автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройство регистрации и обработки первичной и вторичной информации для восстановления комплекса параметров разряда установок низкотемпературной плазмы

На правах рукописи

УСАТОВ ИГОРЬ ИГОРЕВИЧ

УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ ПЕРВИЧНОЙ И ВТОРИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСА ПАРАМЕТРОВ РАЗРЯДА УСТАНОВОК НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

12 ДЕК 2013

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -

005543348

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Царьгородцев Юрий Петрович

Официальные оппоненты:

Пушкин Николай Моисеевич, доктор технических наук, НПО Измерительной техники, заместитель главного конструктора Сиедков Александр Борисович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики», заведующий кафедрой ПР-1

Ведущая организация:

ФГУП НПП «Исток»

Защита состоится " 25 " декабря 2013 г. в / / часов на заседании диссертационного совета Д212.146.04 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, Мытищи-5, Московской области, 1 -я Институтская ул., д. 1, МГУЛ, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГУЛ. Автореферат разослан " ^ ^ " ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент —- "Тарасенко П. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Технология производства наноматериалов является быстро развивающейся областью исследований и охватывает множество дисциплин: физику и химию, электронику, материаловедение и физику твердого тела и ряд смежных дисциплин техники. Область исследований в этом направлении постоянно расширяется и охватывает уже не только и не столько фундаментальные научные разработки, но и промышленные применения наноструктур в различных сферах, от электроники до медицины.

Термин «наноструктуры» в настоящее время применяется в достаточно широком смысле, а именно там, где нанометровый размер объекта определяет ключевые свойства в данном приложении. Разнообразие наноструктурных объектов на сегодняшний день очень велико. В настоящей работе речь идет в основном о тонких пленках, получаемых методом физического распыления, так называемый РУБ метод. В данном методе в результате бомбардировки катода-мишени положительными ионами инертного газа происходит выбивание атомов металла, которые осаждаются на подложке.

Кроме микроэлектроники и оптики, развитие пленочных технологий стимулировали исследования в области материаловедения. В частности, использование пленок оксидов, нитридов и карбидов на поверхности ответственных деталей машин кардинально повышает их твердость, износостойкость и коррозионную устойчивость, зачастую недостижимые иными способами.

Начиная с 80-х годов интенсивно исследуются так называемые источники высокоплотной плазмы (терминология относится к области плазменных технологий). Эти источники создают плазму с концентрацией более 10" см-3 в объеме нескольких литров. Получение пленок в таких установках стимулируется большими потоками ионов, что позволяет получать наноструктурные пленки с уникальными физическими свойствами (высокие адгезия, прочность, теплопроводность, износоустойчивость). Плазма таких источников является существенно неравновесной. Как следствие, процесс образования пленок также существенно неравновесный, что и является одной из причин уникальности их свойств.

Совершенно очевидно, что существует определяющая связь между структурой пленки и параметрами осаждения. И хотя эта связь исследуется давно, многие ее аспекты остаются совершенно не ясными. Ясно одно, что понимая механизмы образования пленки, можно создавать их с заданной микро-и-наноструктурой для специальных технологических применений. Эти механизмы, в свою очередь, определяются параметрами плазмы, в которой происходит формирование наноструктур.

Восстановление комплекса параметров плазмы является актуальной задачей по крайней мере по двум причинам. Во-первых, для управления процессами плазменного осаждения структуры на базе того или иного типа установок; во-вторых, с целью исследования механизмов образования наноструктур с заданными свойствами, коррелированными с параметрами

осаждения. Данные измерения относятся к разряду косвенных и методически сложных, а алгоритмы обработки данных предполагают использование достаточно нетривиальных моделей. Поэтому измерения эти, в особенности комплексные, практически невозможно осуществить без применения вычислительных средств. На это указывает относительно малое число отечественных и зарубежных публикаций на эту тему.

Цель работы - разработка и программно-аппаратная реализация устройства регистрации и обработки информации для восстановления комплекса параметров разряда установок, используемых для осаждения наноструктурных пленок. Предполагаются следующие характеристики плазмы: о концентрация электронов и ионов - (109..1012) см"3; о температура электронов - (1..10) эВ; о температура атомов и ионов <0,5 эВ; о рабочее давление буферного газа - (0,3..10) мТорр; о мощность в разряде - до 12 кВт. В работе представлено описание аппаратной и программной частей устройства обработки информации, описание моделей, методов и алгоритмов, на основе которых производится восстановление параметров, приведены методы и результаты проверки и калибровки системы, а также результаты измерений в плазме магнетрона с полым катодом при различных параметрах разряда.

Задачи работы

1. Разработка и реализация аппаратной части и управляющей программы для регистрации вольтамперных характеристик одиночных зондов Ленгмюра, функционирующих в плазме с указанными выше параметрами, в том числе содержащей атомы и ионы металла.

2. Разработка алгоритмов и программ восстановления из зондовых вольтамперных характеристик следующих параметров плазмы:

о потенциала плазмы; о плавающего потенциала; о температуры электронов;

о функции распределения электронов по энергиям; о средней по ансамблю температуры электронов; о концентрации электронов и ионов в плазме.

3. Разработка датчика (первичного преобразователя), аппаратного и программного обеспечения системы измерения тепловых потоков в плазменном разряде, в том числе в присутствии атомов и ионов металла.

4. Разработка электронно-оптического метода определения степени ионизации потока распыленных атомов металла, а также реализующих его датчика, алгоритмов и программ.

5. Проверка разработанного программно-аппаратного комплекса при измерениях параметров плазмы в магнетронном разряде с полым катодом.

Методика исследований

При анализе методов диагностики плазмы использовались основные положения и результаты теории газового разряда и низкотемпературной

плазмы. Рассмотрение зондовых методов диагностики, моделирование вольтамперных характеристик и разработка алгоритмов расчета параметров плазмы проводилось в рамках моделей электростатических и тепловых зондов, базирующихся на уравнениях математической физики и решаемых численными методами. Проектирование аппаратной части устройства измерений проводилось методами полупроводниковой схемотехники и оптоэлектроники с учётом основных положений теории измерений. Разработка программной части системы осуществлялась методами математического программирования. Здесь использовались: теория сплайн-функций, методы фильтрации дискретных сигналов (КИХ-фильтр Савицкого-Голая), методы нелинейной аппроксимации (в частности метод Левенберга-Марквардта) и специфические методы теории плазмы.

Предложенный метод определения степени ионизации атомов металла основан на теории взаимодействия электромагнитного излучения с тонкими пленками.

Научная новизна

Разработано и реализовано устройство регистрации и обработки информации для восстановления комплекса параметров плазмы, использующее три типа первичных преобразователей: электростатические зонды, датчики теплового потока и электронно-оптический датчик степени ионизации потока атомов металла. Совместное использование трех методов измерения позволяет не только повысить уровень достоверности и надежности результатов, но и проводить измерения концентрации ионов распыляемого металла,- важного параметра плазмы, который невозможно измерить в рамках каждого из трех отдельно взятых методов. В системе зондовых измерений используются алгоритмы, основанные на пяти моделях электростатического зонда, что также повышает уровень достоверности результатов.

Разработан электронно-оптический метод измерения степени ионизации потока атомов металла в плазме, характеризующийся сравнительной простотой и низкой стоимостью аппаратных и программных средств. Его реализация включает в себя аппаратную часть электронно-оптических измерений, алгоритмы и программы обработки.

Посредством разработанного устройства регистрации и обработки проведены несколько серий измерений в плазме магнетронного разряда с полым катодом, а результаты приведены в работе.

Достоверность результатов обеспечивается: применением в составе устройства современных средств регистрации электрических сигналов; корректным использованием сразу нескольких моделей обработки вторичной информации, не противоречащих основным положениям теории газового разряда; корректным применением математического аппарата обработки данных; комплексным использованием, по крайней мере, трех практически независимых методов измерения параметров разряда; хорошим совпадением результатов измерений соискателя с результатами других авторов, полученных ими в аналогичных условиях; хорошей повторяемостью результатов при измерении в плазме с фиксированными параметрами.

Практическая значимость

Разработанное устройство ориентировано на применение в плазменных установках для определения параметров разряда. Указанные измерения могут проводиться как с исследовательской целью, так и в целях контроля того или иного процесса получения материалов. Система обладает высокой эффективностью (в смысле возможности определения всех основных параметров плазмы с достаточной точностью) при сравнительно низкой стоимости аппаратных средств. Детальное описание конструкции датчиков, аппаратных средств, методов, алгоритмов и программ достаточно для воспроизводства данного комплекса в условиях более-менее оснащенной исследовательской или технологической лаборатории. Автоматизированная система измерений построена таким образом, что позволяет, в том числе, проводить некоторый объеме вычислительных экспериментов с данными первого уровня в исследовательских целях. Удобный и понятный интерактивный интерфейс, возможность запуска программ из сервера виртуальных приборов, позволяют работать с системой исследователю, не обладающему навыками профессионального программиста.

Апробация результатов исследования

Результаты работы прошли апробацию на научных конференциях: 5-я Российская конференция по теплообмену, Москва, 2010; УИ-я Международная НПК "Нанотехнологии производству 2010", Фрязино, 2010; 9-я Международная НПК «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Санкт-Петербург, 2010; VI международной НТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании». 20 сентября -1 октября 2010, Пицунда; 12-й международная НПК «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Санкт-Петербург, 2011; Международной конференции «Нанотехнологии и наноматериалы в лесном комплексе», МГУЛ, 2012; НПК МГУЛ в 2010- 2013 гг., 11-я Всероссийская НТК «Быстрозакаленные материалы и покрытия», Москва, 2012.

Личное участие

В ходе работы диссертант принимал непосредственное участие в моделировании процессов взаимодействия исследуемого объекта с первичными преобразователями; проектировании, изготовлении и калибровке первичных преобразователей (датчиков) аппаратной части устройства; разработке методов, алгоритмов и программ регистрации и обработки первичной и вторичной информации.

Публикации. Результаты диссертации изложены в 12 печатных работах (5 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертациях), в том числе 2 в иностранных журналах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 82 наименований и приложения. В работе содержится 12 таблиц и 90 рисунка. Объем основной части работы - 183 страниц, объем приложения - 21 страниц.

Научные результаты, выносимые на защиту

1. Алгоритмы, программы и аппаратные средства устройства обработки информации для восстановления параметров плазменного разряда, отличающиеся тем, что в целях повышения надежности и достоверности результатов позволяют проводить комплексные измерения в рамках нескольких методов, в том числе и в условиях металлической плазмы.

2. Электронно-оптический метод определения степени ионизации потока атомов металла в плазме, его алгоритмы, программная и аппаратная реализация в составе устройства.

3. Результаты восстановления пространственных распределений параметров плазмы в установке нового типа - магнетронного разряда с полым катодом.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Рассматриваются основные направления развития плазменных микро-и-нанотехнологий, как наиболее перспективных в данном технологическом секторе. Обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования.

Глава первая

Плазма, как объект измерений, представляет собой в общем случае неравновесную, многокомпонентную и неоднородную систему со множеством параметров. Поэтому измерения в плазме, всегда косвенные, сопровождаются техническими и принципиальными трудностями, главная из которых состоит в сложной связи измеряемых величин с параметрами плазмы. Установление этой связи требует выбора определенной плазменной модели. Её часто приходится формулировать априорно. Затем в рамках модели реализуют конкретный метод измерения и далее, интерпретируя результаты, контролируют адекватность принятой модели,

Методы диагностики по воздействию на исследуемый объект можно разделить на контактные и бесконтактные. Электростатические зонды -типичный пример контактного метода. В одиночном зонде имеется один электрод (цилиндрической или сферической формы) погруженный в плазму и соединенный с источником питания, так что зонд может находиться под различными потенциалами, как положительными, так и отрицательными, относительно плазмы. Процесс измерений заключается в регистрации тока в цепи зонда в зависимости от его потенциала. В качестве второго электрода, замыкающего цепь, используется чаще всего проводящая стенка плазменной камеры. Таким образом, измерения одиночным зондом - это регистрация вольтамперной характеристики (ВАХ) существенно нелинейной цепи «зонд -плазма».

Теория электрических зондов сложна тем, что поверхности зондов, как бы они ни были устроены, являются граничными по отношению к плазме. Вблизи зонда существует тонкий слой объемного заряда, называемый дебаевским, в котором возникают сильное электрическое поле. Это поле существенно определяет параметры движения частиц, собираемых зондом и, как следствие, вид вольтамперной характеристики зонда.

В главе проведен критический анализ нескольких моделей призондового

слоя (и их уравнений), а именно, Чайлда-Ленгмюра, Аллена - Бойда -Рейнольдса, Бернштейна - Рабиновича - Лафрамбойза, Чена и Шеридана. Четыре последние модели решались численными методами, и для практического использования результатов потребовалась их параметризация, варианты которой рассмотрены в главе. С целью повышения достоверности результатов выбраны все пять моделей в качестве рабочих, поскольку все они имеют определенные достоинства и адекватны параметрам разряда в определенных условиях.

Далее, в главе проведён анализ работы известных типов датчиков теплового потока и их математических моделей. Определены конструкции двух типов датчиков наиболее подходящих для работы в установках высокоплотной металлической плазмы,- стационарного датчика теплового потока и нестационарного калориметра.

Проведен обзор современных компьютерных аппаратных средств сбора данных и выбран оптимальный образец, соответствующий целям и задачам диссертационной работы,- плата сбора данных М-серии фирмы National Instruments.

Обоснован выбор среды программирования измерительного оборудования и приведены ее основные характеристики. Таковой является среда визуального программирования Lab VIEW.

Рассмотрены некоторые зарубежные прототипы автоматизированных систем диагностики плазмы и публикации на эту тему.

Сформулированы этапы выполнения диссертационной работы и их содержание.

Приведена структурная схема разработанного устройства сбора и обработки информации (рисунок 1).

Тепловые измерения

Зондовые измерения

Электронно-•оптические | измерения скорости | напыления -I

ФЭУ Стабилизатор тока Модулятор сетки

Монохроматор Лазер 650 нм

Датчик теплового

Зонды

Ленгмюра

Электронно-оптический датчик скорости напыления

Плазменная камера

Рисунок 1 - Структурная схема устройства регистрации и обработки информации.

Глава вторая посвящена описанию подсистемы определения тепловых потоков, где применяется два типа датчиков теплового потока (ДТП).

Сформулированы специфические требования к ДТП, функционирующим в условиях высокоплотной металлической плазмы.

Приведены конструкция и описание разработанных в соответствии с требованиями по эксплуатации и изготовленных датчиков: один из которых стационарного теплообмена (рисунок 2),

водоохлаждаемая подложка (медь)

теплопровод (медь)

ДІ, АТ

■дО

Чэкран (медь) ||\термопарные провода (копель) Рисунок 2 - Устройство стационарного ДТП.

а другой - нестационарный калориметр (рисунок 3).

Для обоих ДТП получены формулы расчета тепловых потоков из температурного хода этих датчиков и расчетные характеристики ДТП. Так, для стационарного ДТП тепловой поток qo (Вт-м~2) из плазмы определяется из соотношения

где К и Я- коэффициент теплопроводности и площадь сечения трубчатого теплопровода, АТ- разность температур теплопровода на расстоянии АЬ между спаями дифференциальной термопары, 50 - площадь поверхности, воспринимающей тепловой поток. В нестационарном датчике расчет теплового потока производится по разности производных по времени температурного хода калориметрического тела на этапе нагревания (плазма включена) и охлаждения (плазма выключена):

'¿тЛ

Яо

йі

(2)

/и V & )о_

где Г/, - температура тела-калориметра; с(Тн) - его удельная теплоемкость; /п, 5 - его масса и площадь соответственно.

Определена конфигурация аппаратной части подсистемы тепловых потоков. Рассмотрены принципиальная схема и описание усилителя сигнала термопар с гальванической развязкой между входом и выходом.

Приведено описание программной части подсистемы тепловых измерений в составе двух программ; регистрации температурного хода ДТП и вычисления тепловых потоков из данного температурного хода.

Разработана методика калибровки подсистемы тепловых измерений и произведена ее калибровка на специально изготовленном стенде.

шт); 4- термопара; 5 - керамические втулки (3 шт).

Рисунок 4 - Блок-схема аппаратной части подсистемы тепловых измерений.

1 - калориметрическое тело ДТП, 2 - тепловой экран ДТП, 3 -водоохлаждаемая подложка, 4 - трубки охлаждения, 5 - плазма, б -вакуумные вводы, 7 - термопара ДТП, 8 - изоляторы, 9,10 - провода термопары, 11 - сосуд Дьюара 0°С, 12 - провод подачи смещения, 13 -источник смещения, 14 - дифференциальный усилитель с гальванической развязкой, 15 - источник питания усилителя, 16 - модуль гальванической развязки, 17 - блок подготовки сигналов, 18 - плата сбора данных, 19 -компьютер.

Результаты калибровки и последующие натурные испытания (см. главу 6) показали, что разработанная подсистема восстановления тепловых потоков соответствует поставленным требованиям.

Глава третья посвящена описанию зондовой подсистемы, где в качестве первичных преобразователей применяются два типа электростатических зондов Ленгмюра,- цилиндрический и плоский. Она предназначена для восстановления следующих основных параметров плазменного разряда в диапазоне давлений /?=(0.5..10) мТорр при вкладываемых мощностях до 12 кВт.

1. Плавающий потенциал V¡e диапазоне (-80..+80) В. Это потенциал, который приобретает электрически изолированное тело, помещенное в разряд.

2. Потенциал плазмы Vse диапазоне (-50..+50) В. Это потенциал пространства плазменного разряда.

3. Функция распределения электронов по энергиям F(e) в диапазоне энергий е=(0..100) эВ.

4. Функция вероятностного распределения электронов по энергиям f„(s)= F(e)-е'"2 в диапазоне энергий е=(0.Л00) эВ.

5. Максвелловская температура электронов Те в диапазоне (1..10) эВ.

6. Средняя температура электронов в диапазоне (1..10) эВ.

7. Концентрация электронов Ne и ионов N¡ в диапазоне (109.. 1012) см-3.

Рисунок 5 - Структурная схема аппаратной части подсистемы зондовых измерений

В рамках модели зонда Бернштейна-Рабиновича-Лафрамбойза на основе граничных параметров измеряемой плазмы по концентрации и температуре выполнено моделирование вольтамперной характеристики (ВАХ) цилиндрического зонда. По результатам моделирования установлены пределы регистрируемых токов и напряжений, а также допустимые погрешности их измерений.

Разработаны конструкции двух зондов,- цилиндрического и плоского, с учётом условий их работы в плазме, содержащей атомы и ионы металлов. С учётом требований к вакуумной части установок высокоплотной плазмы разработана конструкция вакуумного ввода зондов в плазму, позволяющая зонды передвигать в процессе работы установки.

Определены структура и состав аппаратной части подсистемы зондовых

измерений с учётом требований гальванической развязки измерительных цепей (см. рисунок 5). Спроектированы и изготовлены: блок датчиков с электронной коммутацией и высоковольтный усилитель зондового напряжения.

Разработан алгоритм измерения ВАХ в двух режимах,- с ручным и автоматическим выбором диапазонов измерения и программа регистрации ВАХ, обладающая возможностью интерактивного управления процессами регистрации, визуализации и сохранения данных первого уровня.

На основе моделей (теорий) электростатического зонда Чайлда-Ленгмюра, Аллена-Бойда-Рейнольдса, Бернштейна-Рабиновича-Лафрамбойза, Шеридана и Чена, разработаны алгоритмы восстановления заявленных параметров плазмы. Алгоритмы реализованы в двух программах обработки ВАХ,- для цилиндрического и плоского зондов. Программы построены таким образом, что позволяют пользователю восстанавливать параметры плазмы из данных первого уровня в рамках упомянутых моделей, а также производить некоторый объем численных экспериментов с ними.

Типичная ВАХ электростатического зонда приведена на рисунке 6.

160

140 120 100

40 20

-20

-30 -20 -10 О 10 20 30

V, V

Рисунок 6 - Типичная вольтамперная характеристика (ВАХ) цилиндрического

зонда

В процессе обработки выполняются следующие действия.

1. Производится регуляризация данных измеренной ВАХ кубическими сглаживающими сплайнами или фильтром Савицкого-Голая (по выбору оператора) и вычисление первых двух производных.

2. Определяются потенциал плазмы по максимуму первой производной сглаженного тока по напряжению К8=К| мму=о> и плавающий потенциал, который соответствует нулевому значению тока на зонд У(=У\ /=о-

3. Максвелловская температура электронов восстанавливается на участке с-с1 ВАХ по формуле Ленгмюра

из которой следует расчетная формула

^ Ур-0.27 V ч а/ З^7

а Ь

т. = -

(4)

"д(1п ¿Г/<5К„

Здесь предполагается, что на участке с-<1 электронный ток изменяется гораздо быстрее, чем ионный: д1{/дУр«д1е/дУр и можно положить, что

4. Функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) вычисляется по методу Дрювестейна, окончательная формула которого имеет вид

о ~

<Г1

¿у:

(5)

Здесь Кр =У-У$ <0 - потенциал зонда относительно плазмы, - физическая площадь собирающей поверхности зонда.

5. Из ФРЭЭ определяется средняя температура электронов

2°

6. и концентрация электронов (как один из методов)

(6)

N.

(7)

7. На основании модели Бернштейна-Рабиновича-Лафрамбойза восстанавливаются из ВАХ значения концентрации электронов и ионов. Численные результаты указанных авторов в приближении холодных ионов Т,«Те представляют собой семейство графиков зависимостей нормированного тока на зонд от нормированного потенциала, т.е. ,/ ч (У-У,)

= (8)

причем для различных отношений радиуса зонда к дебаевской толщине призондового слоя (эта отношение фактически является параметром)

(9)

К°=Т = *

ло

1£0Те(эВ)

Для указанных зависимостей используется нелинейное приближение вида 1 = 1пЬ(-х)+1.0 ехрОг), ^<0, (Ю)

/ = /е0/«ОХ /¿о, (и)

где

2 яти.

= еУ.^!

м.

2я?и

1/2

(12)

е /

= + (13)

Коэффициенты приближения а, Ь яс для электронов получены Маусбахом, а для ионов - автором работы. Здесь программой обработки выполняются следующие операции. Сглаженная ВАХ приводится в нормированному потенциалу % (8) и разделяется на три области,- ионного насыщения, переходную и электронного насыщения. Методом Левенберга-Марквардта

производится нелинейное приближение нормированной экспериментальной В АХ функциями (ЮН 13) с целью определения коэффициентов а, Ь и с для электронной и переходной ветвей. Методом интерполяции по значениям этих коэффициентов вычисляется параметр Яс, из которого по (9) вычисляется концентрация электронов. Концентрация ионов восстанавливается методом Сонина. 8. Для определения концентрации ионов в программе используется еще один алгоритм, основанный на методе плавающего потенциала, предложенный Ф.Ченом. Было замечено, что ионный ток в области насыщения, по крайней мере, для ВЧ-разряда пропорционален потенциалу зонда в степени 4/3 и может быть аппроксимирован данной степенной функцией. Причем показатель степени показывает, что для призондового слоя выполняется закон Чайлда-Ленгмюра. В результате аппроксимации, можно интерполировать ионный ток на значение плавающего потенциала. Ионный же ток при значении нормированного плавающего потенциала зонда ??/ может быть представлен в виде

^Ьяо-ЛГ.-еЛ^к. = (14)

где а0 константа, равная ехр(-1/2)=0.61 для Г,=0 и равная 0.5 при 7порядка 1000 К; с, - ионно-звуковая скорость (1.22); 8,{г1/) - площадь цилиндрической поверхности призондового слоя при плавающем потенциале. Данную площадь можно представить как

^/ЬМ^+'ЫХ' О5)

где Яр, Ь - радиус и длина зонда, а толщина слоя объемного заряда, которая в соответствие с законом Чайлда-Ленгмюра равна

=1.018,/Ч, (1б)

Совместным решением уравнений (14-16) определяется концентрация ионов.

В подпрограмме реализован ещё один метод определения концентрации ионов, который отличается от описанного тем, что толщина слоя объёмного заряда й{г\[) определяется в рамках модели Аллена-Бойда-Рейнольдса (АБР) (глава 1), точнее на параметрической формуле этой модели. В (15) заменим

^ = 1+£.ехр(-™о°). (17)

у а0

Теперь концентрацию ионов можно представить в виде

N. =-^----Ц—щ- О8)

' 2яЯрЬа0с3е 1 + ЕЕ/ех

Здесь N1 восстанавливается в итерационном процессе, поскольку /V, зависит от Яо, который зависит от Х0, которая зависит от А/).

Программа обработки ВАХ плоского зонда отличается от программы для цилиндрического зонда только способом вычисления концентрации. Последняя определяется только для ионов и только одним методом, а именно в рамках модели Шеридана.

В процессе написания программного обеспечения подсистемы, математическая библиотека LabVIEW была дополнена несколькими подпрограммами-функциями.

Глава четвертая посвящена разработке электронно-оптического метода измерения степени ионизации потока распыленных в плазме атомов металла а. Суть метода заключается в следующем (рисунок 7). На пути потока атомов и ионов металла устанавливается диафрагмированная плоскопараллельная кварцевая пластина, на которой осаждается металлическая пленка. При помощи оптической системы, состоящей из полупроводникового лазера, световода, монохроматора и ФЭУ, измеряется коэффициент отражения металлической пленки R, который зависит от ее толщины d, когда она много меньше длины световой волны лазера. Пленка напыляется на кварцевую пластину через систему из двух сеток, первая из которых находится под плавающим потенциалом, а потенциал второй можно менять посредством электронных ключей. Когда на второй сетке плавающий потенциал, электрическое поле между сетками отсутствует, и на пленке осаждаются и атомы и ионы металла. Когда на второй сетке относительно первой отрицательный потенциал, поле между сетками отсекает ионы и на пленке осаждаются только атомы металла. Скорость осаждения в первом случае больше, чем во втором. В обоих случаях скорость осаждения пропорциональна тангенсу угла наклона В зависимости R(t). Степень ионизации тогда вычисляется по формуле д- ГМ, в(Си + Си*)-В(Си) Гм++Ги В[Си + Си* ) Режим отсечки ионов включается и выключается напыления пленки.

(19)

десятки раз за время

измеряемая плёнка

Рисунок 7 - Схема электронно-оптического метода измерения степени ионизации потока атомов металла

Среди достоинств метода - невысокая стоимость и возможность измерений а непосредственно в плазме in situ. Надежность и достоверность

результатов разработанного электронно-оптического метода измерения степени ионизации потока были подтверждены измерениями с помощью сеточных кварцевых микровесов и профилометра.

Глава пятая описывает сервисное программное обеспечение.

Разработана программа «Сервер виртуальных приборов», которая упрощает оператору использование разработанного устройства, вызывая необходимые программы в режиме регистрации и обработки информации.

Разработан ряд вспомогательных программ производящих предварительную обработку и сортировку полученных данных, а также преобразующих рассчитанные параметры плазмы в вид удобный для дальнейшей обработки в программах сторонних разработчиков.

Создана программа анализа вкладов в тепловой поток различных энергетических факторов теплового потока, создаваемого электронами ионами дь нейтральными частицами буферного газа и металла цп, энергией, высвобождаемой в результате рекомбинации дгес и конденсации дсо„ атомов металла, излучением из плазмы и от конструктивных поверхностей Определение вкладов позволяет сопоставлять (проверять) с достаточной степенью точности результаты зондовых и тепловых измерений. Тем самым обеспечиваются комплексность измерений, позволяющая повысить уровень достоверности результатов.

Глава шестая посвящена испытаниям разработанного устройства регистрации и обработки информации на плазменной установке - магнетроне с полым катодом. Посредством системы были успешно проведены несколько серий измерений в плазме Аг+Си.

1. При рабочих давлениях 5 и 10 мТорр на расстоянии 20 см от среза катода получена зависимость концентрации плазмы, температуры электронов, плазменного и плавающего потенциалов от мощности разряда в диапазоне (0.25 - 4.5) кВт (рис. 8).

О-О- -О—О т е -Л—І—

д-л-л 10 мТорр

б)

°—о—

12 3 4 мощность разряда (кВт)

12 3 4 мощность разряда (кВт)

4,0

3,0 £

2,0 1,5

Рисунок 8 - Зависимость от мощности: а) концентрации плазмы; б) средней

потенциала Уу Ток электромагнита 1М=-0.6 А. Диаметр катода 80 мм.

2. При мощности разряда 3 кВт, рабочем давлении 10 мТорр и различной конфигурации магнитного поля измерены радиальные распределения концентрации плазмы, температуры электронов, плазменного и плавающего потенциалов (рис.9).

•4 -2 0 2 4 6 8 10 радиус, см

■10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 радиус, см

6 8 10

Рисунок 9 - Радиальные профили: а) концентрации плазмы; б) температуры электронов Те, плавающего потенциала V; и плазменного потенциала V,. Расстояние от катода 20 см. Светлые значки 1ЭЛ,=0 А, темные значки 1М=-0.6 А. Диаметр катода 80 мм.

3. При мощности разряда 1.3 кВт, рабочих давлениях 2 и 5 мТорр получены аксиальные распределения концентрации плазмы, температуры электронов, плазменного и плавающего потенциалов (рис.10).

2 мТорр

25 30 35 40

Рисунок 10 - Распределение по длине от среза катода: а) концентрации электронов; б) температуры электронов Те, плазменного и плавающего К5 потенциалов. / = 4 А, V = 323 В, 1ЭМ = 0 А. Сплошные линии: р= 5 мТорр, пунктирные линии: р= 2 мТорр. Диаметр катода 80 мм.

4. При мощности разряда 1.7 кВт и давлении 5 мТорр на различных расстояниях от среза катода измерены функции распределения электронов по энергиям и функции их вероятностного распределения (рис.11).

5. При давлениях 5 и 10 мТорр измерена зависимость теплового потока

плазмы и его компонентов от мощности разряда (рис. 12).

0,20

10 20 30 40

Энергия электронов, эВ

10 20 30 Энергия электронов,

Рисунок 11 - Распределения электронов: а) по энергиям (ЕЕББ);

б) вероятности по энергиям (ЕБРР). Давление р=5 мТорр, 1ЭМ= - 0.5 А. Диаметр катода 80 мм.

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,С 3,5 4,0 4,5

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4.0 4,5

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Рисунок 12 - Зависимость теплового потока плазмы и его компонентов от мощности разряда при разных давлениях. дь де - вклады ионов и электронов; дт - рекомбинация ионов; дга1/-излучение; доую - сумма вкладов.

Результаты измерений основных параметров плазмы на установке магнетрона с полым катодом хорошо согласуются с результатами исследований других авторов, полученных на аналогичных установках в аналогичных условиях.

Приложение содержит блок-диаграммы программ; блок-схемы подпрограмм и их описание; чертежи и фотографии некоторых элементов системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем.

1. Разработаны и реализованы алгоритмы, программы и аппаратные средства устройства регистрации и обработки первичной и вторичной

информации для восстановления параметров плазменного разряда, базирующаяся на трех методах плазменной диагностики: электростатические зонды, датчики теплового потока и электронно-оптический датчик степени ионизации потока атомов металла. Совместное использование трех методов измерения позволяет не только повысить уровень достоверности результатов, но и проводить измерения концентрации ионов распыляемого металла,-важного параметра плазмы, который невозможно измерить в рамках каждого из трех отдельно взятых методов.

2. Разработан электронно-оптический метод определения степени ионизации потока атомов металла в плазме, характеризующийся сравнительной простотой и низкой стоимостью аппаратных и программных средств. Его реализация включает в себя аппаратную часть электронно-оптических измерений, алгоритмы и программы обработки.

3. В зондовой подсистеме данного устройства используются разработанные автором алгоритмы, основанные на пяти моделях электростатического зонда, что также повышает уровень достоверности результатов.

4. Посредством разработанного устройства проведены несколько серий измерений в плазме магнетронного разряда с полым катодом и их результаты опубликованы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.* Царьгородцев Ю.П., Полуэктов Н.П., Харченко В.Н., Камышов И.А., Усатов И.И. Нанесение металлических пленок с использованием магнетронного разряда в системе с полым катодом. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2009, №4, с. 19 - 24.

2. Царьгородцев Ю.П., Усатов И.И., Харченко В.Н. Тепловые потоки в магнетронном разряде с полым катодом. 5-я Рос. Нац. конф. по теплообмену. Москва., Изд-во МЭИ 2010, т.1, с.142-145.

3. Кубарев Ю.В., Полуэктов Н.П., Царьгородцев Ю.П., Усатов И.И., Журавлёв A.A. Экспериментальное исследование МПДУ для нейтрализации заряда космических аппаратов. Сб. трудов VI Международной НТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Пицунда, Изд-во МГУ ПИ, 20 сентября - 1 октября 2010, с. 67-73.

4. Царьгородцев Ю.П., Полуэктов Н.П., Камышов И.А., Усатов И.И. Исследование пространственных характеристик магнетронного разряда с полым катодом. Сб. трудов VI Международной НТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Пицунда, Изд-во МГУ ПИ, 20 сентября - 1 октября 2010, с. 255-260.

5. Усатов И.И., Царьгородцев Ю.П., Полуэктов Н.П. Система зондовых измерений для плазменных технологических установок. Сб. статей 12-й международной НПК «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Санкт-Петербург, Изд-во Политехи, ун-та 2011, том 3, часть 2., с. 20-22.

6.* Полуэктов Н.П., Харченко В.Н., Усатов И.И., Царьгородцев Ю.П. Автоматизированная система контроля параметров плазмы для получения

наноструктурных пленок. Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник, №3(86) 2012, с.166-170.

7.* Харченко В.Н., Полуэктов Н.П., Усатов И.И., Царьгородцев Ю.П. Автоматизированная система измерений тепловых потоков для технологических установок с высокоплотной плазмой. Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник №4(87) 2012, с. 123-127.

8.* Усатов И.И. Автоматизированная система зондовых измерений в металлической плазме. Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник №7(90) 2012, с.166-172.

9.* Ю.П.Царьгородцев, Н.П.Полуэктов, В.Н.Харченко, Усатов И.И. Получение наноструктурных пленок в установках высокоплотной плазмы. Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник №7(90) 2012, с.173-178.

10. Yu. Tsar'gorodsev , N. Poluektov , V. Kharchenko , I. Usatov. Depositionof nanofilms in high density plasma devices. Scientific Israel- Technological Advantages, 2012,V.14, № 1, pp.24-30.

11. N. P. Poluektov, Yu P. Tsar'gorodsev, I. I. Usatov, A. G. Evstigneev, I. A. Kamyschov. Probe and Emission Spectrometry Diagnostics in Hollow Cathode Magnetron. Journal of Modern Physics, 2012,3,1494-1502.

12. Ю.П.Царьгородцев, Усатов И.И., Н.ППолуэктов, Евстигнеев А.Г. Магнетронный разряд с полым катодом для осаждения пленок на рельефных субмикронных поверхностях. Сб. трудов 11-й Всероссийской НТК «Быстрозакаленные материалы и покрытия», МАТИ, Москва, 27-28 ноября 2012 г, с. 283-289.

* - работы, опубликованные в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета

Подписано в печать 18.11 2013. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/м2 Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л, 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 250.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@mgul.ac.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

На правах рукописи

04201451690

Усатов Игорь Игоревич

УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ ПЕРВИЧНОЙ И ВТОРИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСА ПАРАМЕТРОВ РАЗРЯДА УСТАНОВОК НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ

ПЛАЗМЫ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники

и систем управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доц. Царьгородцев Ю.П.

2013 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Список обозначений 7

Введение 10

Глава 1. Постановка задачи и структура автоматизированной системы 17 измерений

1.1. Краткий обзор методов диагностики плазмы 17

1.2. Диагностика плазмы электростатическими зондами 18

1.2.1. Определение режима работы электростатического зонда 20

1.2.2. Краткий обзор теорий электростатического зонда 22

1.3. Тепловые измерения в плазме. Датчики теплового потока 44

1.3.1. Калориметры стационарного теплообмена 44

1.3.2. Калориметры нестационарного теплообмена 52

1.4. Выбор аппаратных средств автоматизированной системы 53 измерений

1.5. Выбор средств программирования автоматизированной системы 59

1.5.1. Инструментальный драйвер NI-DA Q 59

1.5.2. Среда визуального программирования Lab VIEW 61

1.6 Промышленные системы диагностики 67

1.7 Публикации касающиеся архитектуры автоматизированных 69 систем диагностики плазмы

1.8. Выводы по главе 1 69

1.9. Постановка задачи диссертации и этапы выполнения работы 70 Глава 2. Подсистема измерения тепловых потоков 73

2.1. Назначение и состав подсистемы измерения тепловых потоков 73

2.2. Требования к датчикам, функционирующим в высокоплотной 73 металлической плазме

2.2.1. Потенциал датчика 73

2.2.2. Поток атомов и ионов металла 74

2.2.3. Вакуум 75

2.2.4. Стойкость к перегреву 75

2.3. Конструкция стационарного ДТП и его особенности 76

2.3.1. Устройство 76

2.3.2. Особенности конструкции 79

2.4. Конструкция нестационарного ДТП и его особенности 79

2.4.1. Устройство 79

2.4.2. Особенности конструкции ■ 82

2.4.3. Принцип работы и расчетные формулы 82

2.5. Аппаратная часть подсистемы измерения теплового потока 84

2.6. Программная часть подсистемы тепловых измерений 86

2.6.1. Программа регистрации температурных ходов 86

2.6.2. Программа обработки температурного хода 88 нестационарного ДТП

2.7. Калибровка датчиков теплового потока. Методика и результаты 90

2.8. Выводы по главе 2 94 Глава 3. Подсистема зондовых измерений 96

3.1. Назначение подсистемы зондовых измерений 96

3.2. Состав подсистемы зондовых измерений 96

3.3. Моделирование ВАХ с заданными параметрами плазмы для 97 цилиндрического зонда

3.4. Конструкция электростатических зондов 102

3.4.1. Цилиндрический зонд 102

3.4.2. Плоский зонд 104

3.5. Аппаратная часть подсистемы 105

3.5.1. Общая измерительная схема 105

3.5.2. Блок датчиков с электронными ключами 106

3.5.3. Высоковольтный усилитель 109

3.6. Программа регистрации вольтамперных характеристик 113 электростатических зондов

3.6.1. Интерфейс программы и управление процессом измерения 113

3.6.2. Индикация измеренной В АХ 116

3.6.3. Управления процессом сохранения данных 116

3.6.4. Общая блок-диаграмма программы регистрации В АХ 116

3.6.5. Событие Timeout 117

3.6.6. Событие «Настройка каналов» 117

3.6.7. Событие «Измерить» 118

3.6.8. Событие «Сохранить» 120

3.6.9. Событие «Выход» 120

3.7. Программа и алгоритмы восстановления параметров плазмы из 121 ВАХ цилиндрического зонда

3.7.1. Графический интерфейс программы 121

3.7.2. Блок диаграмма программы обработки ВАХ 124 цилиндрического зонда

3.8. Программа и алгоритмы восстановления параметров плазмы из 138 ВАХ плоского зонда

3.9. Выводы по главе 3 140 Глава 4. Разработка метода измерения степени ионизации потока 142 распыленных атомов металла

4.1. Оптические свойства тонкой металлической пленки 146

4.2. Метод измерение степени ионизации 151

4.3. Выводы по главе 4 160 Глава 5. Вспомогательные программы автоматизированной системы 161 измерений

5.1. Сервер ВП 161

5.2. Вспомогательные программы 162

5.2.1 Блок программ ВАХ и параметры плазмы 162

5.2.2 Спектральные характеристики 165

5.2.3 Тепловые потоки 167

5.3. Программа анализа вкладов в тепловой поток различных 167 энергетических факторов

5.4. Выводы по главе 5 172 Глава 6. Результаты измерений в плазме магнетрона с полым катодом 173

6.1. Описание установки 173

6.1.1. Общая характеристика установки МПК 173

6.1.2. Конструкция установки МПК 173

6.2. Результаты зондовых измерений 177

6.3. Результаты измерений тепловых потоков 180

6.4. Выводы по главе 182 Заключение 184 Приложение 1 185

П1.1. Блок диаграммы регистрации температурных ходов 185

П1.2. Блок схема программы регистрации температурных ходов 186

П1.3. Описание программы регистрации температурных ходов 187 П1.4. Блок диаграммы программы обработки температурного хода 190 нестационарного ДТП

П1.5. Блок схема программы обработки температурного хода 191 нестационарного ДТП

П1.6. Описание программы обработки температурного хода 192 нестационарного ДТП

Приложение 2 196

П2.1. Конструкция электростатического зонда 196

П2.2. Конструкция вакуумного ввода зонда в камеру 197

Приложение 3 198

ПЗ. 1. Фотография блока подготовки сигналов SC - 2345 198

П3.2. Фотография высоковольтного усилителя 198

Приложение 4 199

П4.1. Блок диаграммы подпрограммы Spline Deriv.vi 199

П4.2. Блок диаграммы подпрограммы PPVALU.vi 200

П4.3. Блок диаграммы подпрограммы SGolay.vi 201

П4.4. Блок диаграммы подпрограммы Lafram.vi 202

П4.5. Блок диаграммы подпрограммы LevMar.vi 203

П4.6. Блок диаграммы подпрограммы IonSonin.vi 204

П4.7. Блок диаграммы подпрограммы V_Float.vi 205

Список литературы 206

Список обозначений

А - вероятность перехода частицы между уровнями энергии

В, В - вектор индукции магнитного поля и его модуль соответственно

ае, Ье, се - коэффициенты регрессии нормированной ВАХ для электронной и

а„ bj, с, ионной ветви соответственно

с - удельная теплоемкость вещества

е - элементарный заряд (1.6-10~19 Кл)

Е - напряженность электрического поля

Ех - напряженность поперечного электрического поля термо-ЭДС

Е - термо-ЭДС термопары

fejix) ~ нормированная ВАХ, электронная и ионная ветвь соответственно

F(e) - функция распределения электронов по энергиям (EEDF)

fp{e) - функция вероятностного распределения электронов по энергиям

(EEPF)

go, g* - статистический вес основного и возбужденного состояния

соответственно

/ - ток

7е, /, - зондовый ток, электронный и ионный соответственно *

/,, hm - зондовый ток ионного насыщения

Ji - плотность ионного тока насыщения

К - коэффициент теплопроводности

Кп - число Кнудсена

Kij - элементы тензора теплопроводности

кв - постоянная Больцмана (1.38-10 23 Дж/К)

Ки - коэффициент передачи по напряжению

ко - коэффициент поглощения спектральной линии излучения, м-1

kgr, krg - константа скорости возбуждения и скорости дезактивации

соответственно, м3/с

I, L - длина зонда, длина соответственно

т, М - масса

те, rtii - массы электрона и иона соответственно

Nq - концентрация электронейтральной плазмы

Ne, Nj, N„ - концентрации электронов, ионов и нейтральных частиц соответственно.

Ng, N* - концентрация атомов в основном и возбужденном состоянии

соответственно

п - безразмерная концентрация

р - давление

Q - количество теплоты, Дж

q - тепловой поток, Вт/см2

R - омическое сопротивление, коэффициент корелляции

RP, гР - радиус зонда

го - радиус зонда, нормированный на дебаевскую длину

S - площадь геометрическая

Ss - площадь призондового слоя объемного заряда

Sp - площадь зонда физическая

Т - температура в Кельвинах

Те, Т, - температура в Кельвинах электронов и ионов соответственно

fc - температура электронов в электронво'льтах

Ти, Тс - температуры нагретой и термостатированной поверхностей

соответственно

t, т - время

U - электрическое напряжение

V - потенциал зонда относительно стенок

Vp - потенциал зонда относительно плазмы

Vf - плавающий потенциал относительно стенок

Vs - потенциал плазмы относительно стенок

W - электрическая мощность, вкладываемая в разряд

X,Y,Z - декартовы координаты

а - степень ионизации потока атомов металла

ар - константа уравнения теплопроводности Фурье

Р(~Х) - функция Сонина

Г - поток частиц (m-v)

А - дифференциальный оператор Лапласа

е - кинетическая энергия теплового движения электронов

(е) - средняя кинетическая энергия теплового движения электронов

е( Ти) - степень черноты тела как функция температуры

_ t -у

£о - электрическая постоянная (8.85-10 Ф/м)

еу - элементы тензора дифференциальной термо-ЭДС

/I - длина волны

Я„ - средняя длина свободного нейтральной частицы в газе

Xd - дебаевская длина

fj. - молярная масса вещества

р - плотность вещества

о - постоянная Стефана-Больцмана (5.67-10 8 Вт/(м2К4))

оп - эффективное сечение упругого взаимодействия частицы в газе

X - нормированный потенциал зонда

Список сокращений

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

- амплитудно-частотная характеристика

- вольт-амперная характеристика ГДТП - градиентный датчик теплового потока ДТП - датчик теплового потока

EEDF - electron-energy distribution function

EEPF - electron-energy probability function

ИП - источник питания

JIATP - лабораторный автотрансформатор

МПДУ - магнитоплазмодинамический ускоритель

МПК - магнетрон с полым катодом

ООС - отрицательная обратная связь

ОУ - операционный усилитель

АЧХ ВАХ

турбомолекулярный насос форвакуумный насос фазо-частотная характеристика цифро-аналоговый преобразователь электродвижущая сила

ВВЕДЕНИЕ

Технология производства наноматериалов является быстро развивающейся областью исследований и охватывает множество дисциплин: физику и химию, электронику, материаловедение и физику твердого тела и ряд смежных дисциплин техники [1,2]. Область исследований в этом направлении постоянно расширяется и охватывает уже не только и не столько фундаментальные научные разработки, но и промышленные применения наноструктур в различных сферах, от электроники до медицины. Об этом свидетельствует значительная поддержка от крупных финансовых организаций и промышленности, создание большого числа крупных научно-исследовательских структур и исследовательских программ, а также быстро растущее число публикаций в научном сообществе.

Термин «наноструктуры» в настоящее время применяется в достаточно широком смысле, а именно там, где нанометровый размер объекта определяет ключевые свойства в данном приложении. Разнообразие наноструктурных объектов на сегодняшний день очень велико. В настоящей работе речь пойдет в основном о тонких пленках [3].

Наиболее ранние технологии получения тонких пленок,- осаждение из паровой фазы (РУБ) и химическое осаждение (СУБ), датируются срединой XIX века и применялись в основном в оптике. Впоследствии эти технологии многократно совершенствовались и применяются по сей день, как в чистом виде, так и в виде комбинированных процессов.

Технологический прорыв в получении тонких пленок во многом обеспечили потребности бурно развивающейся электроники, поскольку пленки применяются во многих изделиях от дискретных элементов до сверхбольших интегральных схем (СБИС). Кроме микроэлектроники и оптики, развитие пленочных технологий стимулировали исследования в области материаловедения. В частности, использование пленок оксидов, нитридов и карбидов на поверхности ответственных деталей машин

кардинально повышает их твердость, износостойкость и коррозионную устойчивость, зачастую недостижимые иными способами.

Интенсивные исследования в этих направлениях, стимулируемые быстро возрастающими потребностями, вывело тонкопленочные технологии на новый качественный уровень,- плазменные технологии осаждения тонких пленок. В данном методе в результате бомбардировки катода-мишени положительными ионами инертного газа происходит выбивание атомов металла, которые осаждаются на подложке.

В электронной промышленности наиболее широко используется магнетронный тлеющий разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях [4] (рисунок 1).

МАГНИТЫ

ПЛАЗМА

Б П Б N

Га\ . Лаг

\а1 + ^ А1 +

± / >

МИШЕНЬ

и

ПОДЛОЖКА

НАСОС ВЧ-смещение

Рис. 1. Схема установки магнетронного разряда с дисковой мишенью.

Плазма в аргоне загорается между анодом и катодом, который изготовлен из распыляемого металла. На катод подается отрицательное напряжение 400 - 800 В. Электроны захватываются магнитным полем и совершают сложное циклоидальное движение по траекториям вблизи поверхности мишени. Область плазмы с высокой концентрацией (более 1011 см'3) в виде тора малого объема толщиной порядка 1 см, а вне его -концентрация уменьшается до 109 - Ю10см~3.

Магнетронный способ осаждения обладает рядом недостатков. Особые

сложности возникают при осаждении пленок на рельефных субмикронных структурах с большим аспектным отношением (отношением глубины к ширине). В качестве примера можно привести металлизацию сквозных отверстий и канавок (тренчей) при создании СБИС (проводящие шины для управления транзисторами) (рисунок 2.а).

а) б)

Рис.2, а) тренч межслойиого соединение СБИС: 1- шины многоуровневой металлизации, 2 - барьерный слой, 3 - адгезионный слой, 4 - межуровневый диэлектрик;

б) металлизация тренчей нейтральными атомами меди в магнетронном разряде с дисковой мишенью.

В обычном магнетроне поток распыленного металла состоит почти на 100% из нейтральных атомов и ими нельзя управлять. Изотропное распределение частиц здесь приводит к тому, что на верхней части субмикронной структуры образуется навес, а внутри - полость (рисунок 2.6). Чтобы провести анизотропную металлизацию узкого отверстия, необходим поток частиц, приходящий на поверхность структуры вдоль нормали.

Одним из возможных способов решения данной проблемы является ионизация распыляемого металла. Позитивный эффект состоит в том, что на ионы можно воздействовать электрическим полем слоя перед подложкой. Для увеличения вероятности ионизации распыленных атомов мишени необходимо создавать плазму высокой концентрации во всем объеме между мишенью и подложкой (15-20 см).

Начиная с 80-х годов появились так называемые источники высокоплотной плазмы (терминология относится к области плазменных

технологий). Эти источники создают плазму с концентрацией более 1011 см~3 в объеме нескольких литров. Получение пленок в таких установках стимулируется большими потоками ионов, что позволяет получать наноструктурные пленки с уникальными физическими свойствами (высокие адгезия, прочность, теплопроводность, износоустойчивость). Плазма таких источников является существенно неравновесной. Температура атомов и ионов порядка 0,1 эВ, а температура электронов 1-5 эВ. Как следствие, процесс образования пленок также существенно неравновесный, что и является одной из причин уникальности их свойств. На рисунке 3 показаны примеры наноструктур, получаемых в высокоплотной плазме [1].

—ОГК '- '• -* .' •• \ - '»Э

4 • .- г - • •• .

Рис.3. Примеры наноструктур, получаемых в установках высоплотной плазмы:

а) наноконусы углерода; б) нанонити углерода;

в) пористая пленка серебра толщиной 6 нм на пленке 813Ж; г) наноточки ЗЮЫ.

К источникам высокоплотной плазмы относятся: индуктивно связанный разряд, СВЧ-ЭЦР- разряд [5], геликонный разряд, магнетронный разряд с полым катодом [6] и некоторые другие. Область рабочих давлений (1..10) мТорр.

Тонкие пленки проявляют широкое разнообразие микроструктур, которое заключается в размере зерен, кристаллографической ориентации,

дефектах решетки, фазовом составе и морфологии поверхности. Во многих случаях процесс создания пленок происходит при температурах, которая составляет 0.2-0.3 от точки плавления данного материала. Таким образом, синтез пленок и иных наноструктур характеризуется неравновесной кинетикой [7,8]. Как следствие, свойства микроструктур в процессе осаждения определяются конкурентными процессами, и кинетика роста определяется синтезом метастабильной фазы и таких структур, как нанослои. Среди главных атомных процессов, определяющих процессы осаждения пленки,- диффузия на поверхности и в глубине материала. Эти процессы зависят не только от температуры поверхности, но и от потоков частиц, приходящих на подложку. Последние могут быть использованы для изменения мобильности адатомов и скорости образования зародышей. Присутствие атомов примесей могут оказывать сильное влияние на конечный результат.

Совершенно очевидно, что существует определяющая связь между структурой пленки и параметрами осаждения. И хотя эта связь исследуется давно, многие ее аспекты остаются совершенно не ясными. Ясно одно, что понимая механизмы образования пленки, можно создавать их с заданной микро-и-наноструктурой для специальных технологических применений. Эти механизмы, в свою очередь, определяются параметрами плазмы, в которой происходит формирование наноструктур.

Измерение основных параметров плазмы является актуальной задачей по крайней мере по двум причинам. Во-первых, с целью исследования механизмов образования наноструктур с заданными свойствами, коррелирова�