1.3. Механізм магнетронного розпорошування

Метод магнетронного розпорошування був запатентований Пеннінгом ще в 1939 році. Він базується на використанні зхрещених електричного та магнітного полів для створення над поверхнею катода області плазми тліючого розряду з більш високою густиною заряджених частинок.

Відомо, що плазма тліючого розряду характеризується температурою електронів , концентрацією заряджених частинок (іонів , електронів ). g-електрони, які виникають в прикатодній області за рахунок іонно-електронної емісії, рухаючись до анода, зазнають зіткнення з атомами газу і викликають його іонізацію. Позитивні іони, що утворились, прискорюються в катодному просторі та бомбардують катод. Результатом бомбардування є також розпорошення катода-мішені. Вторинні g-електрони та електрони плазми можуть здійснювати іонізацію атомів робочого газу в межах дебаєвської довжини

l_d=743(T_e/N_e)^1/2, (16)

тобто до моменту рекомбінації з позитивними іонами, зтикаючись при цьому з нейтральними атомами. Ефективність іонізації газу визначається як відношення

(17)

Таким чином, підвищити ступінь (ефективність) іонізації газу можна шляхом збільшення концентрації електронів або збільшенням довжини пробігу електронів l_е до величини l_е>>l_d, що значно підвищує ймовірність їх зіткнення з атомами газу. В механізмі магнетронного розпорошування, на відміну від звичайного діодного катодного розпорошування в лінійному тліючому розряді, можна виділити слідуючі компоненти:

1) циклоїдний рух електронів в зхрещених електричному та магнітному полях в напрямку, перпендикулярному до векторів E і H;

2) дрейф електронів з переносною швидкістю U_n , обумовленою дією на них сили Лоренца в прикатодному просторі (поля E і H перпендикулярні одне до одного поблизу поверхні катода);

3) відбиття електронів від катода ("дзеркальний ефект") внаслідок наявності градієнта магнітного поля;

4) анодний дрейф, що являє собою зміщення електронів з однієї лінії магнітного поля на інші, який забирає низькоенергетичні (“відпрацьовані”) електрони з зони розряду.

Розглянутий вище механізм руху в зхрещених електричному та магнітному полях планарного діода використовується при реалізації магнетронного тліючого розряду в системах іонно-плазмового розпорошування. В цьому випадку при використанні кільцевої або прямокутної форми магнітних конфігурацій, поступальний рух електронів з переносною швидкістю здійснюється по замкнутих порожнинах, що дозволяє суттєво понизити тиск газу.

В загальному випадку (див. криву 3, мал. 4.), відстань від поверхні катода до точки зміни електронами напрямку свого руху d_t більша товщини d_s другого катодного темного простору 3 (див. мал. 1.). Це є суттєвою позитивною особливістю магнетронного розпорошування, тому що на цій ділянці траєкторії руху відбувається найбільш ефективна іонізація робочого газу.

Для магнетронів з плоским катодом d_t вважають рівним r. Коли величина d_t стає більше ширини темного катодного простору, енергія W_t, яка пов'язана з рухом електрона в напрямку, перпендикулярному магнітному полю стає рівною падінню напруги в темному катодному просторі (що приблизно дорівнює величині падіння напруги на розряді), і d_t можна оцінити з виразу (8).

Механізм магнетронного розпорошування (МР) в плоскому діоді реалізується в неоднорідному магнітному полі, силові лінії якого мають значну кривину. В полі такої форми є перпендикулярна та паралельна складові магнітного поля до катода. Тому електрони, які вийшли з катода, дрейфують вже в напрямку, який перпендикулярний як до H, так і до . При цьому загальний дрейф електронів відбувається зі швидкістю U_d

(18)

де R - радіус кривини поля, w - циклотронна частота обертання електрона, , - паралельна та перпендикулярна компоненти (до вектора напруженості магнітного поля) швидкості електрона при градієнті поля , паралельному H в області, близькій до катодної поверхні, де лінії поля входять в катод. Електрони, рухаючись по траєкторії, намагаються зберегти свій магнітний момент :

(19)

Щоб зберегти магнітний момент (при русі електронів в бік збільшення поля) в магнітному полі постійної величини, повинна зростати перпендикулярна компонента швидкості електрона . Це зумовлює зменшення величини паралельної компоненти швидкості (для збереження енергії електрона), що значно збільшує ймовірність його відбиття магнітним полем до падіння на поверхню катода.

Таким чином, при запалюванні тліючого розряду в зоні дії магнітного поля створюється вловлювач для електронів, який утримує їх достатньо довго в прикатодній області. При цьому забезпечується досить ефективна іонізація робочого газу, необхідна для здійснення g-емісії при бомбардуванні катода позитивними іонами.

При типових режимах роботи магнетронного розпорошувального пристрою (МРП) (катодний потенціал 500 В, величина магнітного поля ~300 ерстед) електрон може віддалитись від поверхні катода на відстань ~0.5 см.

В цих умовах більша кількість електронів не залишають зони дрейфу до тих пір, поки вони не зіткнуться з атомами робочого газу. Результатом такого складного руху електронів є високоінтенсивна іонізація в зоні дрейфу та утворення зони щільної плазми.

Позитивні іони з зони щільної плазми рухаються в бік катода і, завдяки великій масі, траєкторії їх руху мають значно меншу кривину. Тому можна вважати, що іони входять в катодну область практично нормально до поверхні катода та, прискорюючись під дією електричного поля катодного темного простору, бомбардують катод як і у випадку звичайного діодного розпорошування в тліючому розряді. При цьому енергії іонів достатньо як для розпорошування поверхні катода-мішені, так і для утворення достатньої кількості g-електронів для підтримки розряду.

Форма зони розряду (області щільної плазми) відіграє досить суттєву роль як в механізмі магнетронного розпорошування (МР), так і в механізмі формування зони ерозії на мішені. Як випливає з розгляду електроніки магнетрона, для здійснення циклоїдного руху електронів в зхрещених E і H полях планарного МРП необхідно мати значну величину компоненти магнітного поля, паралельної до катода. Оскільки така компонента магнітного поля при кільцевій формі катодного вузла має максимальну величину у верхній точці електронної траєкторії, то в цій частині вільного пробігу будуть відбуватись найбільш інтенсивні захоплення електронів, іонізація газу та розпорошування катода. Таким чином, для збільшення (розширення) зони щільної плазми та площі ефективного розпорошування поверхні катода (зони ерозії мішені) і підвищення однорідності плівки та коефіцієнта використання матеріалу мішені, необхідно, щоб лінії магнітного поля були паралельні поверхні мішені на максимально можливій площі. Один з шляхів реалізації цієї вимоги буде викладено далі.

Інший шлях - це створення декількох зон щільної плазми або однієї подовженої (лабіринтної) зони.

В той же час на краях зони (на периферії "магнітного тунелю"), де горизонтальна складова магнітного поля має малу величину, щільність плазми та інтенсивність розпорошування мішені будуть незначними. Більш того, в середній частині полюсних наконечників, де магнітні силові лінії практично перпендикулярні до поверхні катода, електрони, які вийшли з катода, можуть прискорюватись в катодному темному просторі до значних енергій (в наведеному вище прикладі ~500 еВ), та, не зіткнувшись з атомами газу, бомбардувати підкладку, що призведе до її неконтрольованого нагрівання.

Один із шляхів усунення цього недоліку буде викладено нижче і полягатиме в використанні конічних накладок на кільцевих магнітах.