2. Конструктивні особливості магнетронного розпорошувального приладу (мрп)

2.1. Обгрунтування необхідності створення катодного вузла для мрп з двома зонами ерозії

МРП з плоскими катодами, які отримали широке поширення, працюють на постійному струмі при робочих напругах ~500 В та напруженостях магнітного поля >300 ерстед. Як вже говорилось вище, в цих умовах електрон, який вийшов з катода, може віддалятись на відстань ~5 мм.

Цей режим роботи слід віднести до низьковольтних, тому досягнуті швидкості нанесення конденсату (~0.5¸5 нм/с) обумовлюються порівняно великими густинами струму на катоді (100 мА/см² і більше). Такі величини струму на катоді реалізуються в зоні ерозії мішені, яка повторює конфігурацію кільцевої області розряду (зони щільної плазми). Тому має місце локальний виробіток мішені і, як наслідок, неоднорідність отриманої плівки та порівняно низький коефіцієнт використання матеріалу мішені.

Щоб підвищити ефективність використання матеріалу мішені та покращити однорідність конденсату при магнетронному розпорошуванні, була зроблена спроба створення катодних вузлів з двома і більше зонами розряду. Для цього були використані самарій-кобальтові магніти різних діаметрів та система магнітопроводів з м'якого заліза.

Катодні вузли магнетронних розпорошувальних систем слід створювати з таким розрахунком, щоб над їх поверхнею можна було отримати дві та більше кільцевих зон з вираженою неоднорідністю магнітного поля.

2.2. Розробка та дослідження мрп з двома зонами ерозії

Для створення магнітної системи МРП, яка б забезпечила створення двох кільцевих зон ерозії, були використані магніти, що дозволяють отримувати при всіх інших рівних умовах значно більшу величину напруженості магнітного поля над поверхнею мішені. Це дозволяє понизити тиск робочого газу, а це означає покращити якість отримуваного конденсату та підвищити коефіцієнт використання мішені.

Мал. 6. Схематичне зображення МРП з двома зонами ерозії

Один з можливих прикладів розв'язання поставленого завдання схематично представлено на мал. 6. Магнітна система запропонованого МРП складається з коаксіально розташованих циліндричного та кільцевого магнітів, закріплених на дисковому магнітопроводі 3, зовнішнього магнітопровода 4, конічних накладок 5 з магнітом'якого заліза, які встановлюють на магніти 1 та 2. На магнітній системі герметично закріплений катод-мішень 7 з немагнітного матеріалу. Утворені таким чином кільцеві порожнини 6 використовуються для охолодження магнітів та катода-мішені.

Вивчення топографії магнітного поля над поверхнею катода проводилось вимірювачем магнітної індукції типу Щ 1-8 з мініатюрним датчиком Холла, закріпленим на пристрої, показаному на мал. 7. За допомогою мікрометричного гвинта 1 можна пересувати катодний вузол 2 в радіальному напрямку (координата Z), а гвинт 3 дозволяє орієнтувати датчик 4 на потрібній висоті над поверхнею катода.

Мал. 7. Пристрій для отримання топографії магнітного поля

Дослідження показали, що в загальному випадку є дві кільцеві зони з вираженою по величині неоднорідністю магнітного поля над порожнинами 6, напруженість якого різко падає з відстанню. Якщо таку систему підключити до постійної напруги, прикладеної між катодом-мішенню 7 та охолоджуваним кільцевим анодом 8 (мал. 6.), то запалюється тліючий розряд з однією зоною щільної плазми, локалізованої в тій частині катода, де горизонтальна складова напруженості магнітного поля має більшу величину. Підбором перерізу магнітів 1 та 2 і відстані між ними та зовнішнім магнітопроводом 4 можна отримати таку топографію магнітного поля, при якій горизонтальні складові напруженостей магнітного поля над порожнинами 6 будуть мати одну і ту ж величину. Для цього потрібно мати набір кільцевих та дискових магнітів різних розмірів.

Інший шлях досягнення тих же результатів - використання профільних кілець-накладок 5 з м'якомагнітного матеріалу, видавлених з підвищенням під кутом 3-5^o та закріплених на магнітах 1 та 2. Через те що магнітні силові лінії завжди розміщені по нормалі до поверхні матеріалу з великою магнітною проникненістю, таким шляхом можна одержати потрібний перерозподіл магнітних потоків для досягнення приблизної рівності горизонтальних складових напруженостей магнітного поля над кільцевими порожнинами 6.

Той же результат можна отримати, змінивши профіль верхніх торців магнітів 1 та 2 та зовнішнього магнітопроводу 4, заточивши їх під необхідним кутом.

На мал. 8. показано хід зміни величини H_z вздовж діаметра катода на відстані ~5 мм при оптимальному підборі магнітної системи. З малюнка видно, що над двома порожнинами максимальна величина напруженості горизонтальної складової магнітного поля практично однакова та досягає 900 ерстед. Це дозволило при запалюванні розряду в інтервалі тисків 2^.10^-4 - 5^.10^-3 мм рт.ст. реалізувати дві кільцеві зони щільної плазми, що проілюстровано на мал. 9.

Дослідження вольт-амперних характеристик (ВАХ) розряду показало, що на відміну від наведених в літературі, де має місце, в основному, низьковольтний режим горіння, ми маємо ВАХ, що відповідають низьковольтному та високовольтному режимам. Це проілюстровано кривими мал. 10., які знімались при різних тисках газу. Так, при тиску <3^.10^-4 мм рт.ст. магнетронний розряд з катодним вузлом, що був описаний вище, горить нестійко. Стійке горіння розряду має місце при тиску аргону >3^.10^-4 мм рт.ст. При цьому в інтервалі тисків 3^.10^-4 - 1^.10^-3 мм рт.ст. спостерігаються зростаючі ВАХ (криві 1,2), типові для аномального тліючого розряду. Цей режим слід віднести до високовольтного магнетронного розряду і цим можна користуватись для керування швидкістю осадження, тому що з ростом напруги величина струму на мішень збільшується дуже мало.

Мал. 8. Топографія магнітного поля поблизу катода

Мал. 9. Фотознімок зон щільної плазми поблизу катода

При тиску аргону >3^.10^-3 мм рт.ст., як правило, загоряється низьковольтний магнетронний розряд (крива 3, мал. 10.), стійке горіння якого характеризується розрядними струмами >10 мА та падінням напруги на розряді 400-500 В. При цьому з ростом розрядного струму величина падіння напруги на розряді збільшується досить мало.

Виконані дослідження осадження конденсату з мідної мішені показали, що у випадку високовольтного режиму горіння розряду (j_p = 6 мA, V_p = 4 кВ) - швидкість осадження має величину 50 /хв, а в низьковольтному (j_p = 60 мА, V_p = 400 В) - 250 /хв. З цього прикладу видно, що хоча потужності, які виділяються на мішені, однакові, швидкість осадження в низьковольтному режимі в п'ять разів вища, ніж у високовольтному.

Наявність двох зон ерозії на мішені, крім підвищення швидкості осадження, повинно також покращити однорідність конденсату на підкладці. Для того щоб впевнитись в цьому, використовується стандартна підкладка зі скла розміром 40х40 мм, розташована над мішенню на відстані ~50 мм, на яку наносилась плівка міді при розрядному струмі 60 мА на протязі 20 хвилин. Оцінка поверхневого опору по всій підкладці дала практично однакову величину r_s = 4 Ом^.см.

Розподіл зміни товщини плівки показано на мал. 11. З цього малюнка видно, що різниця в товщині плівки в центрі та на краях не перевищує 10%.

Мал. 10. Вольт-амперні характеристики магнетронного розряду

Мал.11. Зміна товщини напорошеної плівки міді вздовж підкладки