Резонансные явления при магнетронном напылении металлических нанопленок в локальном поле на подложке Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

18

НАНОСИСТЕМЫ

РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ МАГНЕТРОННОМ НАПЫЛЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОПЛЕНОК В ЛОКАЛЬНОМ ПОЛЕ НА ПОДЛОЖКЕ

1Грачёв В. И., 2Марголин В. И., 2Тупик В. А.

^Научно-производственная компания "АВЕРС", www.aversnpk.ru 101000 Москва, Российская Федерация

2Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ", www.eltech.ru 197376 Санкт-Петербург, Российская Федерация

Поступила в редакцию 10.04.2014

Представлена действительным членом РАЕН С.П. Губиным

Приведены результаты экспериментальных исследований по ионному магнетронному напылению металлических пленок в электромагнитном поле, сгенерированным криволинейной дифракционной решеткой, которая расположена под подложкой в фиксированном контакте. Полученные пленки исследованы методами оптической и электронной микроскопии. Обнаружена многослойная структура пленок со слоями порядка нескольких нанометров. Каждый слой имеет мелкозернистую структуру, упорядоченную по алгоритму интерференционного поля дифракционной решетки. Рентгенофазовый анализ и атомно-силовая микроскопия полученных пленок выявили куполообразность зерен различного иерархического уровня. Структура каждого последующего слоя оказалась уменьшенным подобием слоя предыдущего. В предположении фрактальности синтезируемых пленок просчитаны их фрактальные размерности. Выявлен эффект репликации пленок: напыление структурированной пленки при замене дифракционной решетки только что напыленной пленкой. Обсуждаются возможные резонансные явления при напылении пленок в предлагаемых условиях.

Ключевые слова: магнетронное распыление, дифракционная решетка, металлические пленки,

микроскопия, фракталы, резонанс

УДК 538.95.678.5-419

Содержание

1. Введение (18)

2. Аппаратура и методика эксперимента (19)

3. Дифракционная решетка как фактор технологии напыления (19)

4. Синтез пленок в локальном поле и их исследование (20)

5. Фрактальный анализ пленок (22)

5.1. Фрактальная размерность (23)

5.2. Степень фрактальности (23)

6. Репликация пленок (24)

7. Резонансные явления в многослойных пленках (25)

8. Заключение (26)

Литература (26)

1. ВВЕДЕНИЕ

Фундаментом современной микроэлектроники является планарная тонкопленочная технология, основной задачей которой является синтез тонких пленок с требуемой конфигурацией и высокоточным прецизионным топологическим

рисунком в субмикронных и нанометровых по толщине слоях. Одним из эффективных решений подобного рода задач является использование электромагнитных (ЭМ) полей в качестве универсального структурирующего физического агента при синтезе наноструктур. Однако обычное облучение любой системы ЭМ полем не приведет к самосогласованию и самокоррекции структуры пленки. Частотное и временное структурирование ЭМ поля не позволяет добиться нужного результата, остается возможность его пространственного структурирования. Однако обычная

дифракционная решетка, представляющая собой систему плоскопараллельных линий или их комбинацию, охватывает только чрезвычайно ограниченный диапазон частот. Необходима разработка и применение сложных криволинейных дифракционных решеток (КДР), представляющих собой регулярную и упорядоченную комбинацию замкнутых

1 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

криволинейных структур, в которых всегда найдется участок решетки, кратный определенной длине волны. Такого типа решетки были разработаны и использовались в исследованиях, описываемых в настоящей работе [1-3].

Вданном сообщениипредставленырезультаты изучения условий синтеза металлических пленок при магнетронном распылении с использованием структурированного электромагнитного поля в области подложки и анализа свойств полученных наноструктур с обоснованием некоторых их особенностей [4-7].

2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Использовалась модифицированная рабочая камера серийной вакуумной системы ВУП-5М (рис. 1). На вакуумном колпаке установки закреплено магнетронное распылительное устройство собственной разработки с диаметром катода (медной мишени) 40 мм, расстояние катод-подложка равно 80 мм. Магнетронное устройство изготовлено на базе бариевого магнита и позволяет легко производить смену катода. В установке предусмотрена подача на рабочий стол постоянного потенциала в пределах от -300 В до +300 В. При стандартном отработанном режиме катодное напряжение составляло величину порядка 900 В, ток газового разряда до 2.5 А, в качестве плазмообразующего газа использовался аргон с рабочим давлением в камере 310-4 мм рт.ст., при величине остаточного

Рис. 1. Вакуумная камера: 1 — герметизирующая прокладка, 2 — анод, 3 — дифракционнаярешетка (КДР), 4 — подложка, 5 — поток наносимого материала — плазменный столб газового разряда, 6 — катод, 7 — экран, 8 — игольчатый натекатель, 9 — прокладка, 10 — магнитная система.

РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ МАГНЕТРОННОМ 19 НАПЫЛЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОПЛЕНОК...

вакуума 310-5 мм рт.ст. Магнетронная плазма — столб по нормали к подложке и катоду, время напыления варьировалось от 10 с до 35 с [4].

Подложки для напыления: моно-

кристаллический кремний марки 76 КДБ-7.5 с ориентацией пластин <100> или аморфное стекло Т-8.

3. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА КАК ФАКТОР ТЕХНОЛОГИИ НАПЫЛЕНИЯ

Для создания электромагнитного поля в области подложки с целью влияния на процессы самоорганизации пленочных структур использовалась криволинейная дифракционная решетка [2], размещаемая под подложкой в фиксированном контакте (рис. 2а). Решетка выполнена в виде комбинации замкнутых криволинейных штриховых структур, скомпонованных по определенному алгоритму. В тонкопленочном исполнении рисунок выполнен светлыми линиями на темном фоне (покрытие из Fe2O3) на подложке - фотошаблонном боросиликатном оптическом стекле или темными линиями (Cr, Ti, Al и др.) на светлом прозрачном стекле. В случае щелевой технологии изображение решетки формируется методами прецизионной оптической

литографии, а удаление материала — методами реактивного ионно-плазменного травления. Структурная сложность КДР определяется возможностями технологии прецизионной литографии, с одной стороны, и вычислительной техники и программного обеспечения, с другой стороны, поскольку расчет топологии КДР представляет собой нетривиальную задачу.

Сложная геометрическая структура КДР содержит большое количество фрагментов, которые можно рассматривать как индивидуальные дифрагирующие элементы. Число таких элементов достигает 400000 и хотя все они самоподобны, т.к. строятся по фрактальному принципу, но имеют разную конфигурацию и размеры. Это обеспечивает КДР значительную широкополосность при преобразовании решеткой электромагнитного излучения. Широкополосность КДР

обеспечивает также возможность применения подложек из всех видов материалов, прозрачных не только для оптического диапазона длин волн. КДР взаимодействует с ЭМ полем, возникающем

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1

20

ГРАЧЕВ В.И., МАРГОЛИН В.И., ТУПИК В.А.

НАНОСИСТЕМЫ

а б в

Рис. 2. КДР - криволинейная дифракционная решетка (а), ее интерференционное поле (б) и расчет распределения (в)

напряженности электрической составляющей ЭМ поля над поверхностью подложки.

в объеме рабочей камеры, структурирует его и инициирует процессы самоорганизации в получаемых пленках.

При облучении от неточечного немонохроматического источника излучения в пространстве над поверхностью КДР образуется интерференционное поле (ИП), представляющее собой упорядоченную пространственную 3D структуру интерференционных максимумов и минимумов, располагающуюся в объеме пространства в нескольких мм над поверхностью подложки (рис. 2б). Отчетливо видна сложная структура возникающего ИП, имеющая слоистый характер и распределение в пространстве как в каждом латеральном слое, так и по нормали к подложке. Причем надо отметить, что получаемая картина ИП имеет распределение и по длинам волн как в латеральных слоях, так и по нормали. Электромагнитное поля разряда в области подложки преобразуется решеткой в когерентную форму, причем распределение вектора напряженности электрического поля имеет сфероподобный вид (рис. 2в). Такое поле является технологическим параметром в процессе синтеза пленок на подложке при обстреле ее плазмой.

Исследовалась структура газового

плазменного столба в поле КДР. Параметры плазмы определялись методом электрических зондов — проволочных игл диаметром 0.5 мм из нержавеющей стали в плазменном объеме, регистрация напряжения зонда в процессе напыления производилось платой АЦП/ЦАП «L-154» на персональном компьютере (софт -POWERGRAPH). При анализе спектральной

плотности мощности напряжения зонда видно, что при использовании КДР происходит перераспределение энергии электромагнитного поля разряда на другие значения частот. Это подтверждает взаимодействие КДР с ЭМ полем, возникающим в объеме рабочей камеры, и инициацию решеткой процессов самоорганизации в получаемых пленках.

4. СИНТЕЗ ПЛЕНОК В ЛОКАЛЬНОМ ПОЛЕ И ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ

Получение и исследование наноразмерных пленок проводилось с использованием таких металлов как медь, титан, алюминий, никель. Пленки индия, селенида свинца и некоторые образцы медных пленок наносились также методом термического вакуумного напыления в установке УВН-71 на подложки из монокристаллического кремния в стандартном технологическом режиме. Основной объем проведенных исследований — магнетронное напыление медных пленок.

Структура таких пленок, полученных на кремниевых пластинах без воздействия КДР, полностью соответствует традиционным представлениям и классической теории конденсации и представляет собой однородный и равномерный мелкозернистый слой нанесенного металла без каких-либо неоднородностей. На рис. 3а представлено АСМ изображение такой пленки (АСМ SOLVER P47).

Напыление пленки в присутствии КДР формируется по механизму, включающему в себя стохастический процесс диффузии частиц по поверхности подложки в условиях меняющейся

1 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ МАГНЕТРОННОМ 21 НАПЫЛЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОПЛЕНОК...

а б в

Рис. 3. АСМ изображения: структура обычной медной пленки (а), медной пленки, синтезированной в поле КДР (б) и ее

увеличенное изображение (в).

конфигурации рельефа интерференционного поля системы стоячих электромагнитных волн на границе раздела «подложка-плазма» в газовом разряде. Полученные пленки проиллюстрированы на микрофотографиях (рис. 3б, в АСМ AutoProbe M5) центра пластины. Пленка состоит из мелких зерен. Их морфология обусловлена, по-видимому, термодинамическим фактором минимизации свободной энергии конденсата с учетом размерных эффектов и возможностей диффузионного массопереноса компонентов во время конденсации. Наблюдается многоуровневая система: внутри образований растут мелкие куполообразные структуры типа зародышевых следующего уровня самоподобия. В зоне центрального пятна высота стенок достигает единиц микрон. На рис. 3б представлен локальный участок под вскрытым куполом. Рис. 3в иллюстрирует увеличенный фрагмент такой структуры. Отчетливо видна россыпь еще более мелких образований «пупырчатого» вида, «засеивающих» все пространство между большой куполообразной структурой и мелкими куполообразными структурами. Эти результаты позволяют охарактеризовать как минимум три уровня самоподобной структуры с размерами отдельных зерен: 1) порядка 10-15 мкм, 2) порядка 1-2 мкм, 3) порядка 0.1 мкм.

Рентгенофазовый анализ (РФА) полученных пленок основан на регистрации дифракционных спектров отражения от фазовых структур в составе образца и идентификации их по каталогу. Пластинки образцов закреплялись в стандартной кювете для порошковых исследований. Каждый образец был рентгенографирован с обеих сторон со скоростью 1 град/мин. Аморфная составляющая не регистрируется. Точность РФА ~10 вес% (при наличии данных РМА). Использовались растровый электронный

микроскоп JSM-35CF, рентгеновский

микроанализатор дисперсионного типа Link 860, дифрактометр «Geigerflex» - D/max-RC, металлографический микроскоп Metalloplan HL6x6 с интерференционной приставкой, атомно-силовой микроскоп — профилометр АСМ «Solver P47». Данные по РФА приведены на рис.4. Условия РФА: напряжение — 30 кВ, ток — 40 мА, излучение монохроматическое CuKa, скорость сканирования — 1.5 град/мин, шаг регистрации — 0.01 градуса, компьютерная регистрация. Обработка и расшифровка рентгенограммы проводилась по программам фирмы Rigaku с использованием каталога соединений (500 000).

Так как пленки имеют малую толщину, сигнал от меди очень слабый, что приводит к необходимости производить накопление спектра в течение нескольких часов при высокой мощности первичного рентгеновского излучения. Это обуславливает высокий уровень шумов от тормозного излучения в области пиков меди. Параметры элементарной ячейки меди не отличаются от стандартных и составляют 3.615 ангстрема. В пленке нет ярко выраженной текстуры: соотношение пиков Cu(111) и Cu(200)

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1

НАНОСИСТЕМЫ

22

ГРАЧЕВ В.И., МАРГОЛИН В.И., ТУПИК В.А.

характерно для обычной нетекстурированной пленки меди. Фазы, отличные от Cu в пленке не обнаружены. Наличие в пике Cu(100) перегиба (отмечен кружком) означает, что его форма может быть аппроксимирована двумя гауссовыми распределениями, имеющими разную полуширину и соответствующими двум типам областей когерентного рассеяния (ОКР), представляющими собой образования кластерного типа с характерными размерами d, < 40 А и d2 > 100 А. Средний размер ОКР составляет 65 А, оценочная толщина пленки <1000 А (0.1 мкм). Наименьший размер кластеров 3-5 А при размере атома меди ~1.4 А, т.е. кластер содержит 3 атома меди.

На рис. 5 приведены сформированные в режиме истинно-вторичных и отраженных электронов электронно-микроскопические

изображения одного и того же участка наноразмерной медной пленки, нанесенной на кремниевую подложку, полученные при различных степенях увеличения. Условия анализа РЭМ: ускоряющее напряжение — 25 кэВ, ток зонда — 6-10-10А, время анализа — 100 сек. Для определения толщины пленочных покрытий использовался метод Яковица-Ньюбери, основанный на зависимости так называемого К-фактора = / (пленка)//(объем) от массовой толщины пленки. Расчет выполнялся по программе TFOS, /(пленка), /(объем) — соответственно интенсивность линии элемента, входящего в состав покрытия, измеренная на покрытии и на объемном стандарте.

На всех микрофотографиях присутствуют куполообразные структуры различного иерархического уровня. Тонкая структура (3го уровня) хорошо видна на снимке (в). На снимке (г) — вскрытая куполообразная структура с мелкими куполообразными подструктурами, заполняющими подкупольное пространство.

5. ФРАКТАЛЬНЫЙ анализ пленок

Исследование полученных пленок выявило их многослойность. В каждом слое обнаружена упорядоченность зернистости по алгоритму интерференционного поля от криволинейной дифракционной решетки. При этом отмечается закономерное увеличение в объеме и усложнение структуры зерен от периферии слоя, где они предельно малы, к центру конденсации (пластины), где они достигают сотен нм. В сравнении структуры слоев усматривается системная иерархичность до самоподобия частей. Все это вызывает предположение о возможности применения фрактального подхода к анализу полученных структур и наблюдаемых процессов.

Универсальность использования фрактальных моделей соотносится с тем, что фрактальность присутствует практически во всех реальных процессах и структурах. Фракталы, как модельные системы для совмещения непрерывного и дискретного описания необратимых явлений, мало пригодны для описания реальных объектов, т.к. задаются малым числом параметров и характеризуются лишь одной величиной фрактальной размерности и поэтому не могут охватить всего природного разнообразия. Имеющиеся в реальных материалах структуры являются весьма сложными стохастическими образованиями, самоподобными только в среднем в определенном диапазоне масштабов. Поэтому однозначные универсальные корреляции между фрактальной размерностью структур материалов и их механическими или электрофизическими характеристиками пока неизвестны. Тем не менее понятие фрактальной размерности является достаточно мощным средством классификации неупорядоченных структур — фракталоподобных объектов и дает возможность проводить их сравнение, опираясь на числовые характеристики [8-10].

б в

Рис. 5. РЭМ (а, б, в) и РЭМ профиль (г)

1 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ МАГНЕТРОННОМ 23 НАПЫЛЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОПЛЕНОК...

5.1. Фрактальная размерность

Фрактальная размерность реальных объектов может быть определена и рассчитана с помощью различных методик. Их можно разделить на геометрические (метод вертикальных сечений, метод островов среза, Фурье анализ профилей, метод подсчета числа ячеек и пр.) и аналитические, связанные с использованием физической аппаратуры (ртутная порометрия, все виды микроскопии — оптическая, растровая электронная, просвечивающая электронная, атомно-силовая, вторичная электронная эмиссия, малоугловое рассеяние электронов и нейтронов и т.д.).

В наших исследованиях фрактальная размерность синтезированных наноразмерных пленок была определена для каждой микрофотографии и РЭМ-изображения структуры с помощью программы «HarFa» [11]. Соответствующим образом обрабатывались электронно-микроскопические изображения поверхностей пленок, использовались данные атомно-силовой микроскопии, поставляющие информацию о трехмерной структуре объекта. В предположении о пленке как объекте, эволюционирующем на основе законов самоподобия и масштабной иинвариантности, можно рассмотреть двумерные, плоские изображения сечений поверхности в каком-то определенном направлении. Это можно сделать, рассекая исходное изображение параллельными, отстоящими друг от друга на одинаковом расстоянии плоскостями, перпендикулярными плоскости подложки. Тогда пересечения исходной, предположительно фрактальной поверхности с этими плоскостями дают изображения кривых, которые можно обработать.

Для определения размерности поверхности она была определена как емкостная, с использованием прямоугольных покрытий. Для моделирования изображения как фрактального объекта купола на поверхности аппроксимируются кубиками, в серединной части которых строится меньший куб со стороной а =1/3. Тогда длина покрытия s = 1/3 и число покрытий частей поверхности на каждом шаге построения фрактального купола N(s) =13.

Формула для расчета емкостной размерности дает для такого объекта размерность

D = 3 = 2,3347.

log3

Расчет проведен на основе покрытий изображения поверхности кубиками разных размеров. Первая ступень моделирования показана на рис. 6а, рис. 6b показывает результат третьей итерации. Объект стал выглядеть как поле с пирамидами, размеры которых подчиняются заданным соотношениям. От исходного изображения модель отличает регулярность, которая в изображении отсутствует. На рис. 6с модель изображена в двух проекциях: внизу вид сверху и верхняя проекция — вид сбоку.

Регулярный фрактал, использованный для аппроксимации исходной поверхности, имеет размерность 2.3347. Так как реальный фрактал нерегулярен и на поверхности имеются купола, стоящие на разных ступенях эволюции и имеющие разные размеры, то следует ожидать, что его размерность составит величину D = 2.1-2.7.

Для каждой полученной фотографии поверхности наноразмерных пленок меди была рассчитана фрактальная размерность в зависимости от условий получения, ее толщины и от расположения локального участка, взятого для анализа.

5.2. Степень фрактальности

Известно, что сложность и однородность модельных фрактальных структур могут быть различны, хотя величина их фрактальной размерности будет одинакова. То есть необходима оценка не только фрактальной размерности,

£=1/3

N(V)-13

b

Рис. 6. Модельрасчетаразмерности купола в двух проекциях.

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1

24

ГРАЧЁВ В.И., МАРГОЛИН В.И., ТУПИК В.А.

НАНОСИСТЕМЫ

но и сложности, «мощности» фрактальных структур, как это определил сам Мандельброт. Применительно к фрактальным кривым этот вопрос можно рассматривать с позиций, разработанных еще в 20-х годах прошлого столетия П.С. Урысоном и К. Менгером [12], применивших к кривым параллельное различие, основанное на количестве содержащегося во множестве точек (его «мощности»), что привело их к топологическому понятию степени ветвления. Это можно применить к реальным фракталам, поскольку конечность ветвления находит явные и четко очерченные области применения в тех случаях, когда фрактальная геометрия оказывается призвана подробно определить, в какой пропорции плоская фрактальная кривая сочетает в себе два своих стандартных предела: прямую и плоскость. Для оценки

реальных фрактальных структур, например, фрактальных тонких пленок или трехмерных кластеров и наночастиц представляется предпочтительным пользоваться термином степень фрактальности, подразумевающим, насколько далеко отстоит исследуемая структура от ее классического аналога и насколько она более разнообразна. Количественные характеристики понятия степени фрактальности — предмет дальнейших исследований.

6. РЕПЛИКАЦИЯ ПЛЕНОК

В процессе проведенных исследований был обнаружен эффект репликации полученных пленок, повторяющихся при напылении пленки на подложку, под которой КДР заменена на только что напыленную пленку (рис. 7). То есть после нанесения пленки из вакуумной камеры удаляется КДР, на ее место помещается только что полученная пленка. Последующее напыление на чистую подложку (КДР в камере отсутствует) дает на ней пленку, подобную предыдущей. При этом с каждой последующей итерацией сложность и организованность получаемых структур возрастают, т.е. степень фрактальности повышается. Рис. 7 (а-б-в)

соответствует подложке, полученной при первой итерации, рис. 7 (г-д-е) — подложке, полученной при двадцать пятой итерации. Здесь обозначение микрофотографий осуществляется по мере продвижения от периферии подложки до ее центральной зоны.

На рис. 7е видно, что в центральной зоне подложки образуется своеобразная складчатая структура, аналогичная фрактальному кластеру, получившему название «фигура Лихтенберга» и представляющая собой своеобразную структуру свечения газового разряда (проинтегрированную во времени

г д е

Рис. 7. Топология элементов на пленке от ее периферии до центра (слева направо), полученная при первой итерации (а)-(б)-(в)

и при двадцать пятой итерации (г)-(д)-(е). Оптическая микроскопия.

1 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

интенсивность свечения от диэлектрического пробоя). Простейшая модель такого разряда, включающая движение случайной точки по ломаным линиям с заданным размером прямых отрезков дает для фрактальной размерности «фигуры Лихтенберга» значение D = 1.75 ± 0.02 [8].

7. РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ

Одновременное образование при магнетронном напылении металлических пленок в локальном электромагнитном поле на подложке столь своеобразной структуры, как многослойная композиция из нескольких тонкопленочных слоев, каждый из которых представляет систему куполообразных элементов различного размера, как бы вложенных одни в другие, пока не нашло исчерпывающего объяснения.

Одним из возможных предположений, объясняющих процесс зарождения

мелких куполообразных структур под куполом большой структуры, может быть проявление стохастического резонанса

[13-15], заключающееся в относительно сильном перераспределении спектра

мощности динамической переменной нелинейной мультистабильной системы под действием слабой детерминированной компоненты (воздействие преобразованного структуризатором слабого электромагнитного поля) на фоне аддитивного шума при некоторых условиях резонансного типа, провоцируемых топографией КДР. Стохастический резонанс не является резонансом в смысле увеличения отклика при подстройке частоты управляющего сигнала под собственную частоту системы. Аналогия состоит в том, что отношение сигнал/шум на выходе системы оказывается максимальным при подстройке уровня шума во входном сигнале под некоторую определенную величину. Стохастический резонанс

наблюдается не только в бистабильных системах, но и в системах с одним устойчивым состоянием. Здесь совместное действие сигнала и шума выводит систему из равновесия и при превышении некоторого порога, запускается какой-либо другой процесс [16].

РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ МАГНЕТРОННОМ 25 НАПЫЛЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОПЛЕНОК...

Тогда состояние взвеси над подложкой можно рассматривать как точку бифуркации в диссипативной системе, при переходе через которую от взвеси к твердому состоянию увеличивается алгоритмическая сложность (информационная составляющая диссипативной системы), что сопровождается увеличением упорядоченности [16], т.е. образованию плёночной структуры на нескольких уровнях.

Но не исключено, что в данном случае мы имеем дело с диссипативным резонансом [17-19]. Диссипативный резонанс в общем случае - это явление нарастания упорядоченных колебаний под действием внешних периодических сил за счёт образования в системе структуры порядка. Такой резонанс представляет собой частный случай общего класса процессов самоорганизации в диссипативных структурах, отличительной особенностью которого является квазипериодический характер изменения некоторых параметров системы. Если исходить из предположения, что воздействие КДР может заключаться в создании на поверхности подложки системы интерференционных максимумов и минимумов, которые могут в свою очередь служить центрами зародышеобразования, являющимися акцепторами электромагнитного излучения (ЭМИ), то суть диссипативного резонанса состоит в том, что энергия внешнего электромагнитного поля переходит в энергию механических колебаний вязкоупругой распределённой среды, содержащей акцепторы ЭМИ. Совместное действие внешних сил и колебаний вязкоупругой среды приводит к тому, что при определенных условиях может начаться в системе образование структуры порядка.

В этом случае колебания частиц — центров зародышеобразования под действием внешнего поля складываются синфазно, что приводит к увеличению энергии колебательного процесса, существующего в среде, вплоть до превышения порога kT. Частотные эффекты, при таком подходе, могут быть обусловлены резонансными свойствами вязкоупругой среды, каковой в нашем случае является атомно-молекулярная взвесь в приповерхностном слое подложки [4] или плазменно-пылевой кристалл.

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1

26

ГРАЧЁВ В.И., МАРГОЛИН В.И., ТУПИК В.А.

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные в настоящей работе результаты исследований магнетронного напыления металлических нанопленок с использованием электромагнитного поля в области подложки, структурированного криволинейной

дифракционной решеткой, демонстрируют многослойность синтезируемых пленок с упорядоченной зернистостью слоев по алгоритму структурирующего агента, а также системную иерархичность до самоподобия слоев по глубине пленки с изменением масштабирования. Для всех синтезированных пленок измерены их фрактальные размерности. Предложено понятие степени фрактальности, в отличие от фрактальной размерности характеризующее степень ветвления, сложности элементов структур порядка. Обнаружен эффект репликации пленок, состоящий в повторении структуры вновь напыляемой пленки при использовании «в роли» КДР пленки, только что напыленной. При этом сложность и организованность вновь напыленной пленки возрастает, т.е. степень ее фрактальности повышается. В качестве возможного объяснения образования многослойных композиций из нескольких тонкопленочных слоев с мелкими куполообразными структурами под куполами большой структуры предлагается использовать представления о резонансных явлениях типа стохастического или диссипативного, когда колебания поля вблизи подложки и вязкоупругой среды конденсирующегося металла могут резонировать с образованием на подложке структуры порядка.

ЛИТЕРАТУРА

1. Жабрев ВА, Калинников ВТ, Марголин ВИ, Николаев АИ, Тупик ВА. Физико-химические процессы синтеза наноразмфных объектов. СПб.: Элмор, 2012, 328 с.

2. Серов ИН, Марголин ВИ. Способ получения тонких пленок с фрактальной структурой. Патент № 2212375. Приоритет от 04.11.2002.

3. Zhabrev VA, Margolin VI. Some Questions in Fractal Nanotechnology. Inorganic Materials, 2008, 44(13):65-82.

4. Жабрев ВА, Лукьянов ТН, Марголин ВИ, Серов ИН, Тупик ВА. Экспериментальное

НАНОСИСТЕМЫ

исследование фрактальных структур Си и Ti, полученных методом магнетронного ионного распыления. Нанотехника, 2005, 3:60-77.

5. Марголин ВП, Тупик ВА. Роль слабых и сверхслабых воздействий в нанотехнологии. Известия СПб гос. технологич. инст, 2012, 16(42):90-96.

6. Марголин ВП, Тупик ВА, Фантиков BC, Аммон ЛЮ, Бабичев ДВ. Влияние воздействий слабых электромагнитных полей на процессы нанотехнологии. Радиотехника, 2012, 7:127-131.

7. Грачев ВИ, Марголин ВИ, Жабрев ВА, Тупик ВА. Основы синтеза нансразмфных частиц и пленок. Ижевск, Удмуртия, 2014, 480 с.

8. Смирнов БМ. Физика фрактальных кластеров. М., Наука, 1991, 136 с.

9. Смирнов БМ. Кластеры с плотной упаковкой и заполненными оболочками. УФН, 1993, 163(10):30-56.

10. Зосимов ВВ, Лямшев ЛМ. Фракталы

в волновых процессах. УФН, 1995,

165(4):361-401.

11. Серов ИН, Лукьянов ГН, Марголин ВИ, Солтовская ИА. Динамическая эволюция фрактальной металлической наноповерхности. В сб. ст. «Фракталы и прикладная синергетика». М., ИнтерконтактНаука, 2005, с. 147-148.

12. Урысон ПС. Труды по топологии и другим областям математики. Т. 2. М.-.Л., 1951.

13. Анищенко BC, Нейман АБ, Мосс Ф, Шиманский-Гайер Л. Стохастический резонанс как индуцированный шумом эффект увеличения степени порядка. УФН, 1999, 169(1):7-38.

14. Бецкий ОВ, Лебедева НН, Котровская ТН. Стохастический резонанс в медицине и биологии. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2003, 1:3-9.

15. Бинги ВН, Савин АВ. Физические проблемы

действия слабых магнитных полей на биологические системы. УФН, 2003,

173(3):265-300.

16. Серов ИН, Марголин ВИ, Жабрев ВА, Потсар НА, Солтовская ИА, Тупик ВА, Фантиков BC. Резонансные явления в наноразмерных структурах. Инженфная физика. 2004, 1:18-32.

1 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ МАГНЕТРОННОМ 27 НАПЫЛЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОПЛЕНОК...

17. Карнаухов АВ Диссипативный резонанс

и его роль в механизмах действия электромагнитного излучения на

биологические и физико-химические системы. Биофизика, 1997, 42(4): 971-979.

18. Ланда ПС, Заикин АА. Неравновесные индуцированные шумом фазовые переходы в простых системах. ЖЭТФ, 1997, 1:358.

19. Карнаухов АВ, Пономарев ВО. Диссипативный резонанс - новый класс физических явлений. Некоторые подходы к аналитическому описанию. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2001, 8:23-31.

Грачёв Владимир Иванович

д.т.н., проф.,

Научно-производственная компания "АВЕРС"

12, стр. 3, Кривоколенный пер., Москва 101000 Россия +7 495 625 0043, aversnpk@mail.ru

Марголин Владимир Игоревич

д.т.н., проф,

С-Пб гос. электротехнич. ун-т "ЛЭТИ"

5, ул. проф. Попова, Санкт-Петербург 197376 Россия +7 812 234 1697, v.margolin@mail.ru

Тупик Виктор Анатольевич

д.т.н., проф,

С-Пб гос. электротехнич. ун-т "ЛЭТИ", зав.каф, проректор

5, ул. проф. Попова, Санкт-Петербург 197376 Россия +7 812 346-2853, VATupik@etu.ru

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1

NANOSYSTEMS

28

GRACHEV V I., MARGOLIN V I., TUPIK V A.

RESONANCE PHENOMENA IN THE MAGNETRON SPUTTERING OF METAL NANOFILMS IN A LOCAL FIELD ON THE SUBSTRATE

Grachev Vladimir I.

Scientific and Production Company "AVERS", www.aversnpk.ru

101000 Moscow, Russian Federation

aversnpk@mail.ru

Margolin Vladimir I., Tupik Viktor A.

Saint-Petersburg State Electrotechnical University "LETI" n. a. VI. Ulyanov (Lenin), www.eltech.ru 197376 Saint-Petersburg, Russian Federation v.margolin@mail.ru, VATupik@etu.ru

The results of experimental studies on ion magnetron sputtering of metal nanofilms in an electromagnetic field. This field is generated by the curvilinear diffraction grating which is disposed below the substrate in the fixed contact. Synthesized films were studied by the methods optical and electron microscopy. Found multilayer film structure with layers of a few nanometers. Each layer has a fine-grained structure with a grain size from 0.1 to 10 microns. Figure of location of grains repeats pattern of the diffraction grating. X-ray-phase analysis and atomic force microscopy of the obtained films showed a domed structure of grains of different hierarchical level. The structure of each subsequent layer is the likeness of the previous layer. Assuming fractality of synthesized films are calculated their fractal dimension. Found effect of the film replication: sputtered film successfully "plays the role of" of the diffraction grating. Discusses the possible resonance phenomena during deposition of films in the proposed conditions.

Keywords: magnetron sputtering, metal films, diffraction grating, fractals, resonance.

UDC 538.95.678.5-419

Bibliography — 19 references

RENSIT, 2014, 6(1):18-29_______________________

REFERENCES

1. Zhabrev VA, Kalinnikov VT, Margolin VI, Nikolaev AI, Tupik VA. Viyiko-khimicheskie processy sinteya nanoraymernykh ob’ektov [Physicochemical processes of synthesis of nanoscale objects]. Saint-Petersburg, Elmor Publ., 2012, 328 p.

2. Serov IN, Margolin VI. Sposob polucheniya tonkikh plenok s fraktal’noy strukturoy [A way to producing thin films with fractal structure]. Patent RF, no. 2212375, 2002.

3. Zhabrev VA, Margolin VI. Some Questions in Fractal Nanotechnology. Inorganic Materials, 2008, 44(13):65-82.

4. Zhabrev VA, Luk’yanov TN, Margolin VI, Serov IN, Tupik VA. Eksperimental’noe issledovanie fraktal’nykh struktur Cu and Ti, poluchennykh metodom magnetronnogo ionnogo raspyleniya

Received 10.04.2014

[Experimental study of fractal structures of Cu and Ti, by magnetron sputtering]. Nanotekhnika, 2005, 3:60-77 (in Russ.).

5. Margolin VI, Tupik VA. Rol’ slabykh i sverkhslabykh vozdeystviy v nanotchnologii [Role of weak and ultraweak impacts in nanotechnology]. lyvestiya SPb Gos. Tekhnologich. Inst. (Techn. Univ.), 2012, 16(42):90-96 (in Russ.).

6. Margolin VI, Tupik VA, Fantikov VS, Ammon LYu, Babichev DV. Vliyanie vozdeystviy slabykh electromagnitnykh poley na process nanotekhnologii [The effect of weak electromagnetic fields on the processes of nanotechnology]. Radiotekhnika, 2012, 7:127-131 (in Russ.).

7. Grachev VI, Margolin VI, Zhabrev VA, Tupik

VA. Osnovy sinteya nanoraymernykh chastits i plenok

1 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

NANOSYSTEMS

RESONANCE PHENOMENA IN THE MAGNETRON 29 SPUTTERING OF METAL NANOFILMS...

[Principles of the synthesis of nanoscale particles and films]. Izhevsk, Udmurtiya Publ., 2014, 480 p.

8. Smirnov BM. Fiyikafraktal’nykh klasterov [Physics of fractal clusters]. Moscow, Nauka Publ., 1991, 136 p.

9. Smirnov BM. Klastery s plotnoy upakovkoy i zapolnennymi obolochkami [Clusters with close packing and filled shells]. UFN, 1993, 163(10):30-56 (in Russ.).

10. Zosimov VV, Lyamshev LM. Fraktaly v volnovykh processakh [Fractals in wave processes]. UFN, 1995, 165(4):361-401 (in Russ.).

11. Serov IN, Luk’yanov GN, Margolin VI, Soltovskaya IA. Dinamicheskaya evolutsiya fraktal’noy metallicheskoy nanopoverkhnosti [The dynamical evolution of fractal metallic nanosurface]. In: «Fraktaly iprikladnaya sinergetika [Fractals and Applied Synergetics]». Moscow, Interkontakt-Nauka Publ., 2005, pp. 147-148.

12. Uryson PS. Trudy po topologii i drugim oblastyam matematiki [Works on topology and other areas of mathematics], v.2. Moscow-Leningrad, 1951.

13. Anishchenko VS, Neiman AB, Moss F, Schimansky-Geier L. Stokhasticheskiy resonans kak indutsirovanny shumom effect uvelicheniya stegeni poryadka [Stochastic resonance: noise-enhanced order]. UFN, 1999, 169(1):7-38 (in Russ.).

14. Betsky OV, Lebedeva NN, Kotrovskaya TN. Stokhastichesky rezonans v meditsine i biologii [Stochastic resonance in medicine and biology].

Biomeditsinskie tekhnologii i radioelektronika, 2003, 1:3-9 (in Russ.).

15. Binhi VN, Savin AV. Fizicheskie problemy deystviya slabykh magnitnykh poley na biologicheskie sistemy [The effects of weak magnetic fields on biological systems: physical aspects]. UFN, 2003, 173(3):265-300 (in Russ.).

16. Serov IN, Margolin VI, Zhabrev VA, Potsar NA, Soltovskaya IA, Tupik VA, Fantikov VS. Rezonznsnye yavleniya v nanorazmernykh strukturakh [Resonance phenomena in nanostructures]. Inyhenernaya fiyika, 2004, 1:1832 (in Russ.).

17. Karnaukhov AV. Dissipativny rezonans i ego rol’ v mekhanizmakh deystviya electromagnitnogo izlucheniya na biologicheskie i fiziko-khimicheskie sistemy [Dissipative resonance and its role in the mechanisms of action of

electromagnetic radiation on biological and physico-chemical systems]. Biofiyika, 1997, 42(4):971-979 (in Russ.).

18. Landa PS, Zaikin AA. Neravnovesnye indutzirovannye shumom fazovye perekhody v prostykh sistemskh [Nonequilibrium noise-induced phase transitions in simple systems]. ZhETF, 1997, 1:358 (in Russ.).

19. Karnaukhov AV, Ponomarev VO. Dissipativny rezonans — novy klass fizicheskikh yavleniy. Nekotorye podkhody k analiticheskomu opisaniyu [Dissipative resonance - a new class of physical phenomena. Some approaches to the analytical description.]. Biomeditsinskie tekhnologii i radioelektronika, 2001, 8:23-31 (in Russ.).

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 1