Основы лучевых и плазменных технологий

А. В. Мороз   Н. C. Вашурин 

 
 

ОСНОВЫ ЛУЧЕВЫХ 

И ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 

 
 

Лабораторный практикум 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2017 

УДК 537.5 
ББК  22.344 

М 80 

 

Рецензенты: 

доцент кафедры электромеханики Марийского государственного  

университета А. И. Орлов; 

доцент кафедры радиотехнических и медико-биологических систем  

Поволжского технологического государственного университета,  

канд. техн. наук С. А. Охотников 

 
 
 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 
 
 
 
 

Мороз, А. В. 

M 80    Основы лучевых и плазменных технологий: лабораторный прак
тикум / А. В.  Мороз, Н. С. Вашурин. – Йошкар-Ола: Поволжский 
государственный технологический университет, 2017. – 120 с. 
ISBN 978-5-8158-1877-4 

 

Представлены теоретические сведения, охватывающие современные мето
ды контроля состава вакуума и плазмы, а также порядок выполнения лабораторных работ по дисциплине «Основы лучевых и плазменных технологий». 
Каждая тема заканчивается перечнем вопросов разделенных по категориям 
сложности, чтобы обучающиеся могли самостоятельно оценить уровень своих 
знаний. 

Для студентов радиотехнических специальностей и направлений подго
товки.  

 

УДК 537.5 
ББК 22.344 

 
ISBN 978-5-8158-1877-4 
© Мороз А.В., Вашурин Н.С., 2017 
© Поволжский государственный  
технологический университет, 2017 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие .................................................................................................. 4 

Список сокращений  ..................................................................................... 6 

Введение ........................................................................................................ 7 

Указания по технике безопасности ............................................................. 8 

Лабораторная работа № 1. Масс-спектрометрия.................................14 

1.1. Теоретическая часть .......................................................................14 

1.1.1. Способы ионизации ..............................................................14 
1.1.2. Виды масс-спектрометров ....................................................19 
1.1.3. Характеристики масс-спектрометров                                         
и масс-спектрометрических детекторов .........................................38 
1.1.4. Детекторы ионов ...................................................................42 

1.2. Порядок выполнения работы. ........................................................50 
1.3. Контрольные вопросы ....................................................................54 

Лабораторная работа № 2. Вольт-амперная характеристика 
магнетронной распылительной системы. .............................................57 

2.1. Теоретическая часть ........................................................................57 

2.1.1. Характеристика магнетронных распылительных             
систем ................................................................................................57 
2.1.2. Вольт-амперные характеристики магнетронов ..................61 

2.2. Порядок выполнения работы .........................................................71 
2.3. Контрольные вопросы. ...................................................................78 

Лабораторная работа № 3. Исследование характеристик плазмы                  
при помощи спектрометра .......................................................................80 

3.1. Теоретическая часть ........................................................................80 

3.1.1. Виды спектральных анализов различных веществ. 
Характеристики плазмы ...................................................................81 
3.1.2. Излучение плазмы ..................................................................94 
3.1.3. Современное состояние техники для исследования           
спектра излучения плазмы магнетронного разряда .....................102 

3.2. Порядок выполнения работы .......................................................109 
3.3. Контрольные вопросы ..................................................................115 

Список литературы ....................................................................................117 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
Настоящий лабораторный практикум предназначен для студентов, 

обучающихся по направлению 11.03.04. – «Электроника и наноэлектроника».  Издание может быть полезно также для студентов, обучающихся 
по направлениям  подготовки: 12.03.04  «Биотехнические системы и 
технологии»; 11.04.01. – «Радиотехника»;  11.03.02  – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; 27.03.04 – «Управление в технических системах». 

Предлагаемое вниманию читателя издание охватывает вопросы, 

связанные с изучением поведения движения заряженных частиц в различных силовых полях, методиками регистрации этих частиц, а также 
оборудованием по генерации частиц. 

Отличительной особенностью настоящего практикума является то, 

что описанные в нем лабораторные работы разработаны непосредственно для оборудования лаборатории «Вакуумные методы получения тонких пленок» Поволжского государственного технологического 
университета и помогают приобрести необходимые навыки и умения 
для освоения таких дисциплин, как основы проектирования электронной компонентной базы, наноэлектроника, технология материалов и 
изделий электроники и наноэлектроники, основы технологии электронной компонентной базы. 

Данное издание включает в себя три лабораторных работы: 
 «Масс-спектрометрия»;  
 «Вольт-амперная характеристика магнетронной распылительной 

системы»;  

 «Исследование характеристик плазмы при помощи фотоспектро
метра»  

 Они направлены на изучение процессов генерации заряженных ча
стиц, их регистрации с помощью различных  методик.  

Каждая лабораторная работа содержит теоретическую часть, поря
док выполнения. Теоретическая часть включает всю необходимую студенту информацию для успешной защиты лабораторной работы. Вопросы, ранжированные по степени сложности, позволяют обучающемуся 
провести самоконтроль усвоения материала по каждой теме. Поскольку 

вопросы, рассматриваемые в лабораторных работах, включают в себя 
междисциплинарные отрасли, то полное описание всего теоретического 
материала по этим вопросам в данном издании не представляется возможным, поэтому «продвинутые» и заинтересованные студенты посредством изучения материала из приведенного библиографического 
списка могут более полно погрузиться в ту или иную тему.  

Перед тем как приступить к выполнению лабораторных работ, 

представленных в данном издании, следует обязательно изучить и 
(главное!) соблюдать правила техники безопасности, что позволит избежать несчастных случаев и сэкономит время на выполнение лабораторных работ. 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

 
АЦП – аналого-цифровой преобразователь 
АЭС – атомно-эмиссионная спектроскопия (спектрометрия, 

спектральный анализ) 

ВАХ – вольт-амперная характеристика 
ИСП – индуктивно-связанная плазма 
ЛИ  – линейчатое излучение 
ЛТР  – локальное термодинамическое равновесие 
МРС – магнетронная распылительная система 
ТИ  – тормозное излучение 
УМР – установка магнетронного распыления 
ФИ  – фоторекомбинационное излучение 
ФЭУ – фотоэлектронный умножитель 
ЦАП – цифроаналоговый преобразователь 
ЦИ  – циклотронное излучение 
ШИМ – широтно-импульсная модуляция 
APCT – химическая ионизация при атмосферном давлении 
APPI – подвид химической ионизации при атмосферном давле
нии с дополнительной фотоионизацией 

ESI – ионизация в электроспрее 
MADI – матрично-активированная лазерная десорбция / иониза
ция 

PPNICI – импульсная попеременная регистрация положительных 

ионов и отрицательных ионов при химической ионизации 

 
  

ВВЕДЕНИЕ 

 
В отраслях промышленности, производящих микро- и наноэлек
тронные устройства, используют разнообразные технологические процессы, основанные на воздействии высокоэнергетических частиц на 
поверхность обрабатываемых деталей – подложки, функциональные 
слои и т.д.  

Изучение кинетики взаимодействия единичной частицы с обраба
тываемым материалом не несет прикладного значения, поэтому важно 
изучать методики исследования и регистрации взаимодействия потока 
высокоэнергетичных частиц с материалами и между собой.  Для этого 
существует ряд методик, некоторые из них описаны в данном издании. 

Первая лабораторная работа посвящена изучению принципов кон
троля остаточных газов в вакуумных системах, основанных на массспектрометрическом анализе. При помощи квадрупольного массспектрометра измеряется кинетика откачки разнообразными типами 
насосов различных частиц, содержащихся в атмосфере. 

Во второй лабораторной работе исследуется метод генерации пото
ка ионизированных частиц при помощи магнетронной распылительной 
системы (МРС), а также методика контроля генерируемой плазмы по 
вольт-амперной характеристике блока питания магнетронов. По форме 
вольт-амперной характеристики можно контролировать состав газовой 
среды в вакуумной камере.   

В третьей лабораторной работе представлены современные методы 

спектроскопии газовых, водных и твердых сред с применением лазерных источников излучения и генераторов белого света. Здесь дается 
описание применения спектрометра AvaSpec-2048 для изучения плазмы 
в вакуумной камере при магнетронном распылении. Данный метод позволяет с помощью регистрируемого спектра свечения плазмы делать 
анализ ее состава и обеспечивать процесс контроля формирования тонких пленок различного состава. 

Таким образом, в данном лабораторном практикуме охвачены во
просы, связанные с генерацией плазмы, изучением поведения потока 
заряженных 
частиц 
различными 
методами, 
такими 
как 
масс
спектроскопия, изучение вольт-амперных характеристик блока питания 
МРС и спектроскопия. 

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ 

при выполнении лабораторных работ 

 
1. Общие требования безопасности  
 
1.1. К работе с электроизмерительными приборами, вакуумными 

электроустановками, химреактивами (под руководством преподавателя или ответственного за лабораторию!) допускаются лица, прошедшие инструктаж по охране труда, медицинский осмотр и не 
имеющие противопоказаний по состоянию здоровья.  

1.2. При выполнении лабораторных работ студенты должны со
блюдать правила поведения, расписание учебных занятий, установленные режимы труда и отдыха.  

1.3. При работе с электроизмерительными приборами возможно 

воздействие на работающих следующих опасных факторов:  

а) поражение электрическим током при прикосновении к ого
ленным проводам и при работе с приборами, находящимися под 
напряжением;  

б) травмирование рук при использовании неисправного инстру
мента.  

ПОМНИТЕ!
Электрический ток может вызвать ожоги, 
обморок, судороги, прекращение дыхания, 
даже смерть. 

1.4. При эксплуатации вакуумных электроустановок, напряжение 

питания которых составляет до 1000 Вольт, возможно воздействие 
на работающих следующих опасных производственных факторов:  

а) поражение электрическим током при прикосновении к токове
дущим частям;  

б) неисправности изоляции или заземления;  
в) получение механических травм при прикосновении к враща
ющимся частям установок (привод форвакуумного насоса, подъемное устройство колпака);  

г) ожоги при прикосновении к нагретым частям установок (па
ромасляный насос, нагретая подложка);  

1.5. При работе с химреактивами возможно воздействие на рабо
тающих следующих опасных факторов:  

а) раздражение кожи, ожоги, а в некоторых случаях долго не за
живающие раны вызывает попадание на открытые участки тела растворов кислот и щелочей;  

б) токсические отравления вызывают многие органические рас
творители.  

ЗНАЙТЕ!
К индивидуальным средствам защиты относятся: 
для глаз – защитные очки; для лица – маски; для рук – диэлектрические перчатки; 
для дыхательных путей – респиратор. 
При 
выполнении 
лабораторных 
работ 

должны использоваться указатели напряжений и инструмент с изолированными 
ручками. 

1.6. В лаборатории для выполнения лабораторных работ должна 

быть медицинская аптечка с набором необходимых медикаментов и 
перевязочных средств.  

1.7. Студенты обязаны соблюдать правила пожарной безопасно
сти, знать места расположения первичных средств пожаротушения, а 
также отключающих устройств (рубильников) для снятия напряжения.  

1.8. Все химреактивы должны иметь этикетки с указанием их 

названия.  

1.9. Все химреактивы должны находиться в специальных емко
стях и вдалеке от нагревательных приборов.  

1.10. Обтирочные материалы, бумага и т.п., пропитанные масла
ми, красками и т.п., должны храниться в металлических ящиках. Не 
разрешается разбрасывать эти материалы, по окончании работы их 
следует удалить из помещения.  

1.11. При несчастном случае пострадавший или очевидец 

несчастного случая обязан немедленно сообщить преподавателю или 
зав. лабораторией, который ставит в известность администрацию 
ПГТУ. При неисправности электроизмерительных приборов, инструмента прекратить работу и сообщить об этом преподавателю 
или зав. лабораторией.  

1.12. В процессе работы необходимо соблюдать правила ноше
ния спецодежды, пользования индивидуальными и коллективными 
средствами защиты, соблюдать правила личной гигиены, содержать 
в чистоте рабочее место.  

1.13. Студенты, допустившие невыполнение или нарушение ин
струкции по охране труда, привлекаются к дисциплинарной ответственности в соответствии с правилами внутреннего трудового распорядка ПГТУ и подвергаются внеочередной проверке знаний правил охраны труда.  

1.14. При проведении лабораторных работ запрещается:  
а) загромождать рабочее место посторонними предметами;  
б) оставлять без надзора приборы, находящиеся под напря
жением;  

в) работать на неисправном оборудовании;  
г) работать при снятых обшивках и кожухах;  
д) касаться руками оголенных элементов схемы;  
е) останавливать центрифугу руками и различными предме
тами.  

 
2. Требования безопасности перед началом работы  
 
2.1. Получив разрешение на выполнение лабораторных работ, 

ПРОВЕРЬТЕ (!) состояние и исправность электроизмерительных 
приборов, вакуумных электроустановок и инструмента, наличие и 
исправность защитного заземления, действие вентиляции.  

2.2. Подготовьте и разложите на свои места необходимые для 

работы материалы, приспособления, уберите с рабочего места все 
лишнее.  

2.3. Подготовьте к работе средства индивидуальной защиты, 

убедитесь в их исправности.  

2.4. При выполнении работ, связанных с химреактивами (орга
нические растворители, растворы кислот и щелочей), необходимо 
включить местную вентиляцию.  

 
3. Требования безопасности во время работы  
 

ПОМНИТЕ! 
Электрический ток величиной 0,1 А
и напряжением свыше 42 В опасен 
для жизни человека.

3.1. Лабораторные работы студенты проводят только в присут
ствии преподавателя или ответственного за лабораторию.  

3.2. Включение приборов, вакуумных установок и работу на них 

следует производить строго по инструкции к данной лабораторной 
работе.  

3.3. Включение питающего напряжения должно производиться 

одной рукой. В это время второй рукой нельзя касаться заземленных 
частей близстоящего оборудования, отопительных батарей, водопроводной сети.  

3.4. Использовать оборудование, приборы, материалы и т.д. 

только по прямому назначению.  

3.5. Быть готовым оказать доврачебную помощь товарищу, по
страдавшему во время работы, в аварийной ситуации.  

3.6. Необходимо соблюдать осторожность в обращении с нагре
вательными частями установок (испарители, паромасляный насос, 
нагреватели).  

 3.7. Работа с химреактивами производится только в специально 

отведенных местах с использованием резиновых перчаток и местной 
вентиляции.  

3.8. При составлении растворов необходимо наливать кислоту в 

воду, а не наоборот во избежание разбрызгивания раствора.