Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 37 УДК 621.373.825:539.2 УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАГНЕТРОННОЙ И ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ Бурмаков А.П., Зайков В.А., Комаров Ф.Ф., Людчик О.Р., Солодухо Д.А. Белорусский государственный университет, г. Минск, Республика Беларусь В работе рассмотрены различные модификации установки для импульсного лазерного и магнетронного осаждения тонкопленочных структур с контролируемыми условиями формирования плазменного потока и возможностью исследования параметров плазмы. Предложены варианты для совместного и раздельного осаждения слоев. Разработанная установка расширяет энергетический, зарядовый и элементный состав формируемой плазмы как основной компоненты при осаждении тонкопленочных покрытий. (E-mail: lyudchik@tut.by) Ключевые слова: магнетрон, осаждение, лазер, плазма, спектроскопия. Введение Импульсное лазерное осаждение (ИЛО) является динамично развивающимся методом формирования тонких пленок из широкого класса материалов. Это связано как с непре- рывным развитием лазерной техники и созда- нием мощных импульсных лазеров, так и с постановкой ряда новых материаловедческих задач, связанных с получения тонких пленок многокомпонентных материалов, в том числе наноструктурированных [1, 2]. Положитель- ные особенности метода ИЛО: практически мгновенное испарение тонкого слоя вещества мишени, при этом стехиометрия испаренного вещества соответствует стехиометрии исход- ной мишени [3]; процесс осаждения пленок можно проводить в широком диапазоне дав- лений рабочего газа – от глубокого вакуума до давлений порядка 100 Па; конструктивная простота метода и отсутствие ограничений на вид испаряемого вещества, что позволяет оперативно получать пленки из материалов с различными свойствами (проводники, полу- проводники, диэлектрики) без каких-либо конструкционных изменений в напылитель- ном оборудовании. Магнетронное распыление является хоро- шо изученным базовым методом формирова- ния покрытий и имеет ряд преимуществ. К ним относятся: высокие скорости осаждения (до 10 мкм/мин) и хорошая адгезия получае- мых покрытий; высокие однородность и плотность покрытий; хорошая управляемость и долговременная устойчивость процесса [4]; возможность нанесения покрытия сложного состава из металлических мишеней реактив- ным распылением в газовых смесях инертно- го и химически активного газов; относитель- но низкая стоимость процесса осаждения. В настоящей работе обсуждаются техно- логические возможности двух модификаций установки ИЛО (рисунок 1): вариант сов- местного магнетронного и лазерного (рису- нок 2) и вариант установки для раздельного магнетронного и ИЛО тонких пленок (рису- нок 3). Одновременное использование плазмы магнетронного разряда и лазерной плазмы в процессе осаждения покрытий расширяет энергетический, элементный и зарядовый со- став плазмы, что позволяет формировать многокомпонентные покрытия с улучшенны- ми механическими, оптическими и электри- ческими свойствами. Исследования в этой области начали развиваться в последнее деся- тилетие [5, 6]. Установка импульсного лазерного осажде- ния тонких пленок Для нанесения покрытий композиционно сложных материалов нами предложена и ре- ализована схема классического применения установки ИЛО тонких пленок (рисунок 1). В качестве источника лазерного излучения используется лазер LS-2134D – частотный двух- Средства измерений 38 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 Рисунок 1 – Установка ИЛО тонких пленок: 1 – лазер LS-2134D; 2 – фокусирующие линзы; 3 – сканирующее устройство; 4 – кварцевые ок- на вакуумной камеры; 5 – вакуумная камера; 6 – подложкодержатель; 7 – коллимирующее устройство; 8 – оптическое волокно; 9 – моно- хроматор МДР-12; 10 – ФЭУ-100; 11 – усили- тель; 12 – осциллограф; 13 – мотор; 14 – ци- линдрическая мишень; 15 – лазерный факел импульсный лазер с модуляцией добротности на АИГ 1. Излучение через фокусирующую линзу 2 при помощи призменного сканерато- ра 3 через кварцевое стекло 4 направляется в вакуумную камеру 5. Излучение падает на по- верхность вращающегося цилиндра 14 диа- метром 40 мм. Подложка расположена на расстоянии 60 мм от поверхности мишени под углом 45º к падающему лазерному лучу. Сканирование излучения проводилось в двух направлениях: перпендикулярно оси цилин- дра таким образом, что линейный размер зо- ны эрозии составлял 12 мм, и в направлении параллельном оси цилиндра – размер зоны эрозии 45 мм. Таким образом, достигалась равномерность нанесения покрытия на под- ложке диаметром 50 мм. Излучение лазерной плазмы 15 выводит- ся из камеры через окно 4 из кварцевого стекла. С целью предохранения осаждения частиц плазмы на поверхность окна исполь- зуется коллимирующее устройство 7, пред- ставляющее собой набор трубок диаметром Рисунок 2 – Установка для совместного магнетронно- го и лазерного осаждения тонких пленок: 1 – лазер LS-2134D; 2 – фокусирующие линзы; 3 – сканирующее устройство; 4 – кварцевые окна ва- куумной камеры; 5 – вакуумная камера; 6 – под- ложкодержатель; 7 – коллимирующее устройство; 8 – оптическое волокно; 9 – монохроматор МДР-12; 10 – ФЭУ-100; 11 – усилитель; 12 – осциллограф; 13 – магнетронный распылитель; 14 – плазма маг- нетронного распылителя; 15 – датчик давления; 16 – натекатели аргона и реактивного газа; 17 – система управления расходом газов около 1 см. С помощью фокусирующей линзы излучение заводится в кварцевое оптическое волокно 8 и затем попадает в спектрометр S100 или монохроматор 9 МДР-12 с дифрак- ционной решеткой 1200 штрихов/мм. Для изучения динамики изменения плазмы в ре- жиме реального времени излучение из моно- хроматора падает на фотоприемник 10, в ка- честве которого используется фотоэлектрон- ный умножитель ФЭУ-100. Сигнал с ФЭУ- 100 усиливается усилителем 11 и регистриру- ется осциллографом 12. Для регистрации спектров используется широкодиапазонный спектрометр S100, имеющий спектральное разрешение около 1 нм, или вместо выходной щели монохроматора и ФЭУ-100 устанавли- вается ПЗС-линейка с количеством пикселов 3648, что позволяет улучшить спектральное разрешение до 0,1 нм. С помощью S100 реги- стрируется спектр излучения в диапазоне Средства измерений Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 39 длин волн 200–1000 нм. С помощью моно- хроматора с ПЗС-линейкой спектр излучения регистрируется по участкам шириной 75 нм. Модификация установки импульсного ла- зерного осаждения для совместного магне- тронного и лазерного осаждения тонких пле- нок Модификация установки ИЛО для сов- местного магнетронного и лазерного осажде- ния выполнялась путем замены лазерной ми- шени на магнетронный распылитель 13, катод которого одновременно является и лазерной мишенью. Соответствующая схема системы изображена на рисунке 2. Такой подход поз- воляет использовать магнетронное осаждение в широком диапазоне парциальных давлений реактивного газа. Дополнительным источни- ком ионов в плазменном потоке, из которого формируется покрытие, в этом случае являет- ся плазма материала катода магнетрона, по- лученная при облучении лазерным излучени- ем катода. Для управления расходом газов в процессе нанесения покрытий, исследования и контроля параметров магнетронной и ла- зерной плазмы используются оптические си- стемы эмиссионной спектроскопии. Сравнительный анализ плазмы титана показал, что линии спектра плазмы при ИЛО в диапазоне длин волн 300–700 нм имеют ин- тенсивный и уширенный характер, свиде- тельствующий о высокой плотности плазмы и наличии в ее составе значительной доли ион- ной компоненты по сравнению с плазмой магнетронного разряда (рисунок 3). Лазерная плазма была сформирована при плотности мощности лазерного излучения около 2·109 Вт/см2. Основными особенностями совмест- ного лазерного и магнетронного осаждения является возможность осаждения в условиях повышенного вакуума, а также расширение энергетического и зарядового диапазона ча- стиц плазмы. Модификация установки импульсного ла- зерного осаждения для раздельного магне- тронного и лазерного осаждения тонких пленок Модификация установки ИЛО для раз- дельного лазерного и магнетронного осажде- ния изображена на рисунке 4. а б Рисунок 3 – Полученные с помощью спектрометра S100 спектры плазмы, образованной при ИЛО и магнетронном осаждении: a – при магнетронном осаждении; б – при ИЛО В вакуумной камере находится магне- трон и мишень для ИЛО. Последовательное зажигание плазмы магнетрона и лазерное об- лучение мишени позволяют осаждать на под- ложке многослойную структуру. Одновре- менная реализация этих процессов применя- ется для расширения компонентного состава плазмы магнетронного разряда. Количество вещества испаряемого одним сфокусирован- ным лазерным импульсом может варьиро- ваться от 1014 до 1016 атомных частиц. Кон- тролируемая в процессе осаждения толщина отдельных слоев, полученных магнетронным осаждением, – до 50 нм. ИЛО позволяет регу- лировать компонентный состав плазмы в ши- роких диапазонах, что достигается примене- нием многокомпонентных и/или составных мишеней из нескольких элементов. Как и в предыдущем случае, для управ- ления расходом газов в процессе нанесения покрытий, исследования и контроля и пара- метров магнетронной и лазерной плазмы ис- пользуются оптические системы эмиссионной спектроскопии. Средства измерений 40 Приборы и методы измерений, № 1 (4), 2012 Рисунок 4 – Установка для раздельного магнетронного и лазерного осаждения тонких пленок: 1 – лазер LS-2134D; 2 – фокусирующие линзы; 3 – сканирующее устройство; 4 – кварцевые окна вакуумной камеры; 5 - вакуумная камера; 6 – подложкодержатель; 7 – коллимирующее устройство; 8 – оптическое во- локно; 9 – монохроматор МДР-12; 10 – ФЭУ-100; 11 – усилитель; 12 – осциллограф; 13 – мотор; 14 – цилиндрическая мишень; 15 – лазерный факел; 16 – магнетронный распылитель; 17 – плазма магне- тронного распылителя; 18 – датчик давления; 19 – натекатели аргона и реактивного газа; 20 – систе- ма управления расходом газов Заключение Разработаны и созданы модификации экс- периментальной установки для исследования комбинированного плазменного потока, образо- ванного магнетронным распылением и частотно- импульсным лазерным воздействием на различ- ные материалы в газах низкого давеления. Данная установка позволяет: − исследовать и контролировать парамет- ры плазмы при осаждении многослойных нано- размерных структур; − расширить компонентный состав плаз- мы магнетронного разряда за счет частиц ла- зерной плазмы; − выполнять магнетронное осаждение тонких слоев с лазерной стимуляцией магне- тронного разряда для работы при давлениях, значительно ниже традиционно используемых. Список использованных источников 1. Дьюли, У. Лазерная технология и анализ материалов / У. Дьюли. – М. : Мир, 1986. 2. Гончаров, В.К. Определение оптической ширины запрещенной зоны алмазоподоб- ных углеродных пленок, полученных ла- зерно-плазменным осаждением / В.К. Гон- чаров [и др.] // Журнал прикладной спек- троскопии. – 2007. – Т. 74. – № 5. – С. 637– 641. 3. Быковский, Ю.Ф. Лазерная масс-спектро- метрия / Ю.Ф. Быковский, В.Н. Неволин. – М. : Энергоатомиздат, 1985. 4. Бурмаков, А.П. Монохроматизация излуче- ния для спектрального контроля плазмен- ных процессов / А.П. Бурмаков, А.А. Лабу- да, Н.Н. Никифоренко // ЖПС. – 1998. – Т. 65. – № 4. – С. 587–589. 5. Zabinski, J. Magnetron Sputter-pulsed laser deposition system and method / J. Zabinski [et al.] // Patent USA, US H1933H. – 2001. 6. Jelínek, M. Hybrid Laser-Magnetron Techno- logy for Carbon Composite Coating / M. Je- línek [et al.] // Laser Physics. – 2009. – Vol. 19. – No. 2. – Р. 149–153. Burmakov A. P., Zaikov V. A., Komarov F.F., Lyudchik O.R., Saladukha D.A. Device for investigation of magnetron and pulsed-laser plasma Various modifications of complex pulsed laser and magnetron deposition thin-film structures unit are presented. They include joint and separate variants of layer deposition. Unit realizes the plasma parameters control and enhances the possibility of laser-plasma and magnetron methods of coatings deposition. (E-mail: lyudchik@tut.by) Key words: magnetron, deposition, laser, plasma, spectroscopy. Поступила в редакцию 02.03.2012.