Способ формирования на подложке тонкой алмазоподобной пленки посредством вакуумной лазерной абляции

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НА ПОДЛОЖКЕ ТОНКОЙ АЛМАЗОПОДОБНОЙ ПЛЕНКИ ПОСРЕДСТВОМ ВАКУУМНОЙ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ(71) Заявитель Научно-исследовательское учреждение Институт прикладных физических проблем имени А.Н.Севченко Белорусского государственного университета(72) Авторы Петров Сергей Александрович Шаронов Геннадий Викторович(73) Патентообладатель Научно-исследовательское учреждение Институт прикладных физических проблем имени А.Н.Севченко Белорусского государственного университета(57) Способ формирования на подложке тонкой алмазоподобной пленки посредством вакуумной лазерной абляции, включающий распыление лазерными импульсами в условиях высокого вакуума материала графитовой мишени и его осаждение на подложку, отличающийся тем, что мишень располагают на расстоянии от 80 до 100 мм от подложки, нагретой до температуры от 200 до 250 С, а указанное распыление производят сдвоенными импульсами лазера с регулируемой оптической линией задержки, обеспечивающей задержку каждого второго импульса относительно первого на время, равное длительности первого импульса, и с плотностью мощности излучения от 5107 до 7,5107 Вт/см 2 при синхронном перемещении мишени и подложки относительно падающих лазерных импульсов. 16615 1 2012.12.30 Изобретение относится к технологии микро- и наноэлектроники и может быть использовано для получения защитных тонкопленочных покрытий в оптике. Известен -способ получения тонких алмазных пленок путем разложения углеводородов (как правило, метана) в потоке с водородом и последующем осаждением алмаза на нагретую до температуры 700-1000 С подложку 1. Недостатками приведенного метода являются высокие температуры и присутствие в осажденных пленках продуктов разложения (углеводородных радикалов и атомарного водорода). Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ получения тонких пленок карбида кремния методом вакуумной лазерной абляции 2. Данный способ включает распыление керамической мишени лазерным лучом в условиях высокого вакуума без добавок газообразных реагентов на нагретую подложку. Мишень располагают на расстоянии 100 мм от подложки, которую нагревают до температуры 25-350 С. Распыление осуществляют в течение 1-20 мин с помощью лазера с энергией накачки 15-20 Дж и при сканировании лазерного луча по поверхности керамической мишени. Недостатками прототипа являются его низкая производительность, низкий коэффициент полезного действия ионизации лазерно-эрозионной плазмы 10 и неоднородность нанесения пленок карбида кремния. Задачей предлагаемого способа являются повышение до 30 ионной компоненты лазерно-эрозионной плазмы, получение качественных структурно-совершенных алмазоподобных пленок при низких температурах роста и однородность процесса их осаждения на подложки больших размеров. Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в распылении графитовой мишени излучением двухимпульсного лазера с временной задержкой второго лазерного импульса, равной длительности первого импульса, при плотности мощности излучения в диапазоне (5-7,5)107 Вт/см 2 и осаждении однородных алмазоподобных слоев на нагретую до температуры 200-250 С подложку, которую синхронно с графитовой мишенью перемещают вдоль оси абсцисс и ординат относительно падающего лазерного импульса. Блок-схема технологической установки по формированию на подложке тонких алмазоподобных пленок по заявленному способу представлена на фигуре. Здесь 1 - вакуумная камера 2 - держатель с подложками 3 - окно из оптического кварца 4 - регулируемая оптическая линия задержки 5 - импульсный -лазер 6 - ионизованная лазерноэрозионная плазма 7 - держатель с мишенями из графита 8 - компьютер с приводом синхронного перемещения графитовой мишени и подложки вдоль оси абсцисс и ординат. Способ формирования на подложке тонкой алмазоподобной пленки посредством вакуумной лазерной абляции заключается в следующем. Мишенью для лазерной абляции служит пиролитический графит. Для распыления материала мишени использовалось излучение импульсного -лазера типа -2147 (1064 нм) производства СПТ Беларусь, работающего в режиме модуляции добротности. Длительность лазерного импульса 16 нс, частота повторения 10 Гц. Диаметр лазерного пятна на мишени составлял 8 мм. Формирование двухимпульсного режима работы лазера осуществлялось с использованием регулируемой оптической линии задержки, состоящей из 4 зеркал (фигура,, - интенсивность лазерного излучения,- длительность первого лазерного импульса по уровню 0,1,- время задержки второго импульса). Первый лазерный импульс, падающий на графит, расходует свою энергию на его разогрев и испарение. Энергия второго импульса служит источником доионизации лазерно-эрозионной плазмы и повышения температуры и энергии ионов, осаждаемых на подложку. Известно 3, что при заявляемых плотностях мощности испарение мишени сопровождается созданием лазерно-эрозионной плазмы, состоящей из ионов (10 ) и нейтральных частиц. Энергетическое распределение 2 16615 1 2012.12.30 ионов лежит в интервале 100-1000 эВ, а нейтральных частиц - 10-100 эВ. Таким образом,способ формирования на подложке тонкой алмазоподобной пленки посредством вакуумной лазерной абляции подобен осаждению пленок из ионных пучков. Приход к мишени второго лазерного импульса с задержкой 16 нс, равной длительности первого импульса(фигура), доводит ионизацию пароплазменного потока до 30 , а сформированный им высокоэнергетический поток ионов выполняет дополнительно функцию динамического отжига графитовых включений в осажденной алмазоподобной пленке. Это позволяет добиться хорошей адгезии пленок, осажденных при плотностях мощности воздействующего на графит излучения в диапазоне (5-7,5)107 Вт/см 2. Кроме того, этот ионный пучок играет роль ускорителя, т.е. реализуется процесс осаждения, ассистируемый ионным пучком в импульсном режиме, в связи с чем происходит увеличение энергии ионов, осаждаемых на подложку, и уменьшение их угловой расходимости. Эффект суперпозиции лазерноэрозионных плазм от двух лазерных импульсов также способствует повышению концентрации осаждаемых ионов. Алмазоподобные пленки наносятся на горячую (нагретую до температуры 200-250 С) подложку в условиях высокого вакуума (110-3 Па). Расстояние от мишени до подложки составляет 80-100 мм. В качестве подложек используются монокристаллический кремний,молибден, кварцевое стекло и другие материалы. Температурный диапазон осаждения выбран на основании экспериментальных данных по зависимости структуры растущего слоя от температуры подложки. Экспериментально установлено, что синтез алмаза поликристаллической структуры протекает при температуре 200-250 С. Выбор заданного диапазона значений плотности мощности лазерного излучения объясняется тем, что при величине меньше 5107 Вт/см 2 в осажденной алмазоподобной пленке присутствуют включения графита. Верхний порог значений плотности мощности обусловлен усилением интенсивности испарения мишени, в результате чего растет доля кластерных образований графита, что ухудшает характеристики осажденных пленок, в частности адгезию к поверхности подложки. Включение в технологическую установку системы синхронного перемещения мишени и подложки по оси абсцисс и ординат позволяет предотвратить образование глубокого кратера на поверхности мишени, обеспечивает постоянную скорость напыления, однородность покрытия и более экономичный расход материала мишени. Система управляется с помощью компьютера, что дает возможность точного контроля параметров технологического процесса осаждения алмазоподобных пленок. Выбор расстояния от поверхности мишени до подложки объясняется тем, что при расстояниях меньше 80 мм в пароплазменном факеле возникает горячая зона, т.е. лазерный луч, падающий под углом 45 к поверхности мишени, частично перекрывает факел вблизи мишени, что приводит к уменьшению угла распыления и к образованию области, насыщенной высокоэнергетическими ионами более 1 кэВ. Тем самым ухудшается структура пленок. Для исключения действия горячей зоны напыление алмазоподобных пленок необходимо осуществлять на расстояниях от поверхности мишени 80-100 мм. При расстояниях больше 100 мм резко падает скорость напыления, что свидетельствует о неэффективности технологического процесса осаждения алмазоподобных пленок. Таким образом, предлагаемый способ формирования на подложке тонкой алмазоподобной пленки позволяет повысить производительность процесса напыления алмазоподобных пленок достичь однородности осаждения алмазоподобных пленок, повысить их чистоту и структурное совершенство наносить алмазоподобные пленки на большие размеры подложек (диаметром до 150 мм),используемых в микроэлектронике. 16615 1 2012.12.30 Источники информации 1. Ральченко В.Г., Конов В.А. -алмазы. Применение в электронике // Электроника Наука, Технология, Бизнес. - 2007. -4. - С. 58-67. 2.2936 С 1. 3. Быковский Ю.А., Сильнов С.М., Сотниченко Е.А., Шестаков Б.А. Масс-спектрометрическое исследование нейтральных частиц лазерной плазмы // ЖЭТФ. - 1987. - Т. 8. С. 500-508. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4