Рис. 1 Фотография установки УВН-3М
Рис 2. Конструкция ВЧ нагрузки

УНИКАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ УСТАНОВКА
«Установка плазмохимического реактивного ионного травления - УВН-3М»

(УНУ УВН-3М)

УНУ УВН-3М   представляет собой экспериментальный комплекс ,  модернизированный с целью организации линии промышленного производства гетероэпитаксиальных структур 3C-SiC/Si  и (SiC)1-x(AlN)x/3C-SiC/Si  с заданными толщинами, уровнями легирования и допустимыми механическими напряжениями активных слоев на нанопористых подложках кремния, сапфира, пористого анодного оксида алюминия, карбида кремния и буферных слоях нитрида алюминия на сапфире и карбиде кремния  для приборов электроники, микро- и наносистемной техники.

Уникальные характеристики, ожидаемый период сохранения уникальности/превосходства

УВН-3М предназначено для организации линии промышленного производства гетероэпитаксиальных структур 3C-SiC/Si  и (SiC)1-x(AlN)x/3C-SiC/Si  с заданными толщинами, уровнями легирования и допустимыми механическими напряжениями активных слоев на нанопористых подложках кремния, сапфира, пористого анодного оксида алюминия, карбида кремния и буферных слоях нитрида алюминия на сапфире и карбиде кремния  для приборов электроники, микро- и наносистемной техники.

 Установка УВН-3М выполнена в виде отдельно стоящих четырех стоек:

- с системами питания двух магнетронов, источника ионов и устройства нагрева подложки;

- с системами контроля и управления ВЧ–генератором;

- системой контроля давления в вакуумной камере;

- с системой подачи, подготовки и контроля газов или их смесей;

- вакуумной камеры и блока откачки.

Подобная конфигурация объясняется удобством обслуживания, экономией места расположения и компактностью. 

Для создании равномерного высокочастотного разряда большей мощности в рабочей ростовой  зоне реактора размещен полый трубчатый электрод по центру  кварцевого стакана. Второй электрод выполнен из высокочистого алюминия. К электродам    подводится высокочастотное напряжение. В стакан через трубчатый электрод подают рабочую газовую смесь (Ar, N2) соответствующего состава. Такая конструкция способствует получению внутри стакана равномерного поля и образованию достаточного количества атомарного азота для поддержания стехиометрического состава в растущей пленке, чему способствует увеличение площади поверхности электродов. При этом на поверхности подложки происходят процессы взаимодействия атомов алюминия и атомарного азота, которые приводят к получению  на поверхности подложки -AlN (в виде монокристаллических и поликристаллических пленок).

Измененная конструкция ВЧ нагрузки  приведена на рисунке 2. Фторопластовый корпус 1 реактора при помощи гайки 2 устанавливается в отверстие  стенки вакуумной камеры (на чертеже не показана). Снизу к корпусу реактора по резьбе прикручен стакан 3, выполненный из высокочистого алюминия. Внутри стакана, по его оси вращения, установлен полый трубчатый электрод 4. Герметичность в месте соединения стакана 3 и корпуса 1 обеспечивает уплотнительная прокладка 5. В трубчатом электроде 4 выполнены радиальные отверстия 6 для истечения подаваемого в него рабочего газа в полость стакана. Герметизацию между трубчатым электродом 4 и корпусом 1 обеспечивает силиконовое уплотнительное кольцо 7, прижимаемое к стенкам трубчатого электрода завинчиванием прижимного болта 8.  К стакану 3 и трубчатому электроду 4 подведено высокочастотное напряжение. В трубчатый электрод через его верхний срез 9 подается рабочий газ. Нижний торец 10 трубчатого электрода заглушен.

Высокочастотная нагрузка работает следующим образом: 

При подаче на трубчатый электрод 4 высокочастотного напряжения и рабочей газовой смеси, между трубчатым электродом и внутренней стенкой стакана 3  возникает высокочастотный разряд, приводящий к образованию аргон-азотной плазмы с повышенным содержанием атомарного азота. Ионизированные атомы аргона и азота, ускоренные ВЧ полем, поочередно распыляют алюминиевый корпус стакана 3, который являются мишенью. При этом молекулярный азот расщепляется на атомарный (N2→N+ + N+). Этих условий вполне достаточно для образования на установленной в непосредственной близости от азотной плазмы подложке пленки нитрида алюминия. Скорость роста, качество пленки зависят от мощности ВЧ разряда, давления в вакуумной камере и состава рабочего газа, которые побираются экспериментально. Предлагаемый ВЧ реактор представляет  собой автономную камеру, устанавливаемую в рабочую вакуумную камеру, что позволяет устанавливать давление газа в реакторе несколько выше, чем в рабочей вакуумной камере. Это  дает возможность одновременно возбуждать ВЧ разряд в реакторе и при необходимости работать отдельному магнетрону, распыляя алюминий  при разных рабочих давлениях.  При этом на поверхности подложки происходят процессы взаимодействия атомов алюминия и атомарного азота, которые приводят к получению AlN

Установка обеспечивает максимальную температуру в рабочей зоне до 1300°С в течение не менее 3 часов с радиальной неоднородностью распределения температуры 15°С, не более. Технологическое оборудование для эпитаксии из газовой фазы в составе УВН-3М имеет характеристики: 

- мощность генератора ВЧ 1,0 кВт, не более;

- частота 13,56 МГц;

- максимальная рабочая температура 1300°С, не менее;

- количество газовых магистралей: 8, не менее;

- реакционные газы  –  пропан (5% смесь с Н2), моносилан (5% смесь с Ar), водород, азот, аммиак;

- скорости потока С3Н8: 40 ÷ 160 мл/мин.;

- скорости потока SiH4: 25 ÷ 400 мл/мин.;

- скорости потока Н2: 5 ÷ 16 мл/мин.;

- скорости потока N2: 0.5 ÷ 10 мл/мин;

- скорости потока N3H4; 0.5 ÷ 10 мл/мин;

Потребляемая мощность УВН-3М   в рабочем режиме составляет 25 кВА, не более. Электропитание УВН-3М   осуществляется от трехфазной сети переменного тока напряжением (380/220 В ± 5% и частотой 50 Гц ± 5%).

Технические характеристики:

Предельное остаточное давление в рабочем объеме, Pa:

с турбомолекулярным насосом - 6×10-4

Диаметр мишени магнетрона, mm  120

Блок питания DC магнетрона: напряжение, V 1500, ток, mA   1500

Блок питания высочастотный: напряжение, kV 7, ток, mA 50

Магнетрон Д100 УКРД.768.04.00.00.00

Температура нагрева подложки, °C 1100

Используемые газы: аргон, водород, азот, кислород, метан.

Размеры рабочего объема (диаметр×высота), mm  900×400

Ионный источник Клан-53

1. Рабочий газ - аргон, азот, их смеси с кислородом.

2. Максимально возможный  выходной диаметр пучка - 50 мм.

3. Максимальный ионный ток в данной модели - 80 мА. 

4. Диапазон    регулирования энергии ионов пучка - 150-1500 эВ. 

5. Разброс энергии ионов в пучке - ±3 эВ.  

6. Выходная плотность ионного тока - до  4  мА/см2

7. Расход рабочего газа - не более 6 нсм3/мин.

8. Рабочее давление - не выше 3.10-2 Па.

9. Тип катода - холодный, полый.

10. Магнитная система газоразрядной камеры и холодного полого катода на постоянных магнитах.

12. Тип ионной оптики - двухсеточная, плоская  (молибден).

11. Тип ионной оптики - двухсеточная, плоская  (молибден).

12. Монтажный фланец включает токовводы, газоввод и водовводы, обеспечивающие подачу электропитания, газа и воды к источнику ионов в вакуумной камере.

13. Тип катода-нейтрализатора - накальный, погруженный (вольфрам 0, 5 мм).

14. Габаритный диаметр ИИ - 100 мм

15. Габаритная длина ИИ (от монтажного фланца)  -  235 мм.

Установка УВН-3М позволяет проводить в едином технологическом цикле операции ионной очистки,  процесс формирования эпитаксиальных слоев карбида кремния, нитрида алюминия  , твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x, AlGaN и GaInN   и предназначен для создания гетероструктур и включает наращивание эпитаксиальных слоев твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x с заданным составом по х (0 ≤ х ≤ 1) и не имеет российских аналогов.

Уникальные возможности установки УВН-3М будут существенно расширены в результате проводимой в настоящее время модернизации магнетронной системы и установкой блока предварительной очистка используемых в технологическом процессе рабочих газов, а также модернизации источников питания и другого технологического и диагностического оборудования. Основной целью модернизации является повышение основных инженерных параметров  что существенно расширит тематику проводимых исследований. В случае успешного осуществления модернизации следует ожидать сохранения уникальности на период в десять лет.

Решаемые с использованием УНУ масштабные научные задачи.

Исследования на УНУ установке УВН-3М в значительной степени направлены на получение новых знаний и разработку экспериментальных методик и технологий в области физики коденсированного состояния. Установка УНУ УВН-3М позволяет проводить комплексные междисциплинарные исследования для решения задач материаловедения и создания устройств преобразования энергии. Результаты исследований являются потенциально важными и применимыми для решения проблем энергетики, в рамках решения приоритетной научной задачи «Исследование и разработка физических принципов и технических решений эффективной  энергетики». Эти исследования соответствуют направлениям развития критических технологий: материалы для микро- и наноэлектроники, технологии новых и возобновляемых источников энергии; элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых компьютеров.

В течение последних лет на УНУ УВН-3М  были выполнены работы по пяти Государственным контрактам с Министерством образования и науки в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007- 2013 годы", двум Государственным контрактам в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», Гранту Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (договор с Минобрнауки № 11.G34.31.0041), грантам РФФИ. Ниже приведено подробное перечисление областей междисциплинарных исследований, проводимых на УНУ УВН-3М.

Проект №03-02-17762 – Российский фонд фундаментальных исследований – Садыков С.А. - Особенности электрофизических и оптических свойств полупроводниковых твердых растворов с полярными структурами (70,0 т.р.) – 2003-2005

По программе «Развитие научного потенциала высшей школы» – Сафаралиев Г.К. - Разработка технологии многофункциональных покрытий на основе алмазоподобных материалов с использованием магнетронного распыления составных мишеней (2000000 р.). – 2005 г.

По программе «Развитие научного потенциала высшей школы» Физические принципы формирования наноразмерных слоев твердых растворов SiC-AlN с использованием ионных процессов - Минобрнауки – Билалов Б.А. (2000 т.р.) – 2006-2007 гг.

Исследование атомного механизма фазообразования, поверхностной сегрегации элементов и легирующих примесей  при ионно стимулируемом формировании наноразмерных слоев и гетероструктур в системах Al2O3-(SiC)1-x(A3B5)x, SiC-(SiC)1-x(A3B5)x - Федеральное агентство по науке и инновациям (субвенции) - 4 600т.р. -2006 г.

Исследование процесса формирования диэлектрических пленок для микроэлектроники.  Саркаров Т.Э., д.т.н., профессор каф. ТиОЭ. По заданию Федерального агентства по образованию в 2009 г.- 01.01.2009-31.12.2013 (250,0 т.р.)

По программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (Рособразование) 01.01.2009-31.12.2010 Разработка совмещенных процессов низкотемпературного синтеза многослойных тонкопленочных наноструктур на основе карбида кремния с применением низкоэнергетических ионных воздействий Руководитель - Билалов Б.А., д.ф.-м.н., профессор, ИИЦ. (2423,6 т.р.)

По программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы. «Проведение поисковых научно-исследовательских работ под руководством кандидатов  и докторов наук». 03.09.2009-31.12.2011.  Исследование электрофизических свойств тонких высокоомных пленок состава (SiC)1-x(AIN)х методами сканирующей зондовой микроскопии. Кардашова Г.Д., к.ф.-м.н. (2000,0 т.р.)

По программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.  Разработка технологии формирования и исследование наноструктурных высокоомных слоев твердых растворов (SiC)1-x-(AlN)x с применением сканирующей зондовой микроскопии.  Руководитель - аспирант Гаджиев А.А. 500,0 т.р.

По программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы. Научно-образовательные центры в области естественных наук «Разработка физико-технологических основ ионно-лучевого получения эпитаксиальных слоев твердого раствора (SiC)1-хAlNх и наногетероструктур на их основе для экстремальной электроники». Руководитель - Сафаралиев Г.К., д.ф.-м.н., профессор ИИЦ. (9,0 млн р.).

Разработка технологии формирования и исследование процесса ионно-плазменного распыления  композиционных керамических мишеней на основе системы SiC-AlN - Программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (1,5 млн.руб.) – 2010-2012 гг.

Разработка технологии формирования релаксирующих слоев карбида кремния на кремнии и нитрида алюминия на сапфире для обеспечения оптоэлектронных, микроэлектромеханических устройств эксплуатируемых в экстремальных условиях – Министерство образования и Науки (ФЦП) – Билалов Б.А. (2300000 руб.) – 2010-2012 гг.

Исследование влияния структурных неоднородностей (дефектообразования) на электрофизические параметры слоев карбида кремния, нитрида алюминия, их твердых растворов, формирующихся на подложках сапфира, карбида кремния с применением вакуум -плазменных технологий - Минобрнауки РФ – Сафаралиев Г.К. (587,0 руб.) - 2012 -2014 гг.

Впервые было установлена возможность получения многослойных гетерокомпозиций  на основе широкозонных полупроводниковых материалов соединений A4B4, A3B5  и их твердых растворов методами, основанными на использовании магнетронного распыления в плазме (азота, аргона, аммиака)  разряда постоянного тока, в плазме ВЧ разряда, ионного распыления композиционных керамических и составных мишеней. Разработана и запатентована методика формирования активированной плазмы азота непосредственно вблизи поверхности подложки сапфира, пористого анодного оксида алюминия, карбида кремния.

Полученные методики применены в УНУ установке  УВН-3М для получения многослойных гетероструктур слоев твердых растворов (SiC)1-x-(AlN)x различного состава, исполняющих роль квантовых ям и барьеров, в светоизлучающих в ультрафиолетовой области. Квантовый выход которых составляла 75%. На базе полученных результатов изготовлены датчики УФ излучения.

Результаты исследований, полученных с использованием УНУ установки  УВН-3М опубликованы в открытой печати.

Порядок оказания услуг на  УНУ УВН – 3М

1) Пользователь подает заявку на выполнение работ руководителю ЦКП

2) Заявка рассматривается руководителем ЦКП, определяется круг исполнителей и сроки выполнения заказа.

3) Виды работ, условия представления услуг, форма выдачи результатов, оплата услуг определены Договором на оказание услуг.

4) Руководитель ЦКП, или иное лицо по его распоряжению, ведет учет заявок на предоставление услуг, составляет годовые отчеты о проделанной работе и формирует на этой основе банк данных пользователей

Регламент оказания услуг на УНУ УВН – 3М.

Регламент доступа к УНУ, предусматривающий порядок выполнения работ и оказания услуг, осуществления экспериментальных разработок в интересах третьих лиц, а также условия допуска непосредственно к работе на УНУ УВН – 3М:

Порядок доступа

1. Проведение научных исследований и предоставление доступа заинтересованным пользователям осуществляется на основании Заявок.

2. Заявка оформляется на бланке и должна содержать: описание работ (наименование, цель работы, объект исследований и т.п.), предполагаемую продолжительность работ на УНУ, желаемую дату начала и др. При необходимости оформляется техническое задание. Перечень услуг и используемые объекты УНУ опубликованы на официальном сайте Федерального государственнго бюджетного образовательного учреждения высшего ообразования   «Дагестанский государственный технический университет» в сети Интернет.

3. Прием, регистрация, обработка, хранение заявок, результаты их рассмотрения и выполнения осуществляются в электронном виде с использованием автоматизированных систем, позволяющих учитывать временную загрузку   УНУ УВН – 3М, задействованных в оказании услуг.

4. Заявки рассматриваются Научно-техническим советом ЦКП «Радиоэлектронные приборы, микроэлектроника и нанотехнологии» при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего ообразования   «Дагестанский государственный технический университет»    по мере их поступления в течение 10 дней с момента регистрации заявки.

5. По результатам рассмотрения заявок НТС принимает решение о возможности проведения научных работ и/или предоставления доступа и включает заявку в план работ и экспериментов, проводимых на УНУ УВН – 3М.

6. Решение о невозможности проведения научных работ и/или предоставления доступа должно быть мотивированным и доведено до сведения пользователя не позднее трех дней со дня принятия такого решения.

7. Проведение научных работ и/или предоставление доступа осуществляется в рамках соглашений о научно-техническом сотрудничестве, договоров на проведение научных исследований и других работ с предоставлением доступа к УНУ УВН – 3М, а также в соответствии с государственными контрактами и заданиями федеральных целевых и ведомственных программ.

8. В соглашениях о научно-техническом сотрудничестве и договорах на проведение научных исследований и других работ оговаривается вклад каждой стороны, в том числе и материальный, в проведение совместных исследований, разработок, испытаний и других работ.

 9. Доступ к данным, полученных на УНУ УВН – 3М, осуществляется по письмам-заявкам (в свободной форме), в которых должны быть указаны направления использования получаемой информации.

10. Завершение научных работ и/или предоставление доступа оформляется актом о выполнении работ и другими документами, предусмотренными договорами на проведение научных исследований и/или на предоставление доступа.