Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления

Вычислены режимы напыления бинарных соединений магнетроном и переходы его равновесной зависимости из области неустойчивости к абсолютной устойчивости. Область перехода зависит от скорости откачки камеры магнетрона, соотношения площадей анода и катода [1,2], а также от величины диффузионного перемеши...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2008
Автори:	Евсюков, А.Н., Завьялов, Ю.Г., Стеценко, Б.В., Щуренко, А.И.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізики НАН України 2008
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Физика и технология конструкционных материалов
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110741
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления / А.Н. Евсюков, Ю.Г. Завьялов, Б.В. Стеценко, А.И. Щуренко // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 68-71. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-110741
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1107412017-01-07T03:02:55Z Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления Евсюков, А.Н. Завьялов, Ю.Г. Стеценко, Б.В. Щуренко, А.И. Физика и технология конструкционных материалов Вычислены режимы напыления бинарных соединений магнетроном и переходы его равновесной зависимости из области неустойчивости к абсолютной устойчивости. Область перехода зависит от скорости откачки камеры магнетрона, соотношения площадей анода и катода [1,2], а также от величины диффузионного перемешивания металлической и бинарной компонент на поверхности напыляемой пленки [3]. Вычислены зависимости от времени концентрации реактивного газа в камере при переключениях скорости его напуска в пределах областей абсолютной устойчивости и при переходах одной области устойчивости к другой. Результаты могут быть использованы при создании системы автоматического управления процессом магнетронного напыления плёнок. Вирахувані режими напилення бінарних сполук магнетроном та переходи його рівновагої залежності із області нестійкості до абсолютної стійкості. Область переходу залежить від швидкості відкачки камери магнетрона, співвідношення площ аноду і катоду [1,2], а також від величини дифузійного перемішування [3]. Вирахувані залежності від часу концентрації реактивного газу в камері при перемиканнях швидкості його напуску в межах областей абсолютноі стікості і при переходах від одної області стійкості до іншої. Результати можуть бути використані при створенні системи автоматичного управління процессом магнетронного напилення плівок. Regimes of dehjsition of binary combination planar magnetron and transitions its state equilibrum from region instability to region absolute stability were calculated. The transition region depend on pumping rate of magnetron chember, relation of cathode and anode areas [1,2] and from size of diffusional intermixion [3]. Dependences of the reactive gas time concentration in chember at velocity of the leak switching within the rages of absolute stability and during pass between the rages was calculated. Results would be applied for the development of system of automatic process control for the magnetron films deposition. 2008 Article Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления / А.Н. Евсюков, Ю.Г. Завьялов, Б.В. Стеценко, А.И. Щуренко // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 68-71. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110741 01.03;11 ru Вопросы атомной науки и техники Інститут фізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов
spellingShingle	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Евсюков, А.Н. Завьялов, Ю.Г. Стеценко, Б.В. Щуренко, А.И. Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления Вопросы атомной науки и техники
description	Вычислены режимы напыления бинарных соединений магнетроном и переходы его равновесной зависимости из области неустойчивости к абсолютной устойчивости. Область перехода зависит от скорости откачки камеры магнетрона, соотношения площадей анода и катода [1,2], а также от величины диффузионного перемешивания металлической и бинарной компонент на поверхности напыляемой пленки [3]. Вычислены зависимости от времени концентрации реактивного газа в камере при переключениях скорости его напуска в пределах областей абсолютной устойчивости и при переходах одной области устойчивости к другой. Результаты могут быть использованы при создании системы автоматического управления процессом магнетронного напыления плёнок.
format	Article
author	Евсюков, А.Н. Завьялов, Ю.Г. Стеценко, Б.В. Щуренко, А.И.
author_facet	Евсюков, А.Н. Завьялов, Ю.Г. Стеценко, Б.В. Щуренко, А.И.
author_sort	Евсюков, А.Н.
title	Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления
title_short	Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления
title_full	Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления
title_fullStr	Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления
title_full_unstemmed	Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления
title_sort	синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления
publisher	Інститут фізики НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Физика и технология конструкционных материалов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110741
citation_txt	Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления / А.Н. Евсюков, Ю.Г. Завьялов, Б.В. Стеценко, А.И. Щуренко // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 68-71. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT evsûkovan sintezstehiometričeskihplenokbinarnyhsoedinenijreaktivnymmagnetronnymnapyleniemiupravlenierežimomnapyleniâ AT zavʹâlovûg sintezstehiometričeskihplenokbinarnyhsoedinenijreaktivnymmagnetronnymnapyleniemiupravlenierežimomnapyleniâ AT stecenkobv sintezstehiometričeskihplenokbinarnyhsoedinenijreaktivnymmagnetronnymnapyleniemiupravlenierežimomnapyleniâ AT ŝurenkoai sintezstehiometričeskihplenokbinarnyhsoedinenijreaktivnymmagnetronnymnapyleniemiupravlenierežimomnapyleniâ
first_indexed	2025-07-08T01:03:50Z
last_indexed	2025-07-08T01:03:50Z
_version_	1837038704874487808
fulltext	УДК 01.03;11 СИНТЕЗ СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК БИНАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РЕАКТИВНЫМ МАГНЕТРОННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ И УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ НАПЫЛЕНИЯ А.Н. Евсюков, Ю.Г. Завьялов, Б.В. Стеценко, А.И. Щуренко Институт физики НАНУ; Инcтитут автоматики, г. Киев, Украина; E-mail: stetsen@iop.kiev.ua Вычислены режимы напыления бинарных соединений магнетроном и переходы его равновесной зависи- мости из области неустойчивости к абсолютной устойчивости. Область перехода зависит от скорости откач- ки камеры магнетрона, соотношения площадей анода и катода [1,2], а также от величины диффузионного перемешивания металлической и бинарной компонент на поверхности напыляемой пленки [3]. Вычислены зависимости от времени концентрации реактивного газа в камере при переключениях скорости его напуска в пределах областей абсолютной устойчивости и при переходах одной области устойчивости к другой. Ре- зультаты могут быть использованы при создании системы автоматического управления процессом магне- тронного напыления плёнок. Реактивное напыление магнетроном тонких слоёв бинарных соединений является одной из часто применяемых промышленных технологий для моди- фикации поверхности. В настоящей работе проведе- но численное моделирование переходных процессов магнетронного напыления на основе теории неу- стойчивости [1,2,3], что важно для создания про- граммы, управляющей напылением. Реактивное напыление имеет область неустойчи- вости, положение которой зависит от геометрии устройства, состояния поверхностей катода и анода, скорости откачки камеры [1,2]. В эксперименте неу- стойчивость проявляется наличием области резкого (почти ступенчатого) роста концентрации реагирую- щего газа (РГ) в камере магнетрона при плавном увеличении скорости его поступления. При мень- шей, чем пороговая скорости напуска концентрация РГ в камере почти нулевая. Экспериментальные на- блюдения неустойчивости описаны во многих рабо- тах, например, в [4,5]. Теоретическая модель неустойчивости была раз- работана в [1,2]. После нашего добавления в неё диффузионного перемешивания металлической и бинарной компонент на поверхности напыляемой пленки [3] полученные уравнения описывают кине- тику процесса напыления и условия, при которых материал плёнки становится стехиометрическим. Необходимым условием стехиометрии получае- мой на аноде плёнки является равенство соотноше- ния поступающих на него атомов металла и реактив- ного газа их соотношению в химической формуле образующегося соединения. Как показано в нашей работе, это соотношение выполняется, если коэффи- циент к, введённый в кинетические уравнения, отли- чен от 1. Введение его означает, что в образовании плёнки участвуют молекулы РГ, адсорбирующиеся на места, занятые молекулами бинарного соедине- ния (БС). Допуская, что это условие является и до- статочным условием образования стехиометриче- ской пленки, получим систему уравнений, приве- денную ниже. В настоящей работе приведены результаты рас- четов условий получения стехиометрических пленок и кинетики установления равновесия напыления та- ких пленок. МОДЕЛЬ РЕАКТИВНОГО НАПЫЛЕНИЯ Кинетика установления процесса напыления плёнок бинарных соединений описывается уравне- ниями, переменные в которых выражены в безраз- мерных единицах. Вывод уравнений приведен в ра- боте [3]. В кинетических уравнениях предполагает- ся, что время установления равновесия при заполне- нии поверхностей катода и анода атомами металла и молекулами БС значительно меньше времени запол- нения камеры газом реагирующих молекул. z z + =Γ 1 1)(1 ; (1) (1) ββ ⋅+Γ⋅−⋅+Γ⋅− Γ =Γ szszs z z )()1()]([)1( )]([ )( 1 2 1 2 1 2 ; (2) (2) )})].1( )({)((1[),( 21 ê zêzxxtq dt dx −+ +Γ⋅⋅+Γ⋅+⋅−= βε (3) Уравнения (1,2) описывают равновесие между концентрацией РГ в атмосфере вакуумной камеры и поверхностями катода и анода (геттера), а (3) – ки- нетику заполнения камеры РГ. Здесь время выраже- но в единицах времени установления равновесной концентрации РГ в камере при неработающем маг- нетроне, включённом вентиле поступления РГ со скоростью Q и не адсорбирующих его стенках каме- ры и электродах в ней, которое равно TvA V ⋅0 . V – ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.68 - 71 68 mailto:stetsen@iop.kiev.ua объём камеры; Tv – тепловая скорость молекул РГ; А0 – площадь диафрагмы, соединяющей камеру с высоковакуумным насосом. Γ1 и Γ2 – определяют степень покрытия катода и анода (геттера) атомами металла, nv js ex T B 112α = - безразмерное парциальное давле- ние РГ, где n – объёмная концентрация РГ, а его давление nkTp = . Если площадь катода А1 и ано- да А2, а плотность тока разряда у поверхности като- да j, то в безразмерных единицах выражены следую- щие переменные и константы: 0 11 12 Ajs e q B α = Q - безразмерная скорость напуска РГ; 0 111 A A αε = , .,1,, 21 22 11 21 1 2 c xzê A A s ss M B =−=== α α α α β sВ – коэффициент распыления молекул БС ионами инертного газа; sМ –_ коэффициент распыления ато- мов металла ионами инертного газа; α 11 – коэффи- циент прилипания молекул РГ к атомам металла на поверхности катода; α 21 – коэффициент прилипания молекул РГ к атомам металла на поверхности анода; α 22 – коэффициент прилипания молекул РГ к моле- кулам БС на поверхности анода; с – относительная величина тока разряда магнетрона. РЕЗУЛЬТАТЫ А. СОСТОЯНИЯ РАВНОВЕСИЯ И ОБЛАСТЬ НЕУСТОЙЧИВОСТИ Зависимости точек ( ),,,;(,0 кsxqq dt d εβ== ) равновесия от физических параметров магнетрона приведены на рисунках 1 - 4. При некоторых значе- ниях параметров функция q(x) имеет две экстре- мальных точки qmax(xmax), qmin(xmin) (см. рис.1). Между ними пролегает область неустойчивости ре- активного магнетронного напыления (B). Области x < xmax (А) и x > xmin (C) являются областями абсо- лютной устойчивости. Это следует, в соответствии с теорией неустойчивости Ляпунова [6] из аналитич- ности правой части уравнения (3) при учёте соотно- шений (1,2). Значит при малом (но конечном) откло- нении значений переменных от точки равновесия в областях абсолютной устойчивости А и С система неизбежно возвращается в состояние равновесия. Рис.1.Зависимость скорости натекания q(x;s,β,ε,к) реагирующего газа от его давления В области абсолютной неустойчивости В сколь угодно малое отклонение от точки равновесия вызо- вет переход системы в области А и С. Это легко по- казать при разложении в ряд в окрестности точки x0 правой части уравнения (3). При разложении до ли- нейных членов временные зависимости δx экспо- ненциальные. В экстремумах разложение проводит- ся до квадратов δx. Первые же производные равны нулю. Временные зависимости становятся гипербо- лическими, а равновесие в этих точках “полуустой- чивое” [6]. Действительно, при отклонении от рав- новесия в максимуме в сторону меньших значений x система будет двигаться к точке равновесия. Если же отклонение будет в сторону больших величин x, то движение будет в сторону от точки равновесия. В. УПРАВЛЕНИЕ ФОРМОЙ РАВНОВЕСНЫХ КРИВЫХ Равновесные зависимости, как следует из уравне- ний (1 – 3), зависят от соотношения площадей като- да, анода, диафрагмы вакуумного насоса и физиче- ских характеристик поверхностей электродов – ко- эффициентов распыления и прилипания. Соответ- ствующие зависимости приведены на рисунках 2 – 4. Поскольку физические характеристики вряд ли возможно изменять после очистки электродов разря- дом, то изменения параметров в приведенных зави- симостях связаны с геометрией устройств. Рис.2.Зависимость q(x;s,β,ε,к) при изменении от- ношения площадей анода к катоду: β=10 (1); 5 (2), 2 (3) 1. Равновесная зависимость q(x) переходит от кривых с максимумом (см. рис.2, кр. 1,2) в монотон- но наростающую (см. рис.2, кр. 3) при уменьшении отношения площади анода к площади катода (уменьшение коэффициента β). Такая зависимость приводит к абсолютной устойчивости процесса ре- активного напыления. Площадь анода в этом случае в 2–3 раза превосходит площадь катода. 2. В результате увеличения скорости откачки (уменьшение коэффициента ε) кривая равновесия также становится монотонной при достижении не- ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.68 - 71 69 которой критической величины скорости, при кото- рой появляется точка перегиба (см.рис.3, кр. 1–4). Рис. 3 .Зависимость q(x;s,β,ε,к) от скорости откач- ки камеры магнетрона (скорость возрастает при уменьшении (ε): ε=7 (1), 5 (2); 3 (3); 1 (4) Оба этих способа преодоления неустойчивости исследованы в работе [2] аналитически. Однако эти выражения слишком сложны для анализа, а числен- ные расчеты в [2] недостаточно полны. 3. В нашей работе были проведены подробные численные расчёты с учетом поверхностной диффу- зии компонентов бинарного соединения для получе- ния наглядной картины изменения кривых. Рис. 4. Зависимость q(x;s,β,ε,к) от поверхностной диффузии реагирующего газа (диффузия возрастает с уменьнением к); к=0.999 (1); 0,99 (2); 0,97 (3); 0,9 (4) Кинетические уравнения, полученные в работе [3], позволяют вычислить условия стехиометрии плёнки. Результаты расчётов приведены на рис.4. При величине коэффициента к = 1 уравнения иден- тичны уравнениям в [1,2]. Условие стехиометричности выполняется в этом случае только при бесконечно большой скорости на- текания РГ. При к < 1 условия стехиометрии выпол- няются при конечных величинах скорости натека- ния (см. рис.4, кр. 1–4). Глубина равновесной кривой в минимуме снижа- ется и при некоторой величине к зависимость ста- новится монотонной, т.е. абсолютно устойчивой (см. рис.4, кр. 4). Таким образом, поскольку умень- шение к соответствует диффузионному перемеши- ванию на поверхности анода компонентов соедине- ния, то появляется ещё одна возможность снижения неустойчивости за счёт изменения температуры подложки. С. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ Переходные процессы, происходящие в ре- зультате изменений q(t), приводят к изменению кон- центрации РГ. При изменении q(t) в пределах обла- сти А (см. рис.1) при малых концентрациях РГ (x << 1) τА = (1+ε(1+β))-1. На участке С при очень больших концентрациях РГ (х/с >> 1) величина τС= (1+εβ(1-к))-1 ~ 1. При величине к, близкой к 1, время релаксации практически равно времени заполнения объёма ка- меры РГ при выключенном разряде, т.е. τc. ≈ 1. Чис- ленные расчёты релаксационных зависимостей из уравнения (3) в результате переключений скорости натекания в области А (от qs до qf ) изображены на рис.5, кр.1,2. Рис. 5. Временная зависимость плотности реагиру- ющего газа при переключениях скачком скорости его напуска в пределах области А (см. рис.1) от qs = 9 до qf = 18 (1) и обратно (2) При qf > qmax на сколь угодно малую, но конеч- ную величину давление РГ возрастет до величины, значительно превосходящей xmax (см. рис.1). При этом время переключения будет возрастать по мере уменьшения разности qf – qmax. На рис.6, кр. 1,3 показаны временные зависимо- сти плотности РГ при включении и выключении его напуска в камеру магнетрона от qs = 16 до qf = 20.4 и обратно. Плотность газа изменяется при этом от xs = 0.5 до xf = 12.0, qmax = 19.94, qf - qmax = 0.46. При сни- жении qf до 19.97 (xf = 11.4) возрастание давления затягивается (см. рис.6, кр. 2). Возвращение к исход- ному давлению происходит по той же зависимости, что и в случае qf = 20.4 (см. рис.6, кр. 3). ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.68 - 71 70 Рис. 6. Временная зависимость плотности реа- гирующего газа при переключениях q от qs < qmax до qf > qmax. Возвращение к исходному давлению происходит по той же зависимости, что и в случае qf = 20.4 (см. рис.6, кр. 3). В этом случае qf – qmax = 0.03. Обратный процесс релаксации происходит значительно бы- стрее при снижении скорости напуска до 0. Однако, если переключение скорости натекания происходит до значений меньших натекания в минимуме, но близких к нему, также имеет место затягивание установления равновесия (см. рис.6, кр. 4, xs = 0.3). Величина тока разряда также влияет на релаксаци- онные зависимости при переключениях вблизи мак- симума. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Переход к области абсолютной устойчивости происходит при увеличении скорости диффузионно- го перемешивания металлической и бинарной компонент на поверхности напыляемой пленки в до- полнение к ранее известным способам – увеличении скорости откачки и уменьшении отношения площа- ди анода к катоду. Существует три характеристических времени, выраженных в единицах TvA V ⋅0 – времени установ- ления давления РГ в камере при откачке только ва- куумным насосом. Это время изменения концентра- ции РГ: a) в пределах диапазона А – τА ≈ (1+ε(1+β))-1 и С – τС ≈ 1; b) при переходах от А к С кинетика перехода описывается сложной зависимостью (см. рис.6), определяемой разностью скоростей напуска в максимуме и мгновенной её величиной. Состояние приближенного равновесия в области В можно поддерживать только в динамическом ре- жиме. ЛИТЕРАТУРА 1. S. Berg, H-O. Blom, T. Larsson, C. Neder. Modeling of reactive sputtering of compound materials // J. Vac. Sci. Technol. A. 1987, v.5, №2, p.202-207. 2. В.В. Владимиров, В.Н. Горшков, В.А. Мотрич, О.А. Панченко, Б.В. Стеценко, Е.Ф. Скрипник. Неустойчивость реактивного распыления в маг- нетроне при получении пленок бинарных соеди- нений // ЖТФ. 1994, т.64, в.5, с.91-102. 3. А.Н. Евсюков, Б.В. Стеценко. К теории синтеза стехиометрических пленок бинарных соедине- ний реактивным напылением в магнетроне // ЖТФ. 2007, т.77, в.6, с.99-102. 4. T. Larsson, H-O. Blom, C. Neder, S. Berg. A physi- cal model for eliminating instabilities in reactive sputtering // J. Vac. Sci. Technol. A. 1988, v.6, №3, p.1832-1836. 5. S.M. Rossnagel. Thin film deposition with physical vapor deposition and related technologies // J. Vac. Sci. Technol. A. 2003, v.21, №5, p.S74-S87. 6. А.А. Андронов, А.Л. Витт, С.Э. Хайкин. Теория. колебаний, М.: “Наука“, 1981, 568 с. СИНТЕЗ СТЕХІОМЕТРИЧНИХ ПЛІВОК БІНАРНИХ З’ЄДНАНЬ РЕАКТИВНЫМ МАГНЕТРОННИМ НАПИЛЕННЯМ ТА КЕРУВАННЯ РЕЖИМОМ НАПИЛЕННЯ А.М. Евсюков, Ю.Г. Завьялов, Б.В. Стеценко, А.І. Щуренко Вирахувані режими напилення бінарних сполук магнетроном та переходи його рівновагої залежності із області нестійкості до абсолютної стійкості. Область переходу залежить від швидкості відкачки камери магнетрона, співвідношення площ аноду і катоду [1,2], а також від величини дифузійного перемішування [3]. Вирахувані залежності від часу концентрації реактивного газу в камері при перемиканнях швидкості його напуску в межах областей абсолютноі стікості і при переходах від одної області стійкості до іншої. Результати можуть бути використані при створенні системи автоматичного управління процессом магнетронного напилення плівок. SINTHESIS OF THE STEHIOMETRY FILMS OF BINARY COMBINATION REACTIVE MAGNETRON DEPOSITION AND CONDITION SPUTTERING CONTROL A.N. Evsyukov, Yu.G. Zavialov, B.V. Stetsenko, A.I. Schurenko Regimes of dehjsition of binary combination planar magnetron and transitions its state equilibrum from region instability to region absolute stability were calculated. The transition region depend on pumping rate of magnetron chember, relation of cathode and anode areas [1,2] and from size of diffusional intermixion [3]. Dependences of the reactive gas time concentration in chember at velocity of the leak switching within the rages of absolute stability and during pass between the rages was calculated. Results would be applied for the development of system of automatic process control for the magnetron films deposition. ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.68 - 71 71

Синтез стехиометрических пленок бинарных соединений реактивным магнетронным напылением и управление режимом напыления

Репозитарії

Схожі ресурси