УДК 537.525; 621.793 

На правах рукописи

Духопельников Дмитрий Владимирович

МАГНЕТРОННЫЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С ЭЛЕКТРОМАГНИТАМИ.

Специальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА – 2007

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Защита состоится "30" мая 2007 г. в 15³⁰ часов на заседании диссертационного совета Д212.141.08 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, Лефортовская наб., д.1, корп."Энергомашиностроение".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 105005 Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д212.141.08.

Автореферат разослан ___ ______________2007 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Магнетронные распылительные системы широко применяются в техно­логии нанесения тонких пленок, в частности, в электронной и оптической промышленности, а также в машиностроении. 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 плоские системы 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 влиянии магнитной конфигурации на рабочие характеристики магнетронного разряда. Поэтому выбор представленного направления исследований является актуальным и, что особенно важно, нацеленным на практический промышленный выход.

Цель работы:

-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, решаемыми в данной работе являются:

-экспериментальное определение распределения локальных па­раметров плазмы (потенциал и концентрация плазмы, температура электронов) в области замагниченной плазмы и выяснение 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.

Достоверность результатов. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением современных методик измерения и сравнением результатов с данными других авторов. Приведены погрешности измерений. Достоверность теоретических оценок определяется применением фундаментальных законов электродинамики, физики плазмы, газовой динамики и термодинамики, а также экспериментальным подтверждением достаточной для инженерных расчетов точности основных положений и гипотез, принятых при теоретических исследованиях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- экспериментально получено пространственное распределение локальных пара­метров плазмы в прикатодной области МРС: 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 МРС и области допус­тимых рабочих параметров;

- разработана методика оценочного расчета магнитных полей в МРС с электромагнитной системой.

Практическая значимость результатов работы состоит в создании магнетронных распылительных систем, позволяющих:

-распылять ферромагнитные материалы из плоских катодов со скоростью удовлетворяющей производство накопителей информации на жестких магнитных дисках;

-распылять металлические мишени в среде реактивного газа при заданной скорости нанесения диэлектрических и полупроводниковых покрытий для оптических деталей и средств отображения информации;

-управлять разрядом без регулировки (значительного изменения) давления в камере и напряжения источника питания.

Личное участие автора.

Личное участие автора заключается в проведении исследований, разработок и анализа по всем разделам работы. Все представленные в диссертации результаты получены непосредственно автором или при его равноправном участии. Автором лично получены аналитическая зависимость для распределения величины индукции магнитного поля за срезом магнитопровода; экспериментально получены распределения локальных параметров плазмы в прианодной области и области замагниченной плазмы МРС, измерена величина холловского тока в разряде МРС.

На защиту выносятся:

-результаты экспериментального исследования распределения локальных параметров плазмы в прианодной области и области замагниченной плазмы МРС: электрон­ной температуры, концентрации и потенциала плазмы;

-результаты экспериментального определения положения внешней границы разряда в МРС, а также исследование параметров плазмы на этой границе;

-результаты измерения величины холловского тока в прикатодной области разряда;

- результаты теоретического исследования разряда в МРС;

-методика оценочного расчета магнитных полей в МРС с электромагнитной системой.

- рекомендации по проектированию МРС.

Апробация работы.

Основные результаты и положения докладывались:

1. VIII Всесоюзная конференция, Минск, 1991 г.

2. Всесоюзная юбилейная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения А.В. Квасникова "Двигательные, энергетические и электрофизические установоки космических летательных аппаратов". Москва, МАИ, 1992 г.

3. Всесоюзное научно-техническое совещание "Состояние и перспективы дальнейшего развития плазменных процессов". ЦНИИцветмет экономики и информации, Москва, 1992 г.

4. Всероссийский постоянно действующий научно-технический семинар "Электровакуумная техника и технология". Москва, 1998 г.

5. Всероссийский постоянно действующий научно-технический семинар "Электровакуумная техника и технология". Москва, 2006 г.

Результаты проведенных исследований опубликованы в 5-ти печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 202 стр. текста, 1 таблицу и 91 рисунок. Список литературы включает 88 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность исследования, сформулированы цели и задачи работы, а также положения, выносимые на защиту.

В главе 1 рассмотрены вопросы, связанные с практическим применением магнетронных распылительных систем, главным образом, с постоянными магнитами. Дается оценка их достоинств и недостатков. Обоснованы преимущества систем с постоянными магнитами. Рассмотрено состояние экспериментальных и теоретических исследований магнетронных распылительных систем.

Наиболее важными экспериментальными результатами, полученными другими авторами, следует считать следующее:

1. Практически все напряжение (80-90% от разрядного напряжения) в магнетронном разряде сосредоточено в узком катодном слое. Толщина катодного слоя хорошо описывается уравнением Чайлда-Ленгмюра.

2. Энергия ионов, приходящих на катод, имеет малый разброс. Средняя энергия ионов равна 80-90% от напряжения разряда.

3. Холловский ток в магнетронном разряде превышает ток разряда в 2-9 раз, а не 10-100 раз, как это оценивалось в первых работах по магнетронному разряду.

4. В магнетронном разряде наблюдается снижение концентрации рабочего газа по сравнению с концентрацией газа в камере.

5. В магнетронном разряде, со стороны анода, существует граница, при касании которой зондом, электрически соединенным с анодом, разряд гаснет. При удалении зонда горение разряда восстанавливается.

Из анализа теоретических работ сделаны следующие выводы:

1. МРС (магнетроны) работают при давлении плазмообразующего газа, равном 7х10^-2-4х10^-1 Па. Этот диапазон намного меньше того давления, при котором горит хорошо изученный тлеющий разряд. Длины свободного пробега электронов и ионов в таком разряде сравнимы или превышают размеры самого разряда. Поэтому использование для расчета МРС однокомпонентных МГД-моделей не дает положительных результатов.

2. Магнитное поле достигает столь большой величины в прикатодной зоне магнетрона, что становится необходимым учет индивидуального вклада электронной и ионной компонент в перенос тока в разряде магнетрона, так же, как это наблюдается в УАС. Это требует применения двухкомпонентной модели течения для анализа процессов в МРС.

3. В магнетронном разряде существует достаточно протяженная переходная плазменная зона (область замагниченной плазмы), в которой не только абсолютная величина магнитной индукции, но также и градиент магнитного поля играют существенную роль в движении электрически заряженных частиц. Это следует учитывать при построении модели разряда.

В главе 2 описан экспериментальный стенд, созданный для исследования магнетронных распылительных систем, исследуемые МРС, а также методы диагностики магнетронов. Описана оригинальная методика экспериментального измерения тока Холла в плазме магнетронного разряда.

Эксперименты проводились в вакуумной камере экспериментального стенда, выполненного на базе универсальной полуавтоматической установки вакуумной откачки УВН-70А-2.

Электрическое питание основной разрядной цепи МРС осуществ­лялось от источника постоянного тока с пульсацией напряжения не более 3%, который обеспечивал напряжение 0-1000 В и ток в наг­рузке 0-8 А. Кроме того, система электропитания МРС включала в себя источник питания основной катушки электромагнитной системы и источник питания компенсационной катуш­ки (пульсации тока 0,5 %).

Система подачи рабочих газов обеспечивала подачу инертного плазмообразующего газа (аргона) как в ручном режиме, так и в режиме стабилизации расхода. Подача реактивного газа (кислород, азот, пропан) обеспечивалась в режиме поддержания заданного давления в камере.

Для исследования влияния магнитного поля на электрические параметры магнетронного разряда, а также для управления геометрическими размерами разряда было разработано и изготовлено шесть различных моделей магнетронов с электромагнитными катушками. В первой экспериментальной модели была установлена одна магнитная катушка. Во всех последующих моделях магнитных катушек было не менее двух: одна основная, другая компенсационная. Использование двух катушек, вместо одной, позволяет "гибко" управлять магнитным полем над поверхностью катода-мишени. Комбинируя направление и силу тока в обеих катушках, можно изменять положение и радиус зона распыления катода, а также профиль сечения этой зоны. Кроме того, электромагнитная катушка позволяет генерировать магнитный поток достаточный для насыщения толстых, до 10 мм, слоев ферромагнетиков, таких как никель или железо. В этом случае магнетрон, снабженный двумя электромагнитными катушками, становится эффективным инструментом для напыления ферромагнитных покрытий.

В результате последовательного улучшения конструкции были разработаны два типа магнетронных распылительных систем с несколькими электромагнитными катушками, названные МРС №1 и МРС №2. Внешний вид этих систем показан на рис.1 и рис. 2.