Исследование асимметричного емкостного высокочастотного разряда при распылении феррита висмута в кислороде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На гтакяу птпт»ч| 0034Э 1Бза

Пляка Павел Стефанович

ИССЛЕДОВАНИЕ АСИММЕТРИЧНОГО ЕМКОСТНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА ПРИ РАСПЫЛЕНИИ ФЕРРИТА ВИСМУТА В КИСЛОРОДЕ

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 1 ФЯЯ ^11}

Ростов-на-Дону 2010

003491639

Работа выполнена в отделе физики и астрономии Южного научного центра РАН и отделе квантовой радиофизики НИИ физики ЮФУ.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Толмачев Геннадий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Иванов Игорь Григорьевич,

кандидат физико-математических наук Пруцаков Олег Олегович.

Ведущая организация -

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.

Защита состоится « 26 » февраля 2010 г. в 1400 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.208.10 по физико-математическим наукам Южного федерального университета по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге 5, Южный федеральный университет, физический факультет, ауд. 318.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148

Автореферат разослан

января 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.208.10 доктор физико-математических наук, профессор

Заргано Г.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Высокочастотный разряд широко используется для изготовления различных устройств микроэлектроники. Наиболее успешным технологическим применением емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР) является напыление тонких пленок из диэлектрических материалов [1-5]. В частности, рекордное качество тонких пленок сложных оксидов (ТПСО) с сегнетоэлектрическими свойствами удается получить при повышенном (около 1 Тор) давлении кислорода [1,5]. Получены результаты при напылении ТПСО из феррита висмута, обладающего свойствами мультиферроика [б]. Особенность технологии состоит в том, что синтез пленок происходит в процессе напыления без дополнительной обработки. Подложку помешают в зону отрицательного свечения, основные процессы сосредоточены в объеме существенно неоднородной плазмы в приэлектродной области.

В процессе напыления ТПСО в ЕВЧР проявляется ряд особенностей разряда, не характерных для других применений. Геометрия разрядной камеры, продиктованная технологическими потребностями, приводит к высокой асимметрии разряда вследствие малой площади распыляемого электрода, что отражается на параметрах разряда [7]. Происходит интенсивное разрушение многокомпонентного ВЧ электрода и распространение распыленного материала по всему объему камеры. Диэлектрические или металлические подложки, на которых осаждаются пленки, находятся под плавающим потенциалом и подвергаются воздействию убегающих электронов [8]. В качестве рабочего газа используется электроотрицательный химически активный кислород, входящий также и в состав распыляемого сложного оксида (СО) [1]. Неоднородная плазма с большим числом компонентов и высокой плотностью мощности интенсивно излучает в широком диапазоне спектра [1,9]. Распределение излучения линий эмиссии в пространстве напылительной камеры имеет ряд особенностей [1,2,4], отражающих структуру и свойства разряда. Развитие методов диагностики, не требующих проникновения в рабочий объем, имеет важное технологическое значение [1,9].

Несмотря на значительный прогресс в изготовлении пленок, многие вопросы, связанные с происходящими разрядными процессами, еще неясны. Недостаточно развита техника измерения энергетических параметров ЕВЧР с учетом влияния всех электрических элементов конструкции напылительной установки [10]. Остается открытым вопрос о принципиальном отличии осевых распределений интенсивности эмиссии распыленных атомов металла и ионов кислорода [1,2,4]. Не исследовано влияние подложки на пространственное распределение излучения и структуру ЕВЧР в целом. Не установлены собственные характеристики оптической системы, используемой для регистрации осевых распределений интенсивности излучения компонент плазмы. Накоплены результаты изучения оптических характеристик плазмы с использованием сегнетоэлектриче-ских СО, но еще не исследовалось распыление перспективных СО, обладающих свойствами мультиферроика. Чтобы установить соответствия между различными свойствами ЕВЧР, наиболее подходящими могут оказаться сравнительные •

исследования с использованием как слозйнооксидных, так и металлических электродов в различных средах. До настоящего времени при ВЧ распылении СО исследовались только стационарные режимы разряда и не затрагивались вопросы динамики плазменных процессов. Между тем импульсный режим имеет ряд преимуществ при напылении пленок простого состава и одновременно является методом исследования временных характеристик плазмы разряда.

Таким образом, задача исследования асимметричного емкостного высокочастотного разряда при распылении в кислороде сложных оксидов, в частности со свойствами мультиферроика, в настоящее время является актуальной и представляет несомненный научный и практический интерес.

В связи с этим в качестве объекта исследования выбран кислородный емкостной высокочастотный разряд в технологической камере напыления тонких пленок сложных оксидов.

Предмет исследования - закономерности, возникающие в емкостном высокочастотном разряде при распылении материалов сложного состава и отражающиеся на энергетических и оптических характеристиках.

Исходя из этого, целью настоящей работы являлось:

1. Исследование свойств разряда, проявляющихся в процессе напыления тонких пленок сложных оксидов.

2. Установление энергетических характеристик асимметричного кислородного емкостного высокочастотного разряда в технологически значимом диапазоне давлений и мощностей.

3. Комплексные исследования плазмы разряда при распылении феррита висмута - сложного оксида со свойствами мультиферроика.

4. Физическая интерпретация особенностей пространственного распределения интенсивности эмиссии компонент плазмы разряда.

5. Исследование влияния подложки на распределение излучения плазмы и электрическое поле разряда.

6. Исследование динамики распыления электродов из сложного оксида и определение возможных режимов импульсной технологии напыления.

Научная задача состоит в разработке методов исследования электрических характеристик асимметричного емкостного ВЧ разряда и оптических свойств излучения плазмы, алгоритмов обработки измеряемых величин, исследовании возникающих закономерностей и физической интерпретации полученных результатов.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база.

Основными методами исследования являются:

- невозмущающие плазму экспериментальные измерения электрических и оптических величин;

- компьютерное моделирование;

- метод сравнения результатов, полученных при разных условиях;

- анализ теоретических и экспериментальных результатов, проверка модели известными и вновь разработанными способами.

Теоретическая база включает теорикЗ цепей, частотно-временной анализ сигналов, квантовые и классические законы излучения и распространения оптического излучения, уравнения физики плазмы и газового разряда.

Эмпирическая база включает собственный экспериментальный материал и опубликованные результаты других исследователей. .

Научная новизна диссертации определяется поставленными задачами, представленными методами их решения и впервые полученными результатами:

1. Впервые проведены комплексные исследования ЕВЧР при распылении в кислороде феррита висмута, включая энергетические характеристики, спектральный состав излучения плазмы, пространственное распределение интенсивности линий эмиссии рабочего газа и распыленного металла с учетом его асимметрии (различий в форме и составе электродов). Выявлены ранее не описанные особенности.

2. Предложена и обоснована модель формирования пространственного распределения интенсивности линий эмиссии металла, входящего в состав распыляемого электрода, впервые объяснившая известное явление и подтвержденная экспериментально.

3. Впервые проведено исследование распыления сложного оксида в импульсном режиме ЕВЧР. Получены экспериментальные временные зависимости интенсивности эмиссии ионов кислорода и атомов металлов. Показано принципиальное отличие механизмов образования эмитирующих центров и возбуждения для ионов кислорода и атомов железа. Выявлена временная связь интенсивности эмиссии атомов железа с потенциалом автосмещения активного электрода и диффузией распыленного вещества. Получены основные параметры динамики распыления и транспортировки материала электрода в импульсном режиме ЕВЧР, что может явиться базисом для разработки импульсной технологии напыления тонких пленок сложных оксидов

4. Предложен и отработан метод математической обработки данных высокоскоростного двухканального аналого-цифрового преобразования (АЦП), позволяющий многократно повысить разрешающую способность по времени и точность регистрации ВЧ сигналов. Впервые проанализированы гармонические составляющие тока емкостного ВЧ разряда, выявлены причины их возникновения, обнаружено доминирование высших гармоник в сильноточном асимметричном разряде.

5. Предложен и испытан метод экспериментального исследования амбипо-лярной диффузии в асимметричном разряде в продольном направлении путем измерения напряженности электрического поля. Впервые получены результаты, доказывающие смену знака суммарного поля подложки и поля разряда вблизи подложки при технологически значимых параметрах разряда.

6. Предложен и применен метод сравнительных исследований ЕВЧР при использовании сложнооксидных и металлических электродов. Полученные'результаты подтверждают достоинства метода для исследования энергетических и оптических свойств разряда. Подтверждена применимость аналогий ЕВЧР и разряда постоянного тока в асимметричной конфигурации.

7. Предложен метод определения пространственной аппаратной фунКщ многощелевой оптической системы и ее последующего учета для анализа пр< странственного распределения интенсивности эмиссии различных компоне! плазмы разряда.

Таким образом, разработаны положения и получены результаты, совоку) ность которых можно квалифицировать как решение новой научной задач соответствующей паспорту научной специальности 01.04.03 "радиофиз! ка" по пункту 2. «Изучение линейных и нелинейных процессов излучения, ра< пространения, дифракции, рассеяния, взаимодействия и трансформации волн естественных и искусственных средах» и пункту 6 «Разработка физических 01 нов и создание новых волновых технологий модификации и обработки мат! риалов».

Научная и практическая значимость.

Научная значимость работы заключается в развитии теории асимметричног. емкостного высокочастотного газового разряда при интенсивном распылени материала электрода.

Практическая ценность работы определяется созданными средствами диа] ностики разряда, обеспечивающими оптимальный контроль параметров в прс цессе напыления тонких пленок сложных оксидов. Выполнены расчеты изм< рительных систем, созданы и испытаны измерительные устройства, отработан! алгоритмы обработки сигналов. Определены важные технологические параме: ры.

Полученные результаты использованы в НИИ физики ЮФУ и ЮНЦ РА] при создании и эксплуатации технологических установок для напыления тонких пленок сложных оксидов в асимметричном емкостном высокочастотном кислородном газовом разряде, а также в учебном процессе при подготовке студентов физического факультета ЮФУ.

Поставленные в диссертации задачи решались в ходе выполнения ряда проектов, в частности гранта РФФИ № 06-08-00419 и темы ЮФУ №05/6-180.

Внедрение результатов подтверждено соответствующими документами.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Сильноточный асимметричный емкостный высокочастотный разряд с рабочим давлением около 1 Тор является многочастотным, основная причина появления гармоник заключается в импульсах тока проводимости, протекающих во время касания электронным облаком ВЧ электрода.

2. При распылении электрода из феррита висмута в плазме кислородного емкостного ВЧ разряда обнаружены две линии эмиссии атомов железа 306,7 нм и 613,7 нм с аномально высокой яркостью, в 4 и более раз выше, чем для других линий железа. Эти же линии практически отсутствуют при распылении металлических железосодержащих материалов в разряде с аналогичными параметрами.

3. Осевое распределение интенсивности эмиссии атомов распыленных металлов в области отрицательного свечения, характеризующееся монотонным снижением к нулевому значению у подложки, является следствием изменения концентрации электронов в результате амбиполярной диффузии в продольном

направлении, при эток возбуждение атомов распыленного металла осуществляется равновесными электронами плазмы.

4. Установлено, что время достижения максимального значения интенсивности эмиссии распыленных атомов металла в асимметричном сильноточном емкостном ВЧ разряде при давлении кислорода около 1 Тор более 100 мкс, в то время как для ионов рабочего газа оно составляет менее 10 мкс. Временные характеристики эмиссии атомов металла связаны с формированием потенциала автосмещения и диффузным распространением распыленного вещества в объеме камеры.

Степень обоснованности научных положений и выводов.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается использованием обоснованных физических моделей и строгих (или с известными оценками погрешностей) математических методов решения поставленных задач; тщательно отлаженной экспериментальной базой; верификацией сделанных выводов различными экспериментальными методами; совпадением полученных расчетных и экспериментальных результатов с данными других авторов.

Апробация.

Результаты диссертации докладывались на Симпозиуме «Лазеры на парах металлов» (ЛПМ-2008), Лоо, 22-26 сентября 2008; VI Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу, Краснодар, 5-10 октября 2008; 1-1У ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН, г. Ростов-на-Дону, 2005-2008 гг.; на международном симпозиуме "МиШГеггоюз-2", Лоо, 23-28 сентября 2009.

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 14 работ, (общим объемом 1,2 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит 0,8 п.л.), из которых - 2 статьи [1,2] (0,35 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит - 0,3 п.л.), опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 2 статьи в журналах (0,35 п.л., в том числе лично соискателю - 0,2 п.л.), 10 тезисов докладов в сборниках трудов научных конференций и симпозиумов (0,4 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит - 0,3 п.л.).

Объем и структура.

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Она содержит 198 страниц машинописного текста, включая 121 рисунок и список цитируемой литературы из 153 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы и сформулированы цели исследования. Приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и анализ работ, посвященных исследованию асимметричных разрядов в режиме распыления электродов. В первой части главы рассматриваются методы напыления ТП [1-6] в разрядах с убегающими электронами. Отмечаются достоинства и трудности синтеза ТПСО непосредст-

венно в разряде," без дополнительной обработки [1,2,4,5]. Анализируются различные типы разрядов, используемые для напыления пленок: классический тлеющий РПТ, импульсный, ЕВЧР, магнетронный. Обсуждаются основные достижения в разработке методов контроля процесса напыления пленок, отмечается метод исследования пространственного распределения интенсивности линий эмиссии (ПРИЛЭ) компонент плазмы и технологическое значение внутренних параметров разряда [1,2].

Во второй части анализируются работы, посвященные ЕВЧР, его энергетическим свойствам и особенностям. Затрагиваются вентильные свойства и механизм формирования постоянного потенциала плазмы, роль слоя пространственного заряда (СПЗ). Далее кратко рассматриваются публикации, посвященные асимметричному ЕВЧР, анализируются его особенности [7,10]. В конце части подчеркиваются необходимость контроля энергетических характеристик асимметричного ЕВЧР, обсуждаются технические и методические трудности [7,10].

В третьей части рассматриваются методы исследования ЕВЧР. Кратко анализируются достижения в математическом моделировании РПТ и ЕВЧР. Далее обсуждаются трудности исследования вольтамперных характеристик (ВАХ) ЕВЧР. Затрагиваются результаты зондовых исследований ЕВЧР и импульсного разряда. Подробно рассматриваются оптические методы изучения плазмы газового разряда и новейшие достижения в этом направлении. Анализируются возможности спектральных методов качественного и количественного определения состава плазмы. Рассматриваются перспективы метода измерения ПРИЛЭ плазмы разряда [1,2]. Анализируются работы по исследованию динамики распыления электрода в импульсном режиме методами оптической спектроскопии.

Во второй главе описывается экспериментальная база исследований. В качестве основного неконтактного, не возмущающего плазму разряда экспериментального метода взято изучение спектрального состава плазмы разряда и ПРИЛЭ атомов распыленного электрода, атомов и ионов рабочего газа. Для проведения оптических измерений был модернизирован разработанный ранее комплекс [1,2,4]. Рассматриваются основные технические решения, позволившие повысить параметры оптической системы регистрации. Описывается конструкция и особенности асимметричной разрядной камеры, разработанной и используемой для напыления ТПСО.

Подробно рассматривается метод измерений электрических характеристик ВЧ разряда, описываются конструкции измерительных устройств. Обсуждаются технические и математические аспекты обработки измеряемых токов и напряжений. Демонстрируется на примерах цифровой аналог стробоскопической обработки, позволяющий значительно повысить временное разрешение при регистрации ВЧ сигналов с помощью компьютерного модуля АЦП. Рассматриваются техника и методы исследования электрических оптических характеристик ЕВЧР.

Глава 3 посвящена исследованию особенностей энергетических характеристик ЕВЧР. Проведен подробный анализ асимметричного разряда и его особенностей, связанных с потенциалом автосмещения. Приводятся зависимости постоянного потенциала от напряжения и- давления для реальной напылительной

камеры при распылении электрода из нержавеющей стали (НС). Обсуждаютс'я отличия электрических параметров для проводящих и диэлектрических электродов. Анализируются экспериментально полученные амплитудо-фазовые характеристики тока и напряжения для ряда значений мощности. Делается вывод о том, что рост мощности обеспечивается не столько увеличением амплитуды тока и напряжения, сколько уменьшением сдвига фазы между ними, приводится график зависимости фазового сдвига от падения напряжения на камере.

400 200 0 -200 -400 -600 -S00 -1000 -1200 -1400 -1600

и, в

''.Y'-xW

Ип

1, мА

ч>, град

•"к--!......

........ -л

.........Г '

...............|...........

x-i.....

:ч

U, в

-4000 -2000 0 2000 4000

200 300 400 500 600 700

Рисунок 2. Зависимость фазового сдвига между током и напряжением от величины напряжения. Давление кислорода 0,8 Тор, электрод НС

Рисунок 1. Экспериментальные амплитудо-фазовые зависимости напряжения и тока разряда в камере при значениях прикладываемой мощности: 60, 100, 150, 180, 220 и 250 Вт. Давление кислорода 0,8 Тор, электрод НС

Экспериментально показано, что ток и напряжение не могут быть одновременно гармоническими как в симметричном, так и в асимметричном ЕВЧР. С ростом мощности нелинейные свойства разряда усиливаются. Построены эквивалентные схемы симметричного и асимметричного ЕВЧР, проведено качественное моделирование компонент полного тока.

и

D2 R2

ЯО

-CD-

oi

0.00 (1,01 0.02 0,0} 0,04 (1.05 Й.06 0.07

Рисунок 3. Эквивалентная схема асимметричного ЕВЧ разряда. С1 и Ш- эквивалентные емкость и сопротивление утечки СПЗ у активного электрода. Я0 - сопротивление проводимости электронов. Идеальные диоды 01 и И2 показывают отличие процессов для каждой полярности напряжения. По цепочке Ь1-112 протекает постоянный по направлению и величине ионный ток

Рисунок 4. Качественные временные зависимости напряжения (1), тока смещения (2), ионного тока (3), электронного тока проводимости (4), полного разрядного тока (5) асимметричного ЕВЧР

Показаны причины доминирования четных гармоник в симметричном разрйде и нечетных в асимметричном. Длительность и фаза осцилляции соответствует времени исчезновения СПЗ у электрода в ВЧ периоде.

Вторая часть главы посвящена определению реальных значений тока и напряжения асимметричного разряда в реальной камере. Предлагается метод их расчета с использованием измеренных снаружи камеры мгновенных значений и с учетом всех элементов эквивалентной схемы. Показано доминирующее влияние на электрические параметры разряда конструктивной емкости, включенной параллельно с распыляемым электродом. Приводятся экспериментальные временные зависимости полного тока через разрядную камеру и падения напряжения на ней для ряда значений мощности. Выполнены расчеты, позволившие выделить ток через разрядный промежуток. Приведены временные и амплитудные характеристики разрядного тока для ряда значений мощности.

3000-,

2000

1600-, I, мА nnn-fM?I

0,00 0.01 0,02 0,03 0,04 0.05 0,06 0,07

Рисунок 5. Временные зависимости напряжения (1) ЕВЧР, разрядного тока (2) и разрядного тока с отфильтрованными гармониками (3). Мощность 180 Вт

Рисунок 6. ВАХ асимметричного ЕВЧР для первой (1) и седьмой (2) гармоник. Показана также зависимость от напряжения мощности (3), поглощаемой разрядом, давление 0,8 Тор, электрод НС

Получено преобладание седьмой (нечетной) гармоники тока над основной. Отмечается бесперспективность метода вольтамперных характеристик для асимметричных камер сложной конструкции с большой плотностью мощности. Ограниченность метода связана со сложными фазовыми соотношениями, влиянием паразитных элементов и многочастотным характером разряда. Рекомендуется использовать в качестве общей энергетической характеристики понятие мощность.

В третьей части главы предлагается измерять электрическую мощность путем вычисления мгновенной мощности и ее последующего интегрирования. Проводится экспериментальная проверка метода и сравнение результатов с мощностью РПТ. Приводятся временные зависимости мгновенной мощности в асимметричном разряде напылительной камеры, а также амплитудные соотношения полезной мощности и мощности потерь. Анализируется мгновенная мощность на внутренней и внешней стороне диэлектрического электрода.

0,00 0,01 0,02 O.'II 0.04 (1,05 0,06 0,0?

Рисунок 7. Временные зависимости мгновенной мощности при значениях средней, вводимой в разряд: 60, 100, 150, 180, 220 и 250 Вт. Давление 0,8 Тор, электрод НС

Рисунок 8. Зависимость вводимой в разрядную камеру мощности от приложенного напряжения. (1) отсутствие разряда и охлаждающей жидкости, (2) отсутствие разряда, (3,4) нормальные условия, давление 0,78 Тор, (5) разряд без охлаждения.

В главе 4 проведено исследование особенностей ПРИЛЭ рабочего газа и их связь с параметрами разряда при распылении сложнооксидных и металлических электродов. В начале главы анализируются ПРИЛЭ ионов кислорода для ряда значений электротеской мощности. Обнаружено, что известная экстраполяция спадающего экспоненциального участка [1,2] требует ввода еще одного коэффициента, определяющего постоянный вклад в интенсивность, независящий от координаты на оси. Получена новая экстраполирующая формула

¥(х) = А, -ехр+где коэффициент А0 характеризует постоянную составляющую регистрируемого распределения, пропорциональную мощности. Причиной возникновения составляющей свечения, не зависящей от координаты, с величиной вплоть до трети интенсивности в максимуме, является радиационный перенос излучения в объеме камеры и отражение от ее стенок.

Далее проведено экспериментальное сравнение основных параметров ПРИЛЭ ионов кислорода для ЕВЧР, РПТ и пульсирующего НЧ разряда в диапазоне внешних параметров с использованием электрода НС. Осевое распределение интенсивности эмиссии ионов кислорода имеет качественное и количественное сходство для всех трех типов разрядов. Отличие масштабов связано с различной эффективностью ввода энергии в разряд. На пространственные параметры излучения асимметричного разряда в области ОС значительно сильнее влияют внешние параметры, прежде всего мощность и давление, чем тип возбуждения. Полученные зависимости позволяют для большинства условий ввести масштабирующие коэффициенты и интерпретировать результаты экспериментов и моделей для одного типа разряда к другим условиям возбуждения.

Во второй части главы исследуются энергетические зависимости эмиссии атомов рабочего газа. Показана и обоснована практически линейная зависимость величины первого максимума ПРИЛЭ атомов кислорода от мощности для различных линий и условий возбуждения'при распылении электродов раз-

личного типа. Продемонстрирована независимость формы катодного максимума от длины волны, материала электрода и типа разряда.

В третьей части главы рассматривается пространственная аппаратная функция (ПАФ) многощелевой оптической системы регистрации. Отмечаются аспекты некорректности поиска решения обратной задачи, описываемой интегральным уравнением Фредгольма первого рода. В результате экспериментов со щелевыми источниками излучения экспериментально определена ПАФ используемой оптической системы. Методом компьютерного моделирования получено значение разрешающей способности оптической системы в осевом направлении, равное 1,2 мм по критерию Релея и проанализировано влияние ПАФ на измеряемые ПРИЛЭ для простейших форм распределения излучения в источнике, показана неоднозначность решения обратной задачи и сглаженный характер экспериментальных результатов.

® 0.8

X

О

¿о.«-5

О

5 0.4

&> 0.2 £

X, мм

7 * 9 1<J М I

Рисунок 9. Нормированные ПРИЛЭ Рисунок 10. Осевая пространственная линии 777,2 нм атома кислорода. Элек- аппаратная функция оптической систе-трод НС, РПТ, давление 0,8 Тор мы регистрации

С использованием ПАФ найдены частные численные решения обратной задачи для ПРИЛЭ ионов кислорода, атомов кислорода и железа. Показано незначительное расхождение функций распределения источника и образа для равномерных участков малой крутизны. Катодный максимум регистрируемых ПРИЛЭ атомарных линий является свечением тонкого слоя с быстро спадающей интенсивностью. Его регистрируемая форма является результатом свертки с ПАФ. Получены значительные неоднородности расчетных ПРИЛЭ по сравнению с измеряемыми в области расположения подложки.

Y. отн. ед. I I

Ион

Атом

Ре

Полложка

f: У

Рисунок 11. Полученные расчетным путем ПРИЛЭ ионов кислорода (Х.=441,6 нм), атомов кислорода (А.=436,8 нм) и атомов железа (7=344,0 нм)

,\Х, мм

Пятая глава посвящена исследованию оптической эмиссии атомов распыленных металлов в плазме разряда, ее спектральным и пространственным характеристикам для электродов разного типа. В начале глдвы описываются

впервые полученные спектральные характеристики ОС плазмы ЕВЧР при распылении феррита висмута. Приводятся участки спектра с характерными линиями ионов кислорода, атомов кислорода, атомов железа, отмечаются обнаруженные особенности.

ОТ II. ед.

ЗОЕ.7

мю 610 615 <>:') 625

Рисунок 13. Ультрафиолетовый участок спектра при распылении электродов: 1- В1РеОз, 2- НС, 3- черная сталь

Рисунок 12. Красный участок спектра при распылении электродов: 1- В1РеОз, 2- нержавеющая сталь, 3- черная сталь

Методом сравнения спектров оптической эмиссии при распылении электрода ЕЯРсОз и металлических железосодержащих электродов доказано существование двух линий атомов железа 306,7 нм и 613,7 нм с аномально высокой яркостью, характерных только для электрода из сложного оксида. Обсуждаются возможные механизмы возбуждения соответствующих электронных уровней.

Во второй части главы подробно исследованы ПРИЛЭ атомов железа при распылении электрода В1Ре03, и двух металлических железосодержащих электродов. На примере железа продемонстрировано характерное поведение ПРИЛЭ атомов распыленных металлов, имеющее монотонный близкий к линейному спад к нулевому значению у подложки, получившее название "зануле-ние" [2,4], и принципиально отличающееся от экспоненциального спада ПРИЛЭ ионов и атомов кислорода, не зависящего от положения подложки.

Показано сходство ПРИЛЭ атомов железа для трех типов электродов, спадающий участок всех линий приобретает выпуклую форму с увеличивающейся кривизной по мере увеличения мощности. Делается вывод, что отличие пространственного распределения интенсивности двух аномально ярких линий при распылении электрода из феррита висмута носит не качественный, а количественный характер.

У,«пт. ад.

.-.л -А.

Л

/

.....613,7 нм

.......... 344,1 им

--■■ 40Вт

-----115 Вг

---220 Вт;

ч X. мм V

Рисунок 14. Нормированные ПРИЛЭ Ре* 372,0 нм при значениях мощности: 1- 40 Вт, 2-90 Вт, 3 -280 Вт, электрод НС, давление 0,8 Тор

10 12 14

Рисунок 15. Нормированные ПРИЛЭ 613,7 нм и 344,1 нм атома железа. Мощность 220 Вт, электрод В]ТеОз, давление 0,8 Тор

Рисунок 16. Нормированные ПРИЛЭ Ре* 613,6 им для ряда значений мощности. Электрод В1РеОз, давление 0,8 Тор

В конце главы Приводятся результаты исследований, доказывающие универсальность "зануления" атомарных линий для широкого класса разрядов и типов материалов электрода.

В шестой главе предложена и обоснована модель ПРИЛЭ атомов металлов. Выдвигается и обосновывается в качестве основного механизма накачки верхних уровней излучательных переходов атомов металлов в области ОС разряда возбуждение равновесной частью электронов плазмы разряда. Аргументами являются низкие энергетических уровни атомов металлов, яркость линий металлов при сравнительно невысокой концентрации атомов и измеренные электронные температуры при рассматриваемых условиях разряда.

Далее предлагается механизм формирования распределения концентрации электронов вдоль оси разряда на основе явления амбиполярной диффузии и выдвигается предположение о соответствии характерных ПРИЛЭ распыленных металлических компонент электрода распределению вдоль оси концентрации электронов. Строится одномерная математическая модель с использованием известного подхода на основе уравнения баланса носителей заряда, и решается задача нахождения распределения концентрации электронов.

Полагается, что заряженные частицы представлены положительными ионами газа и электронами, что вблизи оси разряда концентрация зарядов зависит только от расстояния до подложки, и, что при давлениях от 0,1 до 10 Тор реализуется диффузный режим разряда, а скорости образования электронов и ионов одинаковы. Считая, что плазма стационарная и квазинейтральная, доминирующим механизмом ионизации является электронный удар, а вследствие высокой теплопроводности электронов их температура не зависит от координат, получаем, что скорость ионизации Г пропорциональна концентрации электронов пе:

Пренебрегая вкладом в ионизацию пучковых электронов, и считая коэффициент амбиполярной диффузии Оат не зависящим от координаты, искомое уравнение для установившегося в результате амбиполярной диффузии вблизи подложки распределения электронов вдоль оси камеры соответствует выражению:

ат /(& ' (2)

Решение, соответствующее монотонному убыванию концентрации от некоторой точки, где она максимальна, до нулевого значения у подложки имеет вид:

п-щсоъ{пх!2Е) ^

Выражение (3) хорошо согласуется с экспериментальными ПРИЛЭ металлов в аргоновом разряде в широком диапазоне параметров, что показано на рис. 17.

Рисунок 17. Спадающие участки ПРИЛЭ 344,0 им атома железа для двух значений мощности и полученная при моделировании кривая, соответствующая выражению (3)

Для кислородного разряда такого соответствия не наблюдается, как показано выше, спадающий участок ПРИЛЭ металлов в кислороде близок к прямой линии. Придерживаясь модели и полагая, что интенсивность эмиссии атомарных линий железа пропорциональна концентрации электронов, запишем:

Пе = Пх(1-х/Ь) (4)

Будем теперь считать, что пространственная зависимость ионизации нам не известна, снова обозначим ее Г (х), а уравнение (2) перепишем в общем виде:

¿2п | Г(х)=0 ск2 О

(5)

В результате двойного дифференцирования получаем:

Г(х)

Д»

= 0

(6)

Образование зарядов в рассматриваемом объеме кислородного разряда не происходит. После анализа причин расхождений для кислородного и аргонового разрядов, делается вывод о значительной потере образующихся электронов в результате прилипания к атомам и ионам кислорода. Высокий коэффициент прилипания характерен для всех электроотрицательных газов. Показана применимость модели к широкому спектру условий ионизации. Граничные аппроксимирующие зависимости: косинусоидальная и линейная характерны для двух крайних условий ионизации. Существуют и экспериментально наблюдаются промежуточные формы ПРИЛЭ атомов металлов.

У, эВ / отн. ед.

I "

\Ч \ \

о 2 4 6 Я 1« II 1-1 16 I» 20 22 24 26 2Я

У. ')В / отн. ед.

X, мм

Рисунок 18. Температура Те и концентрация Ые электронов в различных точках на оси при основном положении (Б) подложки (ТеБ и К'еБ) и отодвинутой на 12 мм (81) подложке (Те и №). РПТ в кислороде, давление 1,3 Тор, элек-'тродНС

Рисунок 19. Значения температуры Те и концентрации Ке электронов в фиксированной точке на оси при перемещении подложки. Давление 0,8 Тор

Во второй части глаЬы выполнена проверка предложенной модели зойдовы-ми методами (рис.18, 19). Измерения концентрации и температуры электронов в плазме кислородного и аргонового разрядов подтвердили справедливость постоянства электронной температуры вдоль оси разряда и снижение концентрации электронов под действием подложки. Причем для аргонового разряда влияние подложки выражено ярче.

В третьей части главы предложен метод проверки модели путем измерения пространственных зависимостей напряженности стационарного поля вблизи диэлектрической подложки. Для установившегося в результате амбиполярной диффузии распределения вдоль оси х поля справедливо выражение:

А-Д.1 ¿»„„^¿п

п сЬс

Е=-

¿X

„0 ил (7)

В реальной плазме это поле накладывается на поле разряда, которое следует рассматривать как внешнее стационарное поле. Подстановка в (7) зависимости плотности электронов от координаты на оси (3) дает выражение:

а зависимости (4) выражение: Е = 1 Е»

(8). (9),

1-Х

где Ео - напряженность поля на половине расстояния до подложки, которая с учетом полученных ранее в зондовых измерениях значений электронной температуры имеет величину порядка единиц В/см.

;;см »а

Чч'

V

N..

¡ГД 1'

- ■ 1К х4 хЗ х2 х!

Э2

X. мм

Рисунок 21. Зависимость напряженности поля в точках х1 и х4 (рис. 20) при различных положениях (г) подложки

Рисунок 22. Напряженность электрического поля на оси камеры вблизи подложки в диапазоне давлений. 1 - 0,45 Тор, 2 -0,8 Тор, 3-1,3 Тор, 4-2,0

Рисунок 20. Значения напряженности поля (1 и 2) в различных точках на оси, соответствующие двум положениям подложки 81 и Э2. РПТ в кислороде, давление 0,8 Тор, электрод НС

Измерения на различных расстояниях от подложки в кислородном и аргоновом разрядах показали близкое соответствие величин сделанной оценке. Результаты измерений при перемещении подложки относительно катода подтвердили наличие поля подложки, направленного встречно полю катода. Показан его рост по мере приближения к подложке.

Экспериментально 'доказано существование в исследованных режимах области вблизи подложки, где суммарное поле катод-подложка меняет направление. Положение точки с нулевым полем зависит от давления и меняется от 1,3 до 0,6 мм при изменении давления кислорода от 0,45 до 1,3 Тор. Аналогичные эксперименты с аргоновым разрядом показали близкое соответствие характера зависимостей, но ярче выраженные и с другими численными параметрами. Предложенный и экспериментально опробованный метод измерения продольной напряженности поля подтвердил справедливость модели "зануления". В силу простоты и наглядности метод может быть рекомендован и для решения других задач.

Седьмая глава посвящена исследованию импульсного режима асимметричного ЕВЧР. В эксперименте наблюдается стабилизация амплитудных значений тока и напряжения за 2-3 мкс, но значительно более медленный, порядка 20 мкс, выход на стационарный уровень потенциала автосмещения. Затухание этих величин носит такой же характер.

Рисунок 23. Экспериментальные зависимости амплитуды тока (I), амплитуды напряжения (2), мгновенной мощности (3) и напряжения смещения (4) активного электрода из НС. Давление 1,0 Тор

0 5 10 ¡5 :<1 л0 3.<

Рисунок 24. Амплитуда разрядного тока (1), интенсивность эмиссии линии 613,7 нм атомов железа (2) и линии 465,0 ионов кислорода (3). Импульсный ЕВЧР, электрод В1РеОз, давление кислорода 1,0 Тор

Во второй части главы приводятся результаты, доказывающие отличия динамики эмиссии ионов кислорода и атомов распыленного железа. Интенсивность эмиссии кислорода практически повторяет форму импульсов тока с отставанием по фронту не более 1 мкс, временем нарастания около 6 мкс и длительностью затухания 2-3 мкс. При увеличении длительности токовых импульсов более 8 мкс не происходит увеличения интенсивности эмиссии ионов кислорода, наблюдается насыщение. В то же время эмиссия железа демонстрирует значительное отставание. Затухание происходит за время около 20 мкс. А нарастание наблюдалось на протяжении всего импульса тока вплоть до 40 мкс. Такое поведение эмиссии ионов кислорода и атомов железа характерно и для электрода В1Ре03, и для электрода НС, отличия не принципиальны.

Серия экспериментов при увеличенной до 300 мкс длительности импульсов тока не выявила новых особенностей в эмиссии кислорода, но позволила получить значения времени насыщения эмиссии атомов железа. Рост интенсивности эмиссии двух аномально ярких линий продолжается 100-150 мкс. После этого

начинается довйльно существенный, почти в 2 раза, спад, экспериментально зарегистрированный для линии 613,6 нм.

Рисунок 25. Формы импульсов ВЧ тока (I) и интенсивности эмиссии (У) линии 613,6 нм (а) и 306,7 нм (б) атомов железа. Электрод ЕНРеОз, давление кислорода 1,0 Тор

В конце главы показывается связь временных характеристик эмиссии атомов железа с формированием потенциала автосмещения и диффузным распространением распыленного вещества в объеме камеры. Делается вывод о волновом характере распространения компонент электрода в рабочем пространстве напы-лительной камеры в импульсном режиме. Обсуждаются возможности использования импульсного режима разряда для напыления ТПСО и исследования процессов распыления многокомпонентных электродов.

В заключении приведены основные результаты, полученные в процессе работы над диссертацией.

ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ совокупности проблем, возникающих при распылении электродов сложного состава в асимметричном ВЧ разряде в технологических установках напыления тонких пленок сложных оксидов.

2. Разработан метод комплексного исследования асимметричного ВЧ разряда невозмущающими электрическими и оптическими средствами измерения. Разработаны и отлажены алгоритмы обработки экспериментальных результатов.

3. Впервые получен обширный экспериментальный материал при распылении феррита висмута, обладающего свойствами мультиферроика, в ВЧ разряде, в том числе в импульсном режиме.

4. Экспериментально доказаны и теоретически обоснованы особенности электрических и оптических характеристик ЕВЧР при распылении материалов сложного состава в технологических установках.

5. Предложена модель формирования осевого распределения интенсивности эмиссий атомов распыленных металлов в приподложечной области. Проведена проверка модели различными экспериментальными методами

6. Экспериментально доказано преобладание поля подложки над полем катода вблизи подложки в технологически значимом диапазоне параметров.

7. Обнаружена и обоснована значительная составляющая излучения на ионных линиях рабочего газа, равномерно распределенная в объеме замкнутой камеры напыления тонких пленок.

I, отн. ед.

I, отн. ед.

б)

Рекомендуются:

1. Метод цифровой обработки результатов АЦП, позволяющий многократно увеличить разрешающую способность по времени.

2. Метод определения ВЧ мощности путем перемножения мгновенных значений тока и напряжения и последующего интегрирования.

3. Метод измерения и учета пространственной аппаратной функции многощелевой оптической системы.

4. Обнаруженные линии эмиссии атомов железа с аномально высокой яркостью для контроля оптическими методами процесса напыления пленок феррита висмута.

5. Параметры динамики эмиссии компонент сложного оксида и рабочего газа, полученные экспериментально, для разработки технологии импульсного напыления тонких пленок сложных оксидов.

6. Измерение распределения напряженности электрического поля в разряде модифицированной зондовой методикой

Личный вклад автора.

Выполнены математические расчеты при построении модели ПРИЛЭ атомов распыленных металлов и ее экспериментальная проверка альтернативными методами. Проведены исследования по влиянию ПАФ на результаты оптических измерений. Предложен и разработан алгоритм обработки электрических сигналов и сделаны расчеты разрядного тока. Накоплен и систематизирован экспериментальный материал. Разработан и изготовлен ряд устройств экспериментальной установки.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Пляка П.С. Исследование пространственного распределения интенсивности линий оптической эмиссии плазмы высокочастотного разряда в процессе напыления феррита висмута / П.С. Пляка, Г.Н. Толмачев, А.П. Ковтун // Письма в ЖТФ, 2008, том 34, вып. 19, с.60-66

2. Пляка П.С. Параметры пространственного распределения интенсивности линий оптической эмиссии плазмы высокочастотного разряда в процессе напыления пленок феррита висмута / П.С. Пляка, Г.Н. Толмачев // Известия ВУЗов Северокавказский регион, Серия естественные науки, 2008, № 5, с 48-51.

3. Ковтун А.П. Контроль наноразмерных пленок методом оптической реф-лектометрии в области угла Брюстера / А.П. Ковтун, С.П. Зинченко, П.С. Пляка, Г.Н. Толмачев // Вестник Южного научного центра, 2007, том 3, №4, с. 3-9

4. Пляка П.С. Сравнение режимов возбуждения газового разряда. / П.С. Пляка // Сборник Трудов аспирантов и соискателей Южного федерального университета, 2007 г. с. 173-174.

5. Пляка П.С. Метод исследования спектров оптической эмиссии газового разряда с разрешением по времени / П.С. Пляка, Г.Н. Толмачев, Б .Я. Севастьянов, Л.И. Киселева // Сборник трудов симпозиума «Лазеры на парах металлов» (ЛПМ-2008), Лоо, 22-26 сентября 2008 г. Ростов-на-Дону, 2008, с. 67

6. Пляка П.С. Поведение эмиссионных линий железа и кислорода в плазме кислородного ВЧ разряда при распылении мишеней из металла и ВдРеОЗ / П.С. Пляка, Г.Н. Толмачев, А.П. Ковтун // Сборник трудов симпозиума «Лазеры на

парах металлов» (ЛПМ-2008), Л'оо, 22-26 сентября 2008 г. Ростов-на-Дону, 2008, с. 68

7. Шевцова С.И.Система регистрации и обработки рентгеновского излучения в электронно-зондовом микроанализе / С.И. Шевцова, А.Т. Козаков, П.С. Пля-ка, A.B. Никольский // Материалы VI Всероссийской конференции по рентге-носпектральному анализу, Краснодар, 5-10 октября 2008, с.257

8. Разномазов В.М. Особенности синтеза тонких пленок Bi-Nd-Fe-0 на подложке (0001) А1203 при газоразрядном распылении мишени мультиферроика BiO,95Nd005Fe03 / В.М. Разномазов, А.П. Ковтун, В.О. Пономаренко, Г.Н. Толмачев, П.С. Пляка // Труды международного симпозиума "Multiferroics-2", Лоо, 23-28 сентября 2009, Ростов-на-Дону 2009, с. 182

9. Алексеенко A.A. Частотная зависимость ассиметричного емкостного ВЧ-разряда / A.A. Алексеенко, П.С. Пляка // Тезисы докладов IV ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН, 9-18 апреля 2008 г. г. Ростов-на-Дону, с.228-229

10. Пляка П.С. Построение аппаратной функции оптической системы измерения пространственного распределения интенсивности линий оптической эмиссии плазмы ассиметричного ВЧ-разряда / П.С. Пляка // Тезисы докладов IV ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН, 9-18 апреля 2008 г. Ростов-на-Дону, с.251-252

11. Пляка П.С. Исследование механизмов напыления пленок в емкостном ВЧ-разряде оптическими методами / П.С. Пляка // Тезисы докладов III ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН, 5-24 апреля 2007 г. Ростов-на-Дону, с.241-242

12. Пляка П.С. Визуализация теплового поля подложки при напылении пленок в емкостном ВЧ-разряде / П.С. Пляка, А.Н. Шихарев // Тезисы докладов III ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН, 5-24 апреля 2007 г. Ростов-на-Дону, с.242-243

13. Пляка П.С. Особенности поведения ряда линий иона кислорода при напылении пленок сложного оксида / П.С. Пляка, C.B. Филимонова // Тезисы докладов I ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН, 15-21 апреля 2005 г. Ростов-на-Дону, с.137

14. Филимонова C.B. Спектральный состав излучения плазмы при напылении пленок сложных оксидов / C.B. Филимонова, П.С. Пляка // Тезисы докладов I ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН, 15-21 апреля 2005 г. Ростов-на-Дону, с. 142-143

Цитируемая литература

1. Мухортов В.М Гетероструктуры на основе наноразмерных сегнетоэлегарических пленок: получение, свойства и применение / В.М. Мухортов, Ю.И. Юзкж // Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН. 2008.224 с.

2. Мухортов В.М. Гетероэпитаксиальный рост пленок сложного оксида из самоорганизованной системы, образующейся в плазме газового разряда I В.М. Мухортов, Ю.И. Головко, Г.Н. Толмачев, А.И. Мащенко // ЖТФ1999. т. 69. вып. 12. с. 87-91

3. Posadas А.-В. Growth and Novel Applications of Epitaxial Oxide Thin Films / A.-B. Posadas 1, M. Lippmaa, F.J. Walker, M. Dawber, C.H. Ahn, J.-M. Triscone // Physics of Ferroelec-trics: A Modern Perspective, Topics Appl. Physics v. 105.2007. p. 219-304

4. Мухортов В.М. Свойства емкостного поперечного ВЧ разряда повышенного давления кислорода, используемого при получении тонких пленок сложного оксида / Мухортов В.М., Толмачев Г.Н., Мащенко А.И. и др //ЖТФ. 1992. т. 62. вып. 5. с. 22-28

5. Auciello О. Studies of ferroelectric heterostructure thin films, interfaces, and device-related processes via in situ analytical techniques / O. Auciello, A.R. Krauss, J. Im, A. Dhote, D.M. Gruen, S. Aggarwal, R. Ramesh, EA. Irene, Y. Gao, A.H. Mueller II Integrated Ferroelectrics, vol. 27. Issue 1-4.1999. p. 103-118

6. Шсрстюк Н.Э. Исследование сегнетоэлектрических свойств пленок феррита висмута методом генерации второй оптической гармоники / Н.Э. Шерспок, НА. Ильин, С.В. Семин, Е.Д. Мишина, В.М. Мухоротов // Физика твердого тела. 2009. т. 51. вып. 7. с. 12841286.

7. Bogaerts A. Comparison of modeling calculations with experimental results for rf glow discharge optical emission spectrometiy / A. Bogaerts, L. Wilken, V. Hoffmann, R. Gijbels, K. Wetzig // Spectrochimica Acta Part B. v. 5.2002. p. 109-119

8. Александров А.Ф. Электронный энергетический спектр приэлектродной плазмы асимметричного емкостного ВЧ разряда низкого давления / А.Ф. Александров, А.А. Ру-хадзе,В.П. Савинов, И.Ф.Сингаевский// Письма в ЖГФ. 1999, т. 25. вып. 19. с. 32-39

9. Zambrano G. Optical emission spectroscopy study of r.f. magnetron sputtering discharge used for multilayers thin film deposition / G. Zambrano, H. Riascos, P. Prietoa, E. Restrepoc, A. Deviac, C. Rincom // Surface and Coatings Technology v. 172.2003, p. 144-149

10. Hoffmann V. New hardware for radio frequency powered glow discharge spectroscopies and its capabilities for analytical applications / V. Hoffmann, H.-J. Uhlemann, F. PraBler, K. Wetzig, D. Birus // Fresenius J. Anal. Chem. 1996. v. 355. p. 826-830

Под писано в печать 18.012010. Формат 60x84/16. Усл. печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Отпечатано в ЮНЦ РАН, г. Росгов-на-Дону пр. Чехова 41

Введение.

Глава 1. Анализ литературных источников. Постановка задачи.

1.1 Использование емкостного высокочастотного разряда для напыления тонких пленок.

1.1.1 Особенности напыления пленок сложного состава.

1.1.2 Одностадийный процесс напыления-синтеза в емкостном высокочастотном разряде при повышенном давлении кислорода.

1.1.3 Напыление пленок с использованием импульсного разряда.

1.2 Асимметричный емкостный высокочастотный разряд, его энергетические свойства и особенности.

1.2.1 Вентильные свойства и постоянный потенциал плазмы.

1.2.2 Асимметричный разряд.

1.2.3 Контроль тока, напряжения и мощности асимметричного емкостного высокочастотного разряда.

1.3 Методы исследования емкостного высокочастотного разряда.

1.3.1 Математическое моделирование.

1.3.2 Измерение тока, напряжения и исследование вольтамперных характеристик.

1.3.3 Исследование зондовыми методами.

1.3.4 Исследование оптическими методами.

1.3.5 Спектроскопические исследования.

1.3.6 Исследование пространственного распределения интенсивности линий эмиссии.31'

1.3.7 Времяимпульсные методы исследований'.

1.4 Выводы. Постановка задачи.

Глава 2. Экспериментальная техника.

2.1 Конструкция и параметры разрядной камеры.

2.2 Система измерения тока, напряжения и мощности емкостного высокочастотного разряда.

2.3 Система исследования оптических характеристик плазмы.

2.4 Система измерения зондовых характеристик.

2.5 Система измерения импульсных оптических характеристик.

Глава 3. Особенности энергетических характеристик асимметричного емкостного высокочастотного разряда.

3.1 Временные характеристики и эквивалентная схема асимметричного емкостного высокочастотного разряда.

3.1.1 Анализ вольтамперных характеристик.

3.1.2 Эквивалентная схема емкостного высокочастотного разряда.

3.1.3 Свойства асимметричного разряда и потенциал автосмещения.

3.1.4 Временные зависимости тока и напряжения асимметричного разряда.

3.1.5 Эквивалентная схема асимметричного емкостного высокочастотного разряда.

3.2 Ток и напряжение емкостного высокочастотного разряда в асимметричной камере.'.

3.2.1 Эквивалентная схема разрядной камеры. Влияние паразитных элементов, методы компенсации, согласования и учета.

3.2.2 Вычисление и анализ тока асимметричного емкостного высокочастотного разряда в напылительной камере.

3.3 Электрическая мощность асимметричного емкостного высокочастотного разряда.

1 3.3.1 Метод определения мощности по мгновенным значениям тока и напряжения.

3.3.2 Мгновенная и средняя мощность емкостного высокочастотного разряда.

3.3.3 Контроль мощности по косвенным показателям и сравнение с разрядом постоянного тока.

3.4 Выводы.

Глава 4. Особенности пространственного распределения интенсивности линий эмиссии ионов и атомов рабочего газа, их связь с параметрами разряда при распылении железосодержащих электродов разного типа.

4.1 Пространственное распределение интенсивности линий эмиссии ионов рабочего газа для ряда значений электрической мощности, их обработка и анализ.

4.2 Сравнительные исследования пространственного распределения интенсивности линий эмиссии ионов кислорода в разрядах постоянного тока, пульсирующем низкочастотном и высокочастотном.

4.3 Энергетические зависимости пространственного распределения эмиссии атомов рабочего газа при распылении железосодержащих электродов.

4.4 Пространственная аппаратная функция оптической измерительной системы и реальное пространственное распределение эмиссии плазмы.

4.4.1 Пространственная аппаратная функция оптической системы.

4.4.2 Экспериментальное измерение пространственной аппаратной функции оптической системы.

4.4.3 Пространственная разрешающая способность оптической системы, моделирование измеряемых зависимостей.

4.4.4 Частное решение обратной задачи для профилей эмиссии ионов кислорода, атомов кислорода и атомов железа.

4.5 Выводы.

Глава 5. Оптическая* эмиccия^ атомов распыленных металлов в плазме разряда, ее спектральные и пространственные характеристики для электродов разного типа.

5.1 Сравнительные исследования спектров эмиссии при распылении сложнооксидных и металлических железосдержащих электродов.

5.1.1 Спектры оптической эмиссии плазмы кислородного разряда при распылении электрода из феррита висмута и их особенности.

5.1.2 Сравнение спектрального состава и интенсивностей линий при распылении электрода из феррита висмута и электродов из стальных сплавов.

5.2 Сравнительные исследования пространственного распределения интенсивности линий эмиссии атомов металла при распылении электродов разного типа.

5.2.1 Отличие пространственного распределения интенсивности линий эмиссии рабочего газа и распыленного металла.

5.2.2 Пространственные зависимости интенсивности эмиссии атомов железа при распылении электродов из нержавеющей стали и феррита висмута.

5.2.3 Пространственное распределение интенсивности линий эмиссии металлических компонент для широкого диапазона условий разряда.

5.3 Выводы.

Глава 6. Влияние амбиполярной диффузии на профили оптической эмиссии атомов металлов распыленного электрода.

6.1 Модель пространственного распределения эмиссии атомов металлов

6.1.1 Анализ механизмов возбуждения оптической эмиссии распыленных компонент плазмы разряда.

6.1.2 Основные соотношения.

6.1.3 Расчет распределения концентрации электронов вдоль оси* разряда.

6.1.4 Анализ экспериментальных результатов, их сравнение с расчетными.

6.2 Экспериментальная проверка модели двухзондовым методом.

6.2.1 Методика эксперимента.

6.2.2 Анализ экспериментальных результатов для кислородного разряда.

6.2.3 Анализ экспериментальных результатов для разряда в аргоне. 148 6.3. Экспериментальная проверка модели методом измерения продольной напряженности электрического поля.

6.3.1 Обоснование метода, модельные расчеты, методика эксперимента.

6.3.2 Анализ экспериментальных результатов в кислородном и аргоновом разрядах.

6.3.3 Влияние амбиполярной диффузии на процесс напыления пленок

6.4 Выводы.

Глава 7. Сравнительная динамика распыления компонентов электрода в импульсном емкостном высокочастотном разряде. Временные и энергетические зависимости.

7.1 Энергетические параметры асимметричного импульсного высокочастотного разряда.

7.2 Временные зависимости эмиссии ионов кислорода при распылении железосодержащих электродов.

7.3 Временные зависимости эмиссии распыленного металла при использовании электродов из сложных оксидов и металлического сплава.

7.4 Связь динамики оптической эмиссии с электрическими характеристиками разряда.

7.5 Пространственные характеристики временной динамики эмиссии распыленных компонент электрода.

7.6 Выводы.

Актуальность темы.

Высокочастотный разряд широко используется для изготовления различных устройств микроэлектроники. Наиболее успешным технологическим применением емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР) является напыление тонких пленок из диэлектрических материалов [1-5]. В частности, рекордное качество тонких пленок сложных оксидов (ТПСО) с сегнетоэлектрическими свойствами удается получить при повышенном (около 1 Тор) давлении кислорода [1,5]. Получены результаты при напылении ТПСО из феррита висмута, обладающего свойствами мультиферроика [6]. Особенность технологии состоит в том, что синтез пленок происходит в процессе напыления без дополнительной обработки. Подложку помещают в зону отрицательного свечения, основные процессы сосредоточены в объеме существенно неоднородной плазмы в приэлектродной области.

В процессе напыления ТПСО в ЕВЧР проявляется ряд особенностей разряда, не характерных для других применений. Геометрия разрядной камеры, продиктованная технологическими потребностями, приводит к высокой асимметрии разряда вследствие малой площади распыляемого электрода, что отражается на параметрах разряда [7]. Происходит интенсивное разрушение многокомпонентного ВЧ электрода и распространение распыленного материала по всему объему камеры. Диэлектрические или металлические подложки, на которых осаждаются пленки, находятся под плавающим потенциалом и подвергаются воздействию убегающих электронов. В качестве рабочего газа используется электроотрицательный химически активный кислород, входящий также и в состав распыляемого сложного оксида (СО) [1]. Неоднородная плазма с большим числом компонентов и высокой плотностью мощности интенсивно излу- , чает в широком диапазоне спектра [1,8]. Распределение излучения линий эмиссии в пространстве напылительной камеры имеет ряд особенностей [1,2,4], отражающих структуру и свойства разряда. Развитие методов диагностики, не требующих проникновения в рабочий объем, имеет важное технологическое значение [1,8].

Несмотря на значительный прогресс в изготовлении пленок, многие вопросы, связанные с происходящими разрядными процессами, еще неясны. Недостаточно развита техника измерения энергетических параметров ЕВЧР с учетом влияния всех электрических элементов конструкции напылительной установки [9]. Остается открытым вопрос о принципиальном отличии осевых распределений интенсивности эмиссии распыленных атомов металла и ионов кислорода [1,2,4]. Не исследовано влияние подложки на пространственное распределение излучения и структуру ЕВЧР в целом. Не установлены собственные характеристики оптической системы, используемой для регистрации осевых распределений интенсивности излучения компонент плазмы. Накоплены результаты изучения оптических характеристик плазмы с использованием сегне-тоэлектрических СО, но еще не исследовалось распыление перспективных СО, обладающих свойствами мультиферроика. Чтобы установить соответствия между различными свойствами ЕВЧР, наиболее подходящими могут оказаться S сравнительные исследования с использованием как сложнооксидных, так и металлических электродов в различных средах. До настоящего времени при ВЧ распылении СО исследовались только стационарные режимы разряда и не затрагивались вопросы динамики плазменных процессов. Между тем импульсный режим имеет ряд преимуществ при напылении пленок простого состава и одновременно является методом исследования временных характеристик плазмы разряда.

Таким образом, задача исследования асимметричного емкостного высокочастотного разряда при распылении в кислороде сложных оксидов, в частности со свойствами мультиферроика, в настоящее время является актуальной-и представляет несомненный научный и практический интерес.

В связи с этим в качестве объекта исследования выбран кислородный емкостной высокочастотный разряд в технологической камере напыления тонких пленок сложных оксидов.

Исходя из этого, целью настоящей работы являлось:

1. Исследование свойств разряда, проявляющихся в процессе напыления тонких пленок сложных оксидов.

2. Установление энергетических характеристик асимметричного кислородного емкостного высокочастотного разряда в технологически значимом диапазоне давлений и мощностей.

3. Комплексные исследования плазмы разряда при распылении феррита висмута - сложного оксида со свойствами мультиферроика.

4. Физическая интерпретация особенностей пространственного распределения интенсивности эмиссии компонент плазмы разряда.

5. Исследование влияния подложки на распределение излучения плазмы и электрическое поле разряда.

6. Исследование динамики распыления электродов из сложного оксида и определение возможных режимов импульсной технологии напыления.

Научная задача состоит в разработке методов исследования электрических характеристик асимметричного емкостного ВЧ разряда и оптических свойств излучения плазмы, алгоритмов обработки измеряемых величин, исследовании возникающих закономерностей и физической интерпретация полученных результатов.

Научная новизна определяется поставленными задачами, представленными методами их решения и впервые полученными результатами:

1. Впервые проведены комплексные исследования ЕВЧР при распылении в кислороде феррита висмута, включая энергетические характеристики, спектральный состав излучения плазмы, пространственное распределение интенсивности линий «эмиссии рабочего газа и распыленного металла с учетом его асимметрии (различий в форме и составе электродов) Выявлены ранее не описанные особенности.

2. Предложена и обоснована модель формирования пространственного распределения интенсивности линий эмиссии металла, входящего в состав распыляемого электрода, впервые объяснившая известное явление и подтвержденная экспериментально.

3. Впервые проведено исследование распыления сложного оксида в импульсном режиме ЕВЧР. Получены экспериментальные временные зависимости интенсивности эмиссии ионов кислорода и атомов металлов. Показано принципиальное отличие механизмов образования эмитирующих центров и возбуждения для ионов кислорода и атомов железа. Выявлена временная связь интенсивности эмиссии атомов железа с потенциалом автосмещения активного электрода и диффузией распыленного вещества. Получены основные параметры динамики распыления и транспортировки материала электрода в импульсном режиме ЕВЧР, что может явиться базисом для разработки импульсной технологии напыления тонких пленок сложных оксидов

4. Предложен и отработан метод математической обработки данных высокоскоростного двухканального АЦП, позволяющий многократно повысить разрешающую способность по времени и точность регистрации ВЧ сигналов. Впервые проанализированы гармонические составляющие тока емкостного ВЧ разряда, выявлены причины их возникновения, обнаружено доминирование высших гармоник в сильноточном асимметричном разряде.

5. Предложен и испытан метод экспериментального исследования амби-полярной диффузии в асимметричном разряде в продольном направлении путем измерения напряженности электрического поля. Впервые получены результаты, доказывающие смену знака суммарного поля подложки и поля разряда вблизи подложки-при технологически значимых параметрах разряда

6. Предложен и применен метод сравнительных исследований ЕВЧР при использовании сложнооксидных и металлических электродов. Полученные результаты подтверждают достоинства метода для исследования энергетических и оптических свойств разряда. Подтверждена применимость аналогий ЕВЧР и разряда постоянного тока в асимметричной конфигурации.

7. Предложен метод определения пространственной аппаратной функции многощелевой оптической системы и ее последующего учета для анализа пространственного распределения интенсивности эмиссии различных компонент плазмы разряда.

Научная и практическая значимость.

Научная значимость работы заключается в развитии теории асимметричного емкостного высокочастотного газового разряда при интенсивном распылении материала электрода.

Практическая ценность работы определяется созданными средствами диагностики разряда, обеспечивающими оптимальный контроль параметров в процессе напыления тонких пленок сложных оксидов. Выполнены расчеты измерительных систем, созданы и испытаны измерительные устройства, отработаны алгоритмы обработки сигналов. Определены важные технологические параметры.

Полученные результаты использованы в НИИ физики ЮФУ и ЮНЦ РАН при создании и эксплуатации технологических установок для напыления тонких пленок сложных оксидов в асимметричном емкостном высокочастотном кислородном газовом разряде, а также в учебном процессе при подготовке студентов физического факультета ЮФУ.

Поставленные в диссертации задачи решались в ходе выполнения ряда проектов, в частности гранта РФФИ № 06-08-00419 и темы ЮФУ №05/6-180. Внедрение результатов подтверждено соответствующими документами.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Сильноточный асимметричный емкостный высокочастотный разряд с рабочим давлением около 1 Тор является многочастотным, основная причина появления гармоник заключается в импульсах тока проводимости, протекающих во время касания электронным облаком ВЧ электрода.

2. При распылении электрода из феррита висмута в плазме кислородного емкостного ВЧ разряда обнаружены две линии эмиссии атомов железа 306,7 нм и 613,7 нм с аномально высокой яркостью, в 4 и более раз выше, чем для других линий железа. Эти же линии практически отсутствуют при распылении металлических железосодержащих материалов в разряде с аналогичными параметрами.

3. Осевое распределение интенсивности эмиссии атомов распыленных металлов в области отрицательного свечения, характеризующееся монотонным снижением к нулевому значению у подложки, является следствием изменения концентрации электронов в результате амбиполярной диффузии в продольном направлении, при этом возбуждение атомов распыленного металла осуществляется равновесными электронами плазмы.

4. Установлено, что время достижения максимального значения интенсивности эмиссии распыленных атомов металла в асимметричном сильноточном емкостном ВЧ разряде при давлении кислорода около 1 Тор более 100 мкс, в то время как для ионов рабочего газа оно составляет менее 10 мкс. Временные характеристики эмиссии атомов металла связаны с формированием потенциала автосмещения и диффузным распространением распыленного вещества в объеме камеры.

Апробация

Результаты диссертации докладывались на Симпозиуме «Лазеры на парах металлов» (ЛПМ-2008), Лоо, 22-26 сентября 2008; VI Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу, Краснодар, 5-10 октября 2008; I-IV ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН, г. Ростов-на-Дону, 2005-2008 гг.; на международном симпозиуме "Multiferroics-2", Лоо, 23-28 сентября 2009.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 14 работ, (общим объемом 1,2 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит 0,8 п.л.), из которых 2 статьи [1,2] (0,35 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит 0,3 п.л.), опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 2 статьи в журналах (0,35 п.л., в том числе лично соискателю 0,2 п.л.), 10 тезисов докладов в сборниках трудов научных конференций и симпозиумов (0,4 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит 0,3 п.л.).

Объем и структура

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Она содержит 198 страниц машинописного текста, включая 121 рисунок и список цитируемой литературы из 153 наименований.

7.6 Выводы

1. Изменения интенсивности эмиссии распыленных атомов железа значительно медленнее соответствующих изменений ионов кислорода. Если характерные времена для излучения ионов составляют 2-3 мкс и близки к длительности нарастания тока и напряжения, то характерные времена для атомов железа в исследованном диапазоне параметров - десятки и даже сотни мкс.

2. Динамика нарастания эмиссии распыленных атомов железа связана с формированием потенциала автосмещения активного электрода и диффузным распространением распыленного вещества. Затухание эмиссии происходит в результате послеимпульсного остывания электронов

4. Стационарное распределение атомов железа в разряде происходит не менее чем за 100 мкс.

5. Распределение вещества электрода в импульсном разряде происходит волнами.

6. Динамика эмиссии ионов кислорода отражает динамику формирования пучковых электронов, в то время как, динамика эмиссии распыленных атомов отражает процессы их отрыва от электрода и распространения в объеме камеры.

Заключение Выводы

1. Выполнен анализ совокупности проблем, возникающих при распылении электродов сложного состава при помощи асимметричного ВЧ разряда в технологических установках напыления тонких пленок сложных оксидов.

2. Разработан метод комплексного исследования асимметричного ВЧ разряда невозмущающими электрическими и оптическими средствами измерения. Разработаны и отлажены алгоритмы обработки экспериментальных результатов.

3. Впервые получен обширный экспериментальный материал при распы

I. лении феррита висмута, обладающего свойствами мультиферроика, в ВЧ разряде, в том числе в импульсном режиме.

4. Экспериментально доказаны и теоретически обоснованы ряд особенностей электрических и оптических характеристик ЕВЧР при распылении материалов сложного состава в технологических установках.

5. Предложена модель формирования осевого распределения интенсивности эмиссии атомов распыленных металлов в приподложечной области. Проведена проверка модели различными экспериментальными методами

6. Получены результаты, доказывающие преобладание поля подложки над полем катода вблизи подложки в диапазоне технологически значимых параметров.

7. Обнаружена и обоснована значительная составляющая излучения на ионных линиях рабочего газа, равномерно распределенная в объеме замкнутой камеры напыления тонких пленок.

Рекомендуются:

1. Метод цифровой обработки результатов АЦП, позволяющий многократно увеличить разрешающую способность по времени.

2. Метод определения ВЧ мощности путем перемножения мгновенных значений тока и напряжения и последующего интегрирования.

3. Метод измерения и учета пространственной аппаратной функции многощелевой оптической системы.

4. Обнаруженные линии эмиссии атомов железа с аномально высокой яркостью для контроля оптическими методами процесса напыления пленок феррита висмута.

5. Параметры динамики эмиссии компонент сложного оксида и рабочего газа, полученные экспериментально, для разработки технологии импульсного напыления тонких пленок сложных оксидов.

6. Измерение распределения напряженности электрического поля в разряде модифицированной зондовой методикой

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить благодарность своему научному руководителю к.ф.-м.н. Толмачеву Г.Н. за помощь и постоянное внимание при выполнении работы, а также сотрудникам отдела физики и астрономии ЮНЦ РАН д.ф.-м.н. Мухортову В.Н., к.ф.-м.н. Ковту-ну А.П., к.ф.-м.н. Зинченко С.П., к.ф-т.н. Михайлову Н.Ю. и Севостьянову Б.Я. за помощь в проведении исследований, обсуждении результатов и консультации.

1. Мухортов В.М., Юзюк Ю.И. Гетероструктуры на основе наноразмерных сегнетоэлектрических пленок: получение, свойства и применение // Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2008, 224 с

2. Мухортов В.М. и др. Гетероэпитаксиальный рост пленок сложного оксида из самоорганизованной системы, образующейся в плазме газового разряда // ЖТФ 1999, т. 69. вып. 12. с. 87-91

3. Posadas А.-В. et al. Growth and Novel Applications of Epitaxial Oxide' Thin Films. // Physics of Ferroelectrics: A Modern Perspective, Topics Appl. Physics 105, p. 219-304 (2007)

4. Мухортов В.М. и др. Свойства емкостного поперечного ВЧ разряда повышенного давления кислорода, используемого при получении тонких пленок сложного оксида//ЖТФ 1992. т. 62. вып. 5. С. 22-28.

5. О. Auciello et al. Studies of ferroelectric heterostructure thin films, interfaces, and device-related processes via in situ analytical techniques // Integrated Ferroelectrics, v. 27, Issue 1, 1999, p. 103-118

6. Н.Э. Шерстюк и др. Исследование сегнетоэлектрических свойств пленок феррита висмута методом генерации второй оптической гармоники // Физика твердого тела, 2009, т. 51, вып. 7, с. 1284-1286

7. Bogaerts A. Comparison of modeling calculations with experimental results for rf glow discharge optical emission spectrometry // Spectrochimica Acta Part В 57 (2002) p. 109-119

8. Zambrano G. et al. Optical emission spectroscopy study of r.f. magnetron sputtering discharge used for multilayers thin film deposition // Surface and Coatings Technology 172 (2003) p. 144-149

9. V. Hoffmann et al. New hardware for radio frequency powered, glow discharge spectroscopies and its capabilities for analytical applications // Fresenius J Anal Chem (1996) 355, p. 826-830

10. Мухортов В.М., Толмачев Г.Н., Мащенко А.И. Влияние внутренних параметров системы ВЧ осаждения на механизм синтеза и кристаллизации пленок Pb(ZrTi)03 в процессе их роста // ЖТФ 1993. т. 63. вып. 11. с. 135-142

11. Мухортов В.М. и др. Механизм высокочастотного распыления сложных оксидов // ЖТФ 1998. т. 68. вып. 9. с. 99-103

12. Мухортов В.М. и др. Особенности проявления сегнетоэлектрического состояния в наноразмерных монокристаллических пленках и их применение // Труды ЮНЦ РАН т. 2: Физика. Механика. Техника, под ред. Акад.

13. Г.Г. Матишова. Ростов-на-Дону 2007 г. с. 224-265

14. Мухортов В.М. и др. Создание наноразмерных монокристаллических пленок сложных оксидов путем трехмерного упорядочения атом-кластер-кристалл // Вестник Южного научного центра РАН 2006. т.2 № I.e. 30-36

15. К. Tsuchiya et al. Fabrication of smart material PZT thin films by rf magnetron sputtering method in micro actuators // JSME International Journal Series A, v. 49, No. 2. 2006, p. 201-208

16. Xiang Y.U. etal. Recent Developments in Magnetron Sputtering // Plasma Science & Technology, v. 8, No.3, 2006, p. 337-343

17. Engelmark F. A1N and High-A: Thin Films for 1С and Electroacoustic Applications // Dissertation for the Degree of Doctor of Philosophy in Solid State Electronics. Uppsala University. Sweden 2002

18. Dawber M. et; al. Physics of thin-film ferroelectric oxides // Rev. Mod: Phys. 77, 1083 (2005)

19. Левитский. C.M; Потенциал пространства и распыление электродов в>высо-кочастотном разряде//ЖТФ. 1957. т. 27. вып. 5. с. 1001-1009

20. Годяк В.А., Кузовников А.А. .О вентильных свойствах ВЧ разрядов// Физика плазмы, 1975, т. 1, вып. 3, с; 496

21. Яценко Н'А. Сильноточный ВЧЕ разряд среднего давления // Письма в ЖТФ, 1980 г. №11, с. 2480-248221.; Helmersson U. et al. Review. Ionized physical vapor deposition (IPVD): A review of technology and applications // Thin Solid Films 513 (2006) p. 1-24

22. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостный разряд: Физика. Техника эксперимента. Приложения // М.: Изд-во МФТИ; Наука. Физматлит, 1995. 320 с.

23. Lieberman М.А., Lichtenberg A.J. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. // Wiley, 1994, 299 p

24. Мухортов Bac.M. и др. Применение наноразмерных пленок титаната бария-стронция для перестраиваемых сверхвысокочастотных устройств // Журнал технической физики, 2006, т. 76, вып. 10, с. 106-109

25. Okuyama М. et al. Epitaxial Growth of Ferroelectric PLZT Thin Film and Their Optical Properties // Appl. Phys. 21, p. 339-343 (1980)

26. Lei J.-F. et al. Advances in Thin Film Sensor Technologies for Engine Applications // NASA Technical Memorandum 107418, (1997)

27. Есипов Ю.В., Мухортов B.M. Интегральные датчики динамической деформации на основе тонких сегнетоэлектрических пленок для мониторинга сложных механических систем // ЖТФ, 2009, том 79, вып. 1 с.82-85

28. Nazanin B.-G. Piezoelectric MEMS: Materials and Devices // Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications, Springer US: 2008, p. 413-430

29. R. Ramesh, N. A. Spaldin Multiferroics: progress and prospects in thin films // Nature Materials v. 6, 2007, p. 21-29

30. Mathur N. D., Scott J. F., Eerenstein W. Multiferroic and magnetoelectric materials // Nature Review, v. 442, 2006, p.759-765

31. Pradhan et al. Magnetic and electrical properties of single-phase multiferroic BiFe03 // J. Appl. Phys. 97, 093903 (2005)

32. Yun et al. Structural and multiferroic properties of BiFe03 thin films at room Temperature // J. Appl. Phys. V. 96, 2004

33. Wang J., et al. Epitaxial BiFe03 Multiferroic Thin Film Heterostructures // Science, v. 299, 2003, p. 1718-1722

34. Lee, Y.-H. et al. Low-temperature growth and interface characterization of BiFe03 thin films with reduced leakage current // Appl. Phys. Lett. 87, 172901 (2005)

35. Технология тонких пленок. Справочник под ред. JI. Майсела, Р. Г-лэнга // М.: Советское радио 1977 г. т. 1, 664 е., т. 2, 768 с

36. Плешивцев Н.В. Катодное распыление // М.: Атомиздат 1968

37. Каштанов П.В. и др. Магнетронная плазма и нанотехнология // УФН, т. 177, №5,2007, с. 473-510

38. Kelly P. J., Arnell R.D. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications // Vacuum 56 (2000) p. 159-172

39. D. Depla, et al. Understanding the discharge voltage behavior during reactive sputtering of oxides //J. Appl. Phys (2007), v. 101, Issue 1, p. 013301-013301-9

40. Ховив A.M. и др. Особенности формирования тонких пленок титаната свинца на монокристаллическом кремнии и структуре Si02/Si // Вестник ВГУ. Серия химия, биология 2001, №. 2. с. 68-70

41. Nam S.-M., Tsurumi Т. In Situ Epitaxial Growth of Lead Zirconate Titanate Films by Bias Sputtering at High RF Power // Japanese Journal of Applied Physics v. 43, No. 5A, 2004, p. 2672-2676

42. Cross J. S. et al. Evaluation of Lead Zirconate-Titanate Ceramic Target for Sputter Deposition of Films for Use in Ferroelectric Capacitors // Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2 3] p. 256-261 (2005)

43. Neurgaonkar R. R. et al. Growth of perovskite PZT and PLZT thin films // Journal of Materials Science, 25 (1990) p. 2053-2055

44. Ray S.C. et al. RF magnetron sputtering ferroelectric PbZr0.52Ti0.48O3 thin films with (001) preferred orientation on colossal magneto-resistive layers // Materials Letters 60 (2006) p. 1714-1718

45. Sung Y.-M. Magnetic null discharge sputtering with full target erosion // Surface & Coatings Technology, 193 (2005) p. 123-128

46. Kim Y.-H. Optical Emission Spectroscopy During RF Magnetron Sputtering of Y203, Ba, Cu, and YBa2Cu307 x Targets under Argon and Oxygen Atmospheres // Journal of the Korean Physical Society, v. 46, No. 4, 2005, p. 926-930

47. Blanco O. et al". Growth and properties of Pb(Zr0.53Ti0.47)03 thin films / Microelectronics Journal 36 (2005) p. 543-545у

48. Wang X. et al. Growth of SrTi03 thin films on LaA103(001) substrates; the influence of growth temperature on composition, orientation, and surface morphology // Thin Solid Films 360 (2000) p. 181-186

49. D. Yarmolich et al. Microparticle flow generation by a ferroelectric plasma source // Plasma Devices and Operations v. 14, No. 4, 2006, p. 293-302

50. Mikikian et al. Low frequency instabilities during dust particle growth in a radio-frequency plasma // Phys. Plasmas 13, 092103 (2006)

51. Строкань Г.П. Процессы разрушения поверхности электрода в плазме высокочастотного разряда // ЖТФ, 2001, т. 71, № 9, с. 112-115

52. Cada М. et al. Plasma diagnostics in the pulse magnetron sputtering system used for deposition Ti-C:H thin films // Surface & Coatings Technology 200 (2006) p. 3861-3867

53. Ehiasarian A. P. et al. Interface microstructure engineering by high power impulse magnetron sputtering for the enhancement of adhesion // J. Appl. Phys. 101, 054301 (2007) p. 1-10

54. Walden W.O. et al. Microsecond-pulse glow discharge atomic emission // Fre-senius' Journal of Analytical Chemistry Volume 355, 1996, p. 442-446

55. Yan X. et al. Factors influencing signal profiles in microsecond pulsed glow discharge atomic emission spectrometry // J. Anal. At. Spectrom. 2001, 16, p. 819-824

56. Harrison W. W. et al. Temporal Considerations With a Microsecond Pulsed Glow Discharge // J. of Anal. Atom. Spectrometry, 1997, v. 12, p. 891-896

57. Czarnetzki U. et al. Investigations on ionic processes and dynamics in the sheath region of helium and hydrogen discharges by laser spectroscopic electric field measurements // Appl. Phys. A 72, p. 509-521 (2001)

58. Lewis C. L. et al. Temporal emission characteristics of millisecond pulsed ra-diofrequency and direct current glow discharges // J. Anal. At. Spectrom. 2003, 18, p. 527-532

59. Lewis C.L. et al. Spectral, spatial and temporal characterization of a millisecond pulsed glow discharge: copper analyte emission and ionization // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 56 (2001), p. 487-501

60. Jacksona G. P., King F. L. Bulk plasma properties in the pulsed glow discharge // Spectrochimica Acta Part В 58 (2003) p. 1417-1433

61. Backer H. et al. Time-resolved investigation of plasma parameters during deposition of Ti and ТЮ2 thin films // Surface and Coatings Technology 174 -175, 2003, p. 909-913

62. Lundin D . et al. Anomalous electron transport in high power impulse magnetron sputtering // Plasma Sources Sci. Technol. 17 (2008) 025007

63. Pajdarova A.D. et al. Time-resolved optical emission spectroscopy of pulsed dc magnetron sputtering plasmas

64. Kim Y.M. et al. Spatially resolved optical emission spectroscopy of pulse magnetron sputtering discharge // Thin Solid Films 475 (2005) p. 91-96

65. Liu F. et al. The optical emission spectroscopy study of an rf-plasma-enhanced magnetron sputtering system // Vacuum 81 (2006) p. 221-225

66. Shi J. J., Konga M. G. Radio-frequency dielectric-barrier glow discharges in atmospheric argon Appl. Phys. Lett. 90, 111502 (2007)

67. Яценко H.A. Связь высокого постоянного потенциала плазмы с режимом горения высокочастотного емкостного разряда среднего давления // ЖТФ т. 51 (1981), в. 6, с. 1195-1204

68. Шуаибов А.К. и др. Оптические характеристики плазмы поперечного объемного разряда в смеси гелия и хлористого водорода // ЖТФ 2006, т. 76, вып. 2, с.135-136

69. Kim C.-I. et al. Optical Emission Spectroscopy Analysis on the Chemical" Reaction in Etching of SrBi2Ta209 (SBT) Thin Films Using Inductively Coupled C12/Ar Plasma // J. of the Korean Physical-Society, v. 39, 2001, p. 219-223

70. Winchester M. R., Payling R. Radio-frequency glow discharge spectrometry: A critical review // Spectrochimica Acta Part В 59 (2004) p. 607-666

71. Pan X. et al. Comparison of fundamental characteristics between radiofrequency and direct current powering of a single glow discharge atomic emission spectroscopy source // J. Anal. At. Spectrom. 1998, 13, p. 1159-1165

72. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987 г., 592 с

73. Буднянский A.M. О механизме приэлектродных слоев в ВЧ разряде // Письма в ЖТФ, т. 18 (1992), вып. 1, с. 17-22

74. Яценко Н.А. Механизм формирования пространственной структуры высокочастотного емкостного разряда // ЖТФ т. 58 (1988), в. 2, с. 294-301

75. Gottscho R.A. Glow-discharge sheath electric fields: Negative-ion, power, and frequency effect./ Physical Review A, 1987, v. 36, Num. 5, p. 2233-2243

76. James B. W. et al. Rf-discharge sheath diagnostic by test grains of different size // AIP Conf. Proc. June 11, 2003 - Volume 669, pp. 90-92

77. Li Z.-G., Ding Y. Sheath potential difference studies in low-pressure high-frequency capacitive RF plasma as a fundamental research for ion energy impinging on the material surface // Surface & Coatings Technology 200 (2006) p. 5655-5662

78. Годяк B.A., Ханна A.X. Исследование столкновительного ВЧ-разряда в диапазоне радиочастот // Физика плазмы 1980, т. 6, вып. 3, с. 676-683

79. Lieberman М.А., Lichtenberg A.J. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing //Wiley, 1994, 299 p

80. Panagopoulos Т., Economou D. J. Plasma sheath model and ion energy distribution for all radio frequenci // J. Appl. Phys. v. 85, No. 7, 1999; p. 3435-3443

81. Dewan M. N. A., McNally P. J., Herbert P. A. F. Plasma modeling for a non-symmetric capacitive discharge driven by a nonsinusoidal radio frequency current // J. Appl. Phys. v. 91, No. 9, 2002, p. 5604-5613

82. E.A. Богданов и др. Правила подобия для плазмы кислородного разряда // ЖТФ, 2002, т.72, вып.8, с. 13-20

83. F. X. Bronold Radio-frequency discharges in oxygen: I. Particle-based modeling // J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) p. 6583-6592

84. S. H. Lee et al. Particle-in-cell Monte Carlo and fluid simulations of argon-oxygen plasma: Comparisons with experiments and validations // Phys. Plasmas 13, 057102 (2006)

85. Y. Yin et al. The origins of self-bias on dielectric substrates in RF plasma processing // Surface & Coatings Technology 200 (2006) p. 3670-3674

86. Schulze J. et al. Electron beams in asymmetric capacitively coupled radio frequency discharges at low pressures // J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 042003 (5pp)

87. Александров А.Ф. и др. Электронный энергетический спектр приэлектрод-ной плазмы асимметричного емкостного ВЧ разряда низкого давления // Письма в ЖТФ. 1999, т. 25. вып. 19. с. 32-39

88. Абрамов А.С. и др. Исследование ионной бомбардировки пленок аморфного кремния в процессе плазмохимического осаждения в высокочастотном разряде // ЖТФ 1998, т. 68, вып. 2, с.52-59

89. Строкань Г.П. Особенности формирования приэлектродного заряда в лазерах с поперечным высокочастотным разрядом в асимметричных конструкциях // ЖТФ, 2008, т. 78, вып. 2, с. 91-94

90. Guan Z.-Q. et al. Simulations of dual rf-biased sheaths and ion energy distributions arriving at a dual rf-biased electrode // Physics of Plasmas, v. 12, Issue 12, p. 123502-123502-8 (2005)

91. Хасилев В.Я. Исследование активных сред ионных лазеров на парах металлов с поперечным высокочастотным разрядом // Дис. канд. физ.-мат. наук. Ростов-на-Дону. 1981

92. Wilken L. et.al. Development of a radio-frequency glow discharge source with integrated voltage and current probes / J. Anal. At. Spectrom. 2003, 18, p. 646-655

93. Butler H.S., Kino G.S. Plasma Sheath Formation by Radio-Frequency Fields // The Physics of Fluids, 1963, v. 6, p. 1346-1355

94. Sobolewski M. A. Measuring the ion current in high-density plasmas using radio-frequency current and voltage measurements // J. Appl. Phys. v. 90, No. 6, 2001 p. 2660-2671

95. S. Shannon et al. The impact of frequency mixing on sheath properties: Ion energy distribution and Vdc/Vrf interaction. / J. Appl. Phys. 97, 103304 (2005)

96. Grenier et. al. A Simple Ion Flux Estimation in*a Low Pressure R.F. Plasma (13.56 MHz). // J. Phys. Ill France 7 (1997) 937-950

97. Takaki K., Koseki D., Fujiwara T. Heat flux distribution on a substrate in ca-pacitively coupled radio-frequency discharges // Appl. Phys. Lett. v. 80, No. 9, 2002, p. 1526-1528

98. Ayguavives F. et al. Correlation between in situ optical emission spectroscopy in a reactive Ar/02 rf magnetron sputtering discharge and Pb(Zr x Ti l-x)03 thin film composition // Appl. Phys. Lett. v. 73, No. 8, 1998, p. 1023-1025

99. J. Kim et al. In situ photoemission study on SrRu03 /SrTi03 films grown by pulsed laser deposition // Physical Review, В 71, 121406(R) (2005)

100. Д.С. Никандров, Л.Д. Цендин Бесстолкновительные слои емкостного разряда в различных частотных диапазонах // Письма в ЖТФ, 2006, т.32,' вып.16, с. 62-74

101. Абрамов А.А. и др. Расчет параметров электронного ансамбля в гелии при однородных электрических полях методом Монте-Карло // ЖТФ, 1997, т.67, №2, с. 17-19

102. Bogaerts A. Modeling of glow discharge optical emission spectrometry : Calculation of the argon atomic optical emission spectrum // Spectrochimica Acta Part В (1998) p. 1517-1526

103. H. C. Kim et al. Discharge asymmetry induced by the pulsed^ radio-frequency current//Appl. Phys. Lett. v. 84, No. 6, 2004

104. Bogaerts A., Gijbels R. Behavior of the sputtered copper atoms, ions and excited species in a radio-frequency and direct current glow discharge // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, v. 55, num. 3,2000, p. 279-297

105. Bogaerts A., Gijbels R. Description of the argon-excited levels in a radio-frequency and direct current glow discharge // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, v. 55, num. 3, 2000, p. 263-278

106. L.B. Jonsson et al. Frequency response in pulsed DC reactive sputtering processes // Thin Solid Films 365 (2000) p. 43-48

107. Мухортов В.М. Гетероэпитаксия сложных оксидов. Дис. докт. физ.-мат. наук. ИОФ РАН. Москва. 2001

108. Кривоносов С. Е. Механизмы возникновения катодных неустойчивостей при напылении пленок сложных оксидов. Дис. канд. физ.-мат. наук. Ростов-на

109. Бакаев А.А. Эффективность формирования убегающих электронов в различных типах поперечных газовых разрядов // Дис. канд. физ.-мат. наук. Ростов-на-Дону. 2003

110. Грановский B.JI. Электрический ток в газе (установившийся ток). М.: Наука, 1971. 544с

111. Гапонов В.И. Электроника. Часть 1. Физические основы., Государственное издательство физико-математической литературы, Москва 1960. 516 с

112. Кропотов Н.Ю. и др. Особенности вольтамперных характеристик слаботочной формы высокочастотного разряда Е-типа // Письма в ЖТФ, т. 15 (1989), вып. 21, с. 17-21

113. Bogaerts A. Argon and copper optical emission spectra in a Grimm glow discharge source: mathematical simulations and comparison with experiment // J. Anal. At. Spectrom. 1998,13, p. 721-726

114. Иванов И.Г., Латуш Е.Л., Сэм М.Ф. Ионные лазеры на парах металлов. // М.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.

115. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969 г., 291 с.

116. Латуш Е. Л. Газоразрядные рекомбинационные лазеры на парах металлов. Дис. докт. физ.-мат. наук. Ростов-на-Дону. 2000

117. Иванов И. Г. Ионные газоразрядные лазеры на парах металлов с накачкой столкновениями 2-гоо рода. Дис. докт. физ.-мат. наук. Ростов-на-Дону. 2004 Дону. 2003

118. M. Nisha et al. Characterization of radio frequency plasma using Langmuir probe and optical emission spectroscopy // J. Appl. Phys. 99, 033304 (2006)

119. Magdalena A., Sullivan J.L. Langmuir probe measurements in an asymmetrical RF discharge // Romanian Reports in Physics, Vol. 57, No. 1, p. 71-77, 2005

120. Y.-W. Kima et al. Time-resolved plasma measurement in a high-power pulsed ICP source for large area // Surface & Coatings Technology 186 (2004) p. 161-164

121. J.W. Bradley et al. Time-resolved Langmuir probe measurements at the substrate position in a pulsed mid-frequency DC magnetron plasma // Surface and Coatings Technology 135(2001) p. 221-228

122. Geigl et al. Analysis and Kinetics of Transient Species in Electrode Near Plasma and Plasma Boundary Sheath of RF Plasmas in Molecular Gases // Contrib. Plasma Phys. 45, No. 5-6 (2005) p. 369-377

123. McMillin K., Zachariah M. R. Two-dimensional argon metastable density measurements in a radio frequency plasma reactor by planar laser-induced fluorescence imaging // J. Appl. Phys. v. 77, No. 11, 1995, p. 5538-5544

124. Ray P.P., Chaudhuri P. Optical emission spectroscopy used to study the characteristics of the capacitive radio-frequency discharge in argon // Czechoslovak Journal of Physics, v. 53 (2003), No. 3 p. 229- 234

125. Qayyum A. et al. Optical emission spectroscopy of Ar -N2 mixture plasma // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 107 (2007) p. 361-371

126. Y.M. Kim et al. Optical emission spectra and ion energy distribution functions in TiN deposition process by reactive pulsed magnetron sputtering // Surface & Coatings Technology 200 (2005) p. 835- 840

127. Gupta S., Compaan A.D. Characterization of Cdl-xMgxTe film and plasma diagnostic studies by optical emission- spectroscopy during sputtering // Appl Phys B; 2009, v. 95, p. 787-794

128. Barber Z.H. et al. The measurement and control of ionization of the depositing flux during film growth // Vacuum, 69 (2003) p. 53-62

129. Iljinas A. et al. Growth of ITO thin films by magnetron sputtering: OES study, optical and electrical properties // Vacuum 83 (2009) p. 118-120

130. Roberts J. R. Optical Emission Spectroscopy on the Gaseous Electronics Conference RF Reference Cell // J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 100, 353 (1995) p. 353-371

131. Толмачев Г.Н. Исследование активных сред и характеристик излучения ионных лазеров непрерывного действия на парах металлов. Дис. канд. физ.-мат. наук. Саратов. 1978 г.

132. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. М.: Мир, 1983 г. 512 с

133. Belenguer Ph. et al. Plasma sheath model and ion energy distribution for all radio frequencies Electrical characteristics of a RF-GD-OES cell // J. Anal. At. Spec-trom. 2001, 16, p. 1-3

134. Данцигер А.Я., Разумовская O.H., Резниченко JI.A., Дудкина С.И. Высокоэффективные пьезокерамические материалы. Оптимизация поиска. / Ростов-на-Дону.: Пайк, 1994 г., 96 с

135. Биберман Л.М. Воробьев B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982 г., 375 с

136. Физическая энциклопедия, / Гл. ред. Прохоров A.M. // М.: Сов. Энциклопедия. 1988 г. Т.1-Т.5

137. ЛандсбергГ.С. Оптика. НМ: ФизМатЛит, 2003. 848 с

138. Сизиков B.C. Устойчивые методы обработки результатов измерений. // СПб.: «СпецЛит», 1999. 240 с

139. Е. Перчик. Методология синтеза знаний: преодоление фактора некорректности задач математического моделирования. Харьков. 2004. /www.pelbook.narod.ru

140. Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии. М.: Изд-во МГУ, 1986 г., 352 с

141. Зайдель А.Н. и др. Таблицы спектральных линий. М.: Наука, 1969 г., 784с

142. NIST Atomic Spectra Database / http://phvsics.nist.gov/PhvsReЮata/ASD/lines form.html

143. Е.А. Богданов, А.А. Кудрявцев Условия реализации больцмановского распределения отрицательных ионов в плазме // Письма в ЖТФ, 2001, т. 27, вып. 21, с. 36-42

144. Н. J. Yoon, Т. Н. Chung Calculation of Radial Proles of Oxygen Atoms in High-Density Oxygen Discharges // Journal of the Korean Physical Society, v. 44, No. 5, 2004, p. 1033-1038

145. J. M. Andersson et al. Energy distributions of positive and negative ions during magnetron sputtering of an Al target in Ar/ 02 mixtures // J. Appl. Phys. 100, 033305 (2006)

146. Голант B.E. Жилинский А.П. Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. М. Атомиздат, 1977 г., 384 с

147. Чен Ф. Введение в физику плазмы. М.: Мир, 1987 г., 398 с

148. Смирнов Б.М. Диффузия и подвижность ионов в газе // УФН 1967 г. т.92, вып. 1, с.75-103

149. А.В. Елецкий, Б.М. Смирнов Диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона // УФН 1982 г., т. 136, вып.1, с.25-59

150. V. Е. Fortov et al. Dependence of the Dust-Particle Charge on Its Size in a Glow-Discharge Plasma. / Physical Review Letters. 2001 VOLUME 87, NUMBER 20, p. 205002-1-205002-4

151. E. Stoffels et al. Dust formation and charging // J. Vac. Sci. Technol. A 14(2), 1996, p. 556-561

152. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

153. А1. Исследование пространственного распределения интенсивности линий оптической эмиссии плазмы высокочастотного разряда в процессе напыления феррита висмута / П.С. Пляка, Г.Н. Толмачев, А.П. Ковтун // Письма в ЖТФ, 2008, том 34, вып. 19, с.60-66