1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2026-31-1-37-45MWRAKT621.793.1Электронное машиностроениеSimulation of magnetic systems of magnetron sputtering devicesМоделирование магнитных систем магнетронных распылительных устройствЧеркунов Виктор ИгоревичЧеркуновВиктор ИгоревичCherkunovViktor I.Viktor I. CherkunovЛось Анастасия ВалерьевнаЛосьАнастасия ВалерьевнаLosAnastasia V.Anastasia V. LosКузьмина Людмила АлексеевнаКузьминаЛюдмила АлексеевнаKuzminaLyudmila A.Lyudmila A. KuzminaNational Research University of Electronic Technology, Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1; JSC NPP ESTO, Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Georgievsky ave., 5, bld. 1National Research University of Electronic Technology, Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 103032026Том. 31 №13745http://ivuz-e.ru/en/issues/Том 31 №1/modelirovanie_magnitnykh_sistem_magnetronnykh_raspylitelnykh_ustroystv/http://ivuz-e.ru#

The magnetron sputtering device (MSD) is intended for sputtering material in a vacuum and its subsequent deposition onto semiconductor wafers. To form thin films with good uniformity on large-diameter wafers (200 mm and larger), MSDs with a rotating magnetic system of a specific shape are currently used. These MSDs allow sputtering of large-diameter targets in such a way that the required uniformity of the deposited films is ensured on the wafers located at the required distance from the MSD. In this work, the existing methods for calculating magnetic systems used in MSDs of various configurations are analyzed. A procedure for simulating a magnetic system of a certain shape is proposed for its further use in MSDs with a rotating magnetic system. The simulation of such magnetic systems will allow for a more accurate determination of their design, with account for the requirements for the uniformity of target erosion or the uniformity of film deposition. The performance criteria of the MSD investigated in this work were the presence of a magnetron discharge, the correspondence of the actual discharge forms and the erosion zone of the target to the computation date. Experiments have established that the developed model makes it possible to estimate with sufficient accuracy the plasma burning zone and the boundaries of target erosion, as well as the operability of the MSD with the given magnetic system.

Магнетронное распылительное устройство (МРУ) предназначено для распыления материала в вакууме и дальнейшего его осаждения на полупроводниковые пластины. Для формирования тонких пленок с хорошей равномерностью на пластинах большого диаметра (200 мм и более) в настоящее время применяются МРУ с вращающейся магнитной системой определенной формы. Данные МРУ позволяют распылять мишени большого диаметра таким образом, чтобы на пластинах, расположенных на требуемом расстоянии от МРУ, обеспечивалась необходимая равномерность осажденных пленок. В работе проведен анализ существующих методов расчета магнитных систем, используемых в МРУ разных конфигураций. Предложена методика моделирования магнитной системы определенной формы для дальнейшего ее применения в МРУ с вращающейся магнитной системой. Моделирование подобных магнитных систем позволяет более точно определять их конструкцию с учетом требований к равномерности выработки мишени или осаждения пленок. В качестве критериев работоспособности МРУ выбраны наличие магнетронного разряда, соответствие фактических формы разряда и зоны эрозии мишени расчетным данным. Экспериментально установлено, что разработанная модель дает возможность с достаточной точностью оценить зону горения плазмы и границы выработки мишени, а также работоспособность МРУ с данной магнитной системой.

magnetron sputtering deviceMSDmagnetron dischargemagnetic field simulationrotating magnetic systemmagnetron sputteringphysical vapor depositionmagnetron sputtering deviceMSDmagnetron dischargemagnetic field simulationrotating magnetic systemmagnetron sputteringphysical vapor deposition Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь; 1982. 72 c.Danilin B. S., Syrchin V. K. Magnetron sputtering systems. Moscow: Radio i svyaz’ Publ.; 1982. 72 p.(In Russ.).Кузьмичев А. И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1: Введение в физику и технику магнетронного распыления. Киров: Аверс; 2008. 244 c.Kuzmichev A. I. Magnetron sputtering systems. Book 1: Introduction to physics and technology of magnetron sputtering. Kirov: Avers Publ.; 2008. 244 p. (In Russ.).Духопельников Д. В. Магнетронные распылительные системы с электромагнитами: автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 2007. 16 c. EDN: NIRMRR.Dukhopelnikov D. V. Magnetron sputtering systems with electromagnets: extended abstract of the Cand. Sci. (Eng.) diss. Moscow, 2007. 16 p. (In Russ.).Голосов Д. А., Завадский С. М., Мельников С. Н. Сквозное моделирование процессов нанесения покрытий при магнетронном распылении. Вестник Полоцкого государственного университета. Серия С. Фундаментальные науки. 2013;(4):75–82. EDN: TPTBZP.Golosov D., Zavadsky S., Melnikov S. End-to-end modelling of the processes of application of coatings at magnetron dispensing. Vestnik Polotskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya S. Fundamental’nye nauki = Herald of Polotsk State University. Series C. Fundamental Sciences. 2013;(4):75–82. (In Russ.).Черкунов В. И., Ширяев М. Е., Челапкин Д. Г., Бабич А. В., Трактирщиков В. С. Применение электростатического прижима в микроэлектронике. Наноиндустрия. 2024;17(S10-2):478–482. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.10s.478.482. EDN: OSEIIL.Cherkunov V. I., Shiryaev M. E., Chelapkin D. G., Babich A. V., Traktirshchikov V. S. The electrostatic chuck in microelectronics. Nanoindustriya = Nanoindustry. 2024;17(S10-2):478–482. (In Russ.). https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.10s.478.482Черкунов В. И. Оптимизация неравномерности магнетронного напыления пленок алюминия и оксида алюминия при взаимном перемещении подложки и магнетрона. Изв. СПбГЭТУ ЛЭТИ. 2025;18(1):14–21. https://doi.org/10.32603/2071-8985-2025-18-1-14-21. EDN: ATGFRG.Cherkunov V. I. Optimization of unevenness of aluminum and aluminum oxide coatings obtained by magnetron sputtering under mutual movement of substrate and magnetron. Izv. SPbGETU LETI = Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University. 2025;18(1):14–21. (In Russ.). https://doi.org/10.32603/2071-8985-2025-18-1-14-21Колесников А. Г., Горбунов Н. В., Крюков Ю. А. Прогнозирование выработки мишени планарных МРС. Наноиндустрия. 2021;14(2):142–149. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.2.142.149. EDN: PONAUU.Kolesnikov A. G., Gorbunov N. V., Kryukov Yu. A. Prediction of target erosion of planar MSS. Nanoindustriya = Nanoindustry. 2021;14(2):142–149. (In Russ.). https://doi.org/10.22184/1993-8578.2021.14.2.142.149ООО «Тор». ELCUT: Моделирование электромагнитных, тепловых и упругих полей методом конечных элементов. Версия 6.6: руководство пользователя. [Б. м.]: Издательские решения; 2023. 290 с.OOO “Tor”. ELCUT: Finite-element simulation of electromagnetic, thermal and elastic fields. Version 6.6: user manual. S. l.: Izdatel’skie resheniya Publ.; 2023. 290 p. (In Russ.).Анорин В. Е. Моделирование магнитного поля магнетронной распылительной системы с плоским катодом. In: Перспективы развития фундаментальных наук: сб. науч. тр. XIX Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: в 7 т. Томск: Нац. исслед. Томский политехн. ун-т; 2022, т. 1, с. 17–19. EDN: WKMTPU.Anorin V. E. Simulation of the magnetronic field of a magnetron sputtering system with a flat cathode. In: Perspektivy razvitiya fundamental’nykh nauk: proceedings of 19th International conf. of students, postgraduate students and young scientists: in 7 vol. Tomsk: National Research Tomsk Polytech. Univ.; 2022, vol. 1, pp. 17–19. (In Russ.).Meeker D. Finite element method magnetics. Version 4.2: user’s manual. Finite Element Method Magnetics. 16.05.2020. Available at: https://www.femm.info/wiki/Files/files.xml?action=download&file=manual.pdf (accessed: 27.10.2025).Федотов Ф. С., Телегин А. М. Исследование магнитной ловушки для магнетронной распылительной системы. Успехи прикладной физики. 2022;10(3):301–307. https://doi.org/10.51368/2307-4469-2022-10-3-301-307. EDN: AZQDTS.Fedotov F. S., Telegin A. M. Study of a magnetic trap for a magnetron sputtering system. Uspekhi prikladnoy fiziki = Advances in Applied Physics. 2022;10(3):301–307. (In Russ.). https://doi.org/10.51368/2307-4469-2022-10-3-301-307Федотов Ф. С., Телегин А. М. Моделирование магнитной ловушки для магнетронной распылительной системы (МРС) с помощью метода конечных элементов с использованием модуля языка Python. Изв. СПбГЭТУ ЛЭТИ. 2023;16(2):85–95. https://doi.org/10.32603/2071-8985-2023-16-2-85-95. EDN: CEFIRS.Fedotov F. S., Telegin A. M. Simulation of a magnetic trap for a magnetron sputtering system (MPS) using the finite element method using the Python language module. Izv. SPbGETU LETI = Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University. 2023;16(2):85–95. https://doi.org/10.32603/2071-8985-2023-16-2-85-95Мельников С. Н., Кундас С. П., Свадковский И. В. Моделирование и численные исследования параметров магнетронных распылительных систем. Доклады БГУИР. 2007;(3):80–87.Mel’nikov S. N., Kundas S. P., Svadkovskiy I. V. Simulation and numerical research parameters of magnetron sputtering systems. Doklady BGUIR. 2007;(3):80–87. (In Russ.).Anderson R. L., Helmer J. C. Sputtering apparatus with a rotating magnet array having a geometry for specified target erosion profile. Patent EU, EP0399710A1, 28.11.1990.COMSOL Multiphysics (version 4.3): user’s guide. ETH Zürich. May 2012. Available at: https://blogs.ethz.ch/ps_comsol/files/2020/05/COMSOLMultiphysicsUsersGuide.pdf (accessed: 27.10.2025).