Рис.1 Магнетронная распылительная система МРС №1

Рис.2. Магнетронная распылительная система МРС №2

МРС №1 была снабжена форсированной электромагнитной системой, имеющей увеличенные сечения магнитопровода и четыре электромагнитные катушки. Магнитная система создавала на поверхности катода магнитные поля с индукцией до 0,25 Тл при толщине катода 10 мм. МРС №2 разрабатывалась, как промышленный образец магнетрона. Её электромагнитная система состояла из двух электромагнитных катушек и создавала на поверхности катода магнитные поля с индукцией до 0,1 Тл при толщине катода 8 мм.

В настоящей работе электронная температура Т_е в плазме, а так же концентрация заряженных частиц n_e n_i и потенциал плазмы _пл определялись с помощью электрического зонда, установленных в разрядном промежутке. При перемещении зонда внутри разряда в фиксированных точках снимались вольтамперные характеристики зондов. Затем по результатам обработки характеристик строились графики распределения параметров плазмы как в прикатодной области, так и вне неё. При обработке зондовых характеристик наиболее существенным отклонением от традиционной зондовой методики был учет влияния магнитного поля.

Зондовые измерения параметров плазмы проводились в той области магнетронного разряда, где индукция магнитного поля составляла В=0,0015 – 0,03 Тл. Плазмообразующим газом разряда был аргон при давлении, равном Р=0,13 Па. Концентрация плазмы, измеренная с помощью зондов, находилась в диапазон n_e n_i =10¹⁶ –10¹⁸ м^-3. Температура электронов равнялась Т_е = 1 – 7,5 эВ. Распределение электронов по энергии близко к максвелловскому, если судить по экспоненциальной форме восходящей ветви зондовой характеристики практически во всех случаях измерения.

Во всем диапазоне измеряемых параметров плазмы выполнялись условия:

R_D < R < ; R_D < R_ce; R_D < R_ci

где: R – радиус зонда; R_D – радиус Дебая; R_ci – циклотронный радиус иона; R_ce - циклотронный радиус электрона. Поэтому можно утверждать, что заряды поступают на зонд в режиме, который соответствует случаю бесстолкновительного режима с тонким объемным слоем заряда. При этом на границе тонкого объемного заряда выполняется критерий Бома. Величина ионного тока насыщения практически не меняется по сравнению со случаем отсутствия магнитного поля, а величина электронного тока насыщения имеет заниженное значение.

Когда загорается разряд, возникает дополнительное магнитное поле, которое создает виток j_x электронного тока, замкнутый внутри плазмы. Поскольку этот ток называют холловским, то магнитное поле В_х, созданное им, мы будем так же называть «холловским». При теоретическом анализе параметров плазмы в МРС следует оценить предварительно, насколько «холловское» магнитное поле В_х искажает поле, созданное магнитной системой В_м. Для ответа на этот вопрос было измерено по аналогии с той методикой, которую использовали Rosnagel S.M. и Kaufman H.R. Считалось, что магнитная индукция В_м изменяется на величину В в любой точке на оси y магнетрона, когда возникнут холловский ток I_x и магнитная индукция В_х . Эта величина равна тому вкладу в индукцию, который делает холовский ток. Поэтому можно считать, что В= В_х . Если величину В измерить экспериментально, то плотность холовского тока можно определить по закону Био и Савара:

где: R – радиус витка с холловским током; r – расстояние от плоскости холловского тока до магнитного зонда, расположенного на оси у магнетрона.

При таком способе расчета не учитывается наличие магнитопровода в непосредственной близости от витка холловского тока. В магнитопроводе холловский ток наводит магнитное поле, которое увеличивает величину поля В_х, наводимого в какой-либо точке разряда. Однако учет влияния магнитопровода усложняет решение поставленной задачи.

Учитывая сказанное, были измерены величина В, вызванная изменением магнитного поля холловским током в магнетроне с горящим разрядом (в рабочем режиме магнетрона), а также определена величина холловского тока в разряде, путем моделирования пробным витком с током.

Для измерения индукции магнитного поля в горящем разряде над поверхностью катода был разработан магнитный зонд с термостабилизацией для устранения влияния температуры датчика на его чувствительность. Датчик Холла вклеен в паз латунного корпуса, охлаждаемого водой. Корпус размещен в кварцевой трубке с зазором, обеспечивающим отсутствие теплового контакта. С одной стороны кварцевая трубка закрыта замазкой (оксид циркония, жидкое стекло), с другой стороны в трубку запрессована фторопластовая пробка, через которую выводятся охлаждающие трубки и сигнальный кабель. Сигнальный кабель помещен в электростатический экран. В качестве чувствительного элемента использовался датчик Холла фирмы “Honeywell” серии SS94A2. Датчик Холла калибровали в однородном магнитном поле. В вакуумной камере магнитный зонд размещался на оси магнетрона, на расстоянии 40 мм от катода.

В третьей главе приводятся результаты исследования разряда в магнетронной распылительной системе. Исследовано влияние конфигурации магнитного поля над поверхностью катода-мишени на форму разряда. Продемонстрированы возможности регулировки и формирования как замкнутой, так и «несбалансированной» магнитной конфигурации, на одной и той же магнетронной распылительной системе. Измерены локальные параметры плазмы, которые согласуются с имеющимися данными других авторов. Для оценки местоположения внешней границы области замагниченной плазмы автор на основе экспериментальных оценок предлагает использовать силовую линию магнитной индукции, где обеспечивается параметр Холла для электронов около 40. Эта величина параметра Холла подтверждена экспериментами, проделанными в нескольких типах магнетронов.

Вольтамперные характеристики разряда исследовались в магнетронных распылительных системах МРС №1 и МРС №2.

Перед снятием вольтамперных характеристик измерялся ток разряда в зависимости от соотношения числа ампервитков в основной _окI_ок и компенсационной _ккI_кк катушке при неизменной величине индукции магнитного поля на поверхности катода В₀ и неизменном напряжении разряда.

Измерения показали, что существует максимум тока разряда, при некотором соотношении К. Такое соотношение числа ампервитков в основной и компенсационной катушке считалось оптимальным и, в дальнейшем, вольтамперные характеристики определялись при этом оптимальном соотношении. Максимум тока разряда достигался при соотношении числа ампервитков в основной и компенсационной катушках равном для МРС №1 К=5,2, для МРС №2 К=6,8.

Вольтамперные характеристики исследовались при различных давлениях рабочего газа р (аргон) и различных величинах индукции магнитного поля на поверхности катода В₀. Рассматривалась максимальная величина параллельной поверхности катода составляющей поля В. Примеры ВАХ приведены на рис.3.

а) б)

Рис.3. ВАХ разряда МРС №1, катод – медь: а) давление р=0,1 Па, В₀: 1–0,08 Тл, 2–0,05 Тл, 3–0,025 Тл; б) В=0,08 Тл, давление: 1–0,044 Па, 2–0,1 Па, 3–0,32 Па

Конфигурация магнитного поля над поверхностью катода менялась путем изменения соотношения числа ампервитков в основной I_ок_ок и компенсационной I_кк_кк катушке (параметр К ). Конфигурации магнитных полей форма разряда в МРС №2 при различных параметрах К показаны на рис.4 и рис.5.

Таким образом, изменение соотношения токов в электромагнитных катушках позволяет управлять положением зоны распыления катода. Увеличение параметра К приводит к увеличению диаметра зоны распыления, а снижение параметра К приводит к уменьшению диаметра зоны распыления.

а) б)

Рис.4. Влияние конфигурации магнитного поля на форму разряда в МРС. (соотношение числа ампервитков в основной и компенсационной катушке К=8): а) конфигурация магнитного поля; б) форма разряда

а) б)

Рис.5. Влияние конфигурации магнитного поля на форму разряда в МРС. (соотношение числа ампервитков в основной и компенсационной катушке К=1): а) конфигурация магнитного поля; б) форма разряда

Измерение локальных параметров плазмы производилось в магнетронной распылительной системе МРС №1 методом одиночного электрического зонда Ленгмюра. Давление аргона p=0,08 Па. Напряжение разряда 420 В. Ток разряда 0,8 А. Индукция магнитного поля на поверхности катода В=0,11 Тл. Материал катода медь. На рис.6 и рис. 7 показаны распределения потенциала плазмы _пл и концентрации плазмы n_е в разрядном промежутке. На рис.8 показаны распределение потенциала плазмы _пл, распределение концентрации плазмы n_е и конфи­гурация магнитного поля В над поверхностью катода в одном масш­табе.

Рис.6. Распределение потенциала плазмы _пл в разрядном промежутке магнетронной распылительной системы МРС №1. Потенциал плазмы дан относительно анода

Рис.7. Распределение концентрации плазмы n_ех10^-16 м^-1 в разрядном промежутке магнетронной распылительной системы МРС №1