Магнетронный разряд с расплавленным катодом

УДК 533.9.07

Магнетронный разряд с расплавленным катодом

, ,

Национальный исследовательский ядерный университет (МИФИ)

Введение

Технология высококачественного нанесения пленочных покрытий востребована в самых разнообразных областях применения. Тонкие металлические покрытия, позволяют улучшить внешний вид изделий, защитить их от коррозии, повысить износостойкость, улучшить электрический контакт, изменить отражательные или поглощательные свойства и т. д.

Распространенный способ напыления плёнок – магнетронные распылительные системы (МРС). Они обладают такими важными достоинствами, как отсутствие капельной фазы (в отличие от термического испарения с использованием вакуумно-дугового нагрева или дугового распыления [1]), ионное ассистирование поверхности, простоту и дешевизну установок. Однако у МРС есть свои существенные недостатки: низкая скорость напыления (по сравнению с дуговыми распылителями и термическим испарением в вакууме) [1], высокая степень примесей в осаждённых плёнках и низкая энергетическая эффективность [1,2], за счет отвода мощности разряда системами охлаждения. Также существуют ограничение максимальной прикладываемой мощности, обусловленное эффективностью систем охлаждения. Максимальная удельная мощность таких устройств не превышает 70 Вт/см2 [3,4].

Решение вышеуказанных недостатков связано с использованием, так называемых, жидкофазных магнетронов [2-9]. В таких системах в качестве катода используется расплав металла, теплоизолированный от системы охлаждения и нагреваемый до температуры плавления под воздействием ионов плазмы.

Преимущество жидкофазных магнетронных распылительных систем состоит в большой скорости нанесения плёнок, и уменьшении удельных затрат энергии на удаление атома мишени. Так же подразумевается полная выработка мишеней.

Скорость осаждения в ЖФМРС (ЖидкоФазной Магнетронной Распылительной Системы) складывается из 2 факторов: распыления и испарения, что позволяет значительно увеличить скорость нанесения покрытий, т. к. при высоких температурах процесс испарения становится доминирующим [5]. Энергию, идущую на нагрев катода, не нужно отводить из катодного узла системой охлаждения, что позволяет значительно увеличить мощность, вкладываемую в разряд. Максимальная скорость осаждения меди для классических МРС на расстоянии ~ 5 см, не превышает 2 мкм/мин [3]. Скорость осаждения меди из жидкой фазы составляет 5,6 мкм/с (по данным [2]), а также 2 мкм/мин на расстоянии 50 см (что по оценкам в 30 раз больше чем для аналогичных магнетронов с твердой мишенью) [6].

Ещё одно достоинство ЖФМРС это возможность выявить металлическую фазу, т. е. производить напыление без рабочего газа, в так называемом режиме самораспыления [2], т. к. при высокой температуре мишени, давления насыщенных паров может быть достаточно, чтобы разряд существовал только за счёт испаряемых атомов. Это обстоятельство позволит значительно улучшить качество наносимых покрытий, избежать поверхностных деформаций, и разрушения покрытий рабочим газом.

Основными задачами данной работы являлось создание установки для магнетронного напыления из расплавленного катода, исследование режимов работы магнетрона, определение параметров плазмы устойчивых режимов ЖМФМР, измерение скоростей напыления и проведение анализа полученных данных.

Описание установки и методики проведения экспериментов

Для экспериментального исследования ЖФМРС на кафедре 21 НИЯУ МИФИ была создана установка для зажигания стационарного МР (магнетронного разряда) в режиме самораспыления с жидкой мишенью. Принципиальная схема установки изображена на рис 1.

Катодный узел разработанной конструкции подробно изображён на рис. 2. В области, где магнитное поле (7) перпендикулярно электрическому (8), возникает замкнутый ExB дрейф электронов (10) и зажигается МР.

На эмиссию и распыление тратиться лишь незначительная доля энергии ионов, остальная часть уходит на нагрев мишени [10]. На классических магнетронах это тепло стараются отвести с помощью систем охлаждения, так как в процессе нагрева разряд становится нестабильным. Однако, как было показано авторами работы [5] по достижении определенной температуры мишени, разряд снова становится стабильным.

В разработанной системе катодного узла мишень, в виде дисков помещалась в тигель (1), изолированный от катода с помощью тепловой развязки, изготовленной из высокотемпературных материалов (2). Одновременно, такая конструкция обеспечивала электрический контакт и низкое электрическое сопротивление.

Для достижения оптимальной конфигурации линий напряженности электрического поля использовалась анодная накладка (3), расположенная на анодном кольце (4). Защитное кольцо (5) крепилось на катоде и, в случае выплёскивании металла из тигля, предотвращало попадание расплава внутрь узла. На катоде располагались радиационные экраны (6) с зеркальной поверхностью, позволяющие снизить мощность теплового излучения на катод. Фторопластовая накладка (9) защищала поверхность магнитов от соприкосновения с горячей поверхностью катода.

Также была сконструирована система, позволяющая изменять конфигурацию магнитного поля и величину индукции магнитного поля над поверхностью мишени.

Для питания магнетронного узла использовался источник БПМ–6/18, способный давать отрицательное относительно земли постоянное напряжение 0÷1000 В с точностью 5 В с током до 12 А, при ограничении максимальной мощности 6 кВт. Корпус установки и анод находились под нулевым потенциалом.

Помимо встроенных датчиков напряжения и тока, измерение напряжения разряда осуществлялось при помощи омического делителя, имеющего чувствительность 1/1000 В/В, контроль тока осуществлялся при помощи датчика холла CSNR чувствительностью 53 мВ/А. Делитель и датчик Холла были подключены к цифровому четырехканальному осциллографу Tektronix TDS2024.

Методика зондовой диагностики плазмы

Для измерения температуры электронов и концентрации плазмы магнетронного разряда (МР) использовался импульсный одиночный зонд.

Согласно работам [11 - 15], при наложении внешнего магнитного поля вольтамперная характеристика (ВАХ) одиночного зонда претерпевает определенные изменения, но затрагивают они в основном область электронного насыщения. Таким образом, параметры плазмы могут быть извлечены из участка ВАХ в окрестности плавающего потенциала.

Зонд был выполнен из нихромовой проволоки диаметром 0,6 мм и длиной 5 мм. Конструкция зонда позволяла проводить измерения в условиях высокоскоростного нанесения проводящих покрытий. Для этого использовался дополнительный керамический экран, защищающий от напыления область контакта электрода зонда и основного керамического изолятора. Тем самым гарантировалась неизменность площади зонда при высокоскоростном напылении проводящих покрытий.

Ток на зонд измерялся с помощью шунта чувствительностью 9·10-4 А/В. Значение регистрируемого сигнала тока и напряжения на зондах регистрировалось с помощью цифрового запоминающего осциллографа Tektronix TDS2024. Напряжение подавалось на зонд с помощью импульсного генератора развертки. Погрешность зондового метода при измерении электронной температуры принималась 20 %, при измерении концентрации плазмы – 50%. Потенциал зонда отсчитывался относительно потенциала заземленного анода.

Система оптической диагностики плазмы

Для получения спектра излучения плазмы МР использовался оптоволоконный спектрометр AvaSpec-2048´14-USB2. Диапазон измерений спектрометра составлял 200 ¸ 1160 нм при спектральном разрешении 0,8 нм.

Так как измерения происходили в условиях скоростного нанесения покрытий, необходимо снизить скорость нанесения покрытий на окно вакуумной камеры, чтобы избежать искажений показаний спектрометра. На рис 5 схематически изображена система, уменьшающая скорость напыления на окно вакуумной камеры. Система состояла из тонкой нержавеющей трубочки (1) d = 2.6 мм, S = 20см на расстоянии L = 18 см от поверхности мишени под углом α = 40°, и латунного экрана (2). Благодаря такой системе напыление происходило с небольшого участка мишени, попадающего в телесный угол трубочки, площадью ~ 2мм2.

Экспериментальное исследование МР на парах меди

Эволюция и вольтамперная характеристика разряда

Для выбора наиболее эффективного режима работы устройства, определялось изменение напряжение и сила тока разряда в зависимости от давления рабочего газа и величины напряженности магнитного поля над поверхностью катода.

Эксперименты проводились на Cu мишени. Предварительный МР мощностью 2,5 кВт зажигался при давлении Ar 3х10-3 Тор и величине магнитного поля на поверхности мишени 400 Гс. Спустя 175 секунд после начала эксперимента перекрывался напуск рабочего газа и разряд горел на парах меди. Эволюция характеристик представлена на рис. 6 и рис. 7. На представленных графиках можно выделить 4 характерных стадии развития разряда.

Участок I характеризует распыление твердой мишени, с высоким напряжением и низким током разряда, величина этих параметров мало меняется с течение времени.

На участке II повышается давление паров мишени и за счёт испарённых атомов ток разряда растёт, а напряжение падает. На 50 секунде начинается процесс плавления мишени под областью локализации плазмы и к 75 секунде мишень плавится полностью. Данный процесс сопровождается обильным искрением.

Начиная с участка III ток и напряжение меняются слабо и их величина практически не меняется при прекращении напуска рабочего газа (участок IV). Т. е. уже на участке III роль рабочего газа становится незначительной, и разряд переходит в режим самораспыления. Небольшой рост тока на данных участках обусловлен дальнейшем ростом температуры мишени до достижения термодинамического равновесия системы.

Напряжение и ток разряда на участке I определяются выбранными значениями давления рабочего газа и индукции магнитного поля. На участке IV, очевидно, только магнитным полем.

Также в работе снимались ВАХ разряда при распылении твердой мишени и распылении жидкой мишени в режиме самораспыления при зажигании МР мощностью от 50 Вт до 6 кВт. На рис. 8 представлено семейство ВАХ разряда на твердой мишени при величине индукции магнитного поля 650 Гс для различного давления рабочего газа. Для нахождения ВАХ МР в режиме самораспыления, зажигался разряд при давлении рабочего газа Ar 5х10-3 Тор, величине индукции магнитного поля 650 Гс и мощности 2,5 кВт. Затем разряд выводился в режим самораспыления, после чего отключалась подача рабочего газа. На рис. 9 представлено семейство ВАХ МР в режиме самораспыления при различных значениях индукции магнитного поля.

Зондовые измерения

Для измерения температуры и концентрации плазмы использовался импульсный зонд, располагавшийся на расстоянии не менее 4 см от поверхности катода, напротив разрядного кольца. В качестве рабочего газа использовался Ar при давлении 8х10-3 Тор. Величина магнитного поля на поверхности мишени составляла 650 Гс, а в области положения зонда менее 50 Гс. Проводились измерения для Cu мишени в твердом состоянии, в состоянии плавления, в расплавленном состоянии в среде рабочего газа и в отсутствие рабочего газа в режиме самораспыления, при постоянной мощности разряда 1,5 кВт. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты зондовых измерений

Из полученных результатов видно, что по мере нагрева мишени концентрация плазмы разряда практически не меняется, в то время как электронная температура падает. Это связано с увеличением давления пара мишени [18].

Спектрометрические измерения

Для исследования элементного и ионного состава плазмы жидкофазного магнетрона при распылении твердой мишени в среде рабочего газа Ar при давлении 8х10-3 Тор и при распылении жидкой мишени без рабочего газа применялся метод эмиссионной спектроскопии. Величина магнитного поля на поверхности мишени составляла 650 Гс. В ходе эксперимента регистрировалось интегральное излучение плазменного образования в области локализации плазмы. Идентификация эмиссионных спектров проводилась с использованием данных [16,17]. Для регистрации спектра излучения разряда с твердой мишенью зажигался слаботочный разряд мощностью 100 Вт, с напряжением 530 В и током 190 мА, спектр представлен на рис. 10а). После этого устанавливалась мощность разряда 2100 Вт и разряд выводился в режим самораспыления и регистрировался спектр излучения после отключения подачи рабочего газа рис.10б). Сравнение экспериментальных спектров с эталонными спектрами атомарного и однакратно ионизованного аргона и меди показали наличие в плазме разряда Ar, Ar+, Cu и Сu+. При отключении рабочего газа присутствует небольшое число линий остаточного аргона и много четких линий меди.

Измерение скорости напыления покрытий

Для измерения скорости нанесения покрытий в плазме ЖФМРС в качестве подложки использовалась Та пластинка прямоугольной формы площадью 4 см2, располагающаяся на оси системы на расстоянии 26 см от поверхности мишени. Толщина нанесенного покрытия определялась методом взвешивания массы образца до нанесения покрытия и после. МР мощностью 2 кВт зажигался при давлении рабочего газа Ar 8х10-3 Тор и величины магнитного поля 650 Гс. После выхода разряда в режим самораспыления перекрывалась подача рабочего газа и устанавливалась различная мощность разряда. Были измерены скорости напыления в режиме самораспыления для значения мощности разряда 2 кВт, 3 кВт и 4 кВт (рис 11).

Для сравнения, была измерена скорость напыления твердой мишени до момента плавления при мощности разряда 2кВт при давлении рабочего газа 3х10-3 Тор на том же расстоянии до подложки, составившая S = 0.08±0.01 мкм/мин. Видно, что скорость напыления при той же мощности в режиме самораспыления выше почти в 40 раз.

Обсуждения и выводы

Таким образом, в работе был разработан и создан магнетронный узел, работающий на парах расплавленного катода, проведены исследования режимов разряда, найдены режимы, характеризующиеся высокой удельной мощностью разряда 600 Вт/см2. Проведены измерения концентрации плазмы и температуры электронов магнетронного разряда зондовым методом в режиме самораспыления. Их значения составили: Te ~ 3 эВ, n ~ 1011 см-3. Проведены эксперименты по исследованию элементного и ионного состава плазмы магнетронного разряда в режиме самораспыления с помощью метода спектрометрической диагностики. Достигнуты рекордные скорости нанесения покрытия из меди на танталовой подложке, составившие 12 мкм/мин на расстоянии 26 см от поверхности катода.

Список литературы

1.  Магнетронное распылительные системы. . Киев «Аверс» 2008 с. 6-8.

2.  Осаждение металлических плёнок путём распыления из жидкой фазы. , , . – электронная техника. Сер. 3 Микроэлектроника, 1978 вып 2 (72) с. 84-87

3.  , Сырчин распылительные системы. - М.: Радио и связь, 1982.

4.  , Ионно-плазменные процессы в тонкопленочной технологии. Москва Техносфера 2010.

5.  , , . Эрозия жидкофазной мишени в плазме магнетронного разряда. Известия вузов. Физика - т. 50, 2007, - № 9 (Приложение). - c. 487-490

6.  Скоростное магнетронное напыление меди на установке CAROLINE D 12A1. , Интеграл, 2009 №6 (50)

7.  V. V. Zhukov, D. M. Kosmin, V. P. Krivobokov, S. N. Yanin Magnetron Discharge in the Diode with a Liquid-Metal Target. 7th Intern. Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, 2004 pp. 277-280.

8.  V. V. Zhukov, V. P. Krivobokov, S. N.Yanin. Физика, 2006, - № 8. - c. 30-33

9.  Г. А, Блейхер, В. П Кривобоков, , . Тепловые и эрозионные процессы при работе магнетронных распылительных систем с неохлаждаемыми мишенями. Известия вузов. Физика - т. 52, 2009, - № 11/2 (Приложение). - c. 180-185

10.  . Процессы в твердом теле под действием ионного и плазменого облучения. МИФИ Москва 2008

11.  Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме;, пер. с англ. [Текст]. М. : Мир, 1978. С. 148–157.

12.   В. Электрический зонд в плазме [Текст]. М. : Атомиздат, 1969.

13.  Low-Temperature Plasma // J. Phys. IV. 1997. Vol. 7. № 4. С. 397–411.

14.  Sanmartin J. R., Theory of a Probe in a Strong Magnetic Field // Журнал. 1970. Vol. 13. № 1. С. 103–116.

15.  Brussaard G. J. H. [et al.] Physical Review E. 1996. Vol. 54. № 2. Р. 1906.

16.  Tichý M. [et al.]. Langmuir Probe Diagnostics for Medium Pressure and Magnetised А. Н. , и др. Таблицы спектральных линий. // Москва

17.  http://physics. nist. gov/cgi-bin/ASD/lines1.pl 23

18.  On the electron energy in the high power impulse magnetron sputtering discharge. J. T Gudmundsson, P. Sigurjonsson, P. Larsson, D. Lundin, U. Helmersson. Journal of applied physics 105, 123