Способ изготовления тонкопленочного покрытия из оксида тантала с электретными свойствами

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ ИЗ ОКСИДА ТАНТАЛА С ЭЛЕКТРЕТНЫМИ СВОЙСТВАМИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Бурмаков Александр Пантелеевич Кулешов Василий Николаевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ изготовления тонкопленочного покрытия из оксида тантала с электретными свойствами, включающий магнетронное осаждение покрытия в вакуумной камере на проводящую подложку с последовательными этапами первым - магнетронное осаждение начинают распылением тантала в среде аргона, подают на подложку потенциал земли и измеряют ток в цепи подложки, осуществляют напуск кислорода до парциального давления, при котором осуществляют напыление диэлектрической пленки из оксида тантала вторым - подложку подключают к источнику положительного напряжения и осуществляют стабилизацию тока в ее цепи посредством изменения напряжения источника, причем на подложку кратковременно подают потенциал земли для измерения тока с подложки на 17507 1 2013.08.30 землю и момент, когда его величина прекращает уменьшаться, считают окончанием формирования беспористого покрытия из оксида тантала, отличающийся тем, что в вакуумной камере размещают, как показано на фиг. 1, заземленный экран, перед подложкой располагают проводящую сетку, на которую подают положительное напряжение, после осуществления второго этапа продолжают осаждение покрытия из оксида тантала с подачей на подложку серии чередующихся импульсов с положительными и отрицательными напряжениями, причем амплитуду импульсов положительной полярности увеличивают в процессе осаждения. Изобретение относится к технике напыления, а более конкретно к технологии магнетронного осаждения покрытий, и может быть использовано при изготовлении имплантатов с электретными свойствами для лечения повреждений и заболеваний опорнодвигательной системы, а также при изготовлении изделий электроники. Известен способ получения пленок из оксида тантала с электретными свойствами 1,включающий операцию реактивного магнетронного осаждения пленки из оксида тантала с подачей на подложки в процессе осаждения положительного напряжения смещения. Однако по причине того, что величина полученного отрицательного электретного потенциала не превышает 1 В, этот способ обладает следующим недостатком - ограниченной областью применения получаемых электретных покрытий. Известен способ изготовления имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза 2, включающий операции нанесения слоя тантала в электродуговой установке, электролитического окисления слоя тантала, получения электретных свойств слоя оксида тантала в коронном разряде. Однако по причинам использования электролитического окисления и коронного разряда этот способ обладает следующими недостатками необходимость использования отдельных технологических установок для нанесения слоя тантала, его окисления и формирования электретного заряда, разделенные во времени процессы нанесения слоя тантала, его окисления и придания электретных свойств слою оксида тантала. Известен способ изготовления материала для имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза 3, включающий операции последовательного нанесения на титановый имплантат слоев тантала и оксида тантала путем испарения электронным лучом мишеней из тантала и оксида тантала. Однако по причине использования метода испарения электронным лучом этот способ обладает следующими недостатками необходимость использования отдельных технологических установок для нанесения слоя оксида тантала и формирования электретного заряда, разделенные во времени процессы нанесения оксида тантала и придания ему электретных свойств. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ изготовления имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза 4, включающий следующие операции 1) после начала ионного распыления тантала в атмосфере аргона подают на подложкодержатель с имплантатами потенциал земли, производят напуск кислорода и увеличивают его парциальное давление в технологической вакуумной камере до величины, при которой начинает падать ток смещения в цепи подложкодержателя с имплантатами 2) при уменьшении тока смещения в цепи подложкодержателя с имплантатами до 0,90,6 его начальной величины на подложкодержатель с имплантатами подают положительный относительно земли потенциал смещения и производят стабилизацию во времени этого значения тока смещения путем увеличения положительного потенциала смещения,причем в период стабилизации значения тока смещения на подложкодержатель с имплантатами периодически подают потенциал земли, измеряют ток смещения в цепи подложкодержателя с имплантатами и момент прекращения падения тока смещения считают 2 17507 1 2013.08.30 окончанием периода формирования на поверхности имплантата беспористого сплошного покрытия 25, а продолжение процесса нанесения покрытия производят до достижения заданной его толщины 3) стимулирование электретных свойств в наносимых пленках из оксида тантала проводится по стандартной методике в коронном разряде. Однако по причинам использования коронного разряда для формирования электретных свойств этот способ обладает следующими недостатками необходимость использования отдельных технологических установок для нанесения слоя оксида тантала и формирования электретного заряда, разделенные во времени процессы нанесения покрытия и придания ему электретных свойств. Задачей изобретения является снижение трудоемкости получения тонкопленочного покрытия из оксида тантала с электретными свойствами путем формирования электретных свойств в процессе осаждения покрытия. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления тонкопленочного покрытия из оксида тантала с электретными свойствами, включающем магнетронное осаждение покрытия в вакуумной камере на проводящую подложку с последовательными этапами первым - магнетронное осаждение начинают распылением тантала в среде аргона, подают на подложку потенциал земли и измеряют ток в цепи подложки, осуществляют напуск кислорода до парциального давления, при котором осуществляют напыление диэлектрической пленки из оксида тантала вторым - подложку подключают к источнику положительного напряжения и осуществляют стабилизацию тока в ее цепи посредством изменения напряжения источника, причем на подложку кратковременно подают потенциал земли для измерения тока с подложки на землю, и момент, когда его величина прекращает уменьшаться, считают окончанием формирования беспористого покрытия из оксида тантала в вакуумной камере размещают, как показано на фиг. 1, заземленный экран, перед подложкой располагают проводящую сетку, на которую подают положительное напряжение, после осуществления второго этапа продолжают осаждение покрытия из оксида тантала с подачей на подложку серии чередующихся импульсов с положительными и отрицательными напряжениями, причем амплитуду импульсов положительной полярности увеличивают в процессе осаждения. Сущность изобретения заключается в том, что формирование электретного заряда в пленке из оксида тантала происходит при подаче на подложку серии чередующихся импульсов с положительными и отрицательными напряжениями. В поле импульсов с положительным напряжением происходит накопление отрицательного заряда и его закрепление на глубоких ловушках в приповерхностном слое покрытия. Отрицательные заряды, не закрепившиеся на ловушках, а адсорбировавшиеся на поверхности пленки,мешают дальнейшему формированию отрицательного электретного заряда, т.к. они меняют структуру электрического поля возле подложки. Удаление таких зарядов с поверхности пленки происходит под действием поля импульсов с отрицательным напряжением. Расположенная перед подложкой проводящая сетка, на которую подают положительное напряжение, служит для уменьшения плотности потока заряженных частиц на подложку,что приводит к уменьшению величины тока, протекающего через подложку, и мощности,выделяемой на ней. Изложенная сущность поясняется фиг. 1-3, где на фиг. 1 приведена схема технологической установки реактивного магнетронного распыления на фиг. 2 - электрическая схема питания магнетрона и подачи электрических потенциалов на сетку и подложку на фиг. 3 - зависимость потенциала подложки относительно земли от времени при формировании тонкопленочного покрытия из оксида тантала с электретными свойствами. Технологическая установка реактивного магнетронного распыления (фиг. 1) состоит из вакуумной камеры 1, снабженной магнетроном 2 с танталовой мишенью и источником питания 3, заземленного экрана 4, проводящей сетки 5, подложкодержателя 6, на котором размещена подложка 7. 3 17507 1 2013.08.30 Напуск рабочих газов аргона и кислорода осуществляется с помощью натекателей 8 и 9. Измерение давления в вакуумной камере 1 производят с помощью датчика давления 10. Направление откачки для создания вакуума показано стрелкой. На фиг. 2 показаны м - источник питания магнетрона 1 - вольтметр, измеряющий потенциал распыляемой танталовой мишени относительно потенциала земли 1 - амперметр, измеряющий разрядный ток магнетрона С - источник потенциала проводящей сетки 5 2 - вольтметр, измеряющий потенциал сетки относительно земли 2 - амперметр,измеряющий ток в цепи сетки П - источник положительного потенциала подложки 7 3 вольтметр, измеряющий потенциал подложки относительно земли 3 - амперметр, измеряющий ток в цепи подложки 11 - генератор серии чередующихся импульсов с положительными и отрицательными напряжениями- переключатель, осуществляющий коммутацию подложки между источником П, потенциалом земли и генератором 11. На фиг. 3 изображена зависимость потенциала подложки относительно земли от времени технологического процессапри формировании тонкопленочного покрытия из оксида тантала с электретными свойствами 0 - время начала технологического процесса с нанесения тантала, 1 - время начала нанесения оксида тантала, 2 - время окончания формирования беспористого покрытия из оксида тантала, 3 - время окончания формирования покрытия из оксида тантала с электретными свойствами, плав. - плавающий потенциал подложки, - - амплитуда отрицательных импульсов,- длительность импульса с положительным напряжением, п - временной промежуток после импульса с положительным напряжением до импульса с отрицательным напряжением, - - длительность импульса с отрицательным напряжением, -п - временной промежуток после импульса с отрицательным напряжением до импульса с положительным напряжением. Способ осуществляется следующим образом. Подложка 7 из проводящего материала устанавливается на подложкодержатель 6 в вакуумной камере 1. Производится откачка вакуумной камеры. При необходимости производится ионная очистка поверхности подложки. Затем осуществляется напуск аргона натекателем 8 до давления, при котором стабильно зажигается магнетронный разряд. На сетку 5 с помощью источника С подают положительный потенциал. В среде аргона включают магнетронный разряд (момент времени 0), что соответствует напылению пленки из тантала. Подложку заземляют, переводя переключательв соответствующее положение. Когда показания амперметра 3 становятся стабильными, измеряют значение тока, протекающего с подложки на землю (обозначим данное значение 3 ). Затем производится напуск кислорода натекателем 9 до парциального давления, при котором осуществляется напыление диэлектрической пленки из оксида тантала (момент времени 1). Подложку 7 посредством переключателяподключают к источнику П и производят стабилизацию тока, измеряемого амперметром 3,на уровне (0,1-0,9)3 путем изменения напряжения источника П. На данной стадии на подложку периодически кратковременно подают потенциал земли с целью измерения амперметром 3 тока с подложки на землю. Момент, когда величина данного тока прекращает уменьшаться, считают моментом 2 окончания формирования беспористого покрытия из оксида тантала. С целью получения электретных свойств покрытия подложку 7 посредством переключателяподключают к генератору 11 серии чередующихся импульсов с положительными и отрицательными напряжениями. Генератор поочередно подает на подложку положительные и отрицательные импульсы, в перерывах между импульсами подложка находится под плавающим потенциалом. Амплитуду положительных импульсов увеличивают в процессе напыления электретного покрытия. Амплитуда отрицательных импульсов выбирается такой, чтобы потенциал подложки в момент их подачи был меньше плав При достижении необходимой толщины тонкопленочного покрытия из оксида тантала с электретными свойствами процесс прекращают (момент времени 3). Заявляемый способ проиллюстрируем на примерах способа изготовления тонкопленочного покрытия из оксида тантала с электретными свойствами, включающих следующие 4 17507 1 2013.08.30 операции 1) напыление на подложку танталового подслоя в среде аргона с последующим напуском кислорода до парциального давления, при котором осуществляется напыление диэлектрической пленки из оксида тантала 2) напыление слоя беспористого оксида тантала с подачей на подложку положительного напряжения 3) напыление слоя оксида тантала с одновременной придачей ему электретных свойств путем подачи на подложку серии чередующихся импульсов с положительными и отрицательными напряжениями. Для всех описанных примеров давление в вакуумной камере составляло 0,4 Па, мощность магнетронного разряда 300 Вт, использовались полированные подложки размером 3025 мм. Пример 1. Использовалась кремниевая подложка толщиной 0,5 мм. Напряжение на сетке 5 В. Время напыления танталового подслоя 15 с. Время напыления слоя беспористого оксида тантала 6 мин ток, измеряемый амперметром 3 при подаче на подложку положительного напряжения, был стабилизирован на уровне 9 мА (0,33 ). Время напыления слоя оксида тантала с одновременной придачей ему электретных свойств 3 мин. Амплитуду импульсов с положительным напряжением увеличивали в процессе осаждения от 10 до 50 В. Амплитуда импульсов с отрицательным напряжением выбиралась равной 30 В. Длительность положительного импульса 1 мс, отрицательного -1 мс, пауза после положительного импульса п 8 мс, пауза после отрицательного импульса -п 0 мс. Величина плавающего потенциала во время осаждения слоя оксида тантала составляла -20 В. Получен электретный потенциал эл.-3,0 В. Пример 2. Использовалась кремниевая подложка толщиной 0,5 мм. Напряжение на сетке 10 В. Время напыления танталового подслоя 15 с. Время напыления слоя беспористого оксида тантала 5 мин ток, измеряемый амперметром А 3 при подаче на подложку положительного напряжения, был стабилизирован на уровне 9 мА (0,43 ). Время напыления слоя оксида тантала с одновременной придачей ему электретных свойств 3 мин. Амплитуду импульсов с положительным напряжением увеличивали в процессе осаждения от 10 до 30 В. Амплитуда импульсов с отрицательным напряжением выбиралась равной 30 В. Длительность положительного импульса 5 мс, отрицательного -5 мс, пауза после положительного импульса п 90 мс, пауза после отрицательного импульса -п 0 мс. Величина плавающего потенциала во время осаждения слоя оксида тантала составляла -20 В. Получен электретный потенциал эл.-3,1 В. Пример 3. Использовалась подложка из нержавеющей стали толщиной 0,4 мм. Напряжение на сетке 10 В. Время напыления танталового подслоя 15 с. Время напыления слоя беспористого оксида тантала 6 мин ток, измеряемый амперметром 3 при подаче на подложку положительного напряжения, был стабилизирован на уровне 20 мА (0,23 ). Время напыления слоя оксида тантала с одновременной придачей ему электретных свойств 3 мин. Амплитуду импульсов с положительным напряжением увеличивали в процессе осаждения от 20 до 50 В. Амплитуда импульсов с отрицательным напряжением выбиралась равной 30 В. Длительность положительного импульса 1 мс, отрицательного -1 мс, пауза после положительного импульса п 8 мс, пауза после отрицательного импульса п 0 мс. Величина плавающего потенциала во время осаждения слоя оксида тантала составляла -20 В. Получен электретный потенциал эл.-3,6 В. Пример 4. Использовалась кремниевая подложка толщиной 0,5 мм со слоем термического оксида кремния толщиной 800 нм. В связи с тем что на подложке находился слой диэлектрика(оксида кремния), напыление танталового подслоя и слоя беспористого оксида тантала не производилось. Напряжение на сетке 10 В. Время напыления слоя оксида тантала с одновременной придачей ему электретных свойств 7 мин. Амплитуду импульсов с положи 5 17507 1 2013.08.30 тельным напряжением увеличивали в процессе осаждения с 0 до 70 В. Амплитуда импульсов с отрицательным напряжением выбиралась равной 30 В. Длительность положительного импульса 5 мс, отрицательного -5 мс, пауза после положительного импульса п 90 мс, пауза после отрицательного импульса -п 0 мс. Получен электретный потенциал эл.-21 В. Таким образом, заявляемый способ позволяет снизить трудоемкость получения тонкопленочного покрытия из оксида тантала с электретными свойствами путем формирования электретных свойств в процессе осаждения покрытия. Источники информации 1. Быстров Ю.А., Комлев А.Е. Получение пленок оксида тантала с электретными свойствами // Труды Девятой международной научно-технической конференции Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники (ПЭМ-2004). - Дивноморское, 2004. - Ч. 2. - С. 193-196. 2.2049481, МПК 61 27/00, 1995. 3.2040277, МПК 61 27/00, 1995. 4.2146112, МПК 61 В 17/56,61 31/08, 2000. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.