ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2015, том 41, № 2, с. 206-215
^ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ
С ПОВЕРХНОСТЯМИ
УДК 537.525
О РОЛИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО УДЕРЖАНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ С ПОЛЫМ КАТОДОМ В НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
© 2015 г. А. С. Метель, С. Н. Григорьев, М. А. Волосова, В. П. Болбуков, Ю. А. Мельник
Московский государственный технологический университет "СТАНКИН", Россия
e-mail: a.metel@stankin.ru Поступила в редакцию 24.02.2014 г.
Исследуется тлеющий разряд с удержанием электронов в электростатической ловушке, образованной цилиндрическим полым катодом и отрицательными по отношению к нему плоской мишенью на дне катода и сеткой, перекрывающей его выходное отверстие. При давлении 0.2—0.4 Па доля б = = 0.13 распыляющих мишень ионов от общего числа ионов, эмитируемых однородной плазмой разряда, соответствует отношению ее площади к сумме площадей катода, сетки и мишени. При наложении неоднородного магнитного поля с линиями, проходящими через центр мишени, где индукция достигает 35 мТл, и пересекающими сетку, полый катод и периферию мишени, где линии имеют арочную конфигурацию, его влияние на разряд зависит от магнитной индукции Во на границе мишени. При Во = 1 мТл вклад в ионизацию электронов, эмитированных на периферии мишени и азимутально дрейфующих в арочном поле, незначителен. Однако благодаря ионизации газа эмитированными катодом и осциллирующими внутри него быстрыми электронами, которых магнитное поле вынуждает чаще подлетать к мишени, б возрастает в 2 раза, а концентрация плазмы вблизи мишени становится в два с лишним раза выше, чем у сетки. При Bo = 6 мТл вклад в ионизацию газа вблизи мишени эмитированных ее поверхностью электронов повышается, и б возрастает еще в 2 раза. При напряжении между катодом и мишенью от нуля до 3 кВ ток в ее цепи падает до нуля с уменьшением до нуля напряжения между анодом и катодом.
Б01: 10.7868/80367292114120063
1. ВВЕДЕНИЕ
В тлеющем разряде при давлении 10—100 Па значительная доля атомов распыляемого ионами катода возвращается из-за столкновений с молекулами газа обратно на его поверхность. Увеличение длины свободного пробега распыленных атомов и эффективности их транспортировки до подложки с уменьшением давления [1] не повышает скорость осаждения на ней покрытий, так как пропорционально квадрату давления снижается плотность тока распыляющих ионов. Осаждать покрытия с приемлемой скоростью удается лишь в тлеющих разрядах с магнитным и электростатическим удержанием электронов [2, 3].
Характеристики распылительных систем с магнитным удержанием электронов заметно улучшаются при использовании дополнительного электростатического удержания. Так, в работе [4] установка мишени с арочным магнитным полем на дне соединенного с ней электрически полого катода позволила повысить эффективность использования ее материала и снизить рабочее давление газа.
В работе [5] на установленную на дне полого катода мишень подавалось относительно него на-
пряжение и отрицательной полярности. Вместо магнитов, формирующих арочное поле, за мишенью располагался один дисковый магнит, и магнитные линии пересекали как плоскую поверхность мишени, так и цилиндрическую поверхность катода. При и = 3 кВ и давлении 0.05— 0.5 Па эмитированные мишенью электроны с энергией 3 кэВ, не принимая участия в ионизации газа, бомбардировали катод и многократно увеличивали ток его электронной эмиссии. Это позволило снизить давление аргона до 0.04 Па, повысить равномерность распыления мишени и при равных токах в цепи мишени на порядок повысить скорость осаждения покрытий по сравнению с [4]. Если в [4] магнетронный разряд сохраняет самостоятельность и без полого катода, то в [5] разряд без полого катода невозможен. В обоих случаях для модификации структуры синтезируемых диэлектрических покрытий или покрытий на диэлектрических изделиях необходимо бомбардировать их в процессе синтеза ускоренными ионами или быстрыми нейтральными молекулами.
Электростатическое удержание электронов в полом катоде позволяет обойтись без магнитного поля. При глубине полого катода а ~ 0.1 м и дав-
лении аргонар ~ 0.1 Па ток стационарного тлеющего разряда с полым катодом может доходить до 10 А, а амплитуда тока импульсного разряда может достигать сотен ампер [6]. Плотность тока распыляющих ионов с энергией в сотни эВ распределена по поверхности катода достаточно равномерно, поэтому концентрация атомов металла внутри него также однородна [7]. Если отверстие катода перекрыто сеткой, эти атомы пролетают через нее в вакуумную камеру и осаждаются там на подложках [8]. Так как при р ~ 0.1 Па длина свободного пробега атомов металла соизмерима с глубиной полого катода а ~ 0.1 м, они долетают до отверстий сетки практически без столкновений, что обеспечивает высокую эффективность их транспортировки до подложек.
Скорость осаждения многократно повышается после установки на дне полого катода напротив сетки изолированной от него мишени из необходимого материала и подачи на нее отрицательного напряжения до нескольких киловольт [9]. Регулируя напряжение между анодом разряда и сеткой, а также напряжение между сеткой и камерой, можно в широком диапазоне варьировать энергию бомбардирующих осаждаемое на подложке покрытие быстрых нейтральных молекул. Эти молекулы образуются в результате перезарядки ионов, ускоренных разностью потенциалов между плазмой внутри полого катода и плазмой, образующейся в камере при инжекции в нее ускоренных частиц [10, 11].
Благодаря высокой однородности плазмы внутри полого катода источника [9] скорость распыления в центре мишени диаметром 160 мм лишь на 10—15% выше, чем на ее границе, что обеспечивает высокую эффективность использования ее материала, недостижимую для магне-тронных распылителей [12—14]. Однако этот источник имеет два существенных недостатка. Во-первых, эмитируемый мишенью пучок вторичных электронов с энергией до 3 кэВ и мощностью свыше 1 кВт может нагреть изделие в камере до превышающей допустимую величину температуры, например, температуры плавления алюминия или отпуска закаленной стали. Во-вторых, доля б распыляющих мишень ионов не превышает 10— 12% от общего числа ионов, образованных в разряде, и поэтому энергетическая эффективность устройства сравнительно низкая.
Для уменьшения тока быстрых электронов в камеру в источнике с полым катодом диаметром 260 мм и глубиной 100 мм [15] за мишенью диаметром 160 мм был установлен дисковый магнит диаметром 40 мм. Значительное число эмитированных мишенью электронов отклонялось неоднородным магнитным полем на катод и не попадало в камеру. Благодаря вторичной электронной эмиссии они, как и в работе [5], многократно по-
вышали ток эмитируемых катодом электронов, что позволило снизить давление газа и катодное падение потенциала разряда.
Однако неоднородное магнитное поле часто является причиной неравномерного распыления мишени и низкого коэффициента использования ее материала [12—14]. Настоящая работа посвящена изучению влияния неоднородного магнитного поля на характеристики тлеющего разряда с полым катодом, распределение концентрации плазмы внутри него и на равномерность распыления мишени.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
На рис. 1 приведена схема разрядного устройства, установленного на вакуумной камере 1 длиной 600 мм и диаметром 500 мм. Его основным элементом является разборный полый катод 2 диаметром 260 мм и глубиной 100 мм из нержавеющей стали. Конструкция катода позволяет покрыть его внутреннюю поверхность титановой фольгой толщиной 0.5 мм (рис. 6а). Выходное отверстие катода диаметром 200 мм перекрыто сеткой 3 из листа титана толщиной 1 мм с отверстиями диаметром 7.6 мм на расстоянии 8 мм между их центрами. Напротив сетки 3 на охлаждаемом водой держателе 4 установлена титановая мишень 5 толщиной 10 мм и диаметром 160 мм. Держатель изготовлен из ферромагнитной стали, и на нем на расстоянии 3 мм друг от друга установлены постоянные редкоземельные (NdFeB) магниты 6 диаметром 9 мм и толщиной 3 мм. Мишень 5 и магниты 6 охлаждаются проточной водой 7.
На рис. 2а показана конфигурация магнитного поля, создаваемого группой из 19 магнитов. Эффективный диаметр составного магнита ~60 мм в полтора раза больше, чем в работе [15]. Сплошными кривыми на рис. 2б представлены зависимости от расстояния г до оси полого катода составляющей вектора магнитной индукции Вт, направленной от оси, на поверхности мишени (кривая 1) и на расстоянии от нее 25 (2) и 50 мм (3). Штриховыми кривыми представлены зависимости от г составляющей вектора магнитной индукции Вп, перпендикулярной мишени и направленной от нее к эмиссионной сетке. Измерения Вт и Вп проводились с помощью тесламетра ПИЭ.МГ Р-2. При г = 80 мм на краю мишени Вп = — 1 мТл.
При добавлении еще 24 магнитов, окружающих первичную группу из 19 магнитов, эффективный диаметр составного магнита увеличивается до 85 мм. В этом случае с увеличением г до 55 мм Вп снижается до нуля, а при г = 70 мм достигает максимальной отрицательной величины Вп = —6 мТл.
Рис. 1. Схема разрядного устройства. 1 — вакуумная камера; 2 — полый катод; 3 — эмиссионная сетка; 4 — ферромагнитный держатель; 5 — мишень; 6 — постоянные магниты; 7 — подача воды; 8 — анод; 9, 14, 15, 18 — амперметры; 10, 11,16, 27 — источники питания; 12,13,17 — резисторы; 19 — киловольтметр; 20, 21 — вольтметры; 22 — стальная трубка; 23 — керамическая трубка; 24 — стержень; 25 — зонд; 26 — миллиамперметр; 28 — плазменный эмиттер ионов; 29, 31, 32, 37— слои положительного объемного заряда; 30,36—ионы; 33 — быстрый атом; 34 — подложка; 35 — плазма разряда в камере; 38 — атом металла.
Рис. 2. а — конфигурация магнитного поля внутри полого катода, создаваемого 19 постоянными магнитами: 2 — полый катод, 4 — ферромагнитный держатель, 5 — мишень, 6 — магниты, 39 — линии магнитного поля; б — зависимости от расстояния г до оси катода нормальной Вп (штриховые кривые) и тангенциальной Вт (сплошные кривые) составляющей вектора магнитной индукции на поверхности мишени (кривые 1) и на расстоянии от нее 25 мм (2) и 50 мм (3) при установке за мишенью 19 магнитов, а также нормальной составляющей Вп
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.