Регистрация / Вход
Прислать материал

14.576.21.0021

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.576.21.0021
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения"
Название доклада
Исследование ионно-стимулированного процесса нанесения многокомпонентных функциональных наноструктур в гибридной системе с магнитоактивированными плазменными источниками
Докладчик
Одиноков Вадим Васильевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели и задачи исследования
Целью проекта является:
— создание научного и конструктивно-технологического задела для реализации OTP по разработке опытно-промышленной технологии формирования нанокомпозитных анодных и катодных структур гибких носителях для твердотельных тонкоплёночных Li-ion аккумуляторов и ОКР по созданию промышленного вакуумно-плазменного оборудования;
— вывод на рынок новой научно-технической продукции, в частности, сформированные вакуумно-плазменными методами, многокомпонентные слои электрохимической системы тонкоплёночных аккумуляторных структур на ленточных (рулонных) носителях.
Задачами ПНИ является:
- разработка экспериментальной технологии и технологической установки для реализации процесса ионно-стимулированного вакуумно-плазменного осаждения нанокомпозитных тонкоплёночных аккумуляторных структур с использованием высокоплотной плазмы геликонного разряда;
- разработка базовые методик диагностики плазмы, включая методики зондовых, спектральных и ВЧ измерений и их адаптация в составе Установки;
- проведение комплекса исследований плазменных разрядов и оптимизация параметров реактора с генерацией потоков плазмы исходного многокомпонентного материала с высокой плотностью;
- оптимизация режимов нанесения с выбором состава и структуры материалов анодных слоёв на основе нанокомпозитов кремния и катодных слоёв на основе высших окислов ванадия для тонкоплёночных аккумуляторных структур;
- разработка лабораторных технологических маршрутов получения анодных и катодных слоёв тонкоплёночных аккумуляторных структур на гибких носителях и изготовление образцов;
- разработка проектов ТЗ на ОТР и ОКР по созданию промышленной техно-логии и оборудования.
Актуальность и новизна исследования
В последнее десятилетие для улучшения ресурсных и функциональных характеристик изделий машиностроения, электроники и медицины взамен гальванотехнических методов модификации поверхностей всё большее распространение получили экологически чистые вакуумно-плазменные системы формирования многокомпонентных тонкоплёночных структур, в том числе, на основе магнетронного и вакуумно-дугового газовых разрядов. Причём сочетание в одной напылительной системе таких источников позволяет охватить практически неограниченный класс распыляемых материалов - металлов, полупроводников и диэлектриков и обеспечивает получение качественных покрытий с достаточно высокой скоростью осаждения. Однако простое применение распылительных источников для осаждения плёнок (покрытий) различных материалов не позволяет целенаправленно управлять наноструктурой, фазовым и химическим составом носимых слоёв. Введение ассистирующей ионной бомбардировки подложки одновременно с осаждением на неё плёнок из распылительных источников с реализацией гибридной плазменной системы (ГПС) решает эту задачу. Настоящий проект направлен на разработку новой технологии и оборудования для формирования наноструктурированных функциональных покрытий различных материалов с управляемой структурой и химическим составом с одновременным использованием магнетронного, вакуумно- дугового и геликонного плазменных источников. Новизна предлагаемой конструкции гибридной системы связана с геометрией расположения источников, а также с организацией структуры магнитных полей в зоне подложки, которые оказывают существенное влияние на концентрацию и распределение заряженных частиц, участвующих в процессе формирования осаждаемой плёнки.
Описание исследования

Создание инновационной продукции в радиоэлектронике, машиностроении, медицинской технике и других областях связано, как правило, с использованием новых композиционных и многокомпонентных материалов, причём экономически более целесообразным является использование нанокомпозитных тонкоплёночных покрытий, получаемых вакуумно-плазменными методами. Наиболее предпочтительными являются методы, обеспечивающие управление составом и структурой слоёв в процессе технологического цикла. Наглядными примерами применения многокомпонентных покрытий являются формируемые твердотельные слои электрохимической системы тонкоплёночных аккумуляторных структур,  , а наиболее перспективными материалами анодных слоёв для достижения максимальной энергоёмкости являются нанокомпозиты кремния.

   Аналитический обзор современной научно-технической литературы и патентные исследования показали, что одним из наиболее перспективных и высокопроизводительных методов нанесения покрытий с управляемой структурой и химическим составом является гибридный метод, совмещающий вакуумное осаждения из распылительных источников с ионным стимулированием (ассистированием) в высокоплотной плазме геликонного разряда. Технической реализацией метода является гибридная плазменная система (ГПС), состоящая из геликонного плазменного источника (ГИ) и одного или нескольких магнитоактивированных распылительных плазменных источников (РИ). Применение ГПС, состоящей из набора РИ и ГИ, позволяет проводить осаждение наноструктурированных покрытий с управляемой структурой и химическим составом. Такие покрытия и плёнки существенно повышают функциональные и физико-технические характеристики изделий электроники, машиностроения и медицины и делают их конкурентоспособными на мировом рынке. В настоящей работе проведён комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание новой технологии для формирования наноструктурированных функциональных покрытий с управляемой структурой и химическим составом, а так же на разработку оборудования на базе ГПС для ее реализации. При этом на поверхность растущей плёнки непрерывно воздействуют атомы и/или ионы наносимого материала и ассистирующие ионы инертного газа, позволяющие управлять структурой и составом слоёв.

   На основе математического моделирования и макетирования выявлены диапазоны внешних параметров разряда, прежде всего геометрических размеров геликонного источника плазмы, индукции и конфигурации внешнего магнитного поля, формы индуктора, позволяющие оптимизировать работу источника плазмы. Результаты использованы для изготовления макета источника плазмы. Выполненные экспериментальные исследования макета качественно согласуются с результатами моделирования, что позволило предложить оптимизированную конструкцию источника плазмы, разработать конструкторскую документацию и изготовить ГИ и РИ.

   Разработан и изготовлен экспериментальный образец технологической установки для получения нанокомпозитных металлических, диэлектрических и полупроводниковых слоёв при одновременной работе вакуумно-дугового, магнетронного и геликонного источников. Разработаны базовые методики диагностики плазмы включающие:

- методику зондовых измерений по методу И. Ленгмюра;

- методику спектральных измерений с помощью которых можно анализировать состав плазмы, определять эффективную температуру быстрых электронов и изучать пространственное распределение плотности плазмы по пространственному распределению интенсивности её свечения;

- методику измерения эквивалентного сопротивления плазмы и величины ВЧ мощности, поглощенной плазмой, а также методику измерения ВЧ тока.        Установлена область оптимальных параметров магнитных полей, при которых в разряде ГПС формируется «плазменный столб», замыкающийся на подложку, что сопровождается увеличением плотности ионного тока.            Диапазоны внешних параметров разряда, прежде всего геометрических размеров геликонного источника плазмы, индукции и конфигурации внешнего магнитного поля, формы индуктора позволили оптимизировать конструкцию геликонного источника высокоплотной плазмы. Сформулированы требования к функциональным слоям тонкоплёночных аккумуляторных структур. Структура  анодных слоёв на основе нанокомпозитов кремния должна быть пористой, сопротивление достаточно низким, а в состав композитной плёнки должны входить такие дополнительные элементы для снятия напряжений растяжения-сжатия при интеркаляции лития в кремний и обеспечения оптимальных соотношений между энергомеханическими свойствами структур.

Результаты исследования

На основе разработанных методик проведён комплекс экспериментальных исследований и оптимизированы параметры ГПС, от которых зависят основные электрофизические, фазовые и структурные характеристики покрытий. Изучение радиальных распределений зондового тока насыщения с помощью методики зондовых измерений позволило выявить оптимальные значения внешних магнитных полей.

Спектральные исследования геликонного разряда показывают, что интенсивности свечения плазмы, а, следовательно, концентрация электронов и плотность ионного тока в области подложки, сильно зависят от соотношения величин магнитных полей, создаваемых током верхней и нижней катушек.

   Установлено, что оптимальной анодной структурой является слоистая система SiOAl-Al, получаемая при распылении композитной мишени Si (90%) – Al (10%) и однокомпонентной мишени Al (100%) в среде Ar-О2. Развитая морфология поверхности определялась выбором технологических режимов геликонного источника.

Разработаны лабораторные технологические маршруты ионно-стимулированного осаждения нанокомпозитных анодных, катодных и диэлектрических структур.

Технологический маршрут получения анодных слоёв на титановой фольге, основанный на распылении нанокомпозитной мишени Si-Al в среде кислорода с использованием вакуумно-дугового и геликонного источников позволяет управлять структурой слоёв. Для получения катодных слоёв LiV2O5 на основе высших окислов ванадия разработан технологический маршрут, основанный на комбинированном способе вакуумно-дугового распыления ванадиевой мишени в среде кислорода с получением плёнок пентоксида ванадия, последующим отжигом, предполагаемым литированием и получением развитой поверхностной и объёмной структуры плёнок. Варьированием мощностью вакуумно-дугового источника и расстоянием от мишени до подложки, обеспечивается приемлемая, с практической точки зрения, скорость осаждения. Для расширения функциональных возможностей Установки и реализации процесса газофазного осаждения изолирующих (пассивирующих) слоёв диоксида кремния, входящих в структуру силовых полупроводниковых приборов, проведена доработка внутрикамерной оснастки с разработкой КД на дополнительный источник плазмы и подложкодержатель. По разработанным технологическим маршрутам изготовлены экспериментальные образцы анодных и катодных слоёв на титановой фольге для тонкоплёночных аккумуляторных структур, а также изолирующие и пассивирующие слои силовых полупроводниковых приборов на кремниевой подложке диаметром 150 мм. Проведены исследовательские испытания образцов на основе разработанной программы и методик. Анодные слои Si-O-Al толщиной 2 мкм имели развитую структуру для обеспечения заданной энергоёмкости, как и литированные катодные слои пентоксида ванадия толщиной 4-6 мкм. В качестве пассивирующих слоёв использованы плёнки SiO2 c удельным сопротивлением ρ~ 1012 Ом∙см толщиной 4-5 мкм, а изолирующие плёнки SiхOy имели ρ~ 109 Ом∙см и толщину 0,5-1,0 мкм. Экспериментальные исследования по разработке лабораторной технологии получения образцов и результаты исследовательских испытаний позволили сформулировать проекты ТЗ на проведение ОТР по разработке опытно-промышленной технологии формирования нанокомпозитных анодных и катодных структур твердотельных тонкоплёночных литий-ионных аккумуляторов, а также диэлектрических слоёв силовых приборов и проект ТЗ на ОКР по созданию оборудования, реализующего эти технологии.
 

 

Практическая значимость исследования
Инновационная Установка с гибридным плазменным реактором «Геликон-ТМ» спроектирована и изготовлена для проведения исследований и разработки широкого класса новых управляемых технологических процессов нанесения функциональных покрытий из различных материалов методами магнетронного распыления и/или электродугового испарения в плазме геликонного разряда. Плазмостимулированные процессы осаждения с регулируемой плотностью и энергией плазменного воздействия обеспечивают управляемое наноструктурирование покрытий, которые могут использоваться в различных областях науки и техники (нано-, микро-, опто- фото- и радиоэлектроники, в медицине, энергохранении и др.). Геликонный разряд эффективно передает на большое расстояние в плазму полезную мощность от ВЧ индуктора, обеспечивая получение плазменного разряда высокой плотности с энергией ионов от 10 до 100 эВ в зоне обработки пластин. Это позволяет разрабатывать инновационные технологические процессы плазмостимулированного осаждения, а также «сухого» травления и очистки. Установка обеспечивает проведение процессов нанесение покрытий методами физического (physical vapor deposition-PVD) и плазмохимического (plasma enhanced chemical vapor deposition — PE CVD) осаждения материалов и позволяет в значительной мере управлять характеристиками получаемых структур. Технология апробирована на примере формирования анодных и катодных слоёв с развитой структурой, при которой обеспечивается оптимальное соотношение энергоёмкостью и цикличностью аккумуляторных структур.
Изготовленная в рамках проекта Установка может являться базовой основой для создания ряда промышленных установок, оснащённых геликонным и различными распылительными источниками, предназначенными для нанесения как конкретных видов покрытий, так и универсальных машин ионно-плазменного нанесения, включая PE CVD процессы осаждения различных материалов.
Технологии ионно-плазменного нанесения нанокомпозиционных анодных и катодных аккумуляторных слоёв могут являться основой для освоения отечественной промышленной технологии получения тонкоплёночных аккумуляторных структур на ленточные носители (технология «Roll to roll») и создания нового поколения литий-ионных аккумуляторов малой и средней мощности с решением задачи импортозамещения.