. Çàâèñèìîñòü èîííîãî òîêà íà ïîäëîæêó (à) è ïîòåíöèàëà èçîëèðîâàííîãî ïîäëîæêîäåðæàòåëÿ (á) îò òîêà íàêàëà êàòîäà-íåéòðàëèçàòîðà â ïðîöåññå îñàæäåíèÿ äèýëåêòðè÷åñêîé ïëåíêè ïðè íàïðÿæåíèè íà ðàçðÿäå Uð=1,7 ê è òîêå ïó÷êà äî íåéòðàëèçàöèè 50 ìÀ, 100 ìÀ, 170 ìÀ.
ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÏÐÎÖÅÑÑÀ ÎÑÀÆÄÅÍÈß
È ÑÂÎÉÑÒ ÏÎËÓ×ÅÍÍÛÕ ÒÎÍÊÈÕ ÏËÅÍÎÊ
Ïðîâåäåííûå ðàíåå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè ïðèíöèïèàëüíóþ âîçìîæíîñòü íàíåñåíèÿ òîíêèõ ïëåíîê, â ÷àñòíîñòè àëìàçîïîäîáíûõ, îñàæäåíèåì èç ïó÷êà èîíîâ [5 –
8]. Â äàííîé ðàáîòå ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû íàíåñåíèÿ êàê àëìàçîïîäîáíûõ, òàê è êðåìíèéñîäåðæàùèõ
óãëåðîäíûõ ïîêðûòèé, ïîëó÷åííûõ èç ïó÷êîâ èîíîâ
õèìè÷åñêè ñëîæíûõ âåùåñòâ [9].
Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol. 1, No 1
Ê.À. Âàëèåâ, Þ.Ï. Ìàèøåâ, Ñ.Ë. Øåâ÷óê
Íà ðèñ. 8 ïðèâåäåíû ñêîðîñòè îñàæäåíèÿ ÀÏÏ èç
ïó÷êîâ èîíîâ öèêëîãåêñàíà è àöåòîíà. Ïîëó÷åííûå çàâèñèìîñòè èìåþò ëèíåéíûé õàðàêòåð è ìîãóò áûòü îïèñàíû âûðàæåíèåì: Vîñ≈ Êò× jï, ãäå Êò – òåõíîëîãè÷åñêèé êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè; jï – ïëîòíîñòü
òîêà ïó÷êà èîíîâ.
à)
á)
Ðèñ. 8 Ñêîðîñòü îñàæäåíèÿ àëìàçîïîäîáíîé ïëåíêè èç ïó÷êîâ
èîíîâ öèêëîãåêñàíà (à) è àöåòîíà (á).
Òåõíîëîãè÷åñêèé êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè Ê ò çàâèñèò, ãëàâíûì îáðàçîì, îò ñîñòàâà ìîëåêóëû ðàáî÷åãî âåùåñòâà, à òàêæå íàïðÿæåíèÿ íà ðàçðÿäå
â ïðîöåññå îñàæäåíèÿ.
 ðàññìàòðèâàåìîì äèàïàçîíå ýíåðãèé èîíîâ ñêîðîñòü íàíåñåíèÿ òîíêèõ ïëåíîê îïðåäåëÿåòñÿ ïëîòíîñòüþ òîêà ïó÷êà è ñîñòàâîì èîíà è ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñèò îò ýíåðãèè èîíîâ (íå áîëåå 10 %) (òàáë. 2). ÑëåäîâàÒàáëèöà 2
Ñêîðîñòè ïðîöåññîâ îñàæäåíèÿ òîíêèõ ïëåíîê
ìåòîäîì ÐÈËÑ.
Ñêîðîñòü îñàæäåíèÿ Vîñ, àíãñòðåì/ìèí.
(ïëîòíîñòü òîêà ïó÷êà 1ìÀ/ñì2)
Ïëåíêà:
Ðàáî÷åå âåùåñòâî
Up = 1,05 êÂ
Up =1,7 êÂ
Up =2,45 êÂ
1070
980
900
Àöåòîí
475
450
375
Ïðîïàíîë
450
360
340
SiC N : ÃÌÄÑ
2800
2600
2300
SiC O : ÂÒÌÎÑ
2300
2000
1800
SiO 2 : ÂÒÌÎÑ+Î2
900
-
-
ÀÏÏ:
Öèêëîãåêñàí
òåëüíî, ïðåäëàãàåìûé ìåòîä íàíåñåíèÿ ïîêðûòèÿ ïîçâîëÿåò êîíòðîëèðîâàòü ñêîðîñòü îñàæäåíèÿ íåïîñðåäÔ²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol. No 1
ñòâåííûì èçìåðåíèåì ïëîòíîñòè òîêà ïó÷êà íà ïîäëîæêó. Ýíåðãåòè÷åñêàÿ çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè îñàæäåíèÿ ïëåíêè ïîçâîëÿåò ñ÷èòàòü, ÷òî ïîâûøåíèå ýíåðãèè
èîíîâ ñâûøå 500 ýÂ ÿâëÿåòñÿ íåæåëàòåëüíûì.
Èññëåäîâàíèå ñâîéñòâ òîíêèõ ïëåíîê, ïðîâåäåííîå
ñîâîêóïíîñòüþ ìåòîäîâ, ïîêàçàëî çàâèñèìîñòü
ñâîéñòâ ïëåíêè îò ýíåðãèè è èíòåíñèâíîñòè èîíîâ
ïó÷êà â ïðîöåññå îñàæäåíèÿ. Îïòè÷åñêàÿ øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû Åg àëìàçîïîäîáíûõ ïëåíîê çàâèñèò
îò ïëîòíîñòè ìîùíîñòè â ïðîöåññå îñàæäåíèÿ, ïðè÷åì
â äèàïàçîíå ðàáî÷èõ ðåæèìîâ ïîëó÷åíû ÀÏÏ, õàðàêòåðèçóþùèåñÿ îïòè÷åñêîé øèðèíîé çàïðåùåííîé
çîíû â èíòåðâàëå 0,8÷1,5 ýÂ. Óâåëè÷åíèå ïëîòíîñòè
ìîùíîñòè ñîïðîâîæäàåòñÿ ñíèæåíèåì Åg, êîòîðîå
îáóñëîâëåíî èçìåíåíèåì ñòðóêòóðû ãðàôèòîâîãî
êëàñòåðà. Êðåìíèéñîäåðæàùèå óãëåðîäíûå ïîêðûòèÿ
îáëàäàþò áîëåå âûñîêîé ïðîçðà÷íîñòüþ â äèàïàçîíå
äëèí âîëí 0,3÷0,62 ìêì, ÷åì ÀÏÏ. Ïðè ýòîì èçìåíåíèå
îïòè÷åñêèõ ïîêàçàòåëåé êðåìíèéñîäåðæàùèõ óãëåðîäíûõ ïëåíîê â çàâèñèìîñòè îò ýíåðãèè èîíîâ ñîñòàâèëî: îïòè÷åñêàÿ øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû
Åg=1,8÷2,4 ýÂ, ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ n = 1,75÷2,4,
êîýôôèöèåíòû ýêñòèíöèè Ê = 0,01÷0,2.
Ýëåêòðîíîãðàôè÷åñêèì ìåòîäîì ïîêàçàíà àìîðôíàÿ ñòðóêòóðà ïîëó÷åííûõ òîíêèõ ïëåíîê (ðèñ.9).
Ðèñ. 9 Òèïè÷íàÿ ýëåêòðîíîãðàììà àëìàçîïîäîáíîé ïëåíêè,
ïîëó÷åííîé îñàæäåíèåì íåïîñðåäñòâåííî èç ïó÷êîâ èîíîâ.
Ìåòîäîì Îæå-ñïåêòðîñêîïèè óñòàíîâëåíî, ÷òî
ïëåíêè, ïîëó÷åííûå îñàæäåíèåì èç ïó÷êîâ èîíîâ óãëåðîäîâ (öèêëîãåêñàí, àöåòîí, ïðîïàíîë), ÿâëÿþòñÿ àëìàçîïîäîáíûìè, ïðè÷åì äîëÿ òåòðàãîíàëüíûõ ñâÿçåé
àòîìîâ óãëåðîäà ñîñòàâëÿåò äî 70 àò. % (ðèñ. 10). Øèðèíà è ïîëîæåíèå (272 ýÂ) Îæå-ïèêà ñîîòâåòñòâóþò àìîðôíîìó óãëåðîäó. Îòæèã àëìàçîïîäîáíûõ îáðàçöîâ ïðè
òåìïåðàòóðå 1050°Ñ â àòìîñôåðå àðãîíà ïðèâîäèò ê
îáðàçîâàíèþ òâåðäûõ ñëîåâ ñ äîëåé π–ñâÿçåé â ïëåíêå
äî 100 %.
Óâåëè÷åíèå ïëå÷à â ðàñïðåäåëåíèè ïëîòíîñòè
ýëåêòðîííûõ ñîñòîÿíèé â îòîææåííîì îáðàçöå â äèàïàçîíå 5 ÷ 10 ý óêàçûâàåò íà âîçðàñòàíèå äîëè π–
ñâÿçåé â ïëåíêå.
Ìåòîäîì ÈÊ-ñïåêòðîñêîïèè óñòàíîâëåí ôàçîâûé
ñîñòàâ ïîëó÷åííûõ òîíêèõ ïëåíîê.  ñïåêòðàõ àëìàçîïîäîáíûõ ïëåíîê íàáëþäàþòñÿ:
ïîëîñû íà 2870 ñì–1 è 2960 ñì–1 ñîîòâåòñòâóþò âàëåíòíûì ñèììåòðè÷íûì è íåñèììåòðè÷íûì êîëåáàíèÿì
Ñ-Í ñâÿçåé â ãðóïïàõ sp3 ÑÍ3;
ïîëîñà íà 2925 ñì–1 ñîîòâåòñòâóåò íåñèììåòðè÷íûì
êîëåáàíèÿì Ñ-Í ñâÿçåé â ãðóïïàõ sp3 ÑÍ2;
ïîëîñû íà 3000 ñì–1 è 3045 ñì–1 ñîîòâåòñòâóþò âàëåíòíûì êîëåáàíèÿì îëèôàòè÷åñêèõ è àðîìàòè÷åñêèõ sp2ÑÍ ãðóïï ñîîòâåòñòâåííî;
ïîëîñû íà 1375 ñì–1 è 1450 ñì–1 ñîîòâåòñòâóþò ñèììåòðè÷íûì è íåñèììåòðè÷íûì äåôîðìàöèîííûì êîëåáàíèÿì ñâÿçåé Ñ-Í â ãðóïïàõ sp3CÍ3;
31
ÐÅÀÊÒÈÂÍÛÉ ÈÎÍÍÎ-ËÓ×ÅÂÎÉ ÑÈÍÒÅÇ ÒÎÍÊÈÕ ÏËÅÍÎÊ ÍÅÏÎÑÐÅÄÑÒÂÅÍÍÎ ÈÇ ÏÓ×ÊΠÈÎÍÎÂ
 òàáë. 3 ïðåäñòàâëåíû ñëåäóþùèå ïàðàìåòðû
òîíêèõ ïëåíîê, ïîëó÷åííûõ îñàæäåíèåì èç ïó÷êîâ
èîíîâ ïðè ðàçëè÷íîé ïëîòíîñòè ìîùíîñòè Ei: ôàçîâûé ñîñòàâ: äîëÿ àòîìîâ óãëåðîäà ñ sp3 ãèáðèäèçàöèåé
ñâÿçåé; îïòè÷åñêàÿ øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû Eg (çîíà
Òàóöà); ñêîðîñòü ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè V; ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ n; êîýôôèöèåíò ýêñòèíêöèè Ê.
à)
á)
Ðèñ. 10 Äèôôåðåíöèàëüíûé Îæå–ñïåêòð (à) è ðàñïðåäåëåíèå
ïëîòíîñòè ýëåêòðîííûõ ñîñòîÿíèé (á) äëÿ àëìàçîïîäîáíîãî
îáðàçöà Ö1 äî (ñïëîøíàÿ ëèíèÿ) è ïîñëå (ïóíêòèðíàÿ ëèíèÿ)
îòæèãà ïðè òåìïåðàòóðå 1050° Ñ â àðãîíå â òå÷åíèè 60 ìèíóò.
ÏÐÀÊÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÏÐÈÌÅÍÅÍÈÅ ÌÅÒÎÄÀ ÐÈËÑ
Óñòàíîâëåíî, ÷òî îïòè÷åñêèå ïàðàìåòðû êðåìíèéñîäåðæàùèõ óãëåðîäíûõ ïëåíîê óäîâëåòâîðÿþò òðåáîâàíèÿì ê
ïðîñâåòëÿþùèì ïîêðûòèÿì, à èìåííî:
âûñîêèé ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ (n ≥ 2);
øèðîêàÿ îïòè÷åñêàÿ çîíà (Eg ≈ 2,5 ýÂ);
íèçêèé êîýôôèöèåíò ýêñòèíêöèè;
íèçêàÿ ñêîðîñòü ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè.
Àíàëèç îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ êðåìíèéñîäåðæàùèõ
ïëåíîê ïîêàçàë, ÷òî íàèáîëåå ýôôåêòèâíûì äëÿ ïðîñâåòëåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå òîíêèõ ïëåíîê, ïîëó÷åííûõ
îñàæäåíèåì èç ïó÷êîâ èîíîâ ÂÒÌÎÑ. Ïðè ýòîì çàïûëåíèå òûëüíîé ñòîðîíû ñîëíå÷íîãî ýëåìåíòà ïëåíêîé
èç ïó÷êà èîíîâ ÂÒÌÎÑ ïðè ñðåäíåé ýíåðãèè èîíîâ
500 ý è ïëîòíîñòè òîêà j = 0,45 ìÀ/ñì2 (ñâîéñòâà ïîêðûòèÿ:îïòè÷åñêàÿ øèðèíà çàïðåùåííîé çîíû
Eg=2,35 ýÂ, ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ n = 2,4, êîýôôèöèåíò ýêñòèíêöèè Ê = 0,01 ÷ 0,2, ñêîðîñòü ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè v = 600 ñì/ñ) ïîâûñèëî ñïåêòðàëüíóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ýëåìåíòà â îáëàñòè 0,4 ÷ 1,0 ìêì
äî 60 %.
Íà ðèñ.11 ïðåäñòàâëåíà ñïåêòðàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ñîëíå÷íîãî ýëåìåíòà Ô ñ íåïðîñâåòëåííîé ïîâåðõíîñòüþ (1) è ñ íàíåñåííîé ïðîñâåòëÿþùåé ïëåíêîé (2),
îñàæäåííîé èç ïó÷êîâ èîíîâ ÂÒÎÌÑ, ïðè åãî îñâåùåíèè
ñ îáðàòíîé ñòîðîíû. Ñëåäóåò ó÷èòûâàòü, ÷òî çà ñ÷åò
ïðîñâåòëåíèÿ ìàêñèìàëüíîå âîçðàñòàíèå ñèãíàëà íå ìîæåò ïðåâûøàòü 40 %.
ïîëîñà íà ≈1600 ñì–1 ñîîòâåòñòâóåò äâîéíûì Ñ = Ñ
ñâÿçÿì.
Òîíêèå ïëåíêè, ïîëó÷åííûå îñàæäåíèåì èç ïó÷êîâ
èîíîâ êðåìíèéîðãàíè÷åñêèõ ìîíîìåðîâ, ÿâëÿþòñÿ
ìíîãîêîìïîíåíòíûìè ïîêðûòèÿìè, îñíîâó êîòîðûõ
ñîñòàâëÿåò Si-C ìàòðèöà.  çàâèñèìîñòè îò òèïà ïðèìåíÿåìîãî êðåìíèéîðãàíè÷åñêîãî ìîíîìåðà îáðàçóþòñÿ îêñèêàðáèä êðåìíèÿ èëè êàðáîíèòðèä êðåìíèÿ. ÈÊñïåêòðû îáðàçöîâ SiCN-ïîêðûòèé ñîäåðæàò øèðîêóþ
ïîëîñó â îáëàñòè 700÷1000 ñì–1, êîòîðàÿ ñîîòâåòñòâóåò
êîëåáàíèÿì ñâÿçåé Si-C (740 ñì –1), Si C â Si (CH2)n-Si (800
÷820 ñì–1), SiH (860 ÷870 ñì–1) è Si-N (900 ÷1000 ñì–1). ÈÊñïåêòðû îáðàçöîâ SiCO-ïîêðûòèé ñîäåðæàò øèðîêóþ ïîëîñó â îáëàñòè 700÷900 ñì–1, êîòîðàÿ ñîîòâåòñòâóåò êîëåáàíèÿì ñâÿçåé Si-C, Si - CHn ãðóïï (720 ÷850 ñì–1) è Si-H
ñì–1, ñîîòâåòñòâóþùóþ ñèëîêñàíîâîé Si-O-Si ôàçå, ñâÿçàííîé ñ îðãàíè÷åñêèìè ãðóïïàìè Si-(CH3)n, Si-(CH2)-Si. Ðèñ.11. Ñïåêòðàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ýëåìåíòà Ô ñîëíå÷íîé
(1) áåç ïðîñâåòëÿþùåãî ïîêðûòèÿ; (2) ñ ïðîñâåòëÿþÑâîéñòâà ïîëó÷åííûõ òîíêèõ ïëåíîê (ÀÏÏ, SCNH, áàòàðåè:
ùèì ïîêðûòèåì ÑËÍ2.
SiCÎH) îáîáùåíû â òàáë. 3.
Òàáëèöà 3
Ñâîéñòâà àëìàçîïîäîáíûõ è êðåìíèéñîäåðæàùèõ òîíêèõ ïëåíîê, ïîëó÷åííûõ îñàæäåíèåì
èç ïó÷êîâ èîíîâ ìåòîäîì ÐÈËÑ.
Ïëåíêà
Ñîñòàâ
sp CHn
3
a–C:H
SiCO(H)
SiCN(H)
32
sp2CHn
sp2C = C
SiC
SiOSi
Si(CHx)y
SiHn
SiC
SixNy
Si(CHx)y
SiHn
Ei, Âò/ñì2
SP3, %
0,015
0,075
0,014
0,028
0,014
0,028
Eg, ýÂ
1,5
äî 70
75
75 (5% îá )
0,9
n
2,3 – 2,5
2,1
1,8
2,35
2,4
2,4
2,1
1,8
1,8
K
0,1– 0,9
0,01– 0,2
0,01– 0,2
V, ñì/ñ
–
–
–
600
1500
–
Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol. 1, No 1
Ê.À. Âàëèåâ, Þ.Ï. Ìàèøåâ, Ñ.Ë. Øåâ÷óê
Ïîâûøåíèå ÷óâñòâèòåëüíîñòè ýëåìåíòà ñâûøå 40 %
ñâÿçàíî ñî ñíèæåíèåì ñêîðîñòè ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè íà ãðàíèöå ðàçäåëà, êîòîðàÿ äëÿ SiCOH ïëåíêè
ñîñòàâëÿåò 600 ñì/ñ (ñì. òàáëèöà 3), â îòëè÷èè îò èñïîëüçóåìîãî â íàñòîÿùåå âðåìÿ â òåõíîëîãèè ñîëíå÷íûõ
ýëåìåíòîâ ïîêðûòèÿ ZnS, äëÿ êîòîðîãî ñêîðîñòü ïîâåðõíîñòíîé ðåêîìáèíàöèè ñîñòàâëÿåò 1300 ñì/ñ.
Ñòðîãàÿ íàïðàâëåííîñòü èîííîãî ïó÷êà ìîæåò ýôôåêòèâíî èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ íàíåñåíèÿ òîíêîïëåíî÷íîãî ïîêðûòèÿ íåïîñðåäñòâåííî èç ïó÷êîâ èîíîâ íà
ïîâåðõíîñòè âûñîêîàñïåêòíûõ óãëóáëåíèé.
Íà ðèñ. 12 ïðåäñòàâëåíû òåñòîâûå ñòðóêòóðû ñ
íàíåñåííîé òîíêîé ïëåíêîé, îñàæäåííîé èç ïó÷êîâ
èîíîâ ÂÒÎÌÑ. Ïîëó÷åííûé ðåçóëüòàò îáóñëàâëèâàåò
ïðèíöèïèàëüíóþ âîçìîæíîñòü ôîðìèðîâàíèÿ áàðüåðíûõ ñëîåâ äëÿ ìíîãîóðîâíåâîé ìåòàëëèçàöèè ÓÁÈÑ.
Ðèñ.12 Ôîòîãðàôèÿ êàíàâêè ñ àñïåêòíûì îòíîøåíèåì À=3
(øèðèíà è ãëóáèíà êàíàâêè 0,7×2 ìêì) ñ íàíåñåííîé òîíêîé
ïëåíêîé, îñàæäåííîé èç ïó÷êîâ èîíîâ ÂÒÎÌÑ
ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ
 ðåçóëüòàòå ïðîâåäåííûõ èññëåäîâàíèé ïîêàçàíî, ÷òî
ìåòîä ðåàêòèâíîãî èîííî-ëó÷åâîãî ñèíòåçà òîíêèõ
ïëåíîê (ÐÈËÑ) äåéñòâèòåëüíî ðàñøèðÿåò òåõíîëîãè÷åñêèå âîçìîæíîñòè ïðîöåññîâ îñàæäåíèÿ òîíêèõ
ïëåíîê. Òàê ïîêàçàíî, ÷òî êîíòðîëèðóåìîå èçìåíåíèå
ýíåðãèè îñàæäàåìûõ íà ïîäëîæêó èîíîâ ïó÷êà
ïîçâîëÿåò ïðè èñïîëüçîâàíèè îäíîãî è òîãî æå ðàáî÷åãî âåùåñòâà óïðàâëÿòü îïòè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè
ìíîãîêîìïîíåíòíûõ òîíêèõ ïëåíîê – îïòè÷åñêîé
çàïðåùåííîé çîíîé, ïîêàçàòåëÿìè ïðåëîìëåíèÿ è
ïîãëîùåíèÿ.
Âîçìîæíîñòü çàïîëíåíèÿ êàíàâîê â ñòðóêòóðàõ ñ
áîëüøèì àñïåêòíûì îòíîøåíèåì ñâèäåòåëüñòâóåò î
íàïðàâëåííîñòè èîííîãî ïó÷êà.
Ïðàêòè÷åñêè ëèíåéíàÿ çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè
îñàæäåíèÿ îò ïëîòíîñòè òîêà ïó÷êà ïîçâîëÿåò ñ âûñîÐÅÀÊÒÈÂÍÈÉ ²ÎÍÍÎ-ÏÐÎÌÅÍÅÂÈÉ ÑÈÍÒÅÇ
ÒÎÍÊÈÕ Ï˲ÂÎÊ ÁÅÇÏÎÑÅÐÅÄÍÜÎ
Ç ÏÓ×ʲ ²ÎͲÂ
Ê.À. Âà볺â, Þ.Ï. Ìà³øåâ, Ñ.Ë. Øåâ÷óê
Ïðîâåäåíî êîìïëåêñíå äîñë³äæåííÿ ðîçðîáëåíîãî ìåòîäó
ðåàêòèâíîãî ³îííî-ïðîìåíåâîãî ñèíòåçó (вÏÑ) òîíêèõ ïë³âîê áåçïîñåðåäíüî ³ç ïó÷ê³â ³îí³â õ³ì³÷íèõ ðå÷îâèí ñêëàäíî¿
ñòðóêòóðè. ßê äæåðåëî ³îí³â (IJ) âèêîðèñòîâóâàëîñÿ áàãàòîïó÷êîâå äæåðåëî “Ðàäèêàë-Ì250” ³ç çàìêíóòèì äðåéôîì
åëåêòðîí³â òà õîëîäíèì êàòîäîì. Êåðóâàííÿ åíåð㳺þ ³îí³â
ïó÷êà â ïðîöåñ³ îñàäæåííÿ, ùî º îäí³ºþ ³ç ïåðåâàã ìåòîäó,
äîçâîëèëî ñôîðìóâàòè òîíêîïë³âêîâ³ ïîêðèòòÿ ç ð³çíèìè
âëàñòèâîñòÿìè ³ç ïó÷ê³â ³îí³â ò³º¿ æ ðå÷îâèíè. Äîñë³äæåííÿ
âëàñòèâîñòåé òîíêèõ ïë³âîê çä³éñíþâàëîñÿ ñóêóïí³ñòþ
ìåòîä³â: åë³ïñîìåòð³ÿ, ñïåêòðîôîòîìåòð³ÿ, ²× ³ Îæå-ñïåêòðîìåòð³ÿ, åëåêòðîíîãðàô³ÿ. Ïîêàçàíî çàëåæí³ñòü îïòè÷íèõ
âëàñòèâîñòåé îòðèìàíèõ àëìàçîïîä³áíèõ ³ êðåìí³éì³ñòêèõ
òîíêèõ ïë³âîê â³ä ïàðàìåòð³â ïó÷ê³â ³îí³â ó ä³àïàçîí³ çì³íè
ñåðåäíüî¿ åíåð㳿 ³îí³â, ùî îñàäæóþòüñÿ, 150 ÷ 550 åÂ.
Ïðîäåìîíñòðîâàíî ïðàêòè÷í³ çàñòîñóâàííÿ ìåòîäó вÏÑ.
Ô²Ï ÔÈÏ PSE, 2003, òîì 1, ¹ 1, vol. No 1
êîé òî÷íîñòüþ êîíòðîëèðîâàòü ïðîöåññ íàíåñåíèÿ
ïîêðûòèÿ è îáùåå êîëè÷åñòâî îñàæäàåìîãî âåùåñòâà.
Âûñîêàÿ ñêîðîñòü îñàæäåíèÿ äèýëåêòðè÷åñêèõ
ïëåíîê èç ïó÷êîâ èîíîâ îòêðûâàåò øèðîêèå ïåðñïåêòèâû âíåäðåíèÿ ìåòîäà ÐÈËÑ è èîííûõ èñòî÷íèêîâ ñ
çàìêíóòûì äðåéôîì ýëåêòðîíîâ â êëàñòåðíûå ñèñòåìû
ïðîìûøëåííîãî íàçíà÷åíèÿ.
Àâòîðû âûðàæàþò áëàãîäàðíîñòü Ôîíäó ñîäåéñòâèÿ îòå÷åñòâåííîé íàóêè çà áëàãîðîäíóþ è ýôôåêòèâíóþ ïîääåðæêó íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèõ ðàáîò.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
1. Ìàèøåâ Þ.Ï. Èñòî÷íèêè èîíîâ è èîííî-ëó÷åâîå îáîðóäîâàíèå äëÿ íàíåñåíèÿ è òðàâëåíèÿ ìàòåðèàëîâ//Âàêóóìíàÿ òåõíèêà è òåõíîëîãèÿ. – 1992.–Ò.2, ¹ 4. – Ñ.53–
58.
2. Ìàèøåâ Þ.Ï. Èñòî÷íèêè èîíîâ äëÿ ðåàêòèâíîãî èîííî-ëó÷åâîãî òðàâëåíèÿ è íàíåñåíèÿ ïëåíîê.// Ýëåêòðîííàÿ ïðîìûøëåííîñòü.–1990.– ¹5.–Ñ.15-18.
3. Âàëèåâ Ê.À., Âåëèêîâ Ë.Â., Ìàèøåâ Þ.Ï., Òåðåíòüåâ Þ.Ï. Ôèçè÷åñêèå ïðèíöèïû ôîðìèðîâàíèÿ ïó÷êîâ
èîíîâ õèìè÷åñêè àêòèâíûõ ãàçîâ â èñòî÷íèêàõ èîíîâ,
ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ òðàâëåíèÿ è íàíåñåíèÿ ïëåíîê//
Èîííî-ëó÷åâàÿ îáðàáîòêà ìàòåðèàëîâ â ìèêðî- è íàíîýëåêòðîíèêå. Òðóäû ÔÒÈÀÍ Ò.15.– Ì.: Íàóêà. Ôèçìàòëèò. –1990.– Ñ.18–26.
4. Ìàèøåâ Þ.Ï., Øåâ÷óê Ñ.Ë. Èîííî-ëó÷åâàÿ òåõíîëîãèÿ äëÿ îñàæäåíèÿ è òðàâëåíèÿ àëìàçîïîäîáíûõ ïëåíîê//Òðóäû Õ Ìåæäóíàðîäíîãî ñèìïîçèóìà “Òîíêèå
ïëåíêè â ýëåêòðîíèêå”.– ßðîñëàâëü (Ðîññèéñêàÿ Ôåäåðàöèÿ). – 1999.- Ñ. 84–92.
5. Enisherlova K.L., Kontsevoy Y.A., Maishev Y.P., Mitrofanov E.A. Diamond-like carbon and SiC films obtained by
the industrial system equipped by the ion source with a
cold cathode//Spring Meeting Materials Research Society.–
San Francisco (USA).– 1995.– P. 188– 190.
6. Enisherlova K.L., Kontsevoy Y.A., Chevyakova E.N.,
Maishev Y.P., Mitrofanov E.A. Investigation of diamondlike carbon films produced directly from ion beam on industrial source with a cold cathode.// Materials Science and
Engineering. –1997. – Vol. B46.– P. 137 – 140.
7. Âàëèåâ Ê.À., Âåëèêîâ Ë.Â., Ìàèøåâ Þ.Ï., Ìèòðîôàíîâ Å.À., Òåðåíòüåâ Þ.Ï. Èññëåäîâàíèå àëìàçîïîäîáíûõ ïëåíîê, îñàæäåííûõ íåïîñðåäñòâåíî èç ïó÷êîâ
èîíîâ//Èîííî-ëó÷åâàÿ îáðàáîòêà ìàòåðèàëîâ â ìèêðîè íàíîýëåêòðîíèêå. Òðóäû ÔÒÈÀÍ. Ò.15. –Ì.: Íàóêà.
Ôèçìàòëèò.– 1990.– Ñ.27-32.
8. Ìàèøåâ Þ.Ï., Øåâ÷óê Ñ.Ë. Îñàæäåíèå àëìàçîïîäîáíûõ ïëåíîê èç ïó÷êîâ èîíîâ óãëåðîäñîäåðæàùèõ âåùåñòâ//Òðóäû VI Ìåæäóíàðîäíîé êîíôåðåíöèè
“Ïëåíêè è ïîêðûòèÿ”. - Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, (Ðîññèéñêàÿ
Ôåäåðàöèÿ). – 2001.– Ñ. 176 – 180.
9. Ìàèøåâ Þ.Ï., Øåâ÷óê Ñ.Ë., Êàëüíîâ Â.À., Àâåðè÷êèí Ï.À. Ñèíòåç òîíêèõ ïëåíîê èç ïó÷êà èîíîâ êðåìíèéîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé//Òåçèñû Âñåðîññèéñêîé
íàó÷íî-òåõíè÷åñêîé êîíôåðåíöèè “Ìèêðî- è íàíîýëåêòðîíèêà-2001”. – Çâåíèãîðîä (Ðîññèéñêàÿ Ôåäåðàöèÿ). – 2001.– Ñ. 1 – 43.
REACTIVE ION-BEAM SYNTHESIS OF THIN FILMS
DIRECTLY FROM ION BEAM
K.A. Valiev, Yu.P. Maishev, S.L. Shevchuk
Investigation of the designed method of reactive ion-beam syntheses (RIBS) of thin films directly from complex chemical compound ion beams was carried out. As ion beam source was used
multibeam ion source with cold cathode and closed driftage electrons “Radical–M250”. Control of ion beam energy being one of
the advantages of the method has allowed to form thin film
coatings with different characteristics from ion beam of one and
same material. The film property investigation was realized by
collection of the methods: IR Fourier spectroscopy, ellipsometry,
AES, PES, XPS. The dependency of optical characteristics of
obtained diamond-like and silicon containing thin films from ion
beam parameters within the range of the change medium ion
energy 150÷550 eV is found. Practical application of the method
RIBS are demonstrated.
33