Ion-plasma systems with combined electrical and magnetic fields for micro- and nanotechnologies
Keywords:
gas discharge, ion-plasma systems, magnetron sputtering, nanoelectronics, lowtemperature plasma, crossed EH fields
Abstract
The review is devoted to experimental and theoretical study of ion beams generation and transport in plasma systems with combined electric and magnetic fields, which are widely used in the surface engineering plasma technologies. The ignition processes and integral characteristics of gas discharges are studied in devices with the combined electric (DC, radio-frequency, potential and vortex) and magnetic (DC, AC) fields on the base of planar magnetron discharge in the accelerating and plasma modes, inductively coupled discharge, combined inductive-capacity and inductivemagnetron discharges. Analytical expressions for the ion energy cost and ionization coefficient for the electron group with different energy distribution function are derived and the three types of breakdown and ignition curves for direct-current gas discharge in the magnetic field have been obtained. The change of equilibrium plasma electrons temperature in planar magnetron discharge have been established experimentally and theoretically , as a result of high-energy electrons group existence. The density of this electron group is depended from the discharge power and determines the current–voltage characteristics of discharge at low pressure of working gas. Experimentally set and in theory grounded the principle role of electrodes surface asymmetry in energy balance of RF inductive-capacity discharge, its influence on the total ion power cost and power efficiency of plasma reactors and ion sources. Optimum correlations of electrodes areas for power efficiency, depending on ion energy have been obtained. Systematization of generation and transport processes of ion beams were carried out for plasma systems with different combinations of EH fields. On the basis of drift theory and the conservation laws of particles, impulse and energy the general parameters of similarity and regularities of ion-plasma systems with combined EH fields have been investigated.
Downloads
Download data is not yet available.
References
Данилин Б. С., Киреев В. Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 204 с.
Маишев Ю. П. Ионные и ионно-плазменные системы и пути их развития для задач микроэлектроники // Микроэлектроника. — 1977. — Т. 3, № 2. — С. 31–42.
Zhurin V. V. Industrial Gridless Broad Beam Ion Sources and the Need for Their Standardization. Part 4B. Hall-Current Ion Sources, Problems and Solutions. Standardization of Ion Sources // Vacuum Technology & Coating. — 2009. — P. 40–49.
Барченко В. Т., Быстров Ю. А., Колчин Е. А. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве. — СПб.: Энергоатомиздат, 2001. — 331 с.
Brown J. G. The Physics and Technology of Ion Sources. — Hardcover, 1989. — 444 p.
Берлин Е. В., Сейдман Л. А. Ионно-плазменные процессы в тонкопленочной технологи. — М.: Техносфера, 2010. — 528 с.
Кадыржанов К. К., Комаров Ф. Ф., Погребняк А. Д. и др. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. — 640 с.
Бабинов Н. А., Барченко В. Т., Кузьмичев А. И. и др. Физика и технология плазменных эмиссионных систем. — СПб.: Издво СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. — 263 с.
Zhurin V. V. Industrial Ion Sources. — Weinheim, Germany: Wiley — VCH Verlog GmbH & Co. KGaA, 2012. — 307 p.
Kaufman H. R. Technology of ion beam sources in sputtering // J. Vac. Sci. Technol. — 1979. — Vol. 15, No. 2. — P. 272–276.
Габович М. Д., Гусева М. И., Юрасова В. Е. Ионная физика и технология. — Киев: Препр. Инст. физики АН УССР, 1990. — 62 с.
Rius G., Llobet J., Esplandiu M. J., Sole L., Borrise X., Perez-Murano F. Using electron and ion beams on carbon nanotube-based devices. Effects and considerations for nanofabrication // Microelectronic Engineering. — 2009. — Vol. 86. — P. 892–894.
Sugawara M., Stansfield B. L. Plasma etching: fundamentals and applications. — USA: Oxford University Press, 1998.
Roth J. R. Applications to Nonthermal Plasma Processing. Industrial Plasma Engineering // J. Reece Roth. — CRC Press, 2001. — Vol. 2. — 645 p.
Chen F. F., Chang J. P. Lecture notes on Principles of plasma processing. — Kluwer, 2002. — 249 p.
Смирницкая Г. В. Нгуэн-хыу-Ти. Зажигание разряда в трубке Пеннинга и в цилиндрическом магнетроне при низких давлениях // ЖТФ. — 1969. — T. 39, № 4. — С. 694–703.
Рейхредель Э. М., Смирницкая Г. В., Егизарян Г. А. Диаграммы состояний разряда
с осциллирующими електронами // ЖТФ. — 1973. — Т. 43, № 1. — С. 130–135.
Тюрюканов П. М., Фетисов И. К., Ходатенко Г. В. Условия зажигания разряда низкого давления в скрещенных аксиально-симметричных однородном электрическом и неоднородном магнитном полях // ЖТФ. — 1978. — Т. 48, № 8. — С. 1629–1636.
Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1987. — 590 c.
Lieberman M. A., Lichtenberg A. J. Principals of Plasma Discharge and Material Processing. — John Wiley and Sons, 1994. — 572 p.
Jamirzoev A., Yakovin S., Zykov A. Characteristics of discharge in crossed EH fields near breakdown curve in acceleration and plasma regime // Problems of atomic science and technology. Series Plasma physics. — 2013. — No. 1. — Р. 186–188.
Jamirzoev А., Yakovin S., Zykov A. Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode // Problems of atomic science and technology. Series Plasma physics. — 2015. — No. 1. — P. 259–262.
Zykov А. V., Azarenkov N. A. Ignition and break-down of the gas discharge in magnetic field // Problems of atomic science and technology. Series Plasma physics. — 2015. — No. 4. — P. 224–228.
Дудин С. В., Зыков А. В., Ушаков А. В. Особенности динамики электронов в аксиально-неоднородном прианодном ЕН слое разряда низкого давления // Письма в ЖТФ. — 1995. — T. 21, № 2. — С. 25–30.
Дудин С. В., Зыков А. В., Ушаков А. В., Фареник В. И. Функция распределения электронов ионно-пучковой плазмы в неоднородных ЕН полях // Письма в ЖТФ. — 1996. — Т. 22, № 23. — С. 43–48.
Зыков А. В., Дудин С. В., Яковин С. Д. Стационарные режимы магнетронного разряда // Физическая инженерия поверхности. — 2015. — Т. 13, № 2. — С. 264–275.
Thornton I. A. Magnetron sputtering: basic physics and application to cylindrical magnetron // J. Vac. Sci. Technol. — 1978. — Vol. 15, No. 2. — Р. 171–177.
Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы. — М.: Радио и связь, 1982. — 72 с.
Берлин Е. В., Сейдман Л. А. Получение тонких пленок реактивным магнетронным распылением. — М.: Техносфера, 2014. — 256 с.
Яковін С. Д., Зиков О. В., Дудін С. В., Фаренік В. І., Юнаков М. М. Іонно-плазмова система для реактивного магнетронного нанесення покриттів // Фізична інженерія поверхні. — 2014. — Т. 12, № 3. — С. 428– 439.
Keller J. H. Inductive plasmas for plasma processing // Plasma Sources Sci. Technol. — 1996. — Vol. 5. — P. 166–172.
Зыков А. В., Положий К. И. Стационарные состояния ВЧ индукционного разряда низкого давления вблизи порога погасання // Письма в ЖТФ. — 2000. — Т. 26, № 11. — С. 68–74.
Gapon A. V., Dahov A. N., Dudin S. V., Zykov A. V., Azarenkov N. A. 2D fluid model for interactive development of ICP technological tools // Problems of atomic science and technology. Series Plasma physics. — 2006. — No. 6. — P. 186–188.
Denysenko I., Dudin S., Zykov A., Azarenkov N. Ion flux uniformity in inductively coupled plasma sources // Physics of Plasmas. — 2002. — Vol. 9, No. 11. — P. 4767–4775.
Polozhiy K. I., Zykov A. V., Farenik V. I. The energy balance of the asymmetric combined inductive-capacitive RF discharge at a low gas pressure // Problems of atomic science and technology. Series Plasma physics. — 2003. — No. 1. — P. 130–132.
Walkowicz J., Miernik K., Dudin S., Zykov A., Farenik V. Pulsed-plasma assisted magnetron methods of depositing TiN coating // Surface and coating technology. — 2000. — Vol. 125. — P. 341–346.
Walkowicz J., Zykov A., Dudin S., Yakovin S., Brudnias R. ICP enhanced reactive magnetron sputtering system for syntesis of alumina coating // Tribologia. — 2006. — No. 6. — P. 163–174.
Габович М. Д. Ионно-пучковая плазма и распространение компенсированных ионных пучков // УФН. — 1977. — Т. 121, № 2. — С. 259–284.
Габович М. Д. Компенсированные ионные пучки // УФЖ. — 1979. — Т. 24, № 2. — С. 257–273.
Nir D. Dynamic interaction of floating substrate with an ion beam from a three grid microetch system operated without neutralizer // Vacuum. — 1986. — Vol. 36, No. 6. — P. 317–321.
Ивановский Г. Ф., Петров А. П. Плазменная обработка материалов. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 218 с.
Петров В. И., Ивановский Г. Ф., Маишев Ю. П. Влияние степени зарядовой нейтрализации на электрофизические параметры // ПТП. Сер. «Микроэлектроника». — 1975. — Т. 3, № 1 (41). — С. 66–71.
Зыков А. В., Марущенко Н. Б., Фареник В. И. Роль γ-электронов в механизме автокомпенсации ионного пучка // Письма в ЖТФ. — 1989. — Т. 15, № 9. — С. 9–13.
Дудин С. В., Зыков А. В., Фареник В. И. Функция распределения электронов в ограниченном пространстве транспортировки автокомпенсированного ионного пучка низкой энергии // Письма в ЖТФ. — 1991. — T. 17, № 6. — С. 22–26.
Dudin S. V., Zykov A. V., Farenik V. I. Low Energy Intcuse Ion Beam Space Charge Neutralization // Review of Scientific Instruments. — 1994. — Vol. 65, No. 4, part II. — P. 1451–1453.
Дудин С. В., Зыков А. В. Влияние термоэлектронной эмиссии на компенсацию объемного заряда широкого пучка ионов низкой энергии // Письма в ЖТФ. — 1994. — T. 20, № 11. — C. 58–63.
Dudin S. V., Rafalskyi D. V., Zykov A. V. High homogeneity 25 cm low-energy rf ion source with inherent electron compensation // Review of Scientific Instruments. — 2010. — Vol. 81, No. 8. — Р. 083302 (1–6).
Дудин С. В., Рафальский Д. В., Зыков А. В. Широкоапертурный высокочастотный источник ионов низкой энергии с электронной компенсацией // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2010. — № 2. — С. 52–55.
Маишев Ю. П. Ионные и ионно-плазменные системы и пути их развития для задач микроэлектроники // Микроэлектроника. — 1977. — Т. 3, № 2. — С. 31–42.
Zhurin V. V. Industrial Gridless Broad Beam Ion Sources and the Need for Their Standardization. Part 4B. Hall-Current Ion Sources, Problems and Solutions. Standardization of Ion Sources // Vacuum Technology & Coating. — 2009. — P. 40–49.
Барченко В. Т., Быстров Ю. А., Колчин Е. А. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве. — СПб.: Энергоатомиздат, 2001. — 331 с.
Brown J. G. The Physics and Technology of Ion Sources. — Hardcover, 1989. — 444 p.
Берлин Е. В., Сейдман Л. А. Ионно-плазменные процессы в тонкопленочной технологи. — М.: Техносфера, 2010. — 528 с.
Кадыржанов К. К., Комаров Ф. Ф., Погребняк А. Д. и др. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 2005. — 640 с.
Бабинов Н. А., Барченко В. Т., Кузьмичев А. И. и др. Физика и технология плазменных эмиссионных систем. — СПб.: Издво СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. — 263 с.
Zhurin V. V. Industrial Ion Sources. — Weinheim, Germany: Wiley — VCH Verlog GmbH & Co. KGaA, 2012. — 307 p.
Kaufman H. R. Technology of ion beam sources in sputtering // J. Vac. Sci. Technol. — 1979. — Vol. 15, No. 2. — P. 272–276.
Габович М. Д., Гусева М. И., Юрасова В. Е. Ионная физика и технология. — Киев: Препр. Инст. физики АН УССР, 1990. — 62 с.
Rius G., Llobet J., Esplandiu M. J., Sole L., Borrise X., Perez-Murano F. Using electron and ion beams on carbon nanotube-based devices. Effects and considerations for nanofabrication // Microelectronic Engineering. — 2009. — Vol. 86. — P. 892–894.
Sugawara M., Stansfield B. L. Plasma etching: fundamentals and applications. — USA: Oxford University Press, 1998.
Roth J. R. Applications to Nonthermal Plasma Processing. Industrial Plasma Engineering // J. Reece Roth. — CRC Press, 2001. — Vol. 2. — 645 p.
Chen F. F., Chang J. P. Lecture notes on Principles of plasma processing. — Kluwer, 2002. — 249 p.
Смирницкая Г. В. Нгуэн-хыу-Ти. Зажигание разряда в трубке Пеннинга и в цилиндрическом магнетроне при низких давлениях // ЖТФ. — 1969. — T. 39, № 4. — С. 694–703.
Рейхредель Э. М., Смирницкая Г. В., Егизарян Г. А. Диаграммы состояний разряда
с осциллирующими електронами // ЖТФ. — 1973. — Т. 43, № 1. — С. 130–135.
Тюрюканов П. М., Фетисов И. К., Ходатенко Г. В. Условия зажигания разряда низкого давления в скрещенных аксиально-симметричных однородном электрическом и неоднородном магнитном полях // ЖТФ. — 1978. — Т. 48, № 8. — С. 1629–1636.
Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1987. — 590 c.
Lieberman M. A., Lichtenberg A. J. Principals of Plasma Discharge and Material Processing. — John Wiley and Sons, 1994. — 572 p.
Jamirzoev A., Yakovin S., Zykov A. Characteristics of discharge in crossed EH fields near breakdown curve in acceleration and plasma regime // Problems of atomic science and technology. Series Plasma physics. — 2013. — No. 1. — Р. 186–188.
Jamirzoev А., Yakovin S., Zykov A. Low pressure gas discharge in magnetically insulated diode // Problems of atomic science and technology. Series Plasma physics. — 2015. — No. 1. — P. 259–262.
Zykov А. V., Azarenkov N. A. Ignition and break-down of the gas discharge in magnetic field // Problems of atomic science and technology. Series Plasma physics. — 2015. — No. 4. — P. 224–228.
Дудин С. В., Зыков А. В., Ушаков А. В. Особенности динамики электронов в аксиально-неоднородном прианодном ЕН слое разряда низкого давления // Письма в ЖТФ. — 1995. — T. 21, № 2. — С. 25–30.
Дудин С. В., Зыков А. В., Ушаков А. В., Фареник В. И. Функция распределения электронов ионно-пучковой плазмы в неоднородных ЕН полях // Письма в ЖТФ. — 1996. — Т. 22, № 23. — С. 43–48.
Зыков А. В., Дудин С. В., Яковин С. Д. Стационарные режимы магнетронного разряда // Физическая инженерия поверхности. — 2015. — Т. 13, № 2. — С. 264–275.
Thornton I. A. Magnetron sputtering: basic physics and application to cylindrical magnetron // J. Vac. Sci. Technol. — 1978. — Vol. 15, No. 2. — Р. 171–177.
Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы. — М.: Радио и связь, 1982. — 72 с.
Берлин Е. В., Сейдман Л. А. Получение тонких пленок реактивным магнетронным распылением. — М.: Техносфера, 2014. — 256 с.
Яковін С. Д., Зиков О. В., Дудін С. В., Фаренік В. І., Юнаков М. М. Іонно-плазмова система для реактивного магнетронного нанесення покриттів // Фізична інженерія поверхні. — 2014. — Т. 12, № 3. — С. 428– 439.
Keller J. H. Inductive plasmas for plasma processing // Plasma Sources Sci. Technol. — 1996. — Vol. 5. — P. 166–172.
Зыков А. В., Положий К. И. Стационарные состояния ВЧ индукционного разряда низкого давления вблизи порога погасання // Письма в ЖТФ. — 2000. — Т. 26, № 11. — С. 68–74.
Gapon A. V., Dahov A. N., Dudin S. V., Zykov A. V., Azarenkov N. A. 2D fluid model for interactive development of ICP technological tools // Problems of atomic science and technology. Series Plasma physics. — 2006. — No. 6. — P. 186–188.
Denysenko I., Dudin S., Zykov A., Azarenkov N. Ion flux uniformity in inductively coupled plasma sources // Physics of Plasmas. — 2002. — Vol. 9, No. 11. — P. 4767–4775.
Polozhiy K. I., Zykov A. V., Farenik V. I. The energy balance of the asymmetric combined inductive-capacitive RF discharge at a low gas pressure // Problems of atomic science and technology. Series Plasma physics. — 2003. — No. 1. — P. 130–132.
Walkowicz J., Miernik K., Dudin S., Zykov A., Farenik V. Pulsed-plasma assisted magnetron methods of depositing TiN coating // Surface and coating technology. — 2000. — Vol. 125. — P. 341–346.
Walkowicz J., Zykov A., Dudin S., Yakovin S., Brudnias R. ICP enhanced reactive magnetron sputtering system for syntesis of alumina coating // Tribologia. — 2006. — No. 6. — P. 163–174.
Габович М. Д. Ионно-пучковая плазма и распространение компенсированных ионных пучков // УФН. — 1977. — Т. 121, № 2. — С. 259–284.
Габович М. Д. Компенсированные ионные пучки // УФЖ. — 1979. — Т. 24, № 2. — С. 257–273.
Nir D. Dynamic interaction of floating substrate with an ion beam from a three grid microetch system operated without neutralizer // Vacuum. — 1986. — Vol. 36, No. 6. — P. 317–321.
Ивановский Г. Ф., Петров А. П. Плазменная обработка материалов. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 218 с.
Петров В. И., Ивановский Г. Ф., Маишев Ю. П. Влияние степени зарядовой нейтрализации на электрофизические параметры // ПТП. Сер. «Микроэлектроника». — 1975. — Т. 3, № 1 (41). — С. 66–71.
Зыков А. В., Марущенко Н. Б., Фареник В. И. Роль γ-электронов в механизме автокомпенсации ионного пучка // Письма в ЖТФ. — 1989. — Т. 15, № 9. — С. 9–13.
Дудин С. В., Зыков А. В., Фареник В. И. Функция распределения электронов в ограниченном пространстве транспортировки автокомпенсированного ионного пучка низкой энергии // Письма в ЖТФ. — 1991. — T. 17, № 6. — С. 22–26.
Dudin S. V., Zykov A. V., Farenik V. I. Low Energy Intcuse Ion Beam Space Charge Neutralization // Review of Scientific Instruments. — 1994. — Vol. 65, No. 4, part II. — P. 1451–1453.
Дудин С. В., Зыков А. В. Влияние термоэлектронной эмиссии на компенсацию объемного заряда широкого пучка ионов низкой энергии // Письма в ЖТФ. — 1994. — T. 20, № 11. — C. 58–63.
Dudin S. V., Rafalskyi D. V., Zykov A. V. High homogeneity 25 cm low-energy rf ion source with inherent electron compensation // Review of Scientific Instruments. — 2010. — Vol. 81, No. 8. — Р. 083302 (1–6).
Дудин С. В., Рафальский Д. В., Зыков А. В. Широкоапертурный высокочастотный источник ионов низкой энергии с электронной компенсацией // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2010. — № 2. — С. 52–55.
Published
2017-11-14
How to Cite
Азарєнков, М. О., Дудін, С. В., Зиков, О. В., Фаренік, В. І., & Яковін, С. Д. (2017). Ion-plasma systems with combined electrical and magnetic fields for micro- and nanotechnologies. Journal of Surface Physics and Engineering, 2(2-3), 119 - 142. Retrieved from https://periodicals.karazin.ua/pse/article/view/9575
Section
Статті
У відповідності з типовим шаблоном.
