Магнетронные распылительные системы с электромагнитами

-2-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение......................................................... 5
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ МАГНЕТРОННЫХ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМ.................................................... 8
1.1. Основные характеристики магнетронных распылительных систем.8
1.2. Конструктивные схемы магнетронных распылительных систем...11
1.3. Исследования внешних характеристик магнетронных распылительных систем.........................................................19
1.4. Экспериментальные исследования особенностей рабочего процесса в магнетронных распылительных системах.....................21
1.5. Теоретические исследования рабочего процесса в магнетронных распылительных системах..................................... 26
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ
ИЗМЕРЕНИЙ.................................................. 32
2.1. Схема установки...........................................33
2.2. Экспериментальные магнетронные распылительные системы.....37
2.3. Электрический одиночный зонд Ленгмюра.....................45
2.4. Особенности зондовых измерений в плазме с магнитным полем.50
2.5. Конструкция зонда и схема зондовых измерений..............56
2.6. Методика измерений магнитного поля и холловского тока в магнетронном разряде. ...................................60
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРЯДА В
МАГНЕТРОННЫХ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ......................69
3.1. Вольтамперные характеристики (ВАХ) разряда в магнетронных распылительных системах........................................69
3.2. Конфигурация магнитных полей в разрядном промежутке и их влияние на форму разряда.......................................73
-3-
Стр.
3.2. Измерение распределения локальных параметров плазмы в
прикатодной области разряда....................................77
3.4. Исследование внешней границы области замагниченной плазмы.....87
3.5. Экспериментальное определение величины холловского тока в разряде магнетронной распылительной системы.......................102
Глава 4. ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ДЛЯ МАГНЕТРОННЫХ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ...............................................................104
4.1. Распределение магнитной индукции над поверхностью катода в зависимости от параметров электромагнита......................104
4.2. Электромагнитная система для распыления
ферромагнитных материалов. ....................................116
Глава 5. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗРЯДНОГО ПРОМЕЖУТКА
МАГНЕТРОННОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ...........................122
5.1. Структура разрядного промежутка..............................122
5.2. Некоторые константы, характерные для области замагниченной плазмы. Распределение В, Е, jp в области замагниченной плазмы.125
5.3. Эквивалентное давление и признаки подобия коэффициента ионизации в присутствии магнитного поля.......................131
5.4. Распределение коэффициента ионизации в разрядном промежутке....136
5.5. Распределение плотности электронного тока je, плотности ионного тока У/, концентрации плазмы пе в разрядном промежутке. ....137
5.6. Параметры разряда на границе области замагниченной
плазмы и катодного слоя.........................................141
5.7. Градиент электронного давления и его учет в описании
плазмы магнетронного разряда....................................143
5.8. Холловский ток в области замагниченной плазмы................145
5.9. Баланс энергии электронов и температура электронов в анодной области разряда............................................. 150
-4-
Стр.
5.10. Функция распределения ионов по энергиям на входе в катодный слой. Средняя энергия ионов на входе в катодный слой........155
5.11. Минимальное рабочее давление................................161
5.12. Внешняя граница области замагниченной плазмы................167
5.13. Толщина катодного слоя......................................178
5.14. Движение электронов в катодном слое.........................180
5.15. Ионизирующая способность катодного слоя.....................185
5.16. Функция распределения ионов по энергиям на поверхности катода. Средняя энергия иона на поверхности катода........................186
ВЫВОДЫ......................................................... 192
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. .................................................195
-5-
ВВЕДЕНИЕ
Метод магнетронного распыления широко используется в технологии нанесения тонких пленок, в частности, в электронной и оптической промышленности, а также в машиностроении. [1], [2]. Однако недостаток знаний о строении магнетронного разряда сужает возможность управления его параметрами, не раскрывает причину таких эффектов, как устойчивость разряда или работоспособность магнетронной системы. Как замечено в [3], практическое применение магнетронных распылительных систем (MPC) значительно опередило разработку теории их работы и появление методики расчета.
В настоящее время важной задачей для магнетронных распылительных систем является возможность распыления ферромагнитных материалов, в частности, ферромагнитных материалов для накопителей информации. Применение магнетронных распылительных систем для нанесения сложных многослойных оптических покрытий на крупногабаритные оптические детали и плоских систем отображения информации требует увеличения стабильности работы при реактивных процессах. При этом необходимо получать покрытия с воспроизводимостью свойств и толщины, сравнимой с воспризводимостью при электронно-лучевой технологии. Применение магнетронных распылительных систем в нанотехнологии требует высокой стабильности скорости нанесения покрытия. Все эти задачи могут быть решены с помощью магнетронов, оснащенных электромагнитными системами, которые позволяют гибко управлять величиной и конфигурацией магнитного поля, а также получать магнитные потоки необходимые для магнитного насыщения и распыления ферромагнитных катодов. Однако на сегодняшний день магнетронные системы с электромагнитными системами не получили широкого распространения так как отличаются сложностью изготовления и проблемами в управлении разрядом. Это, в значительной мере, связано с неполным представлением о
-6-
влиянии конфигурации магнитного поля на рабочие характеристики магнетронного разряда. Поэтому выбор представленного направления исследований является актуальным и, что особенно важно, нацеленным на практический промышленный выход.
Целью работы является
-исследование физических процессов в магнетронной распылительной системе;
-разработка рекомендаций для проектирования электромагнитных систем промышленных магнетронов;
-разработка электромагнитной системы, которая должна обеспечивать: распыление ферромагнитных материалов со скоростью удовлетворяющей производство накопителей информации на жестких магнитных дисках; распыление металлических мишеней в среде реактивного газа при заданной скорости нанесения диэлектрических и полупроводниковых покрытий для оптических деталей и средств отображения информации; управление разрядом с помощью магнитной системы, минуя значительные изменения давления в камере и напряжения источника питания.
Основными задачами данной работы являются:
-экспериментальное определение распределения локальных параметров плазмы (потенциал и концентрация плазмы, температура электронов) в области замагниченной плазмы и выяснения связи полученного распределения с распределением индукции магнитного поля;
-теоретическое описание потоков заряженных частиц в области замагниченной плазмы и прикатодной области разряда;
-определение граничных условий существования разряда;
-получение рекомендаций для проектирования электромагнитных систем промышленных магнетронов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- экспериментально получено пространственное распределение локальных
-7-
параметров плазмы в прикатодной области MPC: электронной температуры, концентрации и потенциала плазмы;
- экспериментально определено положение внешней границы разряда, которая имеет потенциал анода и установлена количественная связь между положением этой границы, а также величиной и формой поля В, давлением и родом рабочего газа;
- получены критерии работоспособности MPC и области допустимых рабочих параметров;
- разработана методика оценочного расчета магнитных полей в MPC с электромагнитной системой.
На защиту выносятся:
-результаты экспериментального исследования распределения локальных параметров плазмы в прианодной области и области замагниченной плазмы MPC: электронной температуры, концентрации и потенциала плазмы;
-результаты экспериментального определения положения внешней границы разряда в MPC, а также исследование параметров плазмы на этой границе;
-результаты измерения величины холловского тока в прикатодной области разряда;
- результаты теоретического исследования разряда в MPC;
-методика оценочного расчета магнитных полей в MPC с
электромагнитной системой.
- рекомендации по проектированию MPC.
-8-
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ МАГНЕТРОННЫХ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
1.1. Основные характеристики магнетронних распылительных систем
Магнетронные распылительные системы (MPC) начали применяться для нанесения тонких пленок с начала 70-х годов [1]. Они пришли на смену системам катодного распыления, ранее широко применявшимся в полупроводниковой промышленности. При этом MPC составили конкуренцию термовакуумному испарению и электроннолучевому испарению [2], особенно при нанесении покрытий из тугоплавких материалов и при нанесении покрытий на плоские подложки большой площади.
Преимуществами MPC являются:
- высокие скорости нанесения покрытия (более чем в десять раз по сравнению с катодным распылением);
- невысокие тепловые нагрузки на подложку (нанесение покрытий на полимерные подложки);
- возможность нанесения покрытий сложного состава из сплавов (при термовакуумном испарении происходит сепарация компонентов сплава);
- возможность нанесения покрытий в среде реактивного газа (оксиды, нитриды, карбиды);
- возможность нанесения покрытия с хорошей воспроизводимостью по толщине и составу на подложки больших размеров (рулонные материалы, архитектурные стекла);
- возможность использовать MPC в технологических линиях с непрерывным нанесением покрытий, за счет большого запаса материала в распыляемом катоде (время напыления от 5 до 20 дней).
С середины 70-х годов MPC применяются для нанесения проводящих слоев при производстве микросхем.
-9-
В конце 70-х годов появились поточные линии для непрерывного нанесения покрытий на архитектурное стекло оснащенные MPC (рис. 1.1).
В начале 80-х годов MPC начали использоваться для нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент.
С середины 80-х годов MPC широко применяются для нанесения магнитных покрытия на жесткие диски накопителей информации.
В MPC используется аномальный тлеющий разряд в неоднородных скрещенных электрическом (Е) и магнитном (В) полях, локализованный у поверхности распыляемой мишени, которая является катодом. Причем поле Е перпендикулярно, а поле В параллельно катоду. Эмитируемые с поверхности катода при ионной бомбардировке электроны захватываются магнитным полем и совершают сложные циклические движения у распыляемой поверхности, многократно сталкиваясь с атомами рабочего газа. В результате вблизи поверхности катода образуется область с высокой концентрацией частично замагниченной плазмы. Полученные в результате ионизации рабочего газа ионы ускоряются приложенным разрядным напряжением в направлении катода-мишени и распыляют ее.
Определяющее влияние на разряд оказывают величина и форма магнитного поля, давление и вид рабочего газа, материал катода, размер и форма катода. Рост индукции магнитного поля приводит к возрастанию тока разряда при неизменных значениях напряжения и давления. Рост давления рабочего газа вызывает возрастание тока при постоянных величинах напряжения и индукции поля В. Известно, что в MPC с меньшими линейными размерами катода труднее зажечь разряд, они требуют больших магнитных полей и более высоких давлений рабочего газа. Разряд в MPC можно зажечь при давлениях от нескольких Па до 0,02 Па, причем нижняя граница допустимого давления сильно зависит от конструктивных особенностей MPC. Часто, по непонятным причинам, бывает невозможно заставить работать систему при давлениях много больше 0,02 Па, несмотря на значительные
-10-
Рис.1.1. Поточная линия для непрерывного нанесения покрытий на архитектурное стекло фирмы ЬеуЬоМ Ав: 1 - загрузочный конвейер; 2 -подающий механизм моечной машины; 3 - моечная машина; 4 -выходной конвейер моечной машины; 5 - входной пылезащищенный конвейер; 6 - камера предварительной откачки и нагрева ; 7 - камера ионной очистки; 8 - камера напыления; 9 - выходная камера; 10 -выходной конвейер
-11 -
величины магнитных полей. Таким образом, актуальной задачей является детальное исследование физики разряда, построение теоретической модели разряда и разработка на ее основе методики расчета вольтамперной характеристики.
Магнетроны работают при давлении рабочего газа (как правило, аргона)
? Л
4x10* -1x10 Па. Напряжения разряда лежат в диапазоне 300-800 В, а средние плотности тока на катоде равны 150-1000 А/м2. Величина параллельной поверхности катода составляющей магнитного поля лежит в диапазоне 0,03-0,12 Тл. Вольтамперная характеристика разряда сильно зависит от величины магнитного поля и давления рабочего газа [3], [4].
1.2. Конструктивные схемы магнетронных распылительных систем
Классификация схем MPC может быть проведена по виду питающего напряжения и тока разряда, форме катода-мишени, типу магнитной системы, фазовому состоянию катода. В настоящей работе рассматриваются MPC только постоянного тока с холодным (твердым) катодом.
Основным элементом MPC является распыляемый катод-мишень. Можно выделить три наиболее применяемые типа магнетронов различающихся по форме катода:
- плоские MPC с дисковым катодом или протяженным катодом (планарные MPC) (рис. 1.2 а);
- цилиндрические MPC (рис. 1.2 б);
- MPC с конической мишенью (рис. 1.2 в).
Самыми распространенными являются MPC с плоской мишенью. Магнетрон с дисковым катодом может использоваться в небольших установках для нанесения упрочняющих покрытий, проводящих дорожек в микросхемах, отражающих и интерференционных покрытий на небольшие оптические детали. На рисунке 1.3 показана серийно выпускавшаяся в СССР магнетронная
- 12-
a)
б)
в)
Рис. 1.2. Основные конструктивные схемы MPC: а) плоская (планарная) MPC, б) цилиндрическая MPC, в) MPC с конической мишенью. 1 - катод-мишень; 2 - анод; 3 -магнитная система; 4 - силовые линии магнитного поля
-13-
распылитсльная система МАГ-5 с диаметром катода 108 мм. На рисунке 1.4. показаны магнетронные распылительные системы фирмы Angstrom Sciences inc. с различными диаметрами катодов.
Плоские MPC с протяженным катодом применяются в установках для нанесения покрытий на листовые материалы больших размеров (до3200х6400 мм) или рулонные материалы. Например, архитектурное стекло, листовой металл, лавсановая пленка и т.п. На рисунке 1.5. показана магнетронная распылительная система с плоским протяженным катодом фирмы Angstrom Sciences inc.. В MPC с плоским катодом коэффициент использования материала имеет относительно низкие величины 20 - 30 %.
Цилиндрические MPC используются тогда, когда необходимо обеспечить максимальную загрузку камеры обрабатываемыми изделиями. При этом обеспечивается максимальная площадь обрабатываемой поверхности, высокая скорость напыления покрытия и хорошая равномерность по толщине [4]. Магнитная система в таких магнетронах состоит и нескольких цилиндрических магнитов, разделенных вставками из ферромагнитного материала (см. рис. 1.26). Разряд горит в виде нескольких колец расположенных внутри арок магнитного поля. В цилиндрических MPC коэффициент использования материала катода достигает величины 35-45%.
Стремление повысить коэффициент использования материала привело к созданию цилиндрических магнетронов с подвижной относительно катода магнитной системой. Магнитная система в этих MPC похожа на магнитную систему плоских магнетронов с протяженным катодом (см. рис. 1.6а). Разряд горит в форме беговой дорожки, а поверхность катода все время перемещается относительно разряда вслед за магнитной системой. При небольших диаметрах катода магнитная система может иметь крестообразный вид с четырьмя магнитными полюсами [5] (см. рис. 1.6а). Разряд горит в форме "бейсбол", а магнитная система перемещается относительно катода электроприводом. Разряд перемещается вслед за магнитной системой по поверхности катода.
- 14-
Рис. 1.3. Магнетронная распылительная система МАГ-5
\
Л
У?
/
/
Рис. 1.4. Магнетронные распылительные системы с дисковым катодом фирмы Angstrom Sciences inc.
1.5. Магнетронная распылительная система с протяженным катодом фирмы Angstrom Sciences inc.
-16-
а)
Рис Л .6. Магнетронная распылительная система с цилиндрическим катодом и перемещаемой относительно катода магнитной системой: а) разряд в виде беговой дорожки; б) разряд в форме "бейсбол"; 1 -катод; 2 -магнитная система
-17-
Коэффициент использования материала в этих MPC достигает 90%.
Комбинация MPC с плоским дисковым катодом и MPC с коническим катодом позволяет получить высокую равномерность толщины покрытия на дисковой подложке с диаметром равным наружному диаметру конического катода [6]. Такие устройства применяются для нанесения магнитных покрытий на диски накопителей информации.
Магнитная система магнетронной распылительной системы предназначена для создания арочного магнитного поля, служащего для удержания плазмы около катода. Наиболее раннее упоминание об арочном магнитном поле, используемом в магнетронных распылительных системах, встречается в работе И.Г. Кесаева и В.В. Пашковой [7]. Магнитная система магнетронных распылительных систем может быть собрана как на постоянных магнитах, так и электромагнитах. На рисунке 1.1 показаны магнитные системы MPC с плоским катодом, выполненные на постоянных магнитах и эквивалентные им по конфигурации магнитного поля магнитные системы, выполненные на электромагнитах.
Магнетронный разряд позволяет производить распыление материала находящегося как в твердом состоянии, так и жидком. Для распыления из жидкой фазы распыляемый металл помещается в термически изолированный от магнитной системы тигель. При зажигании разряда, металл катода разогревается и плавится. Металл при этом распыляется со скоростью, которая значительно превышает скорость распыления твердого холодного катода [8]. При повышении плотности тока возрастает температура расплава и давление паров металла над катодом.
При достаточно высокой плотности паров становиться возможным горение разряда в парах собственного катода (режим самораспыления). Такие магнстронные распылительные системы характеризуются наиболее высокими скоростями распыления катода и наибольшими коэффициентами использования материала.
-18-
Рис. 1.7. Магнитные системы MPC с плоским катодом. Магнитные системы на постоянных магнитах (а), (6). Магнитные системы на электромагнитах (в), (г): 1-магнитопровод; 2- постоянный магнит; 3-электромагнитная катушка; 4 - магнитные силовые линии