Магнетронные распылительные системы с электромагнитами, страница 3

а) б)

Рис.8. Распределение потенциала плазмы _пл, распределение концентрации плазмы n_е и конфи­гурация магнитного поля В над поверхностью катода в одном масш­табе

Измерения локальных параметров плазмы в светящейся области разряда магнетронной распылительной системы показали, что:

1. Электронная компонента состоит из двух групп электронов с максвелловским распределением по скорос­тям. Температура первой группы на расстоянии 10...50 мм от като­да составляет 2-7 эВ, а второй 7-20 эВ.

2. В области замагниченной плазмы разряда линии равного потенциала поля Е практически совпадают с линиями индукции поля В. Нарушение эквипотенциальности происходит на линии В, потен­циал которой отличается от потенциала анода примерно на величину энергии ионизации рабочего газа (для аргона 15 В).

3. В области замагниченной плазмы разряда линии равной концентрации плазмы n_е совпадают с линиями индукции поля В в их центральной части вблизи катода. По мере приближения к катоду вдоль линии В линии равной концентрации плазмы n_е незначительно отклоняются от линий магнитной индукции внутрь области разряда. При этом создается градиент электронного давления вдоль линии В. Там где наблюдается отклонение от эквипотенциальности линий магнитного поля В, наблюдаются значительные отклонения линий равной концентрации n_е от линий магнитной индукции.

4. Отношение Е/В практически постоянно вдоль линии электрического поля Е.

5. Отношение n/B² практически постоянно вдоль линии электрического поля Е.

Была обнаружена линия, совпадающая с линией магнитного поля, касание которой анода или заземленного зонда приводит к гашению разряда. Изменение положения анода за пределами этой границы не меняет условий горения разряда. Перемещение анода за эту границу приводит к нарушению условий ионизации и гашению разряда.

Анализ условий на силовой линии магнитного поля, которая касается анода показал, что гашение разряда происходит тогда, когда величина параметра Холла для электронов на этой линии, в точке с наименьшей величиной индукции магнитного поля В_min, лежит в диапазоне =30..90 для аргона. Сравнение зоны распыления катода и места вхождения линии магнитного поля с параметром Холла 30-90 в катод, показало, что граница зоны распыления совпадает с местом вхождения этой линии в катод.

Полученные экспериментальные данные позволяют сформулировать следующее требование к проектированию магнитных систем магнетронов: для обеспечения работоспособности магнетронной распылительной системы линия магнитного поля с параметром Холла 30-90 при заданном рабочем давлении должна находиться в пределах катода (не должна касаться анода).

Холловский ток в магнетронном разряде искажает магнитное поле, создаваемое магнитной системой. При теоретическом анализе параметров плазмы важно знать, допустимо ли пренебрегать изменением магнитного поля в разряде.

Учитывая сказанное, было измерено изменение магнитного поля холловским током в разряде, а также определена величина холловского тока путем моделирования пробным витком с током.

Величина холловского тока в магнетронной распылительной системе с дисковым катодом превышает ток разряда в 4 – 6 раз. Изменение индукции магнитного поля, вызванное холловским током, не превышает 3% от величины внешнего магнитного поля, создаваемого магнитной системой. Это позволяет не учитывать при анализе параметров плазмы в разрядном промежутке изменение магнитного поля холловским током.

В четвертой главе рассматриваются конструктивные особенности и методики расчета электромагнитов для магнетронных распылительных систем.

В работе получена зависимость для распределения индукции магнитного поля за срезом магнитопровода.

Экспериментальная проверка распределения индукции магнитного поля В_у(х) проводилась на большом количестве магнитопроводов. В результате этих измерений была получена эмпирическая зависимость для поправочного коэффициента К_В, которая является линейной функцией от соотношения длин кромок полюсов.

При этом, отношение градиента составляющей индукции магнитного поля, параллельной срезу магнитопровода, В_y к величине составляющей индукции магнитного поля В_y по мере удаления от среза магнитопровода будет постоянно:

а выражение для распределения индукции магнитного поля за срезом магнитопровода может быть записано, как:

Проанализированы три основных метода нанесения ферромагнитных пленок магнетроном.

Первый метод основан на предварительном нагреве магнитных мишеней и поддержания их температуры выше точки Кюри на 10-15 ˚С в процессе распыления. При этом материал магнитной мишени теряет полностью свои магнитные свойства.

Второй метод распыления магнитных материалов основан на магнитном насыщении материала катода. Это позволяет устранить шунтирующее действие ферромагнитного материала мишени на магнитную систему магнетрона при температуре катода ниже точки Кюри. Для обеспечения условий насыщения снижается толщина катода или увеличивается мощность магнитной системы магнетрона.

Третий метод заключается в создании магнитного поля путем применения разрезных катодов. Введение зазоров в мишени создает дополнительное магнитное сопротивление, что приводит к появлению магнитного поля над поверхностью мишени.

Наиболее приемлемым способом следует считать второй способ, где для распыления ферромагнитных материалов необходимо обеспечить магнитное насыщение материала катода.

Для распыления ферромагнитного катода электромагнитная система приводит материал катода к состоянию магнитного насыщения. Это позволяет устранить шунтирующее действие мишени на магнитную систему магнетрона при температуре катода ниже точки Кюри. Получены зависимости для намагничивающей силы обеспечивающей магнитное насыщение ферромагнитного катода.

Пятая глава посвящена теоретическому рассмотрению процессов в магнетронных распылительных системах. На основе двухкомпонентной модели течения плазмы с учетом ионизации получены зависимости напряженности электрического поля, магнитной индукции и плотности разрядного тока от параметров магнитной системы. Введено понятие эквивалентного давления. Показана применимость формулы Энгеля-Штеенбека для анализа процессов ионизации в области замагниченной плазмы.

При разработке модели магнетронного разряда разрядный промежуток разбит на три области: анодный слой, область замагниченной плазмы (область, где выполняется условие эквипотенциальности магнитных линий), катодный слой.

Принято, что ионы двигаются в сторону катода без столкновений; для описания движения электронов в сторону анода применяется гидродинамическое приближение.

Показано, что, при выполнении условий эквипотенциальности магнитных силовых линий, напряженность электрического поля Е(x), плотность разрядного тока j_р(x) а также коэффициент ионизации (x) в области замагниченной плазмы убывают в направлении от катода к аноду по такой же зависимости, что и величина магнитного поля В(x).

, ,

Анализ динамики набора энергии электронами в поле Е, а также процессов потери энергии электроном при столкновениях и ударной ионизации показал, что ионизационные процессы в отсутствии и при наличии поперечного магнитного поля В подобны. Для расчетов коэффициента ионизации в разряде с поперечным магнитным полем предложено пользоваться формулой Энгеля и Штеенбека при эквивалентном давлении .

Из распределений разрядного тока и коэффициента ионизации, с учетом квазинейтральности плазмы и условия самоподдержания разряда, получены аналитические зависимости для распределения плотностей ионного j_i(x), электронного тока j_e(x), холловского тока j_холл (x), а также концентрации плазмы n_e(x) вдоль разрядного промежутка.

Рассмотрены особенности распределения концентрации электронов в разрядном промежутке. Сделан вывод о том что, влиянием градиента электронного давления р_е на движение электронной компоненты можно пренебречь в области замагниченной плазмы расположенной со стороны катода. Со стороны анода в области замагниченной плазмы необходимо учитывать градиент электронного давления.

Исследован баланс энергии электронов в области замагниченной плазмы. Из проведенного исследования следует, что вся энергия, приобретаемая электронной компонентой в поле Е в области замагниченной плазмы, полностью затрачивается на ионизацию рабочего газа. При этом температура электронов на выходе из области замагниченной плазмы в области анода определяется напряжением на катодном слое U_k и коэффициентом вторичной эмиссии электронов ₀:

При рассмотрении движения ионной компоненты с учетом ионизации получено выражение для функции распределения ионов по энергии  на границе области замагниченной плазмы и катодного слоя.

где: ₀, Е₀ - коэффициент ионизации и напряженность электрического поля на границе области замагниченной плазмы и катодного слоя.

Из условия нормировки функции распределения ионов по энергии на границе сделан вывод о том, что два встречных потока электронов и ионов в магнетронном разряде могут существовать только при определенной частоте ионизации _i. Такой частоте ионизации соответствует концентрация нейтралов в разряде n_n, которая всегда ниже концентрации нейтралов в камере n₀. Концентрация нейтралов в разряде n_n и минимально возможное рабочее давление плазмообразующего газа p_min определяется выражениями:

,

где: p_a – атмосферное давление , N_a – число Лодшмитта, M_i – масса иона рабочего газа.

Рассмотрены траектории движения вторичных электронов при прохождении катодного слоя. Сделана оценка коэффициента размножения электронов в катодном слое, согласно которой ионизацией в катодном слое можно пренебречь. Получено выражение для функции распределения ионов по энергии на поверхности катода:

где: U_k – напряжение на катодном слое, U_ОЗП –напряжение на области замагниченной плазмы.

Проведены оценки средней энергии ионов, приходящих на катод Полученные оценки соответствуют экспериментальным данным других авторов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны магнетронные распылительные системы с электромагнитами, работающие при давлениях аргона 2х10^-2–5х10^-1 Па, позволяющие распылять ферромагнитные материалы. Эти магнетроны могут стабилизировать скорость нанесения покрытия за счет коррекции величины магнитного поля при выработке материала катода. Они также позволяют стабилизировать скорость нанесения покрытия в реактивных процессах за счет коррекции вольтамперной характеристики величиной индукции магнитного поля при изменении состава газовой смеси и отравлении катода.

2. Исследовано влияние конфигурации магнитного поля и размеров магнитной системы на параметры разряда в магнетроне.