Москва 2021 Цель работы: 1) Изучить процесс плазмообразования в магнетронных распылительных устройствах (МРУ); 2) Провести теоретические и экспериментальные исследования влияния различных факторов на ВАХ магнетронного разряда; Для выполнения работы используются вакуумная установка, оснащенная следующим оборудованием и приборами: МРУ с электромагнитной системой; блок питания МРУ; блок питания электромагнита МРУ; блок подачи рабочего газа; вакуумметр; измеритель магнитной индукции типа Ш1-8 1 Краткие теоретические сведения об исследуемой системе Исследуемая MРC, конструкция которой показана на рисунке 1, относится к системам с планарной мишенью и кольцевой зоной распыления. Основным узлом МРС является катодный блок, состоящий из медного водоохлаждаемого корпуса, размещенного между полюсами магнитопровода, закрепленного на фланце. Распыляемая кольцеобразная мишень устанавливается в кольцевой канавке корпуса, что обеспечивает хороший тепловой и электрический контакт в процессе распыления за счет термического расширения мишени. Интенсивное охлаждение мишени осуществляется проточной водой, циркулирующей по каналу в корпусе катодного блока, расположенному непосредственно под зоной распыления мишени. Под корпусом установлен электромагнит, создающий над поверхностью мишени регулируемое магнитное поле заданной величины. Геометрия магнитного поля, определяемая конфигурацией силовых линий, формируется кольцевыми полюсными наконечниками, выведенными над поверхностью мишени. Такая конструкция магнитной системы позволяет создавать у поверхности мишени достаточно сильное магнитное поле, не зависящее от толщины используемой мишени. Катодный блок через изолятор фланцем пристыковывается к рабочей камере. На том же изоляторе установлен водоохлаждаемый анод. Анодный и катодный блоки со стороны камеры закрыты экраном, устраняющим электрические пробои на корпус рабочей камеры. 2 Регулируемое напряжение между корпусом катодного блока и анодом подается от блока питания постоянного тока. Рисунок 1 - Схема конструкции исследуемой МРС. 1 - корпус катодного блока; 2 - мишень; 3 - анод; 4 - электромагнит; 5 - магнитопровод; 6, 7 - полюсные наконечники; 8 - силовая линия магнитного поля; 9 - экран; 10 - изолятор; 11 фланец; 12 - источник питания МРУ; 13 - источник питания электромагнита. Важнейшим узлом МРС является магнитная система, формирующая у поверхности мишени область высокоинтенсивной плазмы. Магнитная система должна создавать сильное (до 500-800 Гс) магнитное поле, силовые линии которого должны замыкаться над поверхностью распыляемой мишени, в общем случае образуя дуги, верхняя точка которых располагается над центром зоны распыления мишени. Нарушение этого требования для стандартной конструктивной схемы МРС приводит к ухудшению условий локализации плазмы и параметров разряда, смещению зоны распыления от рабочей части мишени, снижению коэффициента использования материала (КИМ). Важное значение для обеспечения высокой эффективности работы МРС имеет выбор положения анода. Анод должен располагаться вне магнитной ловушки и на таком расстоянии от центра зоны распыления, на котором отсутствует эффективный захват анодом циклирующих вдоль зоны распыления мишени высокоэнергетических электронов. Основные параметры МРУ Напряжение на электродах (300-800 В в режиме ПТ) Плотность тока и ток разряда (до 100 мА/см2 и более) Удельная мощность на мишени (до 50 Вт/см2 и более) Величина индукции магнитного поля (300 – 1000 Гс) Рабочее давление (0,05 – 1 Па) 3 Предельная плотность тока (скорость распыления) зависит от величины и конфигурации магнитного поля, рабочего давления, распыляемого материала и условий охлаждения распыляемой мишени 2 Практическая часть Влияние давления аргона и магнитного поля (планарная мишень из алюминия) рр = 0,03 Па В=0,03 Т Объяснение: На ВАХ влияют индукция магнитного поля и рабочее давление. Слева существенно влияние рабочего давления. Уменьшение его значения коррелирует с большими рабочими напряжениями и приобретает черты линейного характера. Причиной таких показателей является уменьшение длины свободного пробега. Следствием этого является увеличение количества соударений и образование большего числа ионов. График справа выделяется корреляцией, в которой увеличение значения индукции магнитного поля придает ВАХ линейный характер. Суть обьяснения этого явления в том, что при попадании в линейную ловушку электрона, он начинает двигаться циклоиднообразно. Другими словами, увеличивается длина траектории электрона, и следственно произойдет ионизация большего числа атомов. 4 Влияние материала и формы мишени Мишень из алюминия (кривая 1) и меди (кривая 2) при постоянном давлении 0,5 Па и индукции магнитного поля 0,08 Т Новая (сплошные линии) и эродированная (пунктирные линии) Al мишень при индукции магнитного поля 0,06 Т Объяснение: Существенным признаком на приведенным выше графиках является влияние материала и формы мишени на ВАХ. Улучшения условий локализации плазмы можно добиться за счет образования выемки в эродируемой мишени. Влияние давления и магнитного поля на напряжение разряда (при постоянном токе) Сплошная кривая при токе разряда 1 А, штриховые - при 3 А Цилиндрическое МРУ (при постоянных значениях тока разряда и давления) Объяснение: На приведенных выше графиках существенным признаком является отклонение ВАХ от линейного характера. Причиной такого явления являются низкие значения давления и индукции магнитного поля, что говорит об уходе высокоэнергетических электронов из области плазмы, так как их циклотронный радиус превышает расстояние между катодом и анодом. График справа объясняется также, но в отличии от графика слева, дальнейшее увеличение значения индукции магнитного поля вызывает перезахват электронов. 5
