Плазменные источники химически активных ионов на основе разряда с полым катодом для обработки функциональных слоев микроплат

Шевченко, Евгений Федорович

Плазменные источники химически активных ионов на основе разряда с полым катодом для обработки функциональных слоев микроплат тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Шевченко, Евгений Федорович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ставрополь МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.13 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Плазменные источники химически активных ионов на основе разряда с полым катодом для обработки функциональных слоев микроплат»

Автореферат диссертации на тему "Плазменные источники химически активных ионов на основе разряда с полым катодом для обработки функциональных слоев микроплат"

На правах рукописи

'{ААлігллшо

Шевченко Евгений Федорович

ПЛАЗМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ИОНОВ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СЛОЕВ МИКРОПЛАТ

01.04.13 - электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 ОКТ 2012

Екатеринбург 2012 г.

005053285

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Кавказский федеральный университет»

доктор технических наук, доцент Мартене Владимир Яковлевич

доктор физико-математических наук, профессор Никулин Сергей Павлович

доктор технических наук, лауреат государственной премии России, профессор Ремпе Николай Гербертович

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие «Исток», г. Фрязино.

Защита диссертации состоится « 23 » октября 2012 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 004.024.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте электрофизики Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 106.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института электрофизики Уральского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан « 2/ » 2012 г.

Заверенные печатью учреждения отзывы просим направлять по адресу: Институт электрофизики УрО РАН, 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 106

Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор .---

физико-математических наук —' Сюткин Николай Николаевич

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Газоразрядная плазма и пучки заряженных частиц широко применяются в качестве «инструментов» для управления свойствами поверхности и обеспечения устойчивого воспроизведения размеров в нанометровом диапазоне в технологиях создания электронной компонентной базы, входящих в перечень критических технологий РФ.

Традиционные методы обработки поверхности плазмой в реакторах с ВЧ генератором или магнетроном не всегда позволяют добиться требуемого результата. Это связано с недостаточной энергией ионов для проведения глубокой очистки или иммерсионной имплантации; трудностями при обработке рельефной поверхности при наличии областей затененности, канавок, выступов; узким диапазоном независимой регулировки энергии и плотности тока ионов, необходимой для эффективного управления характеристиками напыляемых покрытий.

Указанных недостатков лишены плазменные источники ионов (ИИ). С помощью внешних источников электропитания независимо регулируются энергия и плотность тока ионов, что позволяет контролировать скорость и результаты обработки. Пучки ионов направляются под заданным углом к поверхности, благодаря чему осуществляется быстрая обработка заданного профиля даже при наличии рельефа и областей затененности. ИИ портативны и малогабаритны, благодаря чему их можно использовать на большинстве промышленных вакуумных установок. Возможность обработки лучом сепарированных ионов определенной массы - другое важное достоинство ионно-лучевых систем.

Генерация эмитирующей плазмы в ИИ может осуществляться с помощью различных разрядов. Для технологических ИИ одним из наиболее перспективных является низковольтный отражательный разряд с полым катодом.

В современных технологиях ясно прослеживается тенденция перехода к химически активным плазмообразующим газам. Использование этих газов в ИИ позволяет сочетать физическое и химическое воздействие испускаемых плазмой частиц на поверхность, что позволяет снизить на 1-2 порядка ускоряющие напряжения и расширить спектр технологических возможностей источников. Среди наиболее привлекательных возможностей можно выделить очистку подложек, синтез и модификацию пленок под непосредственным воздействием активных частиц, испускаемых плазменным источником. Таким образом, плазменные источники химически активных ионов являются перспективным оборудованием для создания тонкопленочных микроплат.

резистивные, сенсорные слои). Кроме того, существует проблема, связанная с отсутствием возможности полноценного, двухкоординатного управления распределением плотности тока по сечению пучка. Данная проблема вызывает зависимость энергетической эффективности ИИ от конструктивных особенностей конкретной вакуумной установки, и, как следствие, в ряде случаев наблюдается снижение производительности устройства.

В соответствии с вышеизложенным, целью диссертационной работы является исследование и разработка плазменных источников химически активных ионов на основе разряда с полым катодом, отвечающих современным требованиям их применения в технологиях обработки функциональных слоев микроплат. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать отражательный разряд с полым катодом при напуске органических соединений.

2. Исследовать ИИ с пучком большого сечения на основе двухступенчатого разряда с полым катодом, выявить оптимальные геометрические и электрофизические параметры его работы; разработать для этого ИИ систему управления распределением плотности тока по сечению пучка по двум координатам.

3. Исследовать ионную очистку подложек тонкопленочных микроплат как альтернативу многостадийной химической очистке.

4. Разработать технологии синтеза и модификации защитных и резистивных пленок и тонкопленочных структур углерода на подложках из различных материалов с помощью ускоренных пучков химически активных частиц.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Исследованы физические процессы, определяющие стабильность работы отражательного разряда с полым катодом при напуске органических соединений, а также энергетические спектры выходящих из разряда ионов.

2. Исследован источник с пучком большого сечения на основе двухступенчатого разряда. Выявлены два возможных режима горения основного объемного разряда: разряд с плазменным катодом и разряд с полым катодом. Выявлены оптимальные геометрические параметры разрядной камеры и параметры горения разряда для обоих режимов. Исследовано распределение тока объемного разряда по электродам и их частям вдоль оси. Установлены условия перехода в режим объемного разряда с полым катодом разрядной камеры. В режиме объемного разряда с полым катодом отмечено существенное сокращение потребляемой мощности.

3. Показана возможность управления распределением плотности тока по сечению пучка ионов сразу по двум полярным координатам: как по радиусу, так и по углу, за счет регулировки токов вспомогательного и основного анодов, угла наклона электродов составного основного анода и их потенциалов.

4. Предложена и автоматизирована новая методика определения высоких значений (свыше 5 МПа) адгезионной прочности твердых пленок.

5. Исследован синтез пленок углерода с различными характеристиками непосредственно с помощью источника ионов органических соединений на

основе отражательного разряда с полым катодом. Предложен новый способ синтеза пленок при попеременном ускорении на подложку химически активных ионов и электронов за счет низкочастотного (50 Гц) синусоидального переменного ускоряющего напряжения. Установлено, что модификация синтезированных пленок лучом химически активных ионов С+ позволяет сохранить элементный состав облученных областей и толщину (изменение толщины не более 15 %) при падении поверхностного сопротивления до нескольких Ом/п.

Научная и практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что:

1. Научные положения и выводы, сделанные на основе проведенных исследований, вносят существенный вклад в понимание особенностей генерации плазмы и пучков заряженных частиц в источниках на основе разряда с полым катодом в химически активных газах.

2. Разработано 4 плазменных источника заряженных частиц. Источники отличаются конструкцией, назначением, основными рабочими параметрами, дополнительными возможностями. Для увеличения времени непрерывной работы и тока пучка извлекаемых ионов при напуске углеводородов разработан источник с графитовым «самоочищающимся» магнетронно-распылительным элементом (МРЭ) катода, а также теплоизолированным самонакаливаемым МРЭ специальной конструкции для загрузки и ионизации дополнительных рабочих веществ, отличных от графита и имеющих более низкую температуру плавления. Разработаны источники с пучком большого сечения на основе двухступенчатого разряда с улучшенным управлением распределением плотности тока по сечению пучка, со сниженными энергозатратами.

3. Показана перспективность использования разработанных источников для очистки подложек микроплат СВЧ ГИС, а также для синтеза и литографии функциональных слоев микроплат на основе углерода.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1.В процессе непрерывной работы отражательного разряда с полым катодом при давлении углеводорода р > 1,5 Па (поток газа £> > 2,5 м3*мПа/с) через некоторый промежуток времени, зависящий от тока разряда /д наблюдается рост разрядного напряжения, образование катодных пятен и кратковременный переход тлеющего разряда в дуговой, что связано с осаждением на катодах покрытий из продуктов диссоциации углеводорода. Увеличение времени стабильной непрерывной работы источника достигается путем снижения ¡а и р, либо путем использования «самоочищающегося» МРЭ катода.

2. Для зажигания объемного двухступенчатого разряда с полым катодом требуется увеличение диаметра отверстия связи до ~ 7 мм при исследованных параметрах газоразрядной системы. Объемный разряд с полым катодом имеет ряд особенностей, среди которых: обратная зависимость напряжения горения основной ступени и2 от тока вспомогательной ступени 1,\ относительно низкие значения //, и2 и давления газа (до 8,5 мПа); сниженные энергозатраты. Электронный ток объемного разряда замыкается преимущественно на наиболее удаленную от полого катода часть рабочей поверхности основного анода.

3. Использование основного анода в виде полого усеченного конуса, разделенного по образующим на изолированные электроды, дает возможность управления распределением плотности тока по поверхности плазменного эмиттера сразу по двум полярным координатам, как по радиусу, так и по углу за счет изменения углов наклона и потенциалов электродов, а также за счет изменения отношения токов основного и вспомогательного разрядов.

4. Плазменный источник ионов органических соединений при различных условиях позволяет синтезировать следующие тонкопленочные материалы: аморфный углерод а-С и а-С:Н (Си до 10 ат. %) алмазоподобного и графитоподобного типов; нанокристаллический графит с линейным размером частиц 5-7 нм; протяженные слои из шестиугольных колец sp2 углерода, разупорядоченный углерод и sp1 углерод. Попеременное ускорение на подложку ионов пропана и электронов за счет низкочастотного (50 Гц) синусоидального переменного ускоряющего напряжения позволяет синтезировать пленки углерода заданного состава независимо от материала подложки (одновременно на подложках из различных материалов) в широком диапазоне давлений газа (до 10"4 Па).

5. Модификация синтезированных алмазоподобных пленок а-С и а-С:Н с поверхностным сопротивлением Rs > 109 Ом/а ионами С+ с энергией 30 кэВ (доза 1 х 1017 см"2) позволяет достичь резкого падения поверхностного сопротивления до величины 5-10 Ом/а, вызванного образованием sp2 углерода. Величина ARS зависит от исходных характеристик пленок: концентрации связанного водорода, разупорядоченного углерода, кристаллической структуры.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и салонах: 9th and 10th International Conferention Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, Russia, 2008, 2010); 9-том Московском межд. салоне инноваций и инвестиций 2009 (Москва, 2009, бронзовая медаль); Международном Крейнделевском семинаре «Плазменная эмиссионная электроника» (Улан-Удэ, 2009); 8-ой Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск-Ставрополь, 2008); 1-ой, 2-ой, 3-ей Международных студенческих конференциях «Научный потенциал студенчества - будущему России» (Ставрополь, 2007, 2008, 2009); Научном семинаре стипендиатов DAAD программ «М.Ломоносов» и «И.Кант» 2011/2012 (Москва, 2012); Краевой научно-практической конференции молодых ученых ставропольского края (Ставрополь, 2010); 36-ой, 37-ой, 39-ой Научно-технических конференциях по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ (Ставрополь, 2006, 2007, 2010); 13-ой, 14-ой Научно-технических конференциях «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2009, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, включая 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 11 работ - в трудах и материалах международных научно-технических конференций.

Технические решения, реализованные при создании газоразрядных устройств, защищены 4 патентами РФ.

Достоверность н обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием различных экспериментальных методик, непротиворечивостью полученной в работе информации и выводов, сделанных на ее основе, с результатами других исследователей, практической реализацией научных положений и выводов при создании конкретных газоразрядных устройств и обработке функциональных слоев микроплат.

Личный вклад автора. Автором лично выполнены все экспериментальные исследования, обработка и анализ результатов измерений. Основные цели, выводы и положения диссертационной работы выдвинуты и сформулированы лично автором. Личный вклад автора состоит также в создании экспериментальных установок, разработке устройств и способов их работы. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов анализа экспериментальных данных проводилось совместно с соавторами, фамилии которых указанны в опубликованных по теме диссертации работах. Постановка экспериментов и окончательная редакция научных положений и выводов осуществлялись совместно с научным руководителем при активном участии соискателя.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами по каждой главе, заключения, списка используемых литературных источников из 165 наименований и 5 приложений. Общий объем диссертации составляет 158 страниц, включает в себя 57 иллюстраций и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, определена основная цель работы, изложена её научная, практическая ценность и краткое содержание диссертации.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена рассмотрению современного состояния исследований по теме диссертации. Рассматриваются особенности плазменных источников ионов. Как следует из обзора технологических ИИ одним из наиболее перспективных является низковольтный отражательный разряд с полым катодом. К его достоинствам относятся: возможность энергетически эффективной эмиссии как ионов, так и электронов; широкий диапазон рабочих давлений газа (1 - lxlO"4 Па); высокий ресурс непрерывной работы; высокая плотность плазмы (1012 - 1013 см'3); простота конструкции, низкая цена извлеченного иона; возможность рабочей конструкции с двухступенчатой газоразрядной системой и пучком ионов большого сечения.

Анализируются возможности и результаты работы ИИ при напуске химически активных газов, способы управления распределением плотности тока по сечению пучка ионов. Рассматривается применение ИИ в качестве технологического оборудования для обработки функциональных слоев микроплат, включая операции очистки подложек, синтеза пленок. В заключении главы формулируются основные задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованию источников на основе отражательного разряда с полым катодом (рисунок 1) при напуске органических соединений, аргона воздуха и других технологических газов, а также модернизации этого источника.

Значительное влияние на результаты ионной обработки материалов оказывает энергия ионов. Были измерены энергетические спектры ионов, выходящих из разряда. Исследовано влияние тока разряда, потока и состава газа, а также времени горения разряда на величину разброса ионов по энергиям (рисунок 2). Снижение (¡) и приводит к увеличению разброса по энергиям выходящих ионов. Наибольшая ширина энергетических спектров ионов на полувысоте была установлена при напуске плазмообразующего газа диметилдихлорсилана напуске воздуха (53,5 эВ).

Рисунок 1 - Принципиальная схема эксперимента: 1 - полый катод, 2 -анод, 3 - катод-отражатель, 4 -магнит, 5 - многосеточный энергоанализатор зонд, 6 -источник питания.

(64 эВ), а наименьшая - при

еи,эВ еи, эВ

Рисунок 2 - Энергетические спектры ионов пропана через 5 (1) и 90 (2) мин горения разряда, 1,1 = 0,2 А, <2 = 2,4 м3хмПа/с (а) и разных газов: 1 - диметилдихлорсилан, 2 - воздух, 3 -пропан, 4 - аргон; = 0,2 А, (2 = 2,4 м3хмПа/с. Д Е, эВ: 1 - 64,2 - 53,5,3 - 56,4 - 55 (б).

Исследовано изменение параметров отражательного разряда с полым катодом (рисунок 3) в процессе его непрерывной работы на разных газах при потоках 2 = 1,3 - 5,6 м3хмПа/с и токах разряда = 0,1 - 0,4 А. Показано, что при потоках углеводорода 2,5 м3хмПа/с (давлении в разрядной камере р0 = 1,5 Па) и более через некоторый промежуток времени, зависящий от разрядного тока и давления газа, наблюдается рост разрядного напряжения, что объясняется образованием на электродах разрядной камеры покрытий из продуктов диссоциации молекул углеводорода. Рост со временем углеродных покрытий на катодах и зарядка их ионами приводит к электрическому пробою покрытий и образованию катодных пятен. Этот момент времени отмечен специальным знаком на рисунке 3. Осциллограммы разрядного тока и

напряжения свидетельствуют о кратковременном переходе тлеющего разряда в дуговой. Зажигание дуги вызывает эрозию катодов и дестабилизацию параметров обработки, что недопустимо для технологических процессов микроэлектроники.

•а р

700 600 500 400 300

а Л

а Л' о

40 80

^ гшп

120

700

600

> 500 •о

400 300

У 3

40 80

г, гшп

120

а-б = 2,4 5 - воздух; б ■

отверстия: 1 - 5 мм, 2 -

Указанная проблема может быть устранена следующими способами. В первую очередь, это сокращение тока разряда до 100 мА и ниже, так как устойчивая работа разряда становится продолжительнее по мере снижения разрядного тока (рисунок 2, б) и давления углеводорода в разрядной камере (рисунок 2, в, г). Однако, как показало исследование вольтамперных характеристик источника, при этом пропорционально сокращается и ток пучка ионов, что, в ряде случаев, приводит к ограничению производительности и технологических возможностей источника С другой стороны, при любых токах разряда, можно проводить очистку разрядной камеры через определенный небольшой интервал времени. Было определено время работы разряда на углеводороде, по истечении которого необходима очистка разрядной камеры. Однако, такой подход требует дополнительных затрат рабочего времени оператора. Третий путь состоит в использовании газов, содержащих элементы-травители катодных покрытий: хлор, кислород, диметилдихлорсилан, углекислый газ. Использование в качестве плазмообразующего газа диметилдихлорсилана (также как и аргона, воздуха, смесей аргон-ацетон, аргон-спиртобензин) в отличие от использования углеводорода не приводит в

рассматриваемом диапазоне времени к существенному изменению условий горения разряда. Однако при этом, в большинстве случаев, появляется необходимость масс-сепарации ионов углерода на пути их транспортировки к подложки. И наконец четвертый путь состоит в модернизации разрядной камеры источника. В результате работы в этом направлении были разработаны новые источники с магнетронно-распылительным элементом (МРЭ) в коробчатом полом катоде (рисунок 4). Силовые лини магнитного поля 8 проникают в катодную полость 1 через графитовое основание полого катода 5 (рисунок 4, а), в результате чего образуются зоны магнетронного распыления этого основания. Процесс распыления является конкурирующим процессом по отношению к процессу образования пленок на рабочей поверхности катода. Было показано, что на графитовом МРЭ катода покрытия не образуются, источник имеет

продолжительное время непрерывной работы (более 3 часов) даже при высоких значениях /</ > 0,3 А. В потоке углеводородов токи разряда и пучка в разработанном новом .

источнике с графитовым МРЭ в несколько раз выше й<1Аи/)< 0,04 А), чем в известном источнике (1,1 < 0,1 А и 1Ь < 0,015 А). Помимо этого, был разработан источник, в котором МРЭ изготовлен в виде кольца-основания 6 из теплоизолированного тугоплавкого немагнитного материала с дополнительным рабочим веществом 7, загружаемым в полость кольца (рисунок 4, б). В опытах с этим самонакаливаемым МРЭ при = 0,3 А температура элемента составляла 950 °С, а при = 0,4 - 1150 °С. В последнем случае напряжение горения разряда снизилось примерно на 25 % (от 380 В до 305 В), что объясняется термической активацией рабочего газа и термоэлектронной эмиссией. Данный источник позволяет, помимо графита, использовать разнообразные рабочие вещества, в том числе, и с относительно низкой температурой плавления (применялись рабочие вещества из меди и алюминия), а также их смеси -гранулы, порошки, слитки, жидкости и пр. При этом рабочее вещество подвергается не только распылению, но и испарению, кроме того, оно ионизируется в разряде с полым катодом, что в совокупности способствует быстрой и эффективной обработке материалов ионами и плазмой загружаемого рабочего вещества без каких-либо дополнительных затрат энергии. Разряд горит устойчиво длительное время при напуске, как аргона, так и пропана.

Процессы, происходящие в ускоряющем промежутке оказывают существенное влияние на технологические возможности источников ионов. В связи с этим были изучены характеристики тока ионов на подложку при различных величинах ускоряющего напряжения и давления газа в промежутке, а также при различных формах сигнала ускоряющего напряжения.

ТГаз

(а)

-і 1 5 6"

.........- 4

~" з

N і N

Я і Я

ІГаз (б)

Рисунок 4 — Схемы устройств с МРЭ катода.

ва

Рисунок 5 - Осциллограммы ускоряющего напряжения и тока.

Установлено, что в зависимости от величины давления газа в ускоряющем промежутке может регистрироваться ионный пучок, ионно-пучковая плазма, несамостоятельный разряд. При использовании переменного синусоидального ускоряющего напряжения с частотой 50 Гц осциллографирование ускоряющего промежутка показало, что подложку в этом случае достигают как ионы, так и электроны (рисунок 5). При этом отражательный разряд с полым катодом служит эффективным источником не только ионов, но и электронов. Таким образом, источник ионов, работающий в данном режиме, является «инструментом» для обработки диэлектрических и полупроводниковых поверхностей, в широком диапазоне давлений газа.

Третья глава посвящена исследованию источников с пучком большого сечения на основе двухступенчатого разряда. Схема эксперимента показана на рисунке 6. В процессе исследований были обнаружены два возможных режима горения объемного разряда. При использовании анода вспомогательной ступени 2 с внутренним диаметром 12 мм и основного анода 5 с внутренним диаметром £> = 120 мм, длиной 65 мм и напуске газа только в полый катод напряжение горения и2 основной ступени разряда снижается при увеличении тока вспомогательной ступени разряда I, при диаметре отверстия в катоде-отражателе <4- - 3,5 мм (зависимость 1 на рисунке 7). В этом случае наблюдается горение объемного разряда с плазменным катодом. Плазменный катод служит источником электронов, которые достигают основного анода 5. При увеличении с1ж в катоде-отражателе до 7 мм наблюдается обратное влияние I, на и2 (зависимость 2 на рисунке 7) и горение протяженного основного разряда с полым катодом. Если в первом случае за счет вспомогательной ступени разряда осуществляется генерация плазменного катода, то во втором (й^ = 7 мм) - поддержание объемного разряда между полым катодом и основным анодом. Изменение режима горения разряда при увеличении до 7 мм связано со снижением концентрации плазмы на оси вспомогательного разряда. В этом случае плазменный катод, удовлетворяющий условиям устойчивой работы основной ступени разряда не формируется и разряд зажигается через наиболее длинный промежуток полый катод -основной анод, так как увеличение ¿4- вызывает следующие изменения в камере вспомогательной ступени разряда:

- концентрация молекул-нейтралов плазмообразующего газа и его давление снижаются;

- катод-отражатель отражает и эмитирует меньше электронов, так как его рабочая поверхность сокращена, вследствие чего меняется и его основная функция - катод-отражатель становится контрагирующим электродом и отражает во вспомогательную ступень лишь небольшую часть электронов, основная доля тока которых приходится на основной анод;

- эмитирующая поверхность катода-отражателя удалена от оси;

- напряженность магнитного поля на периферии разрядной камеры возрастает, а в центре - снижается, так как магнитный наконечник, являющийся одновременно рабочей поверхностью катода-отражателя удален от оси;

- увеличивается длина свободного пробега электронов;

- в большей степени проникает электрическое поле основного анода.

420

500

Рисунок 6 - Схема ИИ с пучком большого сечения на основе двухступенчатого разряда.

Рисунок 7 - Зависимости напряжения горения основной ступени от тока на анод вспомогательной ступени при диаметре основного анода 120 мм и d„c в катоде-отражателе: 1 - 3,5 мм, 2 - 7,0 мм.

Таким образом, в двухступенчатой газоразрядной системе в зависимости от геометрических параметров и распределения давления газа возможны два режима горения объемного разряда: разряд с плазменным катодом и разряд с полым катодом. Для поддержания объемного разряда с полым катодом требуется существенно меньший ток вспомогательного разряда 15 мА) (не требуются затраты энергии на создание плазменного катода). Кроме того, напряжение горения объемного разряда и2 с полым катодом заметно меньше, чем объемного разряда с плазменным катодом. Следовательно, режим объемного разряда с полым катодом является энергетически более выгодным и переход в этот режим позволяет добиться сокращения потребляемой мощности и увеличения энергетической эффективности плазменного источника.

Измерение токов на отдельные части основного анода (схема на рисунке 8) показало, что, независимо от режима работы, большая часть тока (до 93 %) приходится на наиболее удаленное от полого катода кольцо основного анода. В режиме объемного разряда с полым катодом низкого давления, доля тока, приходящегося на среднюю и близлежащую к полому катоду часть основного анода, с ростом общего тока на основной анод сокращается. Сокращение площади рабочей поверхности основного анода Ба и увеличение расстояния Ь между ним и полым катодом приводит к снижению напряжения горения разряда. При увеличении Ь энергетическая эффективность извлечения для ионов снижается, а для электронов - возрастает. Полученные результаты исследований указывают, во-первых, на возможность эффективного извлечения электронов вблизи наиболее удаленной от полого катода части основного анода, во-вторых, на возможность создания оптимизированной системы

управления распределением плотности тока по сечению формируемого пучка ионов.

Был разработан новый плазменный эмиттер электронов с большой площадью эмиссии на основе двухступенчатого объемного разряда с полым катодом (doc = 7 мм) - рисунок 9. В данном источнике основной анод, выполненный в виде узкого несущего кольца с сеткой, служит эмиссионным электродом. Эта деталь удалена от катодов на достаточное для эффективной эмиссии электронов расстояние L и имеет регулируемую площадь Sa. За счет этого устранены потери электронов на ближних к катодам областях анода, увеличена плотность тока вблизи эмиссионной границы, снижено напряжение U2. При ускоряющем напряжении 1,5 кВ, давлении р = 20 мПа и геометрической прозрачности сетки 60 % ток пучка равнялся 75 % разрядного тока 12 = 0,3 А.

її

І21І 122

ґг

7ZZ,

n s

4" 3'

І23

0 =0

Uu wo 30 К6

камера вспомогательной ступени разряда

Рисунок 8 - Схема эксперимента с измерением тока на отдельные электроды и части основного анода: Ігз> І22> Ьі-

Рисунок 9 - Принципиальная схема плазменного эмиттера электронов.

В рассмотренной на рисунке 6 схеме для управления распределением плотности плазмы по поверхности эмиттера использовалось периферийное многополюсное магнитное поле, созданное системой электромагнитов 7, распределенное по всему основному аноду, включая ближнюю и среднюю к катодам области анода. Ток через электромагниты регулировался отдельным источником питания. Как показало измерение тока на подвижный коллектор 9 вблизи эмиссионного электрода 6, управление распределением плотности тока по сечению пучка таким способом малоэффективно. Между тем, полноценная система управления открывает возможности использования плазменного источника с максимальной для него энергетической эффективностью независимо от конструктивных особенностей технологической установки, ее марки, типа, конструкции подложкодержателя, что важно для широкого применения плазменных источников. Такая система управления была разработана и применена в новом плазменном источнике (рисунок 10). Управлением распределением плотности тока по сечению пучка было реализовано сразу по двум координатам - и по радиусу и по полярному углу. Возможность управления распределением плотности тока по сечению пучка сразу по двум координатам обеспечивается за счет особенностей конструкции основного анода 5. Он представляет собой кольцо, состоящее из нескольких (в

данном случае четырех) одинаковых электрически изолированных электродов, образованных в результате рассечения по образующим полого конуса,' усеченного и обращенного торцом меньшего диаметра (70 мм) в сторону отверстия в катоде-отражателе. Электроды размещены на изоляторе с возможностью изменения их угла наклона к оси эмиттера от 60° до 90°.

Рисунок 10 - Схема плазменного источника с управляющими электродами основного анода.

Как показали исследования, распределение плотности тока по сечению пучка зависит: 1) от соотношения между токами вспомогательного и основного анодов - 1, и 12, 2) от углов наклона ¡р электродов основного анода 7 к оси источника (рисунок 11) и 3) от распределения тока на основной анод по составляющим его электродам (рисунок 12).

ІІІ I 9

\ \

ІД ь

у Т? V

Ф. град

Рисунок 11 - Управление радиальным распределением плотности тока по сечению

пучка за счет изменения угла наклона электродов 5. Ток анода /, = 200 мА, /Л = 12у = 300 мА (12 = 600 мА), /9 - ток на боковой зонд 9,1ю-ток на центральный зонд 10.

І2Х

Рисунок 12 - Управление распределением плотности тока по полярному углу за счет

изменения распределения тока по электродам 5. Ток анода I, = 200 мА, <р = 78°, ¡2х + І2У = 670 тА. 1ц - ток на боковой зонд 11,19- ток на боковой зонд 9.

Четвертая глава посвящена применению рассмотренных источников в технологических процессах микро- и наноэлектроники.

Исследование ионной очистки проводилось на производственном предприятии «ОАО Ставропольский радиозавод «Сигнал». Использовались подложки микроплат СВЧ ГИС «Поликор» размером 60 х 48 мм. Одна группа подложек прошла многостадийную химическую очистку согласно действующему на производстве технологическому процессу, включающему спиртовое обезжиривание, промывку в ультразвуковой ванне, нагревание в соляной кислоте и хромовом растворе, промывку деионизованной водой и сушку в центрифуге. Общее время технологического процесса жидкостной очистки составляет 180 мин. Другая группа подложек была подвергнута ионной очистке (продолжительность - 10 мин) в установке вакуумного напыления УВН-75 с помощью разработанного плазменного источника ионов с улучшенным управлением распределением плотности тока по поверхности эмиттера. В связи с тем, что подложки в УВН-75 располагаются на вращающейся карусели, ионный источник работал в режиме генерации ионного пучка с прямоугольным сечением. Затем было проведено сравнение показателей эффективности ионной и химической очистки и выполнены испытания на гидрофильность и адгезионную прочность пленок для всех очищенных подложек. Испытания-адгезионной прочности пленок проводили по разработанной нами методике, так как стандартные методики, основанные на скрайбировании или нормальном отрыве заданного шаблоном участка пленки известной площади, оказались неприменимы ввиду высокой адгезионной прочности (> 5 МПа) пленок и твердости подслоя РС-3710 (> 14 ГПа). В этих случаях получить эффект скрайбирования не удавалось, а отрыв пленки с заданной шаблоном площадью в ряде опытов оказывался неполным, так как на подложке оставались неоторванные «островки» покрытия. Разработанная нами методика для определения высоких значений адгезионной прочности сводилась к следующему. К медному покрытию на четырех краевых участках подожки припаивали торцом отрезки провода и измеряли силу нормального отрыва провода с участком тонкой пленки от подложки на динамометре МИП-10. Использовались краевые участки покрытия, так как адгезионная прочность на них обычно меньше, чем в центре. Данные, полученные в результате четырех опытов, усреднялись. Затем определяли площадь сложной фигуры оторванного тонкопленочного покрытия. Для этого изображение участка с оторванным покрытием, полученное с микроскопа, обрабатывали в графическом редакторе ПК, уменьшая глубину цвета и переводя изображение в монохромный формат. Пиксели белого цвета образуют участок подложки, с которого оторвали пленку, и их количество связано с площадью, которая рассчитывалась с учетом масштаба и отношения пиксель/м2.

Лучшая гидрофильность, полученная в случае применения ионной очистки, выраженная максимальной площадью пленки растекающейся деионизованной воды, свидетельствует о наименьшем содержании гидрофобных органических загрязнений на подложке, прошедшей эту очистку. Как показали измерения, в результате использования в технологическом процессе ионной очистки адгезионная прочность функциональных

тонкопленочных слоев микроплат повышается в 1,8 - 2,5 раза. Полученные результаты отражены в отзыве производственного предприятия «ОАО Ставропольский радиозавод «Сигнал».

Источники на основе отражательного разряда с полым катодом использовались для синтеза тонких пленок углерода непосредственно с помощью пучков химически активных ионов. Пленки синтезировались на подложках из кремния и керамики А1203 двумя разными способами: пучками ионов (постоянное смещение на подложке) и чередующимися пучками ионов и электронов (переменное смещение, 50 Гц) при напуске пропана либо смеси аргон-спиртобензин. В отдельных опытах использовались метан, азот, водород, ацетон и их смеси.

Исследование пленок, полученных под воздействием пучка ионов, показало следующее. На спектре 1 комбинационного рассеяния света (КРС) (рисунок 13) можно выделить две гауссовы составляющие - D (1350 см ) и G (1550 см'') пики разупорядоченного углерода и графита соответственно, наличие которых типично для пленок аморфного углерода а-С. Анализ этих пленок с помощью эллипсометра, наноиндентора, измерителя поверхностного сопротивления показало, что в зависимости от условий синтеза они могут иметь как алмазоподобные, так и графитоподобные свойства. Основными определяющими параметрами синтеза при этом являлись: ускоряющее напряжение, плотность тока на подложку, давление газа, температура подложки. Регулировка этих параметров позволяет синтезировать пленки с различной твердостью 1,5-28 ГПа, поверхностным сопротивлением Rs от нескольких Ом/а до более чем 10й Om/d, коэффициентом преломления от 1,75 до 2,3, содержанием связанного водорода 2-10 ат. %. Коэффициент оптического отражения Rp синтезированных пленок возрастает в ИК и УФ областях спектра. Отличия у а-С и a-CN„ пленок состоят в положении минимума зависимости Rp от энергии фотонов. Анализ спектров КРС для разных пленок показывает, что с повышением давления и плотности тока на подложку происходит увеличение интенсивности £>-полосы. При этом увеличивается отношение интенсивности полос ID / /с, что говорит об изменениях в пленке углерода, сопровождаемых повышением доли углерода с sp2 типом гибридизации. При нагревании подложки до 600 - 850 °С были получены пленки, спектры которых имели D пик с большей интенсивностью (/D / IG = 0,6 - 0,8 отн. ед.), по сравнению с образцами, синтезированными в режимах без нагрева, и пик G, смещенный к положению 1595 см"1. Данное обстоятельство указывает не просто на возрастание доли sp гибридизированного углерода, а на формирование иного, неаморфного материала - нанокристаллического графита, рассчитанный размер кристаллов которого составляет 5 - 7 нм. Спектр 2 согласно одному из вариантов его расшифровки свидетельствует о наличии в образце, помимо разупорядоченного углерода, sp1 цепочек карбина. Для получения этого типа пленок в источник напускали смесь аргон-спиртобензин. Синтез каких-либо пленок пучком ионов с использованием того или иного газа на кремниевых подложках при давлениях ниже 20 мПа произвести не удалось, так же как и синтез на керамических

подложках при р < 45 мПа. Причиной этого, по-видимому, является появление нескомпенсированного заряда ионов на ростовой поверхности пленки.

В связи с вышесказанным была проведена отдельная серия опытов, в которой генерировалось переменное синусоидальное ускоряющее напряжение ({/ = 400 - 600 В, V = 50 Гц), а пленки синтезировались другим способом - с помощью чередующихся пучков ионов и электронов. Синтез в этом случае оказался возможен в очень широком диапазоне давлений газа. Минимальное давление газа при синтезе 4 мПа лимитировалось лишь возможностями

используемой вакуумной системы. Более того, Рисунок 13 _ Спе1ары КРС плснок пленки одинакового состава осаждались синтезированных 1,2-ионным одновременно на подложках из различных пучком, 3,4 - ионно-электронным материалов - керамики (А120з, поликор) и пучком при напуске: 1 - пропана, 2 кремния (спектры 3 и 4 соответственно на - 4 - смеси аргон-спиртобензин, на рисунке 13). В связи с этим данный способ подложках: 1,2,4-Б!, 3-А12Оз. весьма привлекателен для обработки функциональных слоев и структур микроплат, которые могут содержать топологические участки из различных материалов. В этом случае не требуется нейтрализации нескомпенсированного заряда за счет применения специальных устройств и приспособлений. Путем регулировки тока на подложку можно точно и предсказуемо изменять твердость (до 22 ГПа), удельное сопротивление и другие характеристики пленок. Пленки, синтезированные чередующимися пучками разноименно заряженных частиц отличаются по составу от пленок синтезированных ионным пучком, что видно из сравнения КРС спектров 2 и 3 или 4. Данное обстоятельство указывает на значимую роль электронов в процессе химических изменений в пленке. Наблюдаемый пик Ь в области 700 см"1 (спектры 3, 4) соответствует вибрационной плотности связей и колебательному вращению шестиугольных колец Бр2 углерода в одной плоскости. Этот пик встречается в спектрах КРС как а-С, так и азотированного а-СЫх углерода. Кроме того, £ мода наблюдается и в спектрах а-С:Н. По некоторым данным Ь пик принадлежит графену, а в области волновых чисел 700 - 800 см"1 его связывают с многослойной, вложенной (луковичной) структурой. Следует также отметить взаимосвязь между фононами графита и ароматических полициклических соединений. Эти соединения, помимо протяженных кластеров шестиугольных колец эр2 углерода, содержат связанный водород, а в некоторых случаях и другие элементы.

Для тонкопленочных микроплат СВЧ техники важным параметром является коэффициент затухания СВЧ мощности, зависящий, прежде всего, от поверхностного сопротивления проводящего слоя Яц. Актуальной задачей является исследование локальной модификации и нанолитографии пленок

углерода как способа воздействия на Rs данного материала. В соответствии с этой задачей по программе службы германских академических обменов DAAD в институте ионно-лучевой физики и исследования материалов научно-исследовательского центра Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (г. Дрезден, Германия) исследовалась модификация синтезированных пленок углерода методом имплантации ионов С+. Для этого использовался ионный ускоритель DANFYSIK HCIS 1090 200 keV с источником ионов на основе отражательного разряда с полым катодом 921А-000 GSI Darmstadt (Германия). В источник напускался газ С02 с последующей масс-сепарацией ионов С+ и ускорением их до энергии 30 кэВ. В исследуемых образцах создавались графитоподобные области пленок (доза облучения 1х1017 см"2). Было установлено, что при исходном Rs> 10й Ом/а этот параметр для модифицированных областей может принимать значение в широком диапазоне 107 - 10 Ом/а в зависимости от исходных характеристик образца - содержания водорода, разупорядоченного углерода, кристаллической структуры. Наиболее значительное падение Rs до нескольких Ом/а в результате модификации наблюдалось для пленок аморфного углерода с высоким содержанием водорода (Ся> 30 ат. %), а также для пленок нанокристаллического графита. Измерение толщины исходных и модифицированных участков с помощью стилусного профилометра показало, что для большинства, образцов изменение толщины не превышает 15%. Таким образом, модификация химически активными ионами С+ позволяет избежать нарушения элементного состава пленки, а также ее распыления, которое в значительной степени проявляется при использовании ионов аргона при дозах порядка 1х1017 см"2 и выше.

В заключении излагаются основные результаты и выводы по диссертационной работе, отмечается обоснованность результатов, и приводятся сведения об их апробации и публикации в печати.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Установлено влияние состава и давления газа, тока разряда на время непрерывной стабильной работы источника на основе отражательного разряда с катодами из стали. Определена величина разброса выходящих ионов по энергиям. При напуске углеводородов использование известного источника ограничено из-за перехода тлеющего разряда в дугу через промежуток времени, зависящий от тока разряда и давления газа. В связи с этим допустимые значения тока разряда и тока пучка ионов у этого источника при напуске углеводородов относительно малы, соответственно ¡j < 0,1 А и Д < 0,015 А. Для увеличения тока пучка ионов углеводородов без образования дуги разработан новый источник с графитовым «самоочищающимся» магнетронно-распылительным элементом коробчатого полого катода, рассчитанный на более высокие токи разряда и пучка ионов (Ij < 1 А и h ~ 0,04 А).

2. Разработан источник плазмы с расширенными технологическими возможностями, имеющий самонакаливаемый магнетронно-распылительный элемент и дополнительное рабочее плазмообразующее вещество в полом катоде. Дополнительное рабочее плазмообразующее вещество загружается в

полость самонакаливаемого магнетронно-распылительного элемента специальной конструкции, а затем испаряется, распыляется, ионизируется за счет мощности выделяемой на указанном элементе в полом катоде без дополнительных энергозатрат.

3. В процессе исследования двухступенчатой газоразрядной системы с полым катодом наряду с известными режимами ее работы: ионного пучка, проникающей плазмы, электронного пучка, объемного разряда с плазменным катодом, обнаружен новый режим - режим объемного разряда с полым катодом. Для зажигания объемного разряда с полым катодом требуется увеличение диаметра отверстия связи до ~ 7 мм при исследованных геометрических параметрах газоразрядной системы. Этот разряд имеет ряд отличий, среди которых: обратная зависимость напряжения горения основной ступени и2 от тока вспомогательной ступени //; относительно низкие значения //, и2 и давления газа (до 8,5 мПа); сниженные энергозатраты.

4. Особенностью горения двухступенчатого разряда является замыкание электронного тока основной ступени на наиболее удаленную от полого катода относительно небольшую часть рабочей поверхности основного анода, что позволяет, с одной стороны, создать новую эффективную систему управления распределением плотности тока эмиттера за счет рассечения основного анода на составляющие (управляющие) электроды, положение которых и электрический потенциал являются регулируемыми, а, с другой стороны, использовать эту часть основного анода для эффективного извлечения электронов.

5. В результате применения очистки подложек ионами воздуха в процессе производства микроплат СВЧ ГИС на производственном предприятии «ОАО Ставропольский радиозавод «Сигнал» адгезионная прочность пленок была увеличена вдвое, а материальные затраты на проведение технологической операции очистки снижены в несколько раз. Имеется отзыв предприятия (приложение В).

6. Разработана технология синтеза пленок углерода с заданными характеристиками на полупроводниковых и диэлектрических подложках, включая технологию модификации определенных участков синтезированных пленок с обеспечением необходимой электропроводимости этих участков, с помощью плазменного источника химически активных ионов и электронов на основе отражательного разряда с полым катодом.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ И ПАТЕНТОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мартене В. Я. Исследование отражательного разряда с полым катодом при напуске углеводорода / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Журнал технической физики. Т. 80. № 8. 2010. С. 59 - 62.

2. Мартене В. Я. Управление распределением плотности тока по поверхности плазменного эмиттера / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Письма в Журнал технической физики. Т. 37. № 8. 2011. С. 71 - 79.

3. Мартене В. Я. Синтез алмазоподобных пленок углерода с помощью ионного источника на основе отражательного разряда с полым катодом / В. Я.

Мартене, В. А. Тарала, Е. Ф. Шевченко // Перспективные материалы. № 3.2011.С. 40-45.

4. Шевченко Е. Ф. Ионная очистка подложек микроплат в установке вакуумного напыления как альтернатива химической очистке / Е. Ф. Шевченко, В. Я. Мартене // Вестник СевКавГТУ. № 1. 2011. С. 19 - 24.

5. Martens V. Ya. Research of Plasma Emitter with Hollow Cathode on the Basis of Two-Stage Reflex-Discharge / V. Ya. Martens, E. F. Shevchenko // Proceedings of 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (10th С MM), Tomsk, Russia. 2010. P. 39 - 41.

6. Martens V. Ya. Research of Diamond-Like Carbon Films Deposition Using Ion Source with Hollow Cathode on the Basis of Reflex-Discharge / V. Ya. Martens, V. A. Tarala, A. A. Titarenko, E. F. Shevchenko // Proceedings of 10th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (10th CMM), Tomsk, Russia. 2010. P. 652 - 654.

7. Синельников Б. M. Реактивный ионно-лучевой синтез алмазоподобных пленок с помощью ионного источника на основе разряда постоянного тока с холодным катодом / Б. М. Синельников, В. А. Тарала, В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Материалы 8-ой международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», Сев-КавГТУ, Ставрополь, Россия. 2008. С. 429.

8. Мартене В. Я. Исследование работы отражательного разряда с полым катодом при напуске углеводорода / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Сборник докладов международного Крейнделевского семинара «Плазменная и эмиссионная электроника», Улан-Удэ, Россия. 2009. С. 65 -67.

9. Martens V. Ya. Ion Source Based on Reflex-Discharge with Cold Hollow Cathode for Reactive Ion-Beam Synthesis of Diamond-Like Films / V. Ya. Martens, В. M. Sinelnikov, V. A. Tarala, E. F. Shevchenko // Proceedings of 9th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (9th CMM), Tomsk, Russia. 2008. P. 96 - 100.

10. Мартене В. Я. Определяющие параметры реактивного ионно-лучевого синтеза алмазоподобных пленок / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Материалы 1-ой международной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России», СевКавГТУ, Ставрополь, Россия. 2007. С. 45.

П.Шевченко Е. Ф. Осаждение пленок на основе углерода с использованием автономного источника плазмы. Часть I. Система осаждения / Е. Ф. Шевченко, В. Я. Мартене // Материалы 14-ой научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» Т. 1. СевКавГТУ, Ставрополь. 2010. С. 27 - 29.

12. Шевченко Е. Ф. Осаждение пленок на основе углерода с использованием автономного источника плазмы. Часть II. Получение и исследование тонких пленок / Е. Ф. Шевченко, В. А. Тарала, П. Е. Воронов, А. А. Цокол // Материалы 14-ой научно-технической конференции «Вузовская наука -Северо-Кавказскому региону» Т. 1. СевКавГТУ, Ставрополь. 2010. С. 29 -30.

13. Мартене В. Я. Исследование двухступенчатого разряда с полым катодом / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Материалы 14-ой научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» Т. 1. СевКавГТУ, Ставрополь. 2010. С. 31 - 32.

14. Мартене В. Я. Исследование энергетических спектров ионов, выходящих из отражательного разряда с полым катодом / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Материалы 13-той научно-технической конференции «Вузовская наука -Северо-Кавказскому региону» Т. 1. СевКавГТУ, Ставрополь. 2009. С. 5 - 6.

15. Синельников Б. М. Использование ионного источника на основе отражательного разряда с полым катодом для реактивного ионно-лучевого синтеза а-С:Н пленок / Б. М. Синельников, В. Я. Мартене, А. Г. Кущиков, Е. Ф. Шевченко, В. А. Тарала // Материалы 36-ой научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава за 2007 год. Т. 1. СевКавГТУ, Ставрополь. 2006. С. 50 - 52.

16. Тарала В. А. Исследование газофазного осаждения пленок аморфного углерода с ионно-плазменной стимуляцией процесса / В. А. Тарала, Е. Ф. Шевченко // Материалы 39-ой научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава за 2009 год. Т. 1. СевКавГТУ, Ставрополь. 2010. С. 15 - 16.

-17. Мартене В. Я. Исследование плазменного- эмиттера на основе двухступенчатого отражательного разряда с полым катодом / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Материалы 39-ой научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава за 2009 год. Т. 1. СевКавГТУ, Ставрополь. 2010. С. 13 - 14.

18. Шевченко Е. Ф. Плазмохимический реактор на основе резонансного ВЧ-генератора / Е. Ф. Шевченко // Материалы 3-ей международной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России», СевКавГТУ, Ставрополь, Россия. 2009. Т.1. С. 257.

19. Шевченко Е. Ф. Исследование работы отражательного разряда с полым катодом при напуске углеводорода / Е. Ф. Шевченко // Материалы 3-ей международной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России», СевКавГТУ, Ставрополь, Россия. 2009. Т. 1.С. 258.

20. Бекетов A.A. Оснащение установки вакуумного напыления УВН-75П-1 системой генерации ионных пучков и плотной объемной плазмы / А. А. Бекетов, Е. Ф. Шевченко // Материалы 2-ой международной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России», СевКавГТУ, Ставрополь, Россия. 2008. С. 59.

21.Лазарева H.H. Применение метода плазмохимического травления для финишной очистки подложек А120з (поликор) / Н. Н. Лазарева, Е. Ф. Шевченко // Материалы 2-ой международной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России», СевКавГТУ, Ставрополь, Россия. 2008. С. 64.

22. Шевченко Е. Ф. Применение метода плазмохимического травления для финишной очистки подложек А1203 / Е. Ф. Шевченко // Материалы 8-ой международной научной конференции «Химия твердого тела и

современные микро- и нанотехнологии», СевКавГТУ, Ставрополь, Россия. 2008. С. 433.

23. Шевченко Е. Ф. Программа для моделирования процесса создания р-п перехода в кремнии методом ионной имплантации / Е. Ф. Шевченко // Материалы 37-ой научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава за 2007 год. Т. 1. СевКавГТУ, Ставрополь. 2008. С. 236.

24. Патент РФ № 2408948 Плазменный эмиттер заряженных частиц / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко. Заявл. 27.10.2009. Опубл. 10.01.2011. Бюл. № 1. 11 с.

25. Патент РФ № 104774 Газоразрядное устройство для синтеза углеродсодержащих пленок / Е. Ф. Шевченко. Заявл. 27.12.2010. Опубл. 20.05.2011. Бюл. №14. 2 с.

26. Патент РФ № 2441354 Генератор плазмы / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко. Заявл. 17.06.2010. Опубл. 27.01.2012. Бюл. № 3. 7 с.

27. Патент РФ № 2454046 Плазменный эмиттер электронов / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко. Заявл. 13.01.2011. Опубл. 20.06.2012. Бюл. № 17. 7 с.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Шевченко, Евгений Федорович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Плазменные источники химически активных ионов и их применения в технологиях микро- и наноэлектроники.

1.1. Плазменные источники химически активных ионов и частиц.

1.2. Управление распределением плотности тока по сечению пучка ионов.

1.3. Технологические процессы обработки функциональных слоев микроплат с использованием ионных пучков.

1.3.1. Очистка подложек микроплат.

1.3.2. Синтез тонких пленок углерода.

1.3.3. Ионно-лучевая модификация пленок углерода.

1.4. Выводы и постановка задач.

ГЛАВА 2. Источники химически активных ионов на основе отражательного разряда с полым катодом.

2.1. Временные характеристики горения разряда.

2.2. Энергетические спектры выходящих ионов.

2.3. Исследование процессов в ускоряющем промежутке между катодом-отражателем и обрабатываемой поверхностью.

2.4. Модернизации отражательного разряда с полым катодом.

2.4.1 Магнетронно-распылительный графитовый элемент в полом катоде.

2.4.2 Магнетронно-распылительный самонакаливаемый элемент с рабочим веществом в полом катоде.

2.5. Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. Источник с пучком большого сечения на основе двухступенчатого разряда с полым катодом.

3.1. Исследование двухступенчатого разряда с полым катодом.

3.2. Управление распределением плотности тока по сечению пучка ионов.

3.3. Плазменный эмиттер электронов.

3.4. Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. Применение плазменных источников химически активных ионов для обработки функциональных слоев микроплат.

4.1. Ионная очистка подложек как альтернатива многостадийной химической очистке.

4.2. Синтез и исследование тонких пленок углерода.

4.2.1 Пленки, синтезированные ионным пучком.

4.2.2 Пленки, синтезированные чередующимися ионными и электронными пучками.

4.3. Модификация пленок углерода лучом ионов С+.

4.4. Выводы к главе 4.

Введение диссертация по физике, на тему "Плазменные источники химически активных ионов на основе разряда с полым катодом для обработки функциональных слоев микроплат"

Газоразрядная плазма и пучки заряженных частиц широко применяются в качестве «инструментов» для управления свойствами поверхности и обеспечения устойчивого воспроизведения размеров в нанометровом диапазоне в технологиях создания электронной компонентной базы, входящих в перечень критических технологий РФ.

Традиционные методы обработки поверхности плазмой в реакторах с ВЧ генератором или магнетроном не всегда позволяют добиться требуемого результата. Это связано с недостаточной энергией ионов для проведения глубокой очистки или иммерсионной имплантации; трудностями при обработке рельефной поверхности при наличии областей затененности, канавок, выступов; отсутствием независимой регулировки энергии и плотности тока заряженных частиц, необходимой для эффективного управления характеристиками напыляемых покрытий.

Указанных недостатков лишены плазменные источники ионов (ИИ). С помощью внешних источников электропитания независимо регулируются энергия и плотность тока ионов, что позволяет контролировать скорость и результаты обработки. Пучки ионов могут направляться под любым углом к поверхности, благодаря чему осуществляется быстрая обработка заданного профиля даже при наличии рельефа и областей затененности. ИИ портативны и малогабаритны, благодаря чему их можно использовать на большинстве промышленных вакуумных установок. Возможность обработки лучом сепарированных ионов определенной массы - другое важное достоинство ионно-лучевых систем.

В современных технологиях ясно прослеживается тенденция перехода к химически активным плазмообразующим газам. Использование этих газов в ИИ позволяет сочетать физическое и химическое воздействие испускаемых плазмой частиц на поверхность, что позволяет снизить на 1 - 2 порядка ускоряющие напряжения и расширить спектр технологических возможностей источников. Среди наиболее привлекательных возможностей можно выделить очистку подложек, синтез и модификацию пленок под непосредственным воздействием активных частиц, испускаемых плазменным источником. Таким образом, плазменные источники химически активных ионов являются перспективным оборудованием для создания тонкопленочных микроплат.

К сожалению, на сегодняшний день существуют определенные проблемы, препятствующие широкому применению ИИ на основе отражательного разряда с полым катодом для обработки функциональных слоев электронных приборов. Во-первых, работа ИИ на химически активных газах изучена недостаточно. В особенности это касается углеводородов и кремнийорганических соединений, которые необходимы для синтеза непосредственно с помощью пучков ионов перспективных материалов на основе углерода и карбидов (защитные, просветляющие, полупроводниковые, резистивные, сенсорные слои). Кроме того, существует проблема, связанная с отсутствием возможности полноценного, двухкоординатного управления распределением плотности тока по сечению пучка. Данная проблема вызывает зависимость энергетической эффективности ИИ от конструктивных особенностей конкретной вакуумной установки, и, как следствие, в ряде случаев наблюдается снижение производительности устройства.

1. Исследовать отражательный разряд с полым катодом при напуске органических соединений.

4. Разработать основы технологии синтеза и модификации защитных и резистивных пленок и тонкопленочных структур углерода на подложках из различных материалов с помощью ускоренных пучков химически активных частиц.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

3. Показана возможность управления распределением плотности тока по сечению пучка ионов сразу по двум полярным координатам: как по радиусу, так и по углу, за счет регулировки токов вспомогательного и основного анодов, угла наклона электродов, образующих основной анод, и их потенциалов. 6

5. Исследован синтез пленок углерода с различными характеристиками непосредственно с помощью источника ионов органических соединений на основе отражательного разряда с полым катодом. Предложен новый способ синтеза пленок при попеременном ускорении на подложку химически активных ионов и электронов за счет низкочастотного (50 Гц) синусоидального переменного ускоряющего напряжения. Установлено, что модификация синтезированных пленок лучом химически активных ионов С+ позволяет сохранить элементный состав облученных областей и толщину (изменение толщины не более 15 %) при падении поверхностного сопротивления до нескольких Ом/а.

Научная и практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что:

3. Показана перспективность использования разработанных источников для очистки подложек микроплат СВЧ ГИС, а также для синтеза и литографии 7 функциональных слоев микроплат на основе углерода.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена рассмотрению современного состояния исследований по теме диссертации. Рассматриваются особенности техники плазменных источников ионов. Как следует из обзора технологических ИИ, одним из наиболее перспективных является низковольтный отражательный разряд с полым катодом. К его достоинствам относятся: возможность энергетически эффективной эмиссии, как ионов, так и электронов; широкий диапазон рабочих давлений газа (1 - 1><10"4Па); высокий

12 13 3 ресурс непрерывной работы; высокая плотность плазмы (10 - 10 см" ); простота конструкции, возможность рабочей конструкции с двухступенчатой газоразрядной системой и пучком ионов большого сечения. В первой главе анализируются возможности и результаты работы источников при напуске химически активных газов. Подвергаются анализу способы управления распределением плотности тока по сечению пучка ионов. Рассматривается применение плазменных источников в качестве технологического оборудования для обработки функциональных слоев микроплат, включая операции очистки подложек, синтеза пленок. В заключении главы 1 формулируются основные задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованию источника ионов на основе отражательного разряда с полым катодом при напуске химически активных технологических газов: органических и кремнийорганических соединений, воздуха; изучению временных характеристик горения разряда. Показано, что при потоках углеводорода 2,4 м3 хмПа/с и более через некоторый промежуток времени, зависящий от разрядного тока и давления газа, наблюдается рост разрядного напряжения, что объясняется образованием на электродах разрядной камеры покрытий из продуктов диссоциации молекул углеводорода; рост со временем углеродных покрытий на катодах и зарядка их ионами приводит в конечном итоге к электрическому пробою покрытий и образованию катодных пятен. Исследованы энергетические спектры выходящих ионов; определены оптимальные рабочие параметры, соответствующие длительной непрерывной работе при напуске активных газов; рассмотрены новые разработанные источники с возможностью длительной непрерывной работы при напуске углеродсодержащих газов.

В третьей главе приводятся результаты исследования двухступенчатого отражательного разряда с полым катодом, анализируются возможные режимы горения в зависимости от геометрических параметров, давления газа, соотношения токов основного и вспомогательного разряда, делаются выводы об оптимальных геометрических параметрах и элементах конструкции двухступенчатой разрядной камеры; рассматривается новый разработанный источник с возможностью управления распределением плотности тока по сечению пучка заряженных частиц по двум полярным координатам - по радиусу и по углу путем регулировки потенциала, угла наклона электродов составного анода основного разряда, токов вспомогательного и основного разряда; рассматривается новый разработанный плазменный эмиттер электронов с удаленным от полого катода эмиссионным сеточным анодом.

Четвертая глава посвящена применению плазменных источников в технологических операциях обработки функциональных слоев микроплат: очистки подложек, синтеза и модификации тонких пленок с использованием пучков ионов химически активных газов. Проводится сравнение ионно-лучевой и многостадийной жидкостной очистки на основе показателей качества, экономичности и экологичности технологического процесса очистки. Разрабатывается технология синтеза пленок углерода с различными характеристиками на различных подложках с использованием пучков ионов пропана, метана, водорода, ацетона, спиртобензина, аргона а также их смесей. Исследуется модификация углеродных пленок лучом ионов С+, которая проводится с целью создания графитизированных участков этих пленок с заданной электрической проводимостью для увеличения функциональной нагрузки углеродных слоев микроплат.

Полученные результаты позволяют сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:

1. В процессе непрерывной работы отражательного разряда с полым катодом при давлении углеводорода р >1,5 Па (поток газа () >2,5 м хмПа/с) через некоторый промежуток времени, зависящий от тока разряда наблюдается рост разрядного напряжения, образование катодных пятен и кратковременный переход тлеющего разряда в дуговой, что связано с осаждением на катодах покрытий из продуктов диссоциации углеводорода. Увеличение времени стабильной непрерывной работы источника достигается путем снижения и р, либо путем использования «самоочищающегося» МРЭ катода.

2. Для зажигания объемного двухступенчатого разряда с полым катодом требуется увеличение диаметра отверстия связи до ~ 7 мм при исследованных параметрах газоразрядной системы. Объемный разряд с полым катодом имеет ряд отличий, среди которых: обратная зависимость напряжения горения основной ступени и2 от тока вспомогательной ступени //, относительно низкие значения //, и2 и давления газа (до 8,5 мПа); сниженные энергозатраты. Электронный ток объемного разряда замыкается преимущественно на наиболее удаленную от полого катода часть рабочей поверхности основного анода.

4. Плазменный источник ионов органических соединений при различных условиях позволяет синтезировать следующие тонкопленочные материалы: аморфный углерод а-С и а-С:Н (Сн до 10 ат. %) алмазоподобного и графитоподобного типов; нанокристаллический графит с линейным размером

10 частиц 5 - 7 нм; протяженные слои из шестиугольных колец Бр2 углерода, разупорядоченный углерод и эр1 углерод. Попеременное ускорение на подложку ионов пропана и электронов за счет низкочастотного (50 Гц) синусоидального переменного ускоряющего напряжения позволяет синтезировать пленки углерода заданного состава независимо от материала подложки (одновременно на подложках из различных материалов) в широком диапазоне давлений газа (до 10"4 Па).

5. Модификация синтезированных алмазоподобных пленок а-С и а-С:Н с поверхностным сопротивлением >109 Ом/п ионами С+ с энергией 30 кэВ

17 2 доза 1 х 10 см" ) позволяет достичь резкого падения поверхностного сопротивления до величины 5-10 Ом/п, вызванного образованием Бр углерода. Величина Д/^ зависит от исходных характеристик пленок: концентрации связанного водорода, разупорядоченного углерода, кристаллической структуры.

Заключение диссертации по теме "Электрофизика, электрофизические установки"

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и салонах: 9th and 10th International

Conférence Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows

Tomsk, Russia, 2008, 2010); 9-том Московском межд. салоне инноваций и инвестиций 2009 (Москва, 2009, бронзовая медаль); Международном

Крейнделевском семинаре «Плазменная эмиссионная электроника» (Улан-Удэ,

2009); 8-ой Международной научной конференции «Химия твердого тела и

132 современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск-Ставрополь, 2008); 1-ой, 2-ой, 3-ей Международных студенческих конференциях «Научный потенциал студенчества - будущему России» (Ставрополь, 2007, 2008, 2009); Научном семинаре стипендиатов DAAD программ «М.Ломоносов» и «И.Кант» 2011/2012 (Москва, 2012); Краевой научно-практической конференции молодых ученых ставропольского края (Ставрополь, 2010); 36-ой, 37-ой, 39-ой Научно-технических конференциях по итогам работы профессорско-преподавательского состава СевКавГТУ (Ставрополь, 2006, 2007, 2010); 13-ой, 14-ой Научно-технических конференциях «Вузовская наука - СевероКавказскому региону» (Ставрополь, 2009, 2010).

Материалы диссертации опубликованы в 4-х статьях рецензируемых журналов из перечня ВАК [68, 104, 105, ИЗ], трудах и материалах 11-ти международных научно-технических конференций [61, 66, 67, 98, 102, 108, 115, 132 - 134, 70], трудах и материалах 8-ми региональных научно-технических конференций [79,81,84, 86, 97, 101, 114, 131], 4-х патентах РФ [30, 75, 88, 103], всего в 27 работах.

Личный вклад автора состоит в том, что автором лично выполнены все экспериментальные исследования, обработка и анализ результатов измерений. Основные цели, выводы и положения диссертационной работы выдвинуты и сформулированы лично автором. Личный вклад автора состоит также в создании экспериментальных установок, разработке устройств и способов их работы. Обсуждение задач исследований, методов их решения и результатов анализа экспериментальных данных проводилось совместно с соавторами, фамилии которых указанны в опубликованных по теме диссертации работах. Постановка экспериментов и окончательная редакция научных положений и выводов осуществлялись совместно с научным руководителем при активном участии соискателя.

Обоснованность результатов работы подтверждается систематическим характером исследований, использованием современных методов диагностики, воспроизводимостью результатов экспериментов и их удовлетворительным совпадением с экспериментальными, теоретическими и оценочными данными других исследователей, практической реализацией научных положений и выводов при создании конкретных устройств.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность доктору технических наук В. Я. Мартенсу, под руководством которого была выполнена данная работа, сотрудникам кафедры физики и электроники, центра нанотехнологий и наноматериалов Северо-Кавказского федерального университета (г. Ставрополь, Россия), института ионно-лучевой физики и исследования материалов научно-исследовательского центра Helmholz Zentrum Dresden-Rossendorf отделов FWIZ и FWIO (г. Дрезден, Германия) и соавторам работ за помощь, оказанную при проведении экспериментов и обсуждении результатов исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Шевченко, Евгений Федорович, Ставрополь

1. Габович М. Д. Физика и техника плазменных источников ионов / М. Д. Габович М.: Атомиздат, 1992. - 305 с.

2. Семенов А. П. Пучки распыляющих ионов: получение и применение / А. П. Семенов Улан-Удэ: БНЦ СО РАН, 1999. - 207 с.

3. Браун Я. Физика и технология источников ионов / Я. Браун М.: Мир, 1998. - 496 с.

4. Валиев К. А. Реактивный ионно-лучевой синтез тонких пленок непосредственно из пучков ионов / К. А. Валиев, Ю. П. Маишев, С. Л. Шевчук // Физическая инженерия поверхности. 2003. - Т. 1. - № 1. - С. 27 -33.

5. Маишев Ю. П. Установка прецизионного реактивного ионно-лучевого травления наноструктур для автоэмиссионных приборов / Ю. П. Маишев, Ю. П. Тереньтьев, С. Л. Шевчук, Н. И. Титаренко, В. А. Голиков // Микроэлектроника. 2010. - Т. 39. - № 4. - С. 274 - 283.

6. Козлов А. Н. Особенности выбора ионных источников с холодным катодом для точной ионно-лучевой обработки полупроводниковых структур / А. Н. Козлов, А. И. Зайцев, А. Е. Даниловский, А. М. Филачев // Прикладная физика. 2006. - № 3. - С. 45 - 48.

7. Данилин Б. С. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов / Б. С. Данилин, В. Ю. Киреев М.: Энергоатомиздат. 1987.-264 с.

8. Аксенов А. И. Процессы лазерной и электронно-ионной технологии: учебное пособие / А. И. Аксенов, Д. А. Носков Томск: ТУСУР. 2007. - -110 с.

9. Беграмбеков Л. Б. Модификация поверхности твердых тел при ионном и плазменном воздействии: учебное пособие / Л. Б. Беграмбеков М.: МИФИ, 2001.-34 с.

10. Черепин В. Т. Ионный зонд. / В. Т. Черепин Киев: Наукова думка, 1981. -328 с.

11. Voznyi V. I. Axial energy spread measurements of a 27.12 Mhz multicusp ion source / V. I. Voznyi, V. I. Miroshnichenko, S. N. Mordyk, V. E. Storizhko, D. P. Shulha // Problems of atomic science and technology. 2009. - № 1. - P. 142 -144.

12. Москалев Б. И. Разряд с полым катодом. / Б. И. Москалев М.: Энергия, 1969.- 184 с.

13. Оке Е. М. Источники электронов с плазменным катодом / Е. М. Оке -Томск: Изд-во НТЛ, 2005. 216 с.

14. Гаврилов Н. В. Исследование энергетических спектров ионов, выходящих из отражательного разряда с полым катодом / Н. В. Гаврилов // Известия вузов. Физика. 1980.-Т. 23. - № 3. - С.124 - 126.

15. Семенов А. П. Характеристики отражательного разряда с коробчатой катодной полостью и эмиссионные свойства плазмы разряда / А. П. Семенов // Журнал технической физики. 2007. - Т. 77. - № 2. - С. 131 — 135.

16. Семенов А. П. Тонкие пленки углерода. I. Техника выращивания пучками заряженных частиц / А. П. Семенов, И. А. Семенова // Журнал технической физики. 2004. - Т. 74. - № 4. - С. 102 - 107.

17. Крейндель Ю. Е. Плазменные источники электронов / Ю. Е. Крейндель -М.: Атомиздат, 1977. 144 с.

18. Ремпе Н. Г. Промышленное применение электронных пушек с плазменным катодом / Н. Г. Ремпе // Труды II международного Крейнделевского семинара «Плазменная эмиссионная электроника», Улан-Удэ, Россия. -2006.-С. 108.

19. Кагадей В. А. Вольт-амперные характеристики отражательного разряда с полым катодом и самонакаливаемым элементом / В. А. Кагадей, А. В. Козырев, И. В. Осипов, Д. И. Проскуровский // Журнал технической физики.-2001.-Т. 71. № 3. - С. 22.136

20. Мартене В. Я. Источник газовых ионов с пучком большого сечения / В. Я. Мартене, С. И. Белюк, В. Н. Посохов // Приборы и техника эксперимента. -1992.-Т. 2.-С. 194.

21. Крейндель Ю. Е. Электронная пушка непрерывного действия с плазменным катодом большой площади / Ю. Е. Крейндель, В. Я. Мартене, В. Я. Съедин, С. В. Гавринцев // Приборы и техника эксперимента. 1982. - №4. - С. 178 - 180.

22. Мартене В. Я. Проникновение плазмы из отражательного разряда в полый электрод при низком давлении газа / В. Я. Мартене // Журнал технической физики. 2002. - Т. 72. -№ 11.-С. 43-51.

23. Бугаев С. П. Электронные пучки большого сечения. / С. П. Бугаев, Ю. Е. Крейндель, П. М. Щанин М.: Энергоатомиздат, 1984. - 112 с.

24. Limpaecher R. Magnetic multipole containment of large uniform collision less quiescent plasmas / R. Limpaecher, K. R. McKenzie // Rev. Sei. Instrum. 1973. -Vol. 44.-No 6.-P. 726.

25. Ефремов A. M. Вакуумно-плазменные процессы и технологии: учебное пособие / А. М. Ефремов, В. И. Светцов, В. В. Рыбкин Иваново, 2006. -260 с.

26. Крейндель Ю. Е. Источники электронов с плазменным эмиттером / Ю. Е. Крейндель Новосибирск: Наука, 1983. - С. 25 - 33.

27. Щанин П. М. Источники заряженных частиц с плазменным эмиттером / П. М. Щанин Екатеринбург: УИФ Наука, 1993. - С. 52 - 56.

28. Никулин С. П. Генерация однородной плазмы и широких ионных пучков в пеннинговской системе с неэквипотенциальным катодом / С. П. Никулин, Д. Ф. Чичигин, П. В. Третников // Журнал технической физики. 2004. -Т. 74,-№9.-С. 39-43.

29. Патент РФ № 2454046 Плазменный эмиттер электронов / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко. Заявл. 13.01.2011. Опубл. 20.06.2012. Бюл. № 17. 7 с.

30. Ефимов И. Е. Микроэлектроника: учебное пособие для ВУЗов / И. Е. Ефимов, И. Я. Козырь, Ю. И. Горбунов М.: Высшая школа, 1986. - 464 с.

31. Достанко JL П. Плазменные СВЧ технологии в процессах инженерии поверхности / Л. П. Достанко, С. В. Бордусов // Физическая инженерия поверхности. 2003. - Т. 1. - № 1. - С. 7.

32. Casiraghi С. Bonding in hydrogenated diamond-like carbon by Raman spectroscopy / C. Casiraghi, F. Piazza, A. C. Ferrari, D. Grambole, J. Robertson // Diamond & Related Materials. 2005. - Vol. 14. - P. 1098 - 1102.

33. Берлин E. Напылительные установки для нанесения многослойных покрытий / Е. Берлин, JI. Сейдман // Электроника: наука, технология, бизнес.-2006.-№2,-С. 88-91.

34. Мокеев О. К. Химическая обработка и фотолитография в производстве полупроводниковых приборов и микросхем / О. К. Мокеев, А. С. Романов -М.: Высшая Школа, 1979. 96 с.

35. Белоус В. А. Количественное определение прочности сцепления тонких металлических пленок со стеклом / В. А. Белоус, В. М. Лунев, В. С. Павлов, А. К. Турчина // Вопросы атомной науки и техники. 2006. - № 4. - С. 221 -223.

36. Robertson J. DLC Reviews / J. Robertson // Materials Science and Engineering. -2002.-Vol. 37.-P. 135.

37. Aisenberg S. Physics of Ion Plating and Ion Beam Deposition / S. Aisenberg, R. W. Chabot // J. Vac. Sci. Technol. 1973. - Vol. 10. - P. 104.

38. Anders A. Plasma and Ion Assistance in Physical Vapor deposition: A historical Perspective / A. Anders // Proceedings of 50th Annual Technical Conference «Society of Vacuum Coaters», Louisville, KY, USA, 2007. P. 394 - 404.

39. Гаврилов H. В. Использование ионно-лучевого ассистирования в технологии нанесения высокотвердых износостойких покрытий ионно-плазменным методом / Н. В. Гаврилов, Д. Р. Емлин, О. А. Буреев //138

40. Материалы докладов Урало-Сибирской научно-практической конференции 2003 г. Режим доступа: http://www3.uran.ru/reports/usspec2003/theses ofreports/t24.htm (20.06.2012).

41. Baldwin S. К. Increased deposition rate of chemically vapor deposited diamond in a direct current arc jet with a secondary discharge / S. K. Baldwin, T. G. Owano, С. H. Kruger // Appl. Phys. Lett. 1995. - Vol. 67. - No 2. - P. 194 -196.

42. Oakes D. B. Diamond synthesis in oxygen-acetylene flames: In homogeneities and the effects of hydrogen addition / D. B. Oakes, J. E. Butler // J. Appl. Phys. -1991.-Vol. 69.-No 4.-P. 2602-2610.

43. Патент РФ на изобретение № 2075538 Устройство для нанесения вакуумно-плазменных покрытий / В. В. Будилов, С. Р. Шехтман, Р. М. Киреев. Заявл. 22.11.1993. Опубл. 20.03.1997. Бюл. № 29.

44. Гаврилов Н. В. Осаждение алмазоподобных а-С:Н покрытий в несамостоятельном разряде с плазменным катодом / Н. В. Гаврилов, А. С. Мамаев, А. С. Кайгородов // Письма в журнал технической физики. 2009. -Т. 35.-№ 1.-С. 27-33.

45. Синельников Б. М. Синтез и исследование пленок алмазоподобного углерода, полученных из метана в ВЧ-плазме / Б. М. Синельников, В. А. Тарала, Т. Н. Прохода // Вестник ЮНЦ РАН. 2009. - Т. 5. - № 2. - С. 120 -123.

46. Beshkov G., Deposition and Properties of Thin PECVD Carbon Films After Rapid Thermal Annealing / G. Beshkov, D. Dimitrov, S. Georgiev, T. Dirnitrova139

47. Journal de Physique II. 1995. - Vol. 5. - P. 615 - 619.

48. Verbrugge V. Carbon coatings on optical fibres by PECVD / Y. Verbrugge, L. Segers, R. Winand, M. N. Charasse, C. Quinty, J. P. Le Pesant // Journal de Physique III. 1993. - Vol. 3. - P. 1377.

49. Базаров В. В. Синтез и ионно-лучевая модификация алмазоподобных углеродных пленок: дис. канд. физ.-мат. наук: 01.04.10 / Базаров Валерий Вячеславович. Казань, 2003. - 115 с.

50. Данилин Б. С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок / Б. С. Данилин М.: Энергоатомиздат, 1989. - 328 с.

51. Anders A. Handbook of plasma immersion ion implantation and deposition / A. Anders- New York: John Wiley & Sons, 2000. 730 p.

52. Weber F. R. Properties of Carbon Nitride Layers Generated by Direct Plasma Beam Deposition / F. R. Weber, H. Oechsner // Surface Coatings Technology -1995.-Vol. 74 75.-P. 704.

53. Miyazawa T. Preparation and structure of carbon films deposited by a mass-separated C+ ion beam / T. Miyazawa, S. Misawa, S. Youshida, S. Gonda // Journal of Applied Physics. 1984.-Vol. 55.-P. 188.

54. Ishikawa J. Transparent carbon films prepared by mass-separated negative-carbon-ion-beam deposition / J. Ishikawa, Y. Takeiri, K. Ogaqwa, T. Takagi // Journal of Applied Physics. 1987. - Vol. 61,- P. 2509.

55. Kimock F. M. The Evolution of Ion-Beam Diamond-like-Carbon Technology into Data Storage: Space Propulsion, Sunglasses, Sliders, and now Disks / F. M. Kimock, D. W. Brown, S. J. Finke, E. G. Thear // Режим доступа: http:Wwww.diamonex.com (10.05.2012).

56. Фареник В. И. Получение и транспортировка пучков малых и средних энергий / В. И. Фареник // Физическая инженерия поверхности. 2005. - Т. 3.-№ 1 -2. С. 4-29.

57. Anders A. Physics of Plasma-Based Ion Implantation & Deposition (PBIID) and High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS): A Comparison / A. Anders // Physica Status Solidi (a). 2008. - № 4. - P. 965 - 970.

58. Барченко В. Т. Плазменный источник газовых ионов / В. Т. Барченко, С. Н. Заграничный // Тезисы докладов 3-ей конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц», Томск. 1994. -Т. 1.-С. 40-41.

59. Гаврилов Н. В. Расширение рабочего диапазона давлений газа и увеличение ресурса сетки плазменного катода в ионном источнике / Н. В. Гаврилов , А. С. Каменецких // Журнал технической физики. 2007. - Т. 77. - № 3. -С. 12-16.

60. Гаврилов Н. В. Характеристики ионного источника с плазменным катодом и многополюсной магнитной системой удержания быстрых электронов / Н. В. Гаврилов , А. С. Каменецких // Журнал технической физики. 2004. - Т. 74. - № 9. - С. 97-102.

61. Мартене В. Я. Исследование отражательного разряда с полым катодом при напуске углеводорода / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Журнал технической физики. Т. 80. - № 8. - 2010. - С. 59 - 62.

62. Месяц Г. А. Эктоны. Ч. 2. / Г. А. Месяц Екатеринбург: Наука, 1994.-243 с.141

63. Иванов-Омский В. И. Модифицирование электронного спектра и колебательных свойств углерода примесью меди / В. И. Иванов-Омский, Э. А. Сморгская // Физика и техника полупроводников. 1998. - Т. 32. - № 8.-С. 931 - 938.

64. Файзрахманов И. А. Модификация наноструктуры алмазоподобных пленок углерода бомбардировкой ионами ксенона / И. А. Файзрахманов, В. В. Базаров, A. JI. Степанов, И. Б. Хайбуллин // Физика и техника полупроводников. 2003. - Т. 37. - № 6. - С. 748 - 752.

65. Bugaev S. P. Ion-assisted pulsed magnetron sputtering deposition of ta-C films / S. P. Bugaev, V. G. Podkovyrov, К. V. Oskomov, S. V. Smaykina, N. S. Sochugov // Thin Solid Films. Vol. 389. - 2001. - P. 16 - 26.

66. Патент РФ № 104774 Газоразрядное устройство для синтеза углеродсодержащих пленок / Е. Ф. Шевченко. Заявл. 27.12.2010. Опубл. 20.05.2011. Бюл. № 14. 2 с.

67. Патент РФ № 2088056 Генератор атомарного водорода / В. А. Кагадей, Д. И. Проскуровский, O.E. Троян. Заявл. 07.05.1993. Опубл. 20.08.1997. Бюл. № 11.

68. Семенов А. П. Тонкие пленки углерода. I. Техника выращивания пучками заряженных частиц / А. П. Семенов, И. А. Семенова // Журнал технической физики. 2004. - Т. 74. - № 4. - С. 102 - 107.

69. Chu Р. К. Characterization of amorphous and nanocrystalline carbon films / P. K. Chu, L. Li. // Materials Chemistry and Physics. Vol. 96. - 2006. - P.253 - 277.

70. Груздев В. А. Влияние пристеночного слоя на колебание тока плазменного эмиттера / В. А. Груздев, Н. Г. Ремпе // Теплофизика высоких температур, -1982. Т. 20. - № 2. - С. 225 - 228.

71. Матюхин С. И. Ионная имплантация: новые возможности известного метода / С. И. Матюхин // Известия ОрелГТУ. Серия Естественные науки. - 2003. - № 1 - 2. - С.59 - 62.

72. Шурыгина В. Печатная электроника что это такое, как она создается, чего от нее ждать? Часть I. / В. Шурыгина // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2010. - №3. - С. 2 - 9.

73. Северо-Кавказскому региону», Сев-Кав ГТУ, Ставрополь, 2010. Т. 1. - С. 29 - 30.л

74. Патент РФ № 2441354 Генератор плазмы / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко. Заявл. 17.06.2010. Опубл. 27.01.2012. Бюл. № 3. 7 с.

75. Keller R. CORDIS an improved high-current ion source for gases / R. Keller, F. Nohmayer, P. Spadtke // Vacuum. 1984. - Vol. 34. - No. 1 - 2,- P. 31 - 35.

76. Torp B. High current ion beams of metallic elements / В. Torp, B. R. Nielsen, D. M. Rtick, H. Emig, P. Spadtke // Review of Scientific Instruments. 1990. -Vol. 61.-P. 595 -597.

77. Гаврилов H. В. Генерация плазмы в двухступенчатой газоразрядной системе с многополюсным магнитным полем / Н. В. Гаврилов, А. С. Каменецких // Журнал технической физики. 2006. - Т. 76. - №2. - С. 57.

78. Philipp P. Investigation of nanostructures on ta-C films made by gallium FIB lithography / P. Philipp, L. Bischoff // Diamond & Related Materials — 2012. — Vol. 23. P.140 -143.

79. Fujiwara H. Spectroscopic Ellipsometry. Principles and Applications / H. Fujiwara // Chichester: J. Wiley & Sons 2007. - C. 45.

80. Кудрявцев Ю. П. Трансформация карбина при атмосферном давлении / Ю. П. Кудрявцев, Т. Г. Шумилова, JI. А. Янулова // Доклады академии наук. -2001. Т. 376. - № 2. - С. 241 - 243.

81. Tinschert K. Low-energy high-intensity extraction system for CHORDIS / K. Tinschert, W. Zhao // Review of Scientific Instruments. 1992. - Vol. 63. - P. 2782.

82. Мартене В. Я. Исследование двухступенчатого разряда с полым катодом / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Материалы 14-ой научно-технической конференции «Вузовская наука Северо-Кавказскому региону» СевКавГТУ, Ставрополь. 2010. - Т. 1. С. 31 - 32.

83. Патент РФ № 2408948 Плазменный эмиттер заряженных частиц / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко. Заявл. 27.10.2009. Опубл. 10.01.2011. Бюл. № 1. 11 с.

84. Мартене В. Я. Управление распределением плотности тока по поверхности плазменного эмиттера / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Письма в Журнал технической физики. 2011. - Т. 37. - № 8. - С. 71 - 79.

85. Шевченко Е. Ф. Ионная очистка подложек микроплат в установке вакуумного напыления как альтернатива химической очистке / В. Я. Мартене, Е. Ф. Шевченко // Вестник СевКавГТУ. 2011. - № 1. - С. 19 - 24.

86. Климачев И. И. СВЧ ГИС. Основы конструирования / И. И. Климачев, В. А. Иовдальский М.: Техносфера, 2006. - 352 с.

87. Мокеев O.K. Химическая обработка и фотолитография в производстве полупроводниковых приборов и микросхем / О. К. Мокеев, А. С. Романов М.: Высшая Школа, 1979. - 96 с.

88. Stanishevsky A. Modification of hydrogen-free amorphous carbon films by focused ion beam milling / A. Stanishevsky, L. Khriachtchev // Journal of Applied Physics. Vol. 86. - 1999. - P. 7052 - 7058.

89. Spàdtke P. Accel-decel extraction system for PIG sources / P. Spâdtke, F. Heymach, R. Hollinger, K. D. Leible, S. L. Q. Mayr // Review Scientific Instruments. 2002. - Vol. 73. - P.723.

90. Шевчук С. JI. Метод реактивного ионно-лучевого синтеза тонких пленок непосредственно из пучков ионов: дис. канд. тех. наук: 05.27.01 / Шевчук Сергей Леонидович. М., 2002 г. - 161 с.

91. Мартене В. Я. Синтез алмазоподобных пленок углерода с помощью ионного источника на основе отражательного разряда с полым катодом / В. Я. Мартене, В. А. Тарала, Е. Ф. Шевченко // Перспективные материалы. -2011.-№ 3.-С. 40-45.

92. Тарала В. А. Исследование газофазного осаждения пленок аморфного углерода с ионно-плазменной стимуляцией процесса / В. А. Тарала, Е. Ф.146

93. Шевченко // Материалы 39-ой научно-технической конференции по итогам работы профессорско-преподавательского состава за 2009 год. Т. 1. СевКавГТУ, Ставрополь. 2010. С. 15 16.

94. Файзрахманов И. А. Влияние бомбардировки ионами углерода на наноструктуру алмазоподобных пленок / И. А. Файзрахманов, В. В. Базаров, В. А. Жихарев, И. Б. Хайбуллин // Физика и техника полупроводников. 2001. - Т. 35. - № 5. - С. 612 - 618.

95. Ferrari А. С. Raman spectroscopy of amorphous, nanostructured, diamond-like carbon, and nanodiamond / A. C. Ferrari, J. Robertson // Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2004. - Vol. 362. - P. 2477 - 2512.

96. Ferrari A. C. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon / A. C. Ferrari, J. Robertson // Physical Review B. 2000. - Vol. 61. -No. 20.-P. 14095- 14107.

97. Casiraghi C. Raman spectroscopy of hydrogenated amorphous carbons / C. Casiraghi, A. C. Ferrari, J. Robertson // Physical Review B. 2005. - Vol. 72. -No. 8.-P. 085401 -085415.

98. Семенов А. П. Тонкие пленки углерода. II. Строение и свойства / А. П. Семенов, И. А. Семенова // Журнал технической физики. 2004. - Т. 74. -№ 5.-С. 101 - 104.

99. Кудрявцев Ю. П. Карбин-третья аллотропная форма углерода / Ю. П. Кудрявцев, С. Е. Евсюков, М. Б. Гусева // Известия академии наук СССР. Сер. хим. 1993. - № 3. - С. 450 - 463.

100. Mobner С. Characterization of diamond-like carbon by Raman spectroscopy, XPS and optical constants / C. Mobner, P. Grant, H. Tran, G. Clarke, D. J. Lockwood, H. J. Labbe, B. Mason, I. Sproule // Thin Solid Films. 1998. - Vol. 317. -P. 397-401.

101. Васильев А. В. Инфракрасная спектроскопия органических и природных соединений: учебное пособие / А. В. Васильев СПб.: СПбГЛТА, 2007.- 54 с.

102. Анненков Ю. М. Основы электротехнологий: учебное пособие / Ю. М. Анненков Томск: ТПУ, 2005. - 208 с.

103. Синельников Б. М. Моделирование процессов зарождения аморфных и кристаллических пленок алмазоподобных материалов / Б. М. Синельников, В. А. Тарала // Материалы электронной техники. 2010. -№.1. -С. 32-41.

104. Синельников Б. М. Синтез и исследование пленок алмазоподобного углерода, полученных из метана в ВЧ-плазме / Б. М. Синельников, В. А. Тарала, Т. Н. Прохода // Вестник ЮНЦ РАН. 2009. - Т. 5. - № 2. - С. 120- 123.

105. Derry Т. Е. Ion implantation of carbon in diamond / Т. E. Derry, J. P. F. Sellschop // Nuclear Instruments and Methods. 1981. - Vol. 191. - P. 23 - 26.

106. Locher R. Direct ion-beam deposition of amorphous hydrogenated carbon films / R. Locher, C. Wild, P. Koidi // Surface and Coatings Technology. 1991. - Vol. 47.-P. 426-432.

107. Lmimouni K. Diamond-like carbon films as electron-injection layer in organic ligth emitting diodes / K. Lmimouni, C. Legrand, C. Dufour, A. Chapoton, C. Belouet // Applied Physics Letters. 2001. - Vol. 78. - P. 2437 - 2439.

108. Brodsky M. H. Infrared and Raman spectra of the silicon-hydrogen bonds in amorphous silicon prepared by glow discharge and sputtering / M. H. Brodsky, M. Cardona, J. J. Cuomo // Physical Review B. 1977. - Vol. 16. - P. 3556.

109. Sarangi D. Characterization studies of diamond-like carbon films grown using a saddle-field fast-atom-beam source / D. Sarangi, O. S. Panwar, S. Kumar, R. Bhattacharyya // Journal of Vacuum Science and Technology. 2000. - Vol. 18. No. 5.-P. 2302-2311.

110. Маишев Ю. П. Источники ионов с холодным катодом для ионно-лучевого травления и нанесения пленок / Ю. П. Маишев // Электронная техника. Серия 7. Технология, организация производства и оборудование. 1984. -№4(125).-С. 6-1.

111. Арцемович JI. А. Плазменные ускорители / Л. А. Арцемович М.: Машиностроение, 1973, - 312 с.

112. Rodil S. E. Raman and infrared modes of hydrogenated amorphous carbon nitride / S. E. Rodil, A. C. Ferrari, J. Robertson, W. I. Milne. // Journal of Applied Physics. 2001. - Vol. 89. - No. 10. - P. 5425 - 5430.

113. Yushin G. N. Effect of sintering on structure of nanodiamond / G. N. Yushin, S. Osswald, V. I. Padalko, G. P. Bogatyreva, Y. Gogotsi // Diamond & Related Materials. 2005. - Vol. 14. - P. 1721 - 1729.

114. Zhang B. Structure evolution from nanocolumns to nanoporous of nitrogen doped amorphous carbon films deposited by magnetron sputtering / B. Zhang, Y. Yu, Z. Wang, J. Zhang // Applied Surface Science. 2010. - Vol. 256. - P. 6506-6511.

115. Roy D. Characterisation of carbon nano-onions using Raman spectroscopy / D. Roy, M. Chhowalla, H. Wang, N. Sano, I. Alexandrou, T. W. Clyne, G. A. J. Amaratunga // Chemical Physics Letters. 2003. - Vol. 373. - P. 52 - 56.

116. Визирь А. В. Несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом для широкоапертурных ионных источников / А. В. Визирь, Е. М. Оке, П. М. Щанин, Г. Ю. Юшков. // Журнал технической физики. 1997. - Т. 67. - № 6.-С. 27-31.

117. Bendavid A. The mechanical and biocompatibility properties of DLC-Si films prepared by pulsed DC plasma activated chemical vapor deposition / A. Bendavid, P. J. Martin, C. Comte, E. W. Preston, A. J. Haq, F.S. Magdon Ismail,150

118. R. К. Singh // Diamond & Related Materials. 2007. - Vol. 16. - P. 1616 -1622.

119. Королев Б. И. Основы вакуумной техники / Б. И. Королев М.: Госэнергоиздат, 1957. - 400 с.

120. Piazza F. Transpolyacetylene chains in hydrogenated amorphous carbon films free of nanocrystalline diamond / F. Piazza, A. Golanski, S. Schulze, G. Relihan. // Applied Physics Letters. 2003. - Vol. 82. - No. 358. - P. 358 - 360.

121. Mapelli C. Common force field for graphite and polycyclic aromatic hydrocarbons / C. Mapelli, C. Castiglioni, G. Zerbi, K. Mullen // Physics Review B. 1999. - Vol. 60. - P. 12710.

122. Al-Jishi R. Lattice-dynamical model for graphite / R. Al-Jishi, G. Dresselhaus // Physics Review В. 1982.-Vol. 26.-P. 4514.

123. Tamor M. A. Raman «fingerprinting» of amorphous carbon films. / Tamor M. A., Vassell W. C. // Journal of Applied Physics. 1994. - Vol. 76. - P. 3823 - 3831.

124. Шипачев В. С. Высшая математика / В. С. Шипачев М.: Высшая школа, 2001.-479 с.

125. Мамаев А. С. Разработка ионно-плазменных методов нанесения покрытий и азотирования перспективных конструкционных материалов: дис. канд.тех. наук: 01.04.13: защищена 05.06.12 / Мамаев Александр Сергеевич. -Екатеринбург, 2012 г. 174 с.

126. Мельник H.H. Комбинационное рассеяние в неоднородных углеродных структурах, монография Комбинационное рассеяние 80 лет исследований (ред. В. С. Горелик) / Н. Н. Мельник - М.: ФИАН, 2008. - С. 147-161.

127. Kudryavtsev Y. P. The influence of temperature and pressure on a- and b-carbynes. / Y. P. Kudryavtsev, N. A. Bystrova // Izvestia AN. Ser. Chim. 1998. -No 4.-P. 589- 591.