ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2009, том 35, № 5, с. 443-452
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.07
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЫ В НЕСБАЛАНСИРОВАННОЙ МАГНЕТРОННОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ
© 2009 г. А. А. Соловьев, Н. С. Сочугов, К. В. Оскомов, С. В. Работкин
Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск, Россия Поступила в редакцию 01.07.2008 г.
Окончательный вариант получен 12.11.2008 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований магнетронной распылительной системы. Такая система позволяет реализовать различные конфигурации магнитного поля над поверхностью катода. Были исследованы вольтамперные характеристики магнетронного разряда при различных давлениях рабочего газа (0.08—0.3 Па) и токах в разбалансирующей катушке. В целях изучения процесса формирования и переноса носителей заряда в магнетронном разряде с несбалансированной конфигурацией магнитного поля были проведены зондовые измерения характеристик плазмы и энергии ионов в области, простирающейся от магнитной ловушки у поверхности катода до подложки. В несбалансированном режиме работы радиальные распределения плотности ионного тока, потенциала плазмы и плавающего потенциала имеют ярко выраженные экстремумы на оси магнетрона. При аксиальном магнитном поле, достаточном для эффективного удержания электронов и предотвращения их ухода на стенки камеры, плотность плазмы в области подложки может быть значительно увеличена.
PA.CS: 52.50.Dg, 52.70.Ds, 52.77.Dq
1. ВВЕДЕНИЕ
Магнетронные распылительные системы широко используются при нанесении тонких пленок, в частности, в электронной, оптической промышленности и в машиностроении. Работа этих устройств основана на создании объемного электрического разряда в разреженной газовой среде, в которой существует область, содержащая скрещенные электрическое и магнитное поля. Возможность в процессе нанесения покрытий изменять и контролировать параметры плазмы в широком диапазоне представляет собой одно из наиболее важных свойств магнетронного распыления. Требования к регулируемым параметрам плазмы зависят от конкретной задачи и функционального назначения покрытия. Известно, что для изменения структуры и свойств покрытий важно иметь возможность регулировать плотность ионного тока J¡ на подложку от примерно 0.2 до 2 мА/см2 и энергию бомбардирующих ионов Б1 от единиц до сотен эВ [1]. Энергию ионов можно легко регулировать подачей отрицательного смещения на проводящую подложку, однако величина потока ионов ограничена плотностью плазмы вблизи подложки, которая в обычных магнетронных распылительных системах экспоненциально спадает при удалении от катода. Задачу получения соответствующего потока ионов можно решить с помощью магнетронов, оснащенных электромагнитными катушка-
ми, которые позволяют гибко управлять величиной и конфигурацией магнитного поля [2, 3]. Однако на сегодняшний день такие магнетроны не получили широкого распространения в связи с трудностями их изготовления и неполным представлением о влиянии магнитной конфигурации на рабочие характеристики магнетронного разряда. К сожалению, о пространственных распределениях параметров плазмы, особенно в магнетронах с несбалансированной конфигурацией магнитного поля, известно очень немного. Хотя магнетронная плазма исследовалась методами электрических зондов [4—7] и оптической спектроскопии [8, 9], но поскольку эти исследования проводились в ограниченных областях пространства, они не позволяют составить полную картину о пространственных распределениях параметров плазмы.
Поэтому основной задачей настоящей работы было экспериментальное определение распределения характеристик плазмы в пространстве между катодом и подложкой в магнетронной распылительной системе с электромагнитной катушкой, позволяющей изменять конфигурацию магнитного поля над поверхностью катода в широких пределах. Главной целью работы было выяснение связи полученного распределения с распределением индукции магнитного поля.
Рис. 1. Упрощенная схема магнетронной распылительной системы: 1 — катод, 2 — подложка, 3 — постоянные магниты, 4 — соленоид, 5 — магнитопровод, 6 — несбалансированные линии магнитного поля, 7— сбалансированные линии магнитного поля, 8 — анод, ИП — источник питания магнетрона.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Схематическое изображение магнетронной распылительной системы с электромагнитной катушкой показано на рис. 1. Исследования проводились в вакуумной камере из нержавеющей стали размером 600 х 600 х 600 мм3. Конструкция магнетрона предусматривает его наружную установку на вакуумную камеру посредством крепежного фланца, который, как и стенки вакуумной камеры, являлся анодом магнетронного разряда. Катод магнетрона представлял собой титановый диск диаметром 95 мм и толщиной 6 мм с прямым водяным охлаждением. Аксиально - симметрич -ная магнитная система состояла из кольцевых центрального и периферийного постоянных магнитов ^ёБеВ), магнитопровода и коаксиально расположенной электромагнитной катушки, с 3500 витками медного провода и рассчитанной на протекание тока до 1 А.
Предварительно был проведен расчет магнитных полей в пространстве над поверхностью катода с помощью программы ЕЬСШ, предназначенной для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и т.д. задач широко известным методом конечных элементов. Также создаваемое магнитной системой магнитное поле измерялось посредством измерителя магнитной индукции РШ 1-10 на поверхности катода и на оси магнетрона в пространстве магнетрон—подложка.
Основными параметрами, которые изменялись в ходе экспериментов, были давление аргона, мощность разряда и ток в электромагнитной катушке. Регулировка давления в вакуумной камере осуществлялась изменением расхода рабочего газа, который напускался непосредственно в камеру. Диапазон рабочих давлений составлял от 0.8 х 10-1 до 3 х 10-1 Па. Мощность разряда изменялась от 0.5 до 2 кВт, а ток в электромагнитной катушке регулировался в пределах от 0 до 1 А.
Для измерения потока ионов на подложку использовался коллектор площадью 330 см2, расположенный на расстоянии 23 см от магнетрона. При этом на него подавалось импульсное отрицательное напряжение смещения амплитудой 100 В с частотой 18 кГц и скважностью импульсов 50%.
Для определения плотности ионного тока на подложку и плавающего потенциала У^ были проведены зондовые измерения с использованием плоского зонда с охранным кольцом. Центральный электрод зонда, изготовленный из нержавеющей стали, имел диаметр 11.8 мм и был окружен охранным кольцом, находящимся под тем же потенциалом, для минимизации краевых эффектов [10]. Зонд располагался на месте подложки таким образом, чтобы его поверхность лежала в плоскости подложки.
Измерения потенциала плазмы Ур1 проводились с помощью эмиссионного зонда по известной методике [11]. Суть метода заключается в измерении плавающего потенциала зонда, нагретого до состояния, в котором он способен эмитировать достаточное количество электронов. При увеличении тока накала плавающий потенциал зонда увеличивается до тех пор, пока не станет равным потенциалу плазмы. В этом случае ток электронов из плазмы на зонд будет равен току эмиссии. С помощью зондов проводились измерения радиальных распределений вышеперечисленных параметров плазмы на различных расстояниях от катода.
Для наилучшего понимания эффектов ионной бомбардировки при магнетронном осаждении покрытий необходимо иметь как можно больше информации о распределении ионов, бомбардирующих поверхность при различных условиях осаждения, по энергиям. Поэтому с помощью 45° электростатического анализатора HIDEN EQP были измерены энергетические спектры положительных ионов в магнетронном разряде. Измерительное устройство располагалось на оси магнетрона на расстоянии 13.5 см от его катода. Отверстие, в которое извлекались ионы из плазмы разряда, имело диаметр 0.1 мм.
Рис. 2. Конфигурации магнитного поля над поверхностью катода в зависимости от величины и направления тока 1с в электромагнитной катушке: а) — несбалансированный магнетрон (тип 1); б) — слабо несбалансированный магнетрон (тип 2); в) — сильно несбалансированный магнетрон (тип 2).
(а)
(б)
(в)
/ / /
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рассчитанные картины магнитного поля над поверхностью катода показаны на рис. 2. Так как расчетная модель была симметрична относительно оси 2 (рис. 1), то на рис. 2 изображены только левые половины картин магнитного поля. Видно, что в зависимости от величины и направления тока 1С в электромагнитной катушке над поверхностью катода может реализовываться как сбалансированная, так и несбалансированная (тип 1 или 2), согласно общепринятой классификации [12], конфигурация магнитного поля. Несбалансированная конфигурация магнитного поля 1-го типа не получила широкого распространения, т.к. в ней несбалансированные силовые линии направлены в сторону стенок камеры, в результате чего плотность плазмы у подложки низкая. Поэтому для генерации ионов в области подложки наиболее подходит 2-й тип несбалансированной конфигурации магнитного поля. Она реализуется в том случае, когда магнитное поле соленоида совпадает по направлению с магнитным полем, создаваемым внешними магнитами магнетрона (1с = 1 А).
Для оценки степени несбалансированности магнитного поля использовался коэффициент геометрической несбалансированности К^, который рассчитывался по формуле
кв = Яо / 2Л,
где 20 — расстояние до нулевой точки (область на оси магнетрона, где магнитное поле меняет свое
направление на противоположное), Я — средний радиус зоны эрозии [13].
Для данной конструкции магнетрона в зависимости от тока в электромагнитной катушке Кс может изменяться в пределах 0.3—3.3.
В дополнение к расчетам магнитного поля были проведены непосредственные его измерения при различных значениях тока в электромагнитной катушке. Результаты измерений приведены на рис. 3. При 1С = 1 А тангенциальная составляющая магнитного поля над поверхностью катода минимальна (550 Гс), радиус зоны распыления также минимален. Это объясняется тем, что в сильно несбалансированном режиме (тип 2) магнитная ловушка над поверхностью катода поджимается несбалансированны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.