Исследование магнитной ловушки для магнетронной распылительной системы (2022)
Приведены результаты компьютерного и лабораторного моделирования магнитной распылительной системы (МРС), используемой для физического осаждения пленок в вакууме. Приведены рекомендации по выбору геометрических параметров МРС и значениям магнитного поля.
The article presents the results of computer and laboratory simulation of a magnetic sputtering system used for the physical deposition of films in vacuum. Recommendations are given on the choice of the geometrical parameters of the MRS and the values of the magnetic field.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- Префикс DOI
- 10.51368/2307-4469-2022-10-3-301-307
- eLIBRARY ID
- 49173905
Вывод 1: Анализируя расчетную ширину зоны распыления, полученную с помощью программы моделирования FEMM, и зону эрозии на мишени, можно утверждать, что в расчетной зоне, где значение тангенциальной составляющей по модулю преобладает над нормальной составляющей по модулю, будет распыление и ширина зоны будет почти равна расчетной с погрешностью ± 2 мм для левой и правой границы. Данный вывод соответствует теории, приведенной в работах [8, 9], о том, что наибольшее значение тангенциальной составляющей магнитного поля достигается под аркой силовых линий там же, где происходит максимальная выработка катода.
Таким образом, можно утверждать, что глубина эрозии в мишени и форма примет такой вид как на рисунке 10 [8].
Вывод 2: Система С.2 имеет максимальную по модулю тангенциальную составляющую магнитной индукции внутри системы равную 0,03 Тл, что согласно работе [9] является нижней границей магнитной индукции для зажигания разряда, поэтому можно сделать вывод, что в реальности магниты имеют свойства немного слабее, чем при расчете в FEMM, следовательно, в реальной ситуации возможно, что реальное значение лежит в диапазоне 0,02550,0285 Тл (соответствует погрешности 15 % и 5 %). Предполагая такое допущение, выбирается диапазон для тангенциальной составляющей из диапазона от 0,03 до 0,15 Тл [9].
Вывод 3: Сравнивая графики и наблюдения при экспериментах, можно сделать вывод, что при увеличении |Bt|MAX2 выше нижнего порога (выше 0,03 Тл) возможна следующая ситуация: появление второго кольца распыления, что отображено на рисунке 11. В зависимости от необходимых требований появление кольца может иметь как положительные, так и отрицательные последствия. Если мишень и МРС по диаметру больше, чем 140 мм (для исследуемых случаев), то |Bt|MAX2 > 0,03 Тл имеет положительный эффект. Если мишень по диаметру меньше, чем 140 мм, то |Bt|MAX2 > 0,03 Тл несёт негативный характер: начинается распыление деталей МРС, например, прижимного кольца, которое фиксирует мишень, что привести к смешению распыляемого состава и изменению свойств тонких плёнок на подложке. В реальности, так как мишень была меньше латунного диска, было распыление диска с характерными следами небольшой эрозии поверхности, вследствие появления второй магнитной ловушки.
Таким образом, в мишенях меньше размеров магнитной системы необходимо соблюдение |Bt|MAX2 < 0,035 Тл (при учете 15 % погрешности).
Вывод 4: При условии, что максимальное остаточное давление около 1–2 Па, необходима несбалансированная система с сильным магнитным боковым полем (рисунок 12), а именно: должны быть места с |Bn|MAX2 > 0 и |Bt| < |Bn|MAX2.
На основе проведенных исследованиях предлагается выбирать высоту магнитной системы от 1 до 20 мм; значение максимальной тангенциальной составляющей магнитной индукции на заданной высоте внутри системы (от 7,5 до 10 мм) – от 0,03 до 0,15 Тл; внешний диаметр магнитной системы – от 2 до 90 мм; значение максимальной тангенциальной составляющей магнитной индукции на краю системы должен быть меньше 0,35 Тл.
Список литературы
- Семкин Н. Д., Калаев М. П., Телегин А. М., Пияков А. В., Родин Д. В. // Прикладная физика. 2012. № 2. С. 104.
- Воронов К. Е., Григорьев Д. П., Телегин А. М. // Успехи прикладной физики. 2021. Т. 9. № 3. С. 245.
- Кузьмичёв А. И. Магнетронные распылительные системы. Книга 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. – Киев: Аверс, 2008.
- Архипов А. В., Дмитриев В. Д., Волков А. В., Лофицкий И. В. Изучение оборудования и технологии нанесения слоев методом магнетронного распыления материалов: методические указания. – Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2001.
- Альтман А. Б. Постоянные магниты. Справочник. – М.: Энергия, 1980.
- Королёв Ю. Д. Элементарные и кинетические процессы в газоразрядной плазме: учебное пособие. – Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2008.
- Байда Е. И. Расчет электромагнитных и тепловых полей с помощью программы FEMM. – Харьков: издательство НТУ «ХПI», 2015.
- Данилин Б. С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. – М.: Энергоатомиздат, 1989.
- Духопельников Д. В. Магнетронные распылительные системы: учеб. пособие: в 2 ч. – Ч. 1: Устройство, принцип работы, применение. – М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2014.
- N. D. Semkin, M. P. Kalaev, A. M. Telegin et al., Applied Physics, No. 2, 104 (2012) [in Russian].
- K. E. Voronov, D. P. Grigorev, and A. M. Telegin, Usp. Prikl. Fiz. 9 (3), 245 (2021) [in Russian].
- A. I. Kuzmichyov, Magnetronnye raspylitelnye sistemy. Kniga 1. Vvedenie v fiziku i tekhniku magnetronnogo-raspyleniya. (Avers, Kiev, 2008) [in Russian].
- A. V. Arhipov, V. D. Dmitriev, A. V. Volkov, and I. V. Lofickij, Izuchenie oborudovaniya I tekhnologii naneseniya sloev metodom magnetronnogo raspyleniya materialov. Metodicheskie ukazaniya. (Samarskij gosudarstvennyj aehrokosmicheskij universitet, Samara, 2001).
- A. B. Altman, Postoyannye magnity. Spravochnik. (Ehnergiya, Moscow, 1980) [in Russian].
- Yu. D. Korolyov, Ehlementarnye I kineticheskie processy v gazorazryadnoj plazme. Uchebnoe posobie. (Izdatelstvo tomskogo politekhnicheskogo universiteta, Tomsk, 2008) [in Russian].
- E. I. Bajda, Raschet ehlektromagnitnyh I teplovyh polej s pomoshchyu programmy femm. (Izdatelstvo Ntuhpi, Harkov, 2015) [in Russian].
- B. S. Danilin, Primenenie nizkotemperaturnoj plazmy dlya naneseniya tonkih plenok. (Ehnergoatomiz-dat, Moscow, 1989) [in Russian].
- D. V. Duhopelnikov, Magnetronnye raspylitelnye sistemy. Ucheb. Posobie.v.2-ch. ch.1. Ustrojstvo.princip raboty, primenenie. (Izdatelstvo MGTU im Baumana, Moscow, 2014) [in Russian].
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ОБЩАЯ ФИЗИКА
Козак А. К., Заклецкий З. А., Соколов А. С., Скворцова Н. Н.
Электронный журнал данных плазмохимического синтеза материалов в микроволновых разрядах, инициируемых излучением импульсного гиротрона в смесях порошков металлов и диэлектриков 225
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Гришина И. А., Иванов В. А.
Актуальные направления развития исследований по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу в России в 2021 году
(Обзор материалов XLIX Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 14–18 марта 2022 г.) 234
Долголенко Д. А., Зотин Г. Е., Потанин Е. П.
Динамика неизотермической плазмы, вращающейся вблизи твердых диэлектрических поверхностей 256
Долгов А. Н., Клячин Н. А., Прохорович Д. Е.
Экспериментальное исследование динамики плазмы микропинча с использованием формирующей линии 264
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Ковшов В. С., Яковлева Н. И., Никонов А. В.
Аналитическая модель квантовой эффективности фотодиодов на основе антимонида индия 277
Трофимов А. А., Денисов И. А., Смирнова Н. А., Шабрин А. Д., Гончаров А. Е., Новикова А. А., Можаева М. О., Гладышева К. А., Косякова А. М., Малыгин В. А., Кузнецова С. А., Ильинов Д. В., Суханова А. С.
Особенности подготовки подложек кадмий-цинк-теллур для выращивания эпитаксиальных слоев соединения кадмий-ртуть-теллур методом молекулярно-лучевой эпитаксии 289
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЁ ЭЛЕМЕНТЫ
Федотов Ф. С., Телегин А. М.
Исследование магнитной ловушки для магнетронной распылительной системы 301
Машошин Д. А., Денисов Д. Г., Морозов А. Б., Патрикеев В. Е.
Разработка и исследование схемотехнических решений при проектировании осветительной ветви динамического интерферометра для контроля качества оптических поверхностей 308
C O N T E N T S
GENERAL PHYSICS
A. K. Kozak, Z. A. Zakletsky, A. S. Sokolov, and N. N. Skvortsova
Electronic journal for the data of plasma-chemical synthesis of materials in microwave discharges initiated by the radiation of a pulsed gyrotron in mixtures of metals and dielectrics powders 225
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
I. A. Grishina and V. A. Ivanov
Actual Trends in Research on Plasma Physics and Controlled Fusion in Russia in 2021 (Review of reports of the XLIX International Zvenigorod conference, 2022) 234
D. A. Dolgolenko, G. E. Zotin, and E. P. Potanin
Dynamics of nonisothermal plasma rotating near solid dielectric surfaces 256
A. N. Dolgov, N. A. Klyachin, and D. E. Prokhorovich
Experimental study of micropinch plasma dynamics using a forming line 264
PHOTOELECTRONICS
V. S. Kovshov, N. I. Yakovleva, and A. V. Nikonov
Analytical model of quantum efficiency of photodiodes based on indium antimonide 277
A. A. Trofimov, I. A. Denisov, N. A. Smirnova, A. D. Shabrin, A. E. Goncharov, A. A. Novikova, M. O. Mozhaeva, K. A. Gladysheva, A. M. Kosyakova, V. A. Malygin, S. A. Kuznetsova, D. V. Ilyinov, and A. S. Sukhanova
Processing aspects of CdZnTe fragments and 2ꞌꞌ wafers for epitaxial growing CdHgTe by molecular beam epitaxy 289
PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS
F. S. Fedotov and A. M. Telegin
Study of a magnetic trap for a magnetron sputtering system 301
D. A. Mashoshin, D. G. Denisov, A. B. Morozov, and V. E. Patrikeev
Development and study of circuit solutions in the design of the lighting branch of a dynamic interferometer for quality control of optical surfaces 308
Другие статьи выпуска
Разработано и экспериментально проверено схемотехническое решение, а именно модернизированная осветительная ветвь динамического интерферометра, позволяющее увеличить точность измерения параметров качества оптических поверхностей путём минимизации контраста спекл-структуры за счёт введения в схему осветительной ветви вращающегося диффузора.
Твердый раствор кадмий-ртуть-теллур является в мире одним из основных материалов ИК-фотоэлектроники. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии обладает рядом преимуществ перед другими методами получения соединения кадмий-ртуть-теллур. Вместе с тем он достаточно требователен к подготовке подложек, предназначенных для ростовых процессов. Настоящая работа посвящена первичной отработке процессов полирования в освоении производства подложек кадмий-ртуть-теллур ориентации (211). Достигнутая шероховатость составила 1 нм.
Исследованы спектральные характеристики фотоприемных устройств (ФПУ), детектирующих излучение в средневолновом инфракрасном (ИК) диапазоне спектра, изготовленные на основе антимонида индия, предназначенные для обнаружения, распознавания и идентификации тепловых объектов. Проведен расчет квантовой эффективности в зависимости от конструктивных параметров фотодиодов с учетом прохождения излучения через антиотражающее покрытие, а также с учетом отражения от границы раздела «p+-слой/омический контакт» с последующим повторным поглощением в структуре фотодиода. Разработана аналитическая модель коэффициента поглощения антимонида индия с учетом эффекта Бур-штейна-Мосса и правила Урбаха. Определена оптимальная толщина базового слоя фотодиода при различных значениях времени жизни неосновных носителей заряда.
Ранее было установлено, что существует взаимосвязь между динамикой плазмы и процессом ускорения электронов в микропинчевом разряде. Авторы предприняли попытку ввести управляемую временную задержку процесса ускорения электронов относительно процесса сжатия плазмы в перетяжке канала тока. С указанной целью для сильноточной вакуумной искры в режиме микропинчевания был использован комбинированный источник тока, состоящий из параллельно включенных конденсаторной батареи и формирующей линии переменной длины. Было обнаружено, что при использовании формирующей линии достаточной протяженности наблюдается поток высокоэнергетичных электронов с энергией порядка 104–105 эВ на частицу, распространяющийся в направлении внешнего электрода независимо от полярности электродов, а продолжительность существования условий для ускорения электронов примерно на два порядка величины превышает продолжительность быстрого радиационного сжатия и процесс ускорения не может быть связан исключительно с ним.
Рассматривается стационарное движение плазмы вблизи вращающегося с угловой скоростью протяженного диэлектрического диска при наличии внешнего потока с угловой скоростью в условиях действия внешнего однородного осевого магнитного поля и осевого градиента температуры. Анализ задачи выполнен в газодинамическом приближении с учетом центробежных сил и осевого перераспределения плотности. Рассчитаны профили радиальной компоненты скорости проводящего газа вблизи диэлектрической поверхности диска для различных параметров среды.
Дан обзор новых наиболее интересных результатов, представленных на ежегодной XLIX Международной Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, состоявшейся с 14 по 18 марта 2022 года в режиме on-line. Проведен анализ развития и достижений основных направлений исследований в области физики плазмы в России и их сопоставление с аналогичными работами за рубежом.
Представлена программа электронного журнала для плазмохимических исследований по синтезу материалов на специализированном стенде с мощным импульсным гиротроном ИОФ РАН. На основании экспериментального цикла работ 2019–2020 гг. плазмохимического синтеза микро и наночастиц был создан прототип электронного журнала и сформированы для него требования по хранению и обработке информации. Прототип электронного журнала был разработан на платформе «1С: Предприятие». Созданная программа для формирования базы параметров плазмохимического синтеза была успешно протестирована в экспериментальных сессиях 2020–2021 гг.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400