ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР НА БАЗЕ  ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА

Научный руководитель: Шустин Евгений Германович,
доктор физико-математических наук, вед. науч. сотр. Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН

Тел. (095)785-56-39, доб. 15-69; (49656)52569  факс (095)702-95-72
E-mail: shustin@ms.ire.rssi.ru

В плазмохимических реакторах, используемых для осаждения тонких пленок, травления и модификации поверхности материалов микро- и наноэлектроники, управление характеристиками ионов, бомбардирующих обрабатываемый материал, весьма важно для оптимизации качества обработки. При ионном травлении функция распределения ионов по энергиям (ФРИЭ) и угловое распределение ионов, достигающих поверхность материала, критическим образом влияют на скорость и уровень анизотропии травления. Управление пространственным распределением бомбардирующих частиц в таких разрядах важно для напыления пленок с весьма однородной структурой.

В ИРЭ РАН обнаружен эффект эмиссии из области пучково-плазменного разряда (ППР) ионного потока с энергией, регулируемой в диапазоне, оптимальном для задач травления и напыления материалов микроэлектроники [1]. Исследованы механизмы ускорения ионного потока [2-6], определены способы и созданы средства управления энергией и плотностью потока ионов.

Реализована методика компьютерного моделирования электродинамических процессов и транспорта заряженных частиц в замкнутом объеме с пучково-плазменным разрядом. Моделирование выявило механизм эффекта эмиссии ионного потока и позволило определить качественные характеристики пучково-плазменного реактора при различных способах управления энергией ионного потока [5, 11, 15].

В наших исследованиях [1-10] показано, что на основе пучково-плазменного разряда (ППР), генерируемого электронным пучком с энергией ~ 2 кэВ и плотностью тока >0,1 А/см2 в газовой среде низкого давления (0,01-0,1 Па) при малом магнитном поле, может быть создан источник потока ионов с управляемыми энергией и геометрией. Регистрируемый диапазон энергий ионов аргона 20-70 эВ есть оптимальный диапазон для мягкого травления (распыления) инертными газами (без участия химически активных сред) соединений типа AIIIBV и гетероструктур на их основе: ионы с меньшей энергией практически не вызывают распыления, ионы с большей энергией создают радиационные дефекты структуры полупроводника. Благодаря высокой эффективности ионизации в ППР и уходу ионов по нормали к оси разряда в значительной степени снимаются проблемы срока службы термокатода и загрязнения плазмы продуктами эрозии катода. Проведенные в последнее время исследования показали возможность изменения средней энергии ионов, бомбардирующих вынесенную за пределы разряда поверхность, в интервале 10-150 эВ при малом изменении параметров ППР.

Наиболее серьезной проблемой, возникающей при воздействии на электроизолированные структуры (как при травлении, так и при осаждении) является заряд поверхности некомпенсированным ионным потоком, тормозящий ионы и, следовательно, приводящий к потере полезного эффекта.

По аналогии с методом, используемым в технологии РИПТ с индуктивным ВЧ источником плазмы, на начальном этапе работы было предложено использовать высокочастотную модуляцию потенциала держателя подложки [12]. При подаче на держатель напряжения U0(t) на частотах 100 – 1000 кГц на поверхности, контактирующей с плазмой, оказывается напряжение Up(t)=f(Uo, Cp, Cs, Ysh), где Cp– емкость граничного слоя, Ysh – его (нелинейная) проводимость, Cs – емкость подложки. При смене знака Up(t) в части периода осциллирующего напряжения на поверхность будут собираться электроны, нейтрализующие заряд ионов.

Как показало моделирование [13,15], этот способ компенсации заряда поверхности, контактирующей с плазмой, ограничен по применению: в случае большой толщины подложки и ее малой диэлектрической проницаемости падение напряжения на емкости подложки оказывается слишком большим. Увеличение модулирующего напряжения приводит к увеличению энергии ионов и увеличению части периода осциллирующего напряжения, в течение которой на поверхность идет ионный ток. Однако одновременно происходит неприемлемое размытие функции распределения и соответствующий рост концентрации радиационных дефектов в режиме травления и снижение качества DLC пленки – в режиме напыления.

Реализован альтернативный способ управления плавающим потенциалом поверхности электроизолированной структуры – модуляцией потенциала плазмы с помощью подачи на коллектор импульсного напряжения [16]. В режиме напыления DLC пленок (см. ниже) это напряжение подается на специальный электрод в области разряда. Для этого разработан и изготовлен специальный модулятор. Модулятор обеспечивает генерацию импульсного напряжения  с амплитудой 50-150 В при токе нагрузки ≤1 А в диапазоне рабочих частот 100-400 кГц. Модулятор может работать при скважности ≥2.

Реализованные технологии.

1. Низкоэнергетичное травление гетероструктур

Проведены испытания технологии травления ионными потоками из ППР полупроводниковых гетероструктур Al-GaAs/InGaAs/GaAs (P-HEMT), выращенных на подложках GaAs и перспективных для создания СВЧ полевых транзисторов миллиметрового диапазона. Исследовалось влияние такой обработки на концентрацию и подвижность электронов, чувствительные к дефектам, вносимым в процессе травления. Показано наличие эффекта травления со скоростью, приемлемой для промышленного применения, без деградации параметров гетероструктур, что свидетельствует о малой плотности радиационных нарушений и возможности использования ППР в технологии изготовления гетероструктурных СВЧ НЕМТ приборов [7-10].

Патент РФ на «Способ плазмохимического травления полупроводниковых и диэлектрических материалов» (№2316845, приоритет 06.06.2006 г., рег. 10.02.2008). Заявитель – Институт радиотехники и электроники РАН, авторы изобретения – Н.В. Исаев, Ю.В. Федоров, Е.Г. Шустин.

2. Получение графена (работа выполнена совместно с лабораторией 184 - http://www.cplire.ru/nano/index.html)

Выделенный недавно в свободном виде при нормальных условиях моноатомный слой графита - графен продемонстрировал уникальные физические свойства двумерной системы, содержащей безмассовые носители – Дираковские фермионы, а также высокие потенциальные прикладные возможности для создания полевых транзисторов нового поколения, прозрачных проводящих электродов и т.д. Первые образцы графена, полученные механическим отщеплением от графита, имели латеральный размер порядка нескольких микрон и могли быть использованы только для лабораторных исследований. Практическая реализация наноструктур на основе графена в электронике и оптоэлектронике поставила вопрос получения образцов высококачественного графена большой площади.

Значительный прогресс было достигнут недавно с помощью метода химического осаждения графена из газовой фазы (CVD-метод) на Ni-подложку с последующим перенесением его на произвольную подложку. Хотя полученные таким образом сплошные графеновые пленки имеют большую площадь, микроскопически они имеют значительный разброс по толщине от десяти до одного слоя графита. Соответствующие домены одно- и двуслойного графена имеют латеральные размеры всего около 5 мкм.

В работе [14] предложен альтернативный способ получения графеновых пленок путем бездефектного утонения тонких монокристаллов графита в пучково-плазменном разряде. Перспективность этого метода определяется высоким структурным совершенством и большой площадью исходных утоняемых монокристаллов графита.

Кристаллы графита толщиной 30-100 нм с латеральными размерами несколько сотен микрон получались отщеплением от монокристаллов естественного графита с помощью адгезионной ленты. Клеевая основа ленты затем растворялась в ацетоне, и тонкий кристалл оказывался свободно плавающем в растворителе. На следующем этапе кристалл переносился на твердую подложку.

На последнем этапе кристалл утонялся с помощью плазменного травления. Травление производилось в пучково-плазменном реакторе. Энергия ионов аргона составляла 80 эВ на начальной стадии травления и уменьшалась до 60 эВ на заключительной стадии, что обеспечивало бездефектный мягкий режим травления со скоростью около 10 нм/час. Контроль толщины пленок осуществлялся по их сопротивлению in situ в камере плазменного реактора. Травление прекращалось при поверхностном сопротивлении квадрата пленки ~ 1 кОм, соответствующем проводимости 1-2-слойного графена. Сканирование локальных рамановских спектров с шагом 0.2 мкм показало высокое структурное совершенство полученных таким образом 1-2-слойных пленок графена и их однородность по толщине на большой площади, превышающей 100*100 мкм2.

      Метод получения, таким образом, одно- двухатомных слоев может быть распространен и на другие слоистые материалы. Для того чтобы процесс утонения не был слишком продолжительным, толщина исходного кристалла не должна превышать 50-100 нм. Подлежащий утонению монокристалл может быть в принципе нанесен на любую подложку. Поэтому предложенный метод может быть реализован также на любых подложках, включая гибкие.

Заявка на патент РФ на «Способ получения атомно-тонких монокристаллических пленок», №2009142861 от 23.11.2009. 

3. Осаждение алмазоподобных углеродных пленок (работа выполнена совместно с лабораторией 197-  http://fire.relarn.ru/index.htm?main=197/index.htm)

В мировой практике для напыления алмазоподобных углеродных (DLC) пленок достаточно широко используются плазмохимические реакторы низкого давления на основе ВЧ и СВЧ разрядов. Характеристики пленок критическим образом зависят от состава плазмообразующего газа, режима разряда и качества поверхности подложки. В работе [16] предложено для осаждения алмазоподобных пленок использовать специальную модификацию ППР, названную нами «отражательным ППР». В этой модификации в качестве коллектора-мишени используется диск из графита диаметром 10 см, на который подается потенциал катода. Таким образом, мишень бомбардируется  потоком ионов из разряда с энергией до 2 кэВ. В этом режиме возрастает электронная плотность плазмы (в 1,5 - 3 раза по отношению к обычной схеме) и понижается потенциал плазмы относительно стенок камеры. Для управления плотностью и энергией потока ионов подавалось осциллирующее напряжение на подложку либо на специальный модулирующий электрод –см. рисунок.

Данная модификация плазмохимического реактора для осаждения алмазоподобных (DLC) пленок отличается от известных методов простотой управления энергетическими характеристиками ионного потока, воздействующего на пленку в процессе осаждения. Получены образцы DLC пленок на металлических подложках. Методом зарядовой релаксационной спектроскопии выявлен эффект влияния адсорбированных паров воды и спирта на электрофизические свойства пленок, что свидетельствует о возможности  использования полученных пленок  в качестве активного адсорбирующего материала  для химических сенсоров. Работа по исследованию влияния энергии ионов и других параметров реактора на электрофизические свойства осажденных пленок продолжается.

ОСНОВНЫЕ Публикации

  1. Н.В. Исаев, А.И. Чмиль, Е.Г. Шустин. Ионные потоки из области пучково-плазменного разряда. Физика плазмы, 2004, т.30, С.292-297
  2. Н.В. Исаев, А.А. Рухадзе Е.Г. Шустин Механизм ускорения ионов по нормали к оси пучково-плазменного разряда в слабом магнитном поле. Физика плазмы, 2005, т.31 в.11 с.1026-1033
  3. N.V. Isaev, V.P. Tarakanov., E.G. Shustin Ion flows from area of beam plasma discharge at low magnetic field – physics and application "Вопросы атомной науки и техники, Сер. "Плазменная электроника и новые методы  ускорения", НАН Украины, 2006 №5, с. 100-104
  4. N.V. Isaev, Yu.V. Fedorov, E.G. Shustin. Plasma Processing Reactor On A Basis Of Beam Plasma Discharge For Low Energy Etching Of Heterostructures. Известия ВУЗов, сер. Физика, 2006, т. 49 №8, Приложение, с. 99-101
  5. В. П. Тараканов, Е.Г Шустин. Динамика пучковой неустойчивости в ограниченном объеме плазмы: численный эксперимент. Физика плазмы, 2007, т.33 №2, с.151-157
  6. Н.В. Исаев, Е.Г. Шустин Ускорение ионов в пучково-плазменном разряде в слабом магнитном поле. Связь энергетических распределений электронов и ионов. Физика плазмы, 2007, т.33 №1, с.43-47
  7. Е.Г. Шустин, Н..В. Исаев, М.П. Темирязева, Ю.В. Федоров. Пучково-плазменный разряд в слабом магнитном поле как плазмохимический реактор для микро- и наноэлектроники. IV научно практическая конференция «НАНОТЕХНОЛОГИИ-ПРОИЗВОДСТВУ 2007»,Тезисы докладов, стр.61-62
  8. Н.В. Исаев, М.П. Темирязева, В.П. Тараканов, Ю.В. Федоров. Ионные потоки из пучково-плазменного разряда в слабом магнитном поле: физика и применение. Прикладная физика, 2008, №3, с.73-79
  9. Н.В. Исаев, М.П. Темирязева, В.П. Тараканов, Ю.В. Федоров. Пучково-плазменный разряд в слабом магнитном поле как источник плазмы для плазмохимического реактора. Вопросы атомной науки и техники, с. «Плазменная электроника и новые методы ускорения», 2008, №4, с.169-173
  10. E.G. Shustin, N.V. Isaev, M.P. Temiryazeva, Yu.V. Fedorov. Beam plasma discharge at low magnetic field as plasma source for plasma processing reactor. Vacuum  2009, v.83 Issue 11, pp.1350–1354                             
  11. И.Л.Клыков, Е. Г.Шустин, В. П.Тараканов. Ионный поток на проводящую и изолированную поверхности в пучково-плазменном разряде: компьютерная модель. Прикладная физика, 2009, №6 с.87-90
  12. Н.В. Исаев, И.Л. Клыков, Е.Г. Шустин Управление энергетическими характеристиками ионного потока в плазмохимическом реакторе на базе пучково-плазменного разряда. Там же, с.113-117

  13.  В.А. Курнаев, В.В. Песков, А.И. Чмиль , Е. Г. Шустин. Ионный поток на непроводящую поверхность в пучково-плазменном разряде: расчет и эксперимент. Там же, с. 118-122

  14. Ю.И. Латышев, Е.Г. Шустин, А.Ю. Латышев, Н.В. Исаев, А.А. Щекин, В.А. Быков. Новый метод получения графеновых пленок большой площади в плазменном разряде. Тезисы докладов 2 Межд. Форума по нанотехнологиям, Москва, октябрь 2009, с.465-467. http://rusnanotech09.rusnanoforum.ru/Public/LargeDocs/theses/eng/poster/09/10_Latyshev.pdf
  15. Н.В. Исаев, И.Л. Клыков, В.А. Курнаев, В.В. Песков, Е.Г. Шустин.  Плазмохимический реактор для задач наноэлектроники на базе пучково-плазменного разряда: компьютерные модели. Тезисы докладов молодых участников 2 Межд. Форума по нанотехнологиям, Москва, октябрь 2009, с.232-234
  16. Н.В. Исаев, И.Л. Клыков, В.В. Песков, Е.Г. Шустин. Пучково-плазменный реактор в режиме осаждения алмазоподобных пленок. Тезисы докладов XXXVII Межд. (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2010 г, с.317

Схема пучково-плазменного реактора

 

с 07.04.2016