Способ вакуумного нанесения тонких пленок

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к способу вакуумного нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела. Изобретение направлено на снижение затрат на производство, реализующее вышеуказанный способ, включая эксплуатационные расходы, повышение производительности и стабильность в работе, а также улучшение качества получаемых тонких пленок. Способ включает одновременное осаждение медленных атомов вещества и облучение поверхности ускоренными частицами, при этом в качестве ускоренных частиц используют ускоренные до энергии не менее 300 эв атомы как осаждаемого вещества, так и других веществ, при этом медленные и ускоренные атомы могут создаваться как одним источником, так и раздельными источниками. Твердое тело может находиться в атмосфере активного газа. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к способу вакуумного нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела.

Изобретение предназначено для улучшения электрофизических, химических и механических свойств поверхности изделий из металлов и сплавов, полупроводников, диэлектриков и т.д. и может быть использовано в любой отрасли, в которой требуется нанесение тонких пленок на поверхность твердого тела.

Известен способ вакуумного нанесения тонких пленок путем осаждения испаряемых в вакууме частиц на поверхность твердого тела [1].

Однако известный способ вакуумного нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела обладает рядом недостатков. Получаемые пленки обладают низкими адгезионными свойствами из-за низких энергий испаряемых атомов (доли электронвольт). Кроме того, пленки имеют микрокапельные включения, что ухудшает структуру и свойства пленки.

Известен способ вакуумного нанесения тонких пленок путем осаждения на поверхность твердого тела частиц, распыленных с поверхности мишени одним из известных способов [2].

Однако известный способ вакуумного нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела обладает рядом недостатков.

Энергия осаждаемых атомов (единицы-десятки электронвольт в зависимости от материала) недостаточна для формирования широкого переходного слоя пленка-подложка, поэтому адгезия пленки невысокая.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности признаков следует отнести другой способ вакуумного нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела путем одновременного осаждения медленных атомов вещества и облучения поверхности ускоренными ионами [3] . Осаждаемые на поверхность твердого тела медленные атомы, имеющие небольшую энергию (до нескольких единиц-десятков электронвольт), создаются одним из известных способов: испарение, распыление и т.д. Облучающие поверхность ускоренные ионы с энергией единицы-десятки килоэлектронвольт проникают вглубь материала, производя атомное перемешивание между пленкой и подложкой. Образующийся широкий переходной слой обеспечивает высокие адгезионные свойства пленки.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании вышеуказанного способа, принятого за прототип, относится наличие заряда у ускоренных ионов. Интенсивность ускоренных ионов ограничена объемным зарядом I≈W^3/2/M, где W - энергия ионов, М - масса иона. Соответственно это ограничивает и интенсивность потока осаждаемых атомов при сохранении соотношения между потоками ускоренных и медленных атомов. Это приводит к ограничению на скорость нанесения пленки, а значит и на производительность вышеуказанного способа. Ограничение по объемному заряду особенно существенно для тяжелых атомов (М>>1). При нанесении тонких пленок на поверхность диэлектрических материалов путем одновременного осаждения медленных атомов вещества и облучения поверхности ускоренными ионами возникает поверхностный заряд и требуется применение специальных мер по его нейтрализации, таких как: облучение поверхности электронным пучком, использование пучков положительных и отрицательных ионов одновременно и т.д. Тем самым усложняется аппаратура, реализующая такой способ, а следовательно повышаются затраты при его реализации.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изобретение направлено на снижение затрат на производство, реализующего вышеуказанный способ, включая эксплуатационные расходы. Другой задачей является повышение производительности и стабильности в работе, а также улучшение качества получаемых тонких пленок.

В результате решения поставленных задач будет получен следующий технический результат. Энергетические параметры вакуумного нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела будут существенно улучшены, в результате чего повысится производительность и возрастет надежность всех элементов устройства, реализующего предложенный способ. Затраты на его реализацию, в том числе и эксплуатационные, также будут существенно снижены, а качество получаемых тонких пленок улучшено.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в предлагаемом способе вакуумного нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела путем одновременного осаждения медленных атомов вещества и облучения поверхности ускоренными частицами, в качестве ускоренных частиц используют ускоренные до энергии не менее 300 электронвольт атомы как осаждаемого вещества, так и других веществ. Медленные и ускоренные атомы могут создаваться как одним источником, так и раздельными источниками.

Изложенная выше совокупность признаков обеспечивает достижение указанного технического результата, то есть позволяет осуществлять нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела с повышенной производительностью и высокой надежностью всех элементов устройства, реализующего данный способ. Использование атомарных потоков позволяет увеличить интенсивность облучения в отличие от облучения ионным потоком, для которого существует ограничение на интенсивность по объемному заряду ускоренных ионов. Следовательно при сохранении соотношения между потоками ускоренных и медленных атомов можно увеличить и интенсивность потока осаждаемых на поверхность твердого тела медленных атомов вещества, получаемых одним из известных способов (испарение, распыление и т. д.). Поэтому скорость нанесения тонких пленок получается высокой. При одновременном осаждении медленных атомов вещества и облучении поверхности ускоренными атомами получаемые пленки обладают высокой плотностью и высокими адгезионными свойствами за счет атомного перемешивания в широком переходном слое пленка-подложка. Высокая интенсивность потока ускоренных атомов увеличивает диффузию внедряемых атомов вглубь материала подложки и позволяет снизить энергию ускоренных атомов вплоть до нескольких сотен электронвольт (порядка 300 электронвольт). Использование атомарных потоков, в том числе и потока ускоренных атомов при нанесении тонких пленок на поверхность диэлектрических материалов решает проблему поверхностного заряда, возникающего при использовании ионных потоков. В этом случае отсутствует необходимость применения различных методов по нейтрализации поверхностного заряда (облучение электронным пучком, применение пучков положительных и отрицательных ионов и т.д.). Это существенно упрощает аппаратуру для вакуумного нанесения тонких пленок и снижает капитальные и эксплуатационные затраты при сравнении с ранее известными решениями.

Все вышеуказанное обуславливает причинно-следственную связь между признаками и техническим результатом и существенность признаков формулы изобретения.

Проведенный заявителем анализ позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный анализ известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения, результаты которого показывают, что заявляемое изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники и не вытекает из него логически, то есть соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 и 2 изображено: 1 - источник медленных атомов, 2 - источник ускоренных атомов, 3 - твердое тело, 4 - источник медленных и ускоренных атомов.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, состоят в следующем.

Источник (1) создает поток медленных атомов с энергией единицы-десятки электронвольт. Медленные атомы могут образовываться одним из известных способов, в результате испарения, распыления и т.д. Источник (2) создает поток ускоренных атомов, то есть атомов, которые специальным образом ускоряют до энергий не ниже нескольких сотен электронвольт. Получение ускоренных атомов возможно несколькими способами. Так в источнике быстрых тяжелых атомов на основе ловушки с вращающейся плазмой [4], где в результате ионизации первоначальных атомов, ускорении образованных ионов в радиальном электрическом поле и перезарядки ускоренных ионов в плазменном объеме получают поток ускоренных атомов. Ускоренные атомы могут быть получены в традиционных атомарных инжекторах, где из плазмы вытягиваются ионы, ускоряются в ионно-оптической системе и перезаряжаются на специальной мишени [5]. Потоки медленных и ускоренных атомов падают на поверхность твердого тела (3). Медленные атомы осаждаются на поверхности, а ускоренные атомы, проникая вглубь материала, создают широкий переходной слой пленка-подложка, тем самым обеспечивая высокую адгезию наносимой пленки к подложке.

На фиг. 2 изображен вариант нанесения тонкой пленки, когда используется источник (4), создающий одновременно потоки медленных и ускоренных атомов.

В качестве ускоренных атомов могут использоваться атомы как осаждаемого вещества, так и других веществ, в том числе и ускоренные атомы газов. Это позволяет получать многокомпонентные пленки в процессе их выращивания.

В некоторых случаях твердое тело, на которое наносится тонкая пленка, может находиться в атмосфере активного газа (кислород, азот и т.д.), что позволяет получать сложные химические соединения в процессе роста пленки.

Такой подход к задаче вакуумного нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела позволяет с большой надежностью и наименьшими затратами осуществить вакуумное нанесение тонких пленок на поверхность твердого тела.

Предложенный способ позволяет повысить скорость нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела в несколько раз по сравнению с ранее известными решениями и улучшить качество получаемых тонких пленок.

Таким образом, вышеприведенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий: - средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно: для вакуумного нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела и получения необходимых технологических и эксплутационных свойств, не свойственных свойствам исходного материала; - для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов; - средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Литература 1. Данилин Б.С. //Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок, М.: Энергоатомиздат, 1989, с.32.

2. Семенов А.П. //ПТЭ, N 4, 1990, с. 26.

3. Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. //Итоги науки и техники, Сер. Физические основы лазерной и пучковой технологии, М., ВИНИТИ, 1989, т. 5, с. 87-89.

4. Волосов В.И. //Патент России N 2004088 C1 от 12.05.1991 г.

5. Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. //Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей, М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 45-49.

Формула изобретения

1. Способ вакуумного нанесения тонких пленок на поверхность твердого тела путем одновременного осаждения медленных атомов вещества и облучения поверхности ускоренными частицами, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют ускоренные до энергии не менее 300 эв атомы как осаждаемого вещества, так и других веществ, при этом медленные и ускоренные атомы могут создаваться как одним источником, так и раздельными источниками.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердое тело находится в атмосфере активного газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2