Плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок
Приведено основні принципи створення на базі вакуумного універсального поста ВУП-5(М) та подальшого використання плазмохімічного устаткування для осадження тонкоплівкових, у тому числі наношарових, матеріалів із парів зазвичай рідких прекурсорів. Метод можна класифікувати як осадження в газовому сер...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Дата: | 2019 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2019
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167289 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок / О.К. Порада, В.І. Іващенко, Л.А. Іващенко, А.О. Козак, О.О. Ситіков // Надтверді матеріали. — 2019. — № 1 (237). — С. 42-50. — Бібліогр.: 26 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-167289 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Порада, О.К. Іващенко, В.І. Іващенко, Л.А. Козак, А.О. Ситіков, О.О. 2020-03-23T13:32:30Z 2020-03-23T13:32:30Z 2019 Плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок / О.К. Порада, В.І. Іващенко, Л.А. Іващенко, А.О. Козак, О.О. Ситіков // Надтверді матеріали. — 2019. — № 1 (237). — С. 42-50. — Бібліогр.: 26 назв. — укр. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167289 621.723.7 Приведено основні принципи створення на базі вакуумного універсального поста ВУП-5(М) та подальшого використання плазмохімічного устаткування для осадження тонкоплівкових, у тому числі наношарових, матеріалів із парів зазвичай рідких прекурсорів. Метод можна класифікувати як осадження в газовому середовищі, активоване радіочастотною плазмою Е-типу в системах з безперервним потоком (метод відкритої труби). Устаткування універсальна до вибору прекурсору та має достатній набір технологічних параметрів, що дає можливість осаджувати широкий спектр покриттів з контрольованою товщиною від 1 до 2000 нм. Плазмохімічне устаткування вигідно доповнює набір технічних можливостей ВУП-5(М) і розширює його експлуатаційні характеристики без суттєвого втручання в конструкцію. Приведены основные принципы создания на базе вакуумного универсального поста ВУП-5(М) и дальнейшего использования плазмохимического оборудования для осаждения тонкопленочных, в том числе и наношаровых материалов из паров в основном жидких прекурсоров. Метод можно классифицировать как осаждения в газовой среде, активированной радиочастотной плазмой Е-типа в системах с непрерывным потоком (метод открытой трубы). Установка универсальная к выбору прекурсора и имеет достаточный набор технологических параметров, что позволяет осаждать широкий спектр покрытий с контролируемой толщиной от 1 до 2000 нм. Плазмохимическое оборудование выгодно дополняет набор технических возможностей ВУП-5(М) и расширяет его эксплуатационные характеристики без существенного вмешательства в конструкцию. The paper describes the main design principles of plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) equipment based on a Mod. VUP-5(M) universal vacuum pumping station, and the application of such equipment for deposition of thin films, including nanolayered ones, from vapors of usually liquid precursors. The method can be classified as PECVD in a gas atmosphere activated by E-type radio-frequency (RF) plasma in continuous flow systems (the open-tube method). The equipment is universal in terms of the types of precursors to be used and has a sufficient set of process variable in order to provide deposition of a wide range of coatings with a controlled thickness from 1 to 2000 nm. The PECVD equipment favorably supplements the VUP-5(M) functionalities and extends performance without any significant alteration of its design. uk Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Одержання, структура, властивості Плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок Plasma-Enhanced CVD Equipment for Deposition of Nanocomposite Nanolayered Films Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок |
| spellingShingle |
Плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок Порада, О.К. Іващенко, В.І. Іващенко, Л.А. Козак, А.О. Ситіков, О.О. Одержання, структура, властивості |
| title_short |
Плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок |
| title_full |
Плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок |
| title_fullStr |
Плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок |
| title_full_unstemmed |
Плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок |
| title_sort |
плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок |
| author |
Порада, О.К. Іващенко, В.І. Іващенко, Л.А. Козак, А.О. Ситіков, О.О. |
| author_facet |
Порада, О.К. Іващенко, В.І. Іващенко, Л.А. Козак, А.О. Ситіков, О.О. |
| topic |
Одержання, структура, властивості |
| topic_facet |
Одержання, структура, властивості |
| publishDate |
2019 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Сверхтвердые материалы |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Plasma-Enhanced CVD Equipment for Deposition of Nanocomposite Nanolayered Films |
| description |
Приведено основні принципи створення на базі вакуумного універсального поста ВУП-5(М) та подальшого використання плазмохімічного устаткування для осадження тонкоплівкових, у тому числі наношарових, матеріалів із парів зазвичай рідких прекурсорів. Метод можна класифікувати як осадження в газовому середовищі, активоване радіочастотною плазмою Е-типу в системах з безперервним потоком (метод відкритої труби). Устаткування універсальна до вибору прекурсору та має достатній набір технологічних параметрів, що дає можливість осаджувати широкий спектр покриттів з контрольованою товщиною від 1 до 2000 нм. Плазмохімічне устаткування вигідно доповнює набір технічних можливостей ВУП-5(М) і розширює його експлуатаційні характеристики без суттєвого втручання в конструкцію.
Приведены основные принципы создания на базе вакуумного универсального поста ВУП-5(М) и дальнейшего использования плазмохимического оборудования для осаждения тонкопленочных, в том числе и наношаровых материалов из паров в основном жидких прекурсоров. Метод можно классифицировать как осаждения в газовой среде, активированной радиочастотной плазмой Е-типа в системах с непрерывным потоком (метод открытой трубы). Установка универсальная к выбору прекурсора и имеет достаточный набор технологических параметров, что позволяет осаждать широкий спектр покрытий с контролируемой толщиной от 1 до 2000 нм. Плазмохимическое оборудование выгодно дополняет набор технических возможностей ВУП-5(М) и расширяет его эксплуатационные характеристики без существенного вмешательства в конструкцию.
The paper describes the main design principles of plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) equipment based on a Mod. VUP-5(M) universal vacuum pumping station, and the application of such equipment for deposition of thin films, including nanolayered ones, from vapors of usually liquid precursors. The method can be classified as PECVD in a gas atmosphere activated by E-type radio-frequency (RF) plasma in continuous flow systems (the open-tube method). The equipment is universal in terms of the types of precursors to be used and has a sufficient set of process variable in order to provide deposition of a wide range of coatings with a controlled thickness from 1 to 2000 nm. The PECVD equipment favorably supplements the VUP-5(M) functionalities and extends performance without any significant alteration of its design.
|
| issn |
0203-3119 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167289 |
| citation_txt |
Плазмохімічне устаткування для осадження нанокомпозитних наношаруватих плівок / О.К. Порада, В.І. Іващенко, Л.А. Іващенко, А.О. Козак, О.О. Ситіков // Надтверді матеріали. — 2019. — № 1 (237). — С. 42-50. — Бібліогр.: 26 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT poradaok plazmohímíčneustatkuvannâdlâosadžennânanokompozitnihnanošaruvatihplívok AT ívaŝenkoví plazmohímíčneustatkuvannâdlâosadžennânanokompozitnihnanošaruvatihplívok AT ívaŝenkola plazmohímíčneustatkuvannâdlâosadžennânanokompozitnihnanošaruvatihplívok AT kozakao plazmohímíčneustatkuvannâdlâosadžennânanokompozitnihnanošaruvatihplívok AT sitíkovoo plazmohímíčneustatkuvannâdlâosadžennânanokompozitnihnanošaruvatihplívok AT poradaok plasmaenhancedcvdequipmentfordepositionofnanocompositenanolayeredfilms AT ívaŝenkoví plasmaenhancedcvdequipmentfordepositionofnanocompositenanolayeredfilms AT ívaŝenkola plasmaenhancedcvdequipmentfordepositionofnanocompositenanolayeredfilms AT kozakao plasmaenhancedcvdequipmentfordepositionofnanocompositenanolayeredfilms AT sitíkovoo plasmaenhancedcvdequipmentfordepositionofnanocompositenanolayeredfilms |
| first_indexed |
2025-11-26T21:39:29Z |
| last_indexed |
2025-11-26T21:39:29Z |
| _version_ |
1850777693833920512 |
| fulltext |
http://stmj.org.ua 42
УДК 621.723.7
О. К. Порада*, В. І. Іващенко, Л. А. Іващенко, А. О. Козак,
О. О. Ситіков
Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича
НАН України, м. Kиїв, Україна
*o-porada@ukr.net
Плазмохімічне устаткування для осадження
нанокомпозитних наношаруватих плівок
Приведено основні принципи створення на базі вакуумного уні-
версального поста ВУП-5(М) та подальшого використання плазмохімічного
устаткування для осадження тонкоплівкових, у тому числі наношарових, ма-
теріалів із парів зазвичай рідких прекурсорів. Метод можна класифікувати як
осадження в газовому середовищі, активоване радіочастотною плазмою Е-типу
в системах з безперервним потоком (метод відкритої труби). Устаткування
універсальна до вибору прекурсору та має достатній набір технологічних пара-
метрів, що дає можливість осаджувати широкий спектр покриттів з контро-
льованою товщиною від 1 до 2000 нм. Плазмохімічне устаткування вигідно до-
повнює набір технічних можливостей ВУП-5(М) і розширює його експлуатаційні
характеристики без суттєвого втручання в конструкцію.
Ключові слова: тонкі тверді плівки, нанокомпозитні та нано-
шаруваті плівки, плазмохімічне устаткування, ВУП-5(М), PECVD, ALD, тех-
нологічні параметри.
ВСТУП
На сучасному етапі розвитку науки і техніки стрімко розви-
ваються технології, що пов’язані з розробкою та виготовленням нових тонко-
плівкових матеріалів. Особливо затребувані технології нанесення нанопок-
риттів – atomic layer deposition (ALD), що викликано значними успіхами в
фундаментальних наукових дослідженнях в області нанотехнологій та комер-
ціалізацією нанопокриттів [1–3]. Тонкоплівкові матеріали у своїй структурі
можуть мати або поєднувати аморфну, нано- та мікрокристалічну фази, в
тому числі у складі багатошарових і композитних покриттів [4]. Тонкі плівки
проявляють надзвичайні властивості і можуть мати різноманітне застосуван-
ня – від зміцнення різальних інструментів [5] до створення нового покоління
планарних напівпровідникових [6–8] і біомедичних [9, 10] пристроїв, що
здатні працювати в екстремальних умовах.
Донедавна, у більшості випадків, тонкі плівки наносили хімічним оса-
дженням – chemical vapor deposition (CVD), із летких прекурсорів [11–14] і
фізичним осадженням – physical vapor deposition (PVD), зазвичай магнетрон-
ного розпилення відповідних мішеней [15, 16]. Розвиток цих методів і поєд-
нання їх переваг привело до створення цілого ряду похідних методик по от-
риманню тонкоплівкових матеріалів. Серед них найбільшого поширення
набув плазмохімічний (PECVD) метод осадження [17–19]. На відміну від
класичного CVD-осадження, метод PECVD надає можливість проводити
осадження при помірних температурах, що запобігає температурному впливу
© О. К. ПОРАДА, В. І. ІВАЩЕНКО, Л. А. ІВАЩЕНКО, А. О. КОЗАК, О. О. СИТІКОВ, 2019
ISSN 0203-3119. Надтверді матеріали, 2019, № 1 43
на підкладки (наприклад, не твердосплавного різального інструменту) чи на
попередньо нанесені плівки при створенні покриттів типу “сандвіч”. Наяв-
ність газового розряду створює умови для організації зміщення на підкладко-
тримачеві (за рахунок різниці в рухливості електронів та іонів). Зміщення
надає можливість контролювати іонне бомбардування покриття, що
ocаджується. Воно запобігає дифузійному гальмуванню масообміну позитив-
ним об’ємним зарядом, що накопичується на поверхні підкладки. Задаючи
певне значення напруги зміщення, а також температури підкладки, витрату
введених реагентів і потужності газового розряду можна керувати швидкістю
осадження, розміром і формою зерна, залишковою напругою, кількістю ба-
жаних і небажаних домішків, адгезією та іншими характеристиками покрит-
тя. В результаті можна отримати покриття, які по фізико-механічним власти-
востям перевершуватимуть відповідний об’ємний матеріал. Слід підкреслити,
що в плазмохімічному методі технічно нескладно реалізувати осадження як
багатошарового, так і композитного покриттів. Окремо слід зауважити, що
треба враховувати швидкість осадження плівок на такому обладнанні. Як
показав наш досвід експлуатації плазмохімічної установки (ПХУ), найменша
контрольована товщина осаджених плівок має значення < 1 нм. Це відкриває
широку перспективу використання методу для атомно-слоевого осаждения –
ALD [1–3]. Але тільки осадження плівок з низькою швидкістю дає можли-
вість створювати структури з нанометровими товщинами зі збереження від-
творюваності характеристик покриттів. І, нарешті, плазмохімічне осадження
не є енергозатратним.
На жаль ПХУ, яке виробляють тільки закордонні фірми, є дуже вартісним.
Так, за інформацією компанії ТОВ “СК “ІНТЕК”, яка є офіційним представ-
ником відомого виробника “Oxford Instruments Plasma Technology” на тери-
торії Росії, України, Білорусії і Казахстану, орієнтовна вартість найдешевшої
плазмохімічної установки Plasmalab 80 Plus становить біля 480 000 евро без
урахуваня доставки, підключення та гарантійного обслуговування. З іншого
боку, дослідники, які мають власноруч створене лабораторне обладнання,
неохоче діляться інформацією по його конструктивному улаштуванню та
експлуатації. Все це стримує розвиток плазмохімічних тонкоплівкових тех-
нологій, зокрема в Україні.
Враховуючи наведене вище, запропоновано лабораторне ПХУ на базі ВУП-5
[20]. Протягом багатьох років підприємством “SELMI” (Суми, Україна) було
випущено велику кількість приладів ВУП-5(М), які переважно зосереджені в
інститутах академій наук України і країн СНД. Прилад призначений для
отримання широкого спектру тонкоплівкових матеріалів декількома метода-
ми для підготовки об’єктів, що досліджують за допомогою електронного
мікроскопу чи інших аналітичних приладів, і може бути застосований для
досліджень в різних областях фізики, хімії, біології, медицини та ін. ВУП-5
зручний і економний в експлуатації та має надійну вакуумну систему. Допо-
внення задекларованих можливостей ВУП-5 сучасною плазмохімічною тех-
нологією вигідно розширює його технічне застосування. Таке устаткування
може бути реалізоване науково-дослідною, комерційною чи будь-якою ін-
шою установою, що має у своєму розпорядженні діючий ВУП-5 (М) і має
потребу у використанні плазмохімічної технології.
УЛАШТУВАННЯ І ПРИНЦИП ДІЇ ПХУ
Для пристосування ВУП-5(М) під плазмохімічне осадження у ньому де-
монтуються всі навісні вузли в робочому об’ємі, а звільнений простір осна-
http://stmj.org.ua 44
щується системою високочастотних електродів, електронагрівачем підкладок
і газопідводом реактивної суміші в зону осадження. У конструкції внутріш-
ньокамерного пристрою (рис. 1) використаний принцип планарної системи
збудження і підтримки газового радіочастотного розряду, де поєднана класи-
чна конденсаторна система PECVD-осадження з радіочастотним розрядом
між паралельними електродами Е-типу з живленням від основного генерато-
ра і система осадження, що аналогічна системі реактивного іонного травлен-
ня – reactive ion etching (RIE), з подачею напруги від додаткового радіочастот-
ного (РЧ) генератора на електрод з підкладкою [21]. Така конфігурація забез-
печує інтенсивну активацію суміші основним РЧ-генератором і регулювання
енергії та потоку іонів на підкладку за рахунок утворення на ній потенціалу
негативного зміщення від додаткового РЧ-генератора.
1
2
3 4
5
6
8
7
Прекурсор,
гази
реагенти
Рис. 1. Блок-схема плазмохімічної РЧ-установки на базі ВУП-5: 1 – вакуумна камера; 2 –
верхній електрод; 3 – електрод зміщення (підкладкотримач) з підкладкою; 4 – термопара;
5 – нагрівач підкладкотримача; 6 – вакуумна система; 7 – система постачання реагентів;
8 – індикатор тиску в камері реактора; G1 – основний РЧ-генератор; G2 – РЧ-генератор
негативного зміщення на підкладкотримачеві; LC – фільтр низьких частот; V – вольтметр
для вимірювання плаваючого потенціалу Uf і потенціалу зміщення Ud; Р – вакуумметр.
Газорозрядний проміжок умовно можна поділити на дві вертикально роз-
міщені зверху вниз складові: зону активації реактивної суміші, яка концент-
рується ближче до верхнього електроду, і зону осадження біля електроду
зміщення (підкладкотримача). Розряд в зоні активації збуджується РЧ-
генератором G1. Із зони активації продукти розпаду у плазмі розповсюджу-
ються в зону осадження, в якій розміщується підкладкотримач, що підігріва-
ється. На нього подається РЧ-напруга від генератора G2. Негативний потенці-
ал самозміщення, що виникає при цьому, визначає середню енергію падаю-
чих іонів, а щільність іонного потоку задається потужністю, що відбирається
від генератора G1. Таким чином структура і склад отримуваного покриття
загалом залежні від складу газової суміші, температури підкладки, потужнос-
ті газового розряду і умов іонного бомбардування, що визначається напругою
зміщення.
ISSN 0203-3119. Надтверді матеріали, 2019, № 1 45
Підкладкотримач підігрівається компактним вбудованим електронагріва-
чем резистивного типу. Живиться підігрівач джерелом живлення пристрою
для термічного випаровування з резістивних випаровувачів. Спіраль нагріва-
ча, виготовлена із вольфрамової проволоки чи листового молібдену, разом з
системою теплових екранів забезпечують ефективне направлене і рівномірне
нагрівання підкладкотримача. На підкладкотримачеві з нержавіючої сталі, що
має форму циліндра з діаметром основи ~ 70 мм і висотою 5 мм, досягається
температура до 700 °С. Потрібно зауважити, що такий нагрівач спроможний
забезпечити надійний підігрів значної кількості осаджуваних зразків. Для
звичайних науково-дослідних потреб з невеликою кількістю осаджуваних
зразків можна скористатися штатним пристроєм для нагрівання столика (для
ВУП-5) або нагрівачем підкладок, що підігрівається випромінюванням гало-
генових ламп (для ВУП-5М).
При осаджені нанорозмірних плівок дуже важливо тонко регулювати і ко-
нтролювати витрату газового реагенту при подачі його в зону осадження. В
системі постачання реагентів використано високочутливий електронний ви-
тратомір газів, що працює в парі з модернізованим терморезистивним датчи-
ком витрати газів типу РРГ-3 і проградуйований на подачу конкретного газу,
стабілізатор тиску типу РДМ-3, високочутливі вакуумні регулятори витрати
газу. Підібраний розмір калібровочної втулки регуляторів забезпечує дозу-
вання витрат всього діапазону газових потоків (від 0,5 до 20 см3/хв), що ви-
користовуються в технологічній установці. Із термостатованого контейнера,
в якому розміщено барботер з рідким прекурсором, пари прекурсору транс-
портуються воднем (аргоном, гелієм) до реактора. Концентрація парів пре-
курсору у транспортуючому газі залежить від витрати останнього і від тем-
ператури термостатованого контейнера, яка регулюється в межах від кімнат-
ної температури до 80 °С і підтримується з точністю ±1 град.
Для потреби доочищення технологічних газів від залишків води, вуглеки-
слого газу та кисню сконструйовано і виготовлено спеціальні триступінчаті
газоочисні пристрої. Усі трубопроводи і вакуумні регулятори витрати газу
системи газорозподілу, по яких транспортуються реагенти, оснащено систе-
мою регульованого підігріву. Це запобігає утворенню конденсату в лінії
(особливо при використанні хлоровмісних реагентів), що могло б призвести
до порушення прохідності трубопроводу і втрати контролю над витратою
газово-парової суміші з наслідками погіршення відтворюваності характерис-
тик покриттів.
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПАРАМЕТРИ ПХУ, ЇХ ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТА ВПЛИВ НА ВЛАСТИВОСТІ ПЛІВОК
Для плазмохімічного осадження певного матеріалу в якості першоджерела
можуть бути використані різні прекурсори. Вони мають відмінні механізми
індукованих хімічних перетворень, а з практичної точки зору визначають
відмінність властивостей отримуваних плівкових структур [3]. Окрім того,
властивості покриттів можуть бути змінені вар’юванням значною кількістю
технологічних параметрів [4, 22–25], межі регулювання яких визначаються
технічними можливостями використаного обладнання. Основними парамет-
рами осадження є TS – температура підкладкотримача, яка регулюється в
межах від 0 до 700 °C; pW – питома потужність, що відбирається від основно-
го РЧ-генератора для запалення та підтримки газового розряду, вона регулю-
ється в межах від 0,1 до 1 Вт/см3; Ud – напруга негативного зміщення на підк-
ладкотримачеві з можливісттю регулювання за значенням від 0 до –300 B;
http://stmj.org.ua 46
FG – регульована витрата доданого технологічного газу, що подається в реак-
тор; FG+P – витрата транспортного газу з парами прекурсору через барботер;
pc – тиск суміші робочого газу в реакторі, що забезпечує стабільність газово-
го розряду для всіх можливих комбінацій інших параметрів осадження; t –
час осадження, який не пов’язується з іншими параметрами і визначається
потребою в товщині плівки. Осадження протягом 60 хв у межах цих парамет-
рів забезпечує товщину покриттів до 2000 нм в залежності від матеріалу під-
кладки, складу покриття і режиму осадження. Традиційно для наукових пот-
реб використовували стандартні підкладки з монокристалічного кремнію, але
в багатьох випадках для дослідження прикладних завдань застосовували під-
кладки з твердосплавних пластин, скла, кварцу, нікелю, сталі, ситалу, поліко-
ру та інших матеріалів [4].
Використання складних прекурсорів в якості джерела елементів майбут-
нього осадження, наприклад, метилтрихлорсилану як єдиного джерела вугле-
цю й кремнію, потребує механізму дозування кількості цих елементів в пок-
ритті. На рис. 2 для прикладу показано, як можна змінювати співвідношення
C і Si в осаджуваній плівці в залежності від витрати метилтрихлорсилану,
зміщення на підкладкотримачеві та потужності розряду [4].
8 10 12 14 16 18
0,5
1,0
1,5
–300 –200 –100 0
1,0
1,5
2,0
C/Si
Витрата МТХС, 10
–3
см
3
/хв
C/Si
U
d
, В
а б
Рис. 2. Співвідношення вуглецю й кремнію в плівці SiC залежно від витрати метилтрихлор-
силану (а) і напруги зміщення (б): Ud = –300 B, PW = 30 Вт (1); Ud = –100 B, PW = 30 Вт (2);
Ud = –100 B, PW = 70 Вт (3); FMTXC = 0,017 см3/хв, PW = 50 Вт (4); FMTXC = 0,010 см3/хв, PW
= 30 Вт (5).
Рівень впливу приведених параметрів на властивості плівок різний. Їх
значення певним чином комбінується для отримання плівок з потрібними
властивостями. Залежність властивостей плівок від комбінації параметрів
осадження може бути використана лише при умові точного встановлення
значень цих параметрів та їх стабільності протягом усього часу осадження.
Але це можливо лише при використанні сучасних вимірювальних приладів і
методик із залученням комп’ютерних систем. Наразі питання про точний
контроль осадження плівок нанорозмірних товщин при ALD є дуже актуаль-
ним. Це забезпечить можливість створювати структури нанометрових тов-
щин зі збереженням відтворюваності властивостей покриттів.
РЕЗУЛЬТАТИ
Досягнуті авторами результати представлено в [4, 22–25]. Найвагоміші
значення параметрів отриманих матеріалів наступні: нанотвердість і модуль
пружності досягали відповідно 21 і 180 ГПа для плівок Si–C з метилтрихлор-
ISSN 0203-3119. Надтверді матеріали, 2019, № 1 47
силану, 20,7 і 250 ГПа для Ti–N покриттів
з тетрахлориду титану; для нанокомпози-
тного покриття nc-TiNС/a–SiCN на крем-
нії нанотвердість, модуль Юнга, коефіці-
єнт тертя та перевищення зносостійкості
покриття над зносостійкісттю підкладки
мали значення відповідно 26,4 ГПа,
356 ГПа, 0,034–0,079 і 3,4 [4]. На облад-
нані було отримано аморфні, нанокрис-
талічні, нанокомпозитні та багатошарові
плівки товщиною від 1 до 1800 нм [4].
Середньоквадратична шорсткість повер-
хні аморфних плівок a-SiCN із гексаме-
тилдісилазану на кремнієвій підкладці з
шорсткістю 0,4 нм мала найменше зна-
чення 0,2 нм.
Окрім плівок інструментального при-
значення отримано та досліджено гідро-
генізовані аморфні плівки напівпровідни-
кового призначення (а-Si–C–N:Н) [23,
26]. Вони показали фотолюмінісцентні
властивості, які виявилися залежними від
параметрів осадження (рис. 3 і 4).
Слід зазначити, що лабораторне ПХУ
було розроблено авторами для вирішення
певних наукових завдань, а саме, отри-
мання плівкових матеріалів на основі Si–
C, Si–C–N і Ti–N з використанням рідких
прекурсорів метилтрихлорсилану, гексаметилдісилану, гексаметилдісилазану
та тетрахлориду титану. Але автори впевнені, що дане ПХУ успішно може
бути використане для осадження інших тонкоплівкових матеріалів, як-то на
основі вуглецю з вуглецевмісних прекурсорів, діелектричних плівок і легова-
них шарів на основі SiO2, SiNx, аморфного та полікристалічного кремнію з
використанням кремнійвмісних прекурсорів.
450 500 550 600 650 700 750 800
Ін
те
н
си
вн
іс
ть
Ф
Л
,
ві
дн
. о
д.
Довжина хвилі, нм
1
2
3
4
5
Рис. 4. Спектри фотолюмінесценції плівок, осаджених при різних значеннях напруги змі-
щення: –5 (1), –50 (2), –100 (3), –200 (4), –250 (5) В; температура зразків при вимірюванні
– 293,15 К; збудження здійснювали лазером (λ ≈ 405 нм).
400 500 600 700
583
490
585
437
594428
Ін
те
н
си
вн
іс
ть
Ф
Л
, в
ід
н
.о
д.
Довжина хвилі, нм
0
1
4
Рис. 3. Фотолюмінісцентні спектри
плівок, осаджених при різній витраті
доданого азоту FN2 (0 (а), 1 (б) і 4 (в)
см3/хв, суцільні лінії) і гаусіанівські
криві розібраних експериментальних
спектрів: загальні (пунктирні лінії) і
часткові (точкові лінії).
http://stmj.org.ua 48
ВИСНОВКИ
Плазмохімічні плівки можна осаджувати на різні тверді попередньо підго-
товлені підкладки.
На устаткуванні, що створено на базі вакуумного універсального поста
ВУП-5(М), можна отримувати тонкоплівкові матеріали, котрі поєднують
аморфну, нано- та мікрокристалічну фази.
Вибором умов осадження, які визначаються природою прекурсору, дода-
них реагентів і низкою основних параметрів устаткування (в межах їх техніч-
них можливостей), можна отримувати широкий спектр покриттів з наперед
прогнозованими властивостями.
Обладнання дає можливість проводити осадження одношарових, багато-
шарових і композитних покриттів в одному технологічному циклі з товщи-
нами від 1 до 1500–2000 нм.
Представлене устаткування та технологія можуть бути базовими для оса-
дження атомних шарів (ALD)
Зважаючи на малу енергоємність, великий практичний досвід використан-
ня та удосконалення, лабораторне ПХУ можна використати в якості зразка
для виготовлення іншого такого чи подібного устаткування для наукового
дослідження, потреб виробництва, тощо.
Описане ПХУ вигідно доповнює набір технічних можливостей і розши-
рює експлуатаційні характеристики ВУП-5(М) без суттєвої його модифікації.
Плазмохімічні покриття, окрім зміцнення металорізального інструменту,
можна застосовувати для захисту від інтенсивного механічного зносу інстру-
менту для холодної деформації металів (витягування, гнуття, волочіння, калі-
брування), прес-форм, вимірювальних датчиків, відповідальних деталей в
мікро- та наноелектронних механічних системах (МЕМС, НЕМС), для оса-
дження багатошарового функціонального покриття в оптичних системах ба-
гатоцільового призначення, в медицині, стоматології, протезуванні та ін.
Представлена ПХУ постійно удосконалюється і оснащується новими де-
талями та функціональними вузлами для поліпшення якості осадження й
подальшої обробки тонкоплівкових матеріалів в єдиному циклі.
Приведены основные принципы создания на базе вакуумного универ-
сального поста ВУП-5(М) и дальнейшего использования плазмохимического оборудования
для осаждения тонкопленочных, в том числе и наношаровых материалов из паров в ос-
новном жидких прекурсоров. Метод можно классифицировать как осаждения в газовой
среде, активированной радиочастотной плазмой Е-типа в системах с непрерывным
потоком (метод открытой трубы). Установка универсальная к выбору прекурсора и
имеет достаточный набор технологических параметров, что позволяет осаждать ши-
рокий спектр покрытий с контролируемой толщиной от 1 до 2000 нм. Плазмохимическое
оборудование выгодно дополняет набор технических возможностей ВУП-5(М) и расши-
ряет его эксплуатационные характеристики без существенного вмешательства в кон-
струкцию.
Ключевые слова: тонкие твердые пленки, нанокомпозитные и нанос-
лоистые пленки, плазмохимическое оборудование, ВУП-5 (М), PECVD, ALD, технологиче-
ские параметры.
The paper describes the main design principles of plasma-enhanced chemical
vapor deposition (PECVD) equipment based on a Mod. VUP-5(M) universal vacuum pumping
station, and the application of such equipment for deposition of thin films, including nanolayered
ones, from vapors of usually liquid precursors. The method can be classified as PECVD in a gas
atmosphere activated by E-type radio-frequency (RF) plasma in continuous flow systems (the
open-tube method). The equipment is universal in terms of the types of precursors to be used and
has a sufficient set of process variable in order to provide deposition of a wide range of coatings
ISSN 0203-3119. Надтверді матеріали, 2019, № 1 49
with a controlled thickness from 1 to 2000 nm. The PECVD equipment favorably supplements the
VUP-5(M) functionalities and extends performance without any significant alteration of its de-
sign.
Keywords: thin solid films, nanocomposite and nanolayered films, PECVD
equipment, VUP-5(M), PECVD, ALD, deposition process variables.
1. ALD-UKRAINE 2017. HERALD Training School. Kyiv, Ukraine, 30 May–1 June 2017.
2. Азаренков Н.А., Береснев В.М., Погребняк А.Д. и др. Наноматериалы, нанопокрытия,
нанотехнологии: Учеб. пос. Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2009. 209 с.
3. Шпак А.П., Майборода В.П., Куницкий Ю.А., Рево С. Л. Нанослоистые композицион-
ные материалы и покрытия. Киев: Академпериодика, 2004. 163 с.
4. Порада О.К. Вплив умов осадження плазмохімічних Si–C–N, Ti–N–C покриттів на їх
структуроутворення та властивості: дис. … канд. техн. наук. Київ, 2009.
5. Блинков И.В., Волхонский А.О. Мультислойные наноструктурные покрытия для режу-
щего инструмента. Москва: Lambert Academic Publishing, 2012. 124 с.
6. Хамакава Й. Аморфные полупроводники и приборы на их основе. Москва: Металлур-
гия, 1986. 378 с.
7. Физика гидрогенизированного аморфного кремния: Структура, приготовление и при-
боры / под ред. Дж. Джоунопулоса, Дж. Люковски. Т. 1. Москва: Мир, 1987. 363 c.; Т. 2.
Москва: Мир, 1987. – 363 c.
8. Меден А., Шо М. Физика и применение аморфных полупроводников. Москва: Мир,
1991. – 670 c.
9. Уварова І.В., Максименко В.Б., Ярмола Т.М. Наноматеріали та їх використання у меди-
чних виробах. Навч. пос. ММІФ НТУУ “КПІ”. Київ: КИМ, 2013. 172 с.
10. Уварова І.В., Максименко В.Б. Біосумісні матеріали для медичних виробів. Навч. пос.
ФБМІ НТУУ “КПІ”. Київ: КІМ, 2013. 232 с.
11. Park J.H., Sudarshan T.S. Surface engineering series. Chemical vapour deposition. Ohio,
USA: ASM International, Materials Park, 2001. Vol. 2. 481 p.
12. Chemical vapour deposition: precursors, processes and applications / eds. A.C. Jones,
M.L. Hitchman. Cambridge. UK: Royal Society of Chemistry, 2009. 582 p.
13. Мазуренко Є.А., Мазуренко Є.А., Герасимчук А.І., Овсянников В.П. Хімічне осаджен-
ня з газової фази, синтез функціональних матеріалів (огляд). Фізика і хімія твердого
тіла. 2001. Т. 2, № 3. С. 339–349.
14. Тимошенко Н.И., Ребров А.К. Как получить наноструктурные пленки и покрытия из газо-
вой фазы. Обзор. URL: http://www.itp.nsc.ru/articles/populjarno_o_nanotehnologijah.html
15. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. – Москва: Радио
и связь, 1982. 264 c.
16. Kelly P.J., Arnell R.D. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applica-
tions. Vacuum. 2000. Vol. 56. P. 159–172.
17. Jedrzejowski P. Cizek J., Amassian A., Klemberg-Sapieha J.E., Vlcek J., Martinu L. Me-
chanical and optical properties of hard SiCN coatings prepared by PECVD. Thin Solid Films.
2004. Vol. 447–448. P. 201–207.
18. Ferreira I., Fortunato E., Vilarinho P., Viana A. S., Ramos A. R., Alves E., Martins R. Hy-
drogenated silicon carbon nitride films obtained by HWCVD,PA-HWCVD and PECVD
techniques. J. Non-Cryst. Solids. 2006. Vol. 352. P. 1361–1366.
19. Huran J., Valovič A., Kučer M., Kleinová A., Kovačcová E., Boháček P., Sekáčová M.
Hudrogenated silicon carbon nitride films prepared by PECVD tehnology: properties.
J. Electrical Eng. 2012. Vol. 63. P. 333–335.
20. Пост вакуумный универсальный ВУП-5 (документация по эксплуатации). 1990 г.
(5 кн.).
21. Плазмохимическое осаждение (PECVD). Передовые плазменные технологии. URL:
http://www.plasmasystem.ru/technology/pecvd
22. Іващенко Л. А., Іващенко В. І., Порада О. К., Бутенко О. О., Дуб С. М., Литвин П. М.,
Мороженко В. О., Козак А. О. Характеристика плазмохімічних покриттів, осаджених із
використанням гексаметилдисилазану. Наноструктурное материаловедение. 2011.
Vol. 4. С. 42–48.
23. Ivashchenko V.I., Kozak A.O., Ivashchenko L.A., Sinelnichenko O.K., Lytvyn O.S., Tomi-
la T.V., Malakhov V.J. Characterization of SiCN thin films: experimental and theoretical in-
vestigations. Thin Solid Films. 2014. Vol. 569. P. 57–63.
http://stmj.org.ua 50
24. Порада О.К. Вплив потенціалу зміщення на властивості Si–C–N плівок, отриманих на
кремнії плазмохімічним методом із гексаметилдісилазану. Наноструктурное матери-
аловедение. 2014. № 3–4. С. 3–14.
25. Порада О.К. Вплив умов осадження і відпалу на нанотвердість аморфних Si–C–N
плівок. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. 2015. Vol. 13, № 1. С. 59–74
26. Порада О.К., Манжара В.С., Козак А.О., Іващенко В.І., Іващенко Л.A. Фотолюмінісце-
нтні властивості PECVD плівок на основі Si, C, N. Журнал нано- та електронної фізи-
ки. 2017. Т. 9, № 2. C. 02022 (6).
Надійшла 04.10.17
Після доопрацювання 04.10.17
Прийнята до опублікування 23.11.17
|