В МГУ разработан способ точного контроля за ионами в плазменных технологиях, совмещающий экспериментальные измерения с математическим моделированием.
Воздействие с помощью ионов на поверхность различных материалов – основа современных технологий плазменной обработки, таких как плазмохимическое травление (удаление слоя определённой толщины) и осаждение металлов, полупроводников и диэлектриков. При этом необходим высокоточный контроль различных параметров плазмы, в том числе энергий ионов, особенно при проведении травления с атомно-слоевой точностью. Такие процессы используются, например, при производстве современных микрочипов. Контроль распределения энергии ионов имеет решающее значение для точной модификации материала, особенно в технологиях атомного уровня. Кроме того, он определяет скорость реакций на поверхности.
«Настоящий» датчик для измерения энергетического спектра ионов (Фото: Сергей Зырянов/МГУ)
Открыть в полном размере
Поскольку этот контроль должен осуществляться в «реальном времени», для него требуется обратная связь «в реальном времени» с использованием быстрых датчиков параметров процесса. В лаборатории «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» МГУ разработан такой датчик энергетического спектра ионов, однако, он требует своего помещения в поток ионов и в промышленном плазмохимическом реакторе его использование невозможно.
Поэтому исследователи предложили подход, называемый «виртуальным датчиком», в котором оценка энергетического спектра ионов в газовом разряде осуществляется по внешним измеряемым параметрам разряда с использованием математического моделирования. В качестве входных данных используется экспериментально измеренная форма напряжения на плазменном слое и плотность плазмы, компьютерное моделирование движения ионов производится методом Монте-Карло. Отладка данной модели «виртуального датчика» осуществлялась на экспериментальных данных с «настоящего» не «виртуального» датчика. Результаты работы опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology.
Чтобы подтвердить предложенный подход, были проведены эксперименты с использованием различных средств диагностики плазмы в нескольких газах: аргоне и ксеноне в качестве примеров плазмы с атомарными ионами и азота в качестве примера плазмы с молекулярными ионами. Во всех случаях исследователи смогли получить достоверную оценку спектра ионов, близкую к экспериментальной, за достаточно короткое время (десятки секунд при использовании современного компьютера).
Полученные результаты демонстрируют возможность использования виртуального датчика распределения энергии ионов в плазме высокочастотных разрядов, и важны для исследований реакторов плазмохимического травления, используемых при производстве современных микрочипов с характерным размером структур менее 10 нанометров. В перспективе это позволит усовершенствовать технологии создания новых материалов.