Характеристика магнетронных распылительных систем

Магнетронная распылительная система (МРС, магнетрон) является одним из устройств генерации плазмы. Они широко используются при нанесении тонких пленок, в частности, в электронной, оптической промышленности и в машиностроении. Работа этих устройств основана на создании объемного электрического разряда в разреженной газовой среде, в которой существует область, содержащая скрещенные электрическое и магнитное поля.

Принцип действия магнетронной системы распыления представлен на рисунке 2.1. Все элементы смонтированы в корпусе 18, присоединенном к рабочей камере через промежуточное изолирующее кольцо 2 и фланец 4 с вакуумными уплотнительными прокладками 1 и 3. Дискообразная мишень-катод 19 охлаждается проточной водой по трубкам 14 и 17. Напряжение, подаваемое на

Рис. 2.1. Магнетронная система распыления: 1,3 – уплотнительные прокладки; 2 – изолирующее кольцо, 4– фланец камеры, 5, 8 – зоны плазмы и эрозии; 6 – подложка; 7 – тонкая пленка; 9, 11 – электрическое и магнитное поля; 10 – анод; 12, 15 – периферийные и центральные магниты; 13 – основание магнитного блока; 14, 17 – трубки подачи и слива воды; 16 – зажим; 18 – корпус;

19 – мишень

катод через зажим 16, равно 300-700 В. Под катодом расположен магнитный блок, состоящий из центрального 15 и периферийных 12 постоянных магнитов, закрепленных на основании блока 13, изготовленного из магнитомягкого материала. Магнитный блок создает над поверхностью катода магнитное поле 11 (порядка 0,02-0,05 Тл.). Составляющая этого поля параллельна плоскости катода. Анод 10 расположен над катодом и может находиться либо под потенциалом земли, либо под напряжением 30-100 В относительно катода и обеспечивает образование электрического поля 9. Составляющая этого поля перпендикулярна плоскости катода. При подаче отрицательного потенциала на катод в прикатодной области образуется зона скрещенных магнитного и электрического полей. Находящиеся там электроны под действием этих полей совершают сложные движения, ионизируя газ.

В результате возникает тлеющий разряд и над поверхностью катода образуется кольцеобразная (торообразная) зона плазмы 5 – светящийся столб положительно заряженных ионов. При этом положительные ионы ускоряются в направлении катода, бомбардируя и распыляя его поверхность в зоне 8, называемой зоной эрозии. Частицы материала, покидающие мишень, осаждаются в виде пленки 7 на подложке 6, а также частично рассеиваются молекулами остаточных газов и осаждаются на стенках рабочей камеры.

Возможность в процессе нанесения покрытий изменять и контролировать параметры плазмы в широком диапазоне представляет собой одно из наиболее важных свойств магнетронного распыления. Требования к регулируемым параметрам плазмы зависят от конкретной задачи и функционального назначения покрытия. Известно, что для изменения структуры и свойств покрытий важно иметь возможность регулировать плотность ионного тока J_i на подложку от примерно 0,2 до 2 мА/см² и энергию бомбардирующих ионов E_i от единиц до сотен эВ. Энергию ионов можно легко регулировать подачей отрицательного смещения на проводящую подложку, однако величина потока ионов ограничена плотностью плазмы вблизи подложки, которая в обычных магнетронных распылительных системах экспоненциально спадает при удалении от катода.

Задачу получения соответствующего потока ионов можно решить с помощью магнетронов, оснащенных электромагнитными катушками, которые позволяют гибко управлять величиной и конфигурацией магнитного поля

По величине магнитного поля МРС разделяются на три группы, в зависимости от того, какое значение принимает величина коэффициента геометрической несбалансированности K_G, который рассчитывался по формуле:

K_G =Z₀ / 2R, (2.1)

где Z₀ – расстояние до нулевой точки (область на оси магнетрона, где магнитное поле меняет свое направление на противоположное),

R – средний радиус зоны эрозии.

Первыми появились сбалансированные МРС (K_G=1) (рис. 2.2. а). Несбалансированная конфигурация магнитного поля 1-го типа (K_G<1) (рис. 2.2. в) не получила широкого распространения, т.к. в ней несбалансированные силовые линии направлены в сторону стенок камеры, в результате чего плотность плазмы у подложки низкая. Поэтому для генерации ионов в области подложки наиболее подходит 2-й тип (K_G>1) (рис. 2.2. б) несбалансированной конфигурации магнитного поля.

Рис. 2.2. МРС с различной конфигурацией магнитного поля:

а – сбалансированная; б – несбалансированная типа 2;

в – несбалансированная типа 1.

Одна из основных характеристик магнетронного разряда – вольт-амперная характеристика (ВАХ). Существенное влияние на нее оказывают рабочее давление (Р) и индукция магнитного поля (B). Ток магнетронного разряда зависит от многих факторов, например, от рабочего напряжения, давления, рабочего газа, индукции магнитного поля, конфигурации магнетронной системы, распыляемого материала и определяется мощностью источника питания.