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 рис. 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 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 разряд и над поверхностью катода образуется кольцеобразная (торообразная) зона плазмы 5 – светящийся положительный столб. 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.

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

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 Ji на подложку от примерно 0.2 до 2 мА/см² и энергию бомбардирующих ионов Ei 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.