Инструкция по работе с программой «magna»

1. Войти в систему, открыть папку с лабораторным практикумом «САПР», открыть окно «САПР: лабораторные работы» (рис. 1.7), нажать кнопку «Тема работы», выбрать тему «МРС: магнетронная распылительная система». Откроется окно с темой лабораторной работы. Нажав кнопку «Фото» ознакомиться с фотографиями МРС и оборудования с их использованием.

Рис. 1.7. – Внешний вид лабораторного практикума «САПР».

2. Изучить вариант задания, обратив внимание на диапазоны варьирования входных параметров. Нажав кнопки «Настройки»→«Диапазоны», в открывшейся таблице (рис. 1.8) установить для своего задания диапазоны варьирования параметров, которые не должны быть меньше заданных.

Если диапазоны изменения параметров не будут соответствовать вводимой при расчете величине, то не удастся установить необходимое значение параметра, поскольку оно будет выходить за пределы установленного диапазона.

Рис. 1.8. – Таблица корректировки диапазонов.

В этой же таблице устанавливается количество точек на радиусе подложки, по которым будет вестись оценка параметров пленки (толщины и ее равномерности). После ввода данных необходимо сохранить их, нажав кнопку «Сохранить», и выйти в главное окно программы.

3. Провести настройку процедуры вычисления интеграла, нажав последовательно кнопки «Настройки»→«Интеграл». В открывшемся окне (рис. 1.9) установить нужный режим вычислений (на скорость или на точность вычислений). Рекомендуется режим оптимизации на точность, для которого следует установить нужную точность (в диапазоне 0,1-0,00001). Можно нажать кнопку «По умолчанию» (при этом автоматически задается точность вычисления интеграла 0,0001). После ввода данных сохранить их, нажав кнопку «Сохранить», и выйти в исходное окно лабораторной работы.

4. Проверить наличие нужного распыляемого материала в банке данных, нажав последовательно кнопки «Настройки»→«Материалы». В случае отсутствия в открывшейся таблице (Рис. 1.10) нужного материала ввести его в банк данных, провести редактирование таблицы, указав для введенного материала все необходимые данные. После ввода данных выйти в исходное окно лабораторной работы.

Рис. 1.9. – Таблица настройки точности вычисления интеграла.

Рис. 1.10. – Таблица редактирования распыляемых материалов.

5. Приступить к расчету, для чего нажать последовательно кнопки «Расчет»→«Начать». Открывается таблица ввода данных для расчета (рис. 1.11).

В верхней части таблицы осуществляется ввод параметров оптимизации g и . Для включения режима оптимизации по данному параметру необходимо поставить галочку в светлом квадрате напротив параметра нажатием левой кнопки «мыши», после чего установить диапазон варьирования параметра с учетом знака. Если предполагается расчет без оптимизации, то режим оптимизации не включается, и просто устанавливается значение параметра для расчета.

Рис. 1.11. – Таблица ввода данных.

В левой нижней части таблицы устанавливаются значения остальных параметров модели. В правой нижней части таблицы устанавливается рабочий газ (обычно инертный: He, Ne, Ar, Kr, Xe) и тип полинома, определяющий распределение плотности ионного тока по радиусу мишени (рекомендуется выбирать полином, описывающий треугольный профиль распределения).

6. После ввода данных нажать кнопку «Далее». Если при этом обнаружена ошибка ввода, то необходимо ее устранить, прочитав высветившийся комментарий. Если ввод данных корректен, то открывается окно «Расчет» (рис. 1.12), в котором слева высвечиваются все введенные исходные данные для расчета, а под ними – окно выбора метода оптимизации (если введен режим оптимизации). При оптимизации по одному параметру предлагается метод золотого сечения, по двум и более – методы многомерного поиска (покоординатного спуска золотым сечением, симплекс метод Хука-Дживса или метод Монте-Карло).

При вызове соответствующего метода оптимизации можно провести его настройку, нажав кнопку справа от него с тремя точками, при этом высвечивается таблица настройки. Для метода "Золотого сечения" устанавливается точность оптимизации, для метода Хука-Дживса – минимальный шаг, начальный шаг и коэффициент уменьшения шага.

Рис. 1.12. – Таблица режима «Расчет».

7. После установки режимов оптимизации нажимается кнопка «Расчет», и начнется расчет и оптимизация внутрикамерного устройства.

Промежуточные результаты расчета (по шагам оптимизации) можно наблюдать в таблицах «Неравномерность» и «Интенсивность». Строка таблицы «Неравномерность» соответствует порядковому номеру итерации (в ней указываются достигнутые значения скорости осаждения и неравномерность пленки, а также величины параметров g и , при которых эти значения получены), а в таблице «Интенсивность» - распределение пленки по толщине по радиусу подложки от центра к краю в выбранных N точках, соответствующее итерации, которая выделена курсором «мыши». Таким образом, после окончания расчета в этих таблицах можно посмотреть весь процесс оптимизации и узнать значения толщины пленки (скорости осаждения) для каждой из N точек на пластине для каждого вызова функции и проанализировать полученные результаты.

Оптимальный результат по критерию равномерности пленки высвечивается справа внизу. Там же высвечиваются значения коэффициента использования материала (КИМ) и скорость распыления материала (V_P).

При зацикливании или по любой другой причине расчет в любой момент можно прервать с помощью кнопки «Прервать», которая появится на том месте где раньше была кнопка «Расчет».

После окончания или остановки расчета можно очистить таблицы с помощью кнопки «Очистить», которая появится на том месте, где раньше была кнопка «Прервать», и повторить расчет, предварительно изменив настройки метода оптимизации.

С помощью кнопки «Назад» имеется возможность вернуться в диалог ввода данных. Кнопка «Выход» в рассмотренных диалогах позволяет вернуться в главное окно программы.

1.3.3 Контрольные вопросы

1. Перечислите этапы математического моделирования технической системы?

2. Какие последовательные процедуры включает этап постановки задачи моделирования?

3. Какие последовательные процедуры включает этап формирования математической модели?

4. Что представляет собой модель системы нанесения пленок магнетронным распылением с математической точки зрения?

5. Что представляет собой геометрическая модель процесса нанесения материала и какими параметрами она характеризуется?

6. Какие ограничения и допущения сделаны при выводе математической модели системы нанесения пленок?

7. От каких основных параметров зависит равномерность наносимой пленки по толщине в системе нанесения пленки магнетронным методом?

8. Какие методы оптимизации использованы в программе «MAGNA»?

Лабораторная работа № 2
Моделирование системы ионного травления
с ионным источником и ионно-оптической системой

Цель работы: 1) освоить методику моделирования оборудования для ионно-лучевого травления материалов в вакууме; 2) провести оптимизацию системы травления на базе ионного источника с пучком большого сечения и ионно-оптической системой с помощью компьютерной программы «IOS».

Продолжительность работы – 6 ч.

Теоретические сведения

Общие сведения

Формирование потоков ионов в процессе ионно-лучевого травления осуществляется с помощью ионных источников (ИИ), основными узлами которых являются разрядная камера с системой электродов, формирующей плазму разряда в парах рабочего вещества или газа, и ионно-оптическая система (ИОС), формирующая ионный пучок с требуемыми характеристиками.

ИОС (чаще всего многоапертурная) предназначена для одновременной экстракции ионов с границы плазмы, первичной фокусировки ионного потока большого диаметра, состоящего из множества отдельных ионных пучков, формирования каждого пучка в отдельности, фокусировки ионного потока в целом, а также для ускорения ионов до энергий 100-2000 эВ. При этом должны быть обеспечены минимальные потери мощности в источниках питания и минимальная эрозия сеток ИОС при длительной эксплуатации ИИ. Обычно ИОС представляет собой блок из двух (реже трех) металлических или графитовых сеток с отверстиями одинакового диаметра, число которых определяет количество отдельных ионных пучков в потоке.

На выходе ионного потока из ИОС необходима нейтрализация его объемного заряда, наличие которого вызывает расфокусировку и плохую коллимацию ионного пучка, что существенно снижает качество и эффективность травления микроструктур. Кроме того, появление на поверхности диэлектрика положительного заряда практически не позволяет использовать ИИ с ионными пучками большого диаметра для травления диэлектриков и даже металлов в том случае, если энергия ионов менее 1 кэВ. Для нейтрализации обычно применяют специальный инжектор электронов. При этом полной рекомбинации электронов и ионов, 'как правило, не происходит, а обеспечивается лишь компенсация заряда в ионном пучке. Наиболее простым методом получения нейтрализующих электронов служит использование внешних термоионных (обычно вольфрамовых) эмиттеров, погруженных непосредственно в ионный поток или окружающих его.

Одной из существенных особенностей применения ИИ с многоапертурной ИОС является необходимость поддерживать значительный перепад давлений между разрядной (р ~ 10^-1 Па) и рабочей (p ~ 10^-2–2×10^-3 Па) камерами. Низкое давление в рабочей камере необходимо для того, чтобы снизить потери в ионном потоке и устранить возможность расфокусировки пучков. Кроме того, при этом снижается вероятность загрязнения обрабатываемых микроструктур остаточными газами.

При построении математической модели необходимо определить основные функции ИОС и конструктивно-технологические параметры системы обработки, влияющие на формирование ионного пучка, а также определить взаимосвязь между ними.

Основными функциями ИОС являются:

- отбор (экстрактация) ионов с границы плазмы;

- фокусировка и формирование многопучкового ионного потока;

- обеспечение высокой плотности и равномерности потока ионов по его сечению;

- ускорение ионов до заданной энергии;

- обеспечение минимальных потерь ионов на конструктивных элементах и минимальной эрозии электродов ИОС.

Наиболее важными требованиями, являются высокая плотность ионного потока, поскольку она определяет скорость травления, т.е. производительность процесса, а также равномерность плотности потока по сечению, так как она определяет равномерность обработки поверхности пластины. Необходимость равномерной обработки пластин большого диаметра (до 200 мм и более) потребовала от разработчиков создания ионных источников, формирующих пучки большого сечения с высокой равномерностью плотности потока (1-5%).

Постановка задачи

Задача оптимизации конструкции ИОС заключается в выборе формы, размеров и взаимного положения как самих электродов ИОС, так и отверстий в перфорированных электродах, при которых обеспечивается максимальная плотность ионного тока на обрабатываемой поверхности и высокая равномерность ее распределения по всей площади обработки при сохранении необходимой механической прочности сеточных электродов (отсутствии деформации и разрушения).

Интенсивность ионного потока и равномерность его по сечению определяются многими факторами, основными из которых являются:

- интенсивность и равномерность плазмы в разрядной области ИИ, определяемые как типом и геометрией разрядной системы, так и рабочими параметрами: напряжением и током разряда, рабочим давлением и типом газа, формой и индукцией магнитного поля и др.;

- тип и геометрия ИОС, формирующей ионный поток;

- величина потенциалов на электродах ИОС;

- давление в области обработки и расстояние от пластины до ИИ и др.

Первая группа параметров определяет конструкцию и рабочие характеристики разрядной системы ИИ, формирующей область плазмы определенной интенсивности с конкретным распределением плотности заряженных частиц. Проектирование ИОС сводится к выбору таких ее геометрических и рабочих параметров, при которых из плазмы осуществляется эффективный отбор ионов и формирование ионного потока максимально возможной интенсивности и равномерности с заданным энергетическим спектром.

Математическая модель должна позволять производить расчет и оптимизацию конструктивно-технологических параметров ИОС по критерию максимальной плотности и равномерности ионного пучка при известной для конкретного ИИ функции распределения ионов в плазме его разрядной камеры.