Вольт-амперные характеристики магнетронов

Реактивное распыление – это ионное распыление металлических или полупроводниковых мишеней в среде, содержащей реактивный газ. Оно позволяет получать пленки химического соединения металла мишени с реактивным газом.

Источником ионов служит плазма газового разряда, процессы в которой определяют форму его ВАХ и свойства получаемых пленок. В свою очередь ВАХ разряда позволяет судить о процессах, происходящих в реактивном разряде.

Далее мы рассмотрим технологическое применение этих взаимозависимостей для гибкого регулирования процесса реактивного распыления.

Как известно, ВАХ разряда в аргоне имеет сравнительно простой вид: ток разряда монотонно увеличивается с ростом напряжения (рис. 2.3). Одновременно растет мощность разряда и скорость распыления мишени. При низком давлении остаточных газов поверхность мишени свободна от слоя химического соединения. При включении и выключении разряда давление в камере практически не меняется, так как поглощение аргона растущей пленкой незначительно.

Рис. 2.3. ВАХ магнетрона в аргоне (1) или в реактивном газе при γ_с>γ_м (2), и при γ_с<γ_м(3).

В реактивном газе (азоте, кислороде и т. п.) ВАХ разряда имеет тоже простой вид (см. рис. 2.3), представляющий собой монотонные зависимости тока от напряжения. Относительно ВАХ в аргоне они сдвинуты в сторону больших или меньших токов. Это зависит, главным образом, от соотношения коэффициентов вторичной электронной эмиссии материала мишени γ_м и вторичной электронной эмиссии химического соединения γ_с. Если γ_с>γ_м, то ВАХ в реактивном газе лежит выше ВАХ в аргоне, и наоборот, если γ_с<γ_мто — ниже. Соотношение определяет не только относительное положение ВАХ в реактивном газе, но и расстояние между ВАХ в аргоне и в реактивном газе. Чем больше различие γ_с и γ_м, тем дальше они отстоят друг от друга.

В отличие от разряда в аргоне, в котором давление в камере не зависит от мощности разряда, при разряде в реактивном газе его давление довольно быстро снижается с ростом мощности разряда из-за поглощения реактивного газа растущей пленкой. При достаточно большой мощности давление снижается настолько, что разряд гаснет. После этого в отсутствие разряда давление в камере растет, и разряд снова загорается. Эти процессы повторяются, т. е. разряд становится пульсирующим.

Таким образом, мощный разряд в реактивном газе нестабилен. Однако известно, что пульсации в мощном магнетронном разряде не возникают, если кроме давления реактивного газа в камере создано достаточное давление инертного газа. Поэтому в магнетронных распылительных устройствах разряд в реактивном газе практически не используют, а реактивное распыление ведут в смеси инертного (обычно аргона) и реактивного газов.

Рассмотрим изменение ВАХ электрического разряда в аргоне при добавлении к нему реактивного газа. В начале, при малых количествах его молекул, из-за меньшего их сечения ионизации может потребоваться увеличение напряжения для поддержания постоянного тока или произойдет снижение тока при постоянном напряжении. Эти изменения в большинстве случаев сравнительно невелики, примерно 5-10%. Они обусловлены только изменением состава газовой среды. При этом поверхность мишени остается свободной от слоя химического соединения.

При дальнейшем увеличении потока реактивного газа мишень покрывается слоем химического соединения и происходят уже существенные изменения формы ВАХ. Они определяются в основном как параметрами используемых веществ (коэффициенты распыления и вторичной электронной эмиссии материалов мишени и его химического соединения с реактивным газом), так и параметрами оборудования (эффективная скорость откачки вакуумной камеры и её геометрия). В этой ситуации можно наблюдать два вида ВАХ (рис. 2.4).

В каждом виде вольт-амперной характеристики можно выделить три области режимов реактивного магнетронного разряда. Первая область – это область больших мощностей разряда, где мишень практически свободна от слоя химического соединения, а парциальное давление реактивного газа мало. Поэтому ВАХ разряда в этой области приближается к ВАХ разряда в аргоне.

Рис. 2.4 ВАХ магнетрона в аргоне (1) и в смеси аргона и реактивного газа при γ_с>γ_м (2) и при γ_с<γ_м(3 и 4). Источники питания выбраны правильно

Вторая область — область малых мощностей разряда. Здесь поверхность мишени полностью покрыта слоем химического соединения. Скорость распыления мала, а парциальное давление реактивного газа велико и определяет ход ВАХ. Поэтому здесь вольт-амперные характеристики близки к ВАХ разряда в соответствующем реактивном газе.

Между указанными областями расположена область переходных режимов, в которой мишень частично покрыта слоем химического соединения. При изменении степени покрытия мишени меняются давление реактивного газа, скорость распыления мишени, электрические и другие параметры разряда. Характерной особенностью этой области является отрицательное динамическое сопротивление разряда

Ширина переходной области с отрицательным динамическим сопротивлением в большой мере определяется энтальпией образования химического соединения. Чем она больше, тем шире данная область. Если определять ширину этой области в процентах от ширины второй области, то полученные экспериментальные данные можно сопоставить с величиной энтальпии в таблице 2.1.

Два вида ВАХ у разряда в смеси газов возникают в соответствие с соотношением γ_с и γ_м. Если γ_с>γ_м, то образуются N-образные характеристики (кривая 2), а если γ_с<γ_м, то S-образные с различным средним наклоном переходной области (кривые 3 и 4). Оба вида вольт-амперных характеристик могут вырождаться в монотонные характеристики, когда парциальное давление реактивного газа в камере сравнительно мало и слабо влияет на параметры разряда.

Таблица 2.1