УДК 533.9.07

МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ЖИДКОФАЗНОЙ МИШЕНЬЮ

Юрьева Алена Викторовна
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
ассистент

Аннотация
В работе рассмотрена магнетронная распылительная система с жидкофазной мишенью, предназначенная для получения толстых (десятки…сотни микрометров) металлических покрытий с высокими скоростями осаждения (десятки нанометров в секунду). В случае распыления из жидкой фазы, возможен переход к режиму работы магнетрона на собственных парах мишени. Это позволяет получать более чистые покрытия и способствует повышению рабочих характеристик.

Ключевые слова: испарение, магнетронная распылительная система с жидкофазной мишенью, распыление


MAGNETRON SPUTTERING SYSTEM WITH A LIQUID PHASE TARGET

Yuryeva Alena Victorovna
National research Tomsk polytechnic university
assistant

Abstract
The paper presents a review of original investigations on magnetron sputtering systems with liquid phase target. The basic feature of such technique is a generation of liquid phase in solid state target. It provides to form a magnetron discharge on target vapor. For this reason, magnetron sputtering systems with liquid target is used to deposition of thick metal films (10…100 µm) with high deposition rate (10…100 nm per second). Generally, it makes to increase of coatings quality, functional properties.

Keywords: evaporation, magnetron sputtering system with a liquid phase target, sputtering


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Юрьева А.В. Магнетронная распылительная система с жидкофазной мишенью // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 4. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/04/51541 (дата обращения: 29.09.2017).

Введение

Получение высококачественных тонкопленочных слоев является едва ли не самой главной задачей среди современных актуальных направлений развития технологий и материаловедения.

Постоянно возрастающие потребности в покрытиях различного назначения – металлизации рулонных материалов, нанесении защитных, износостойких, декоративных покрытий, изготовление различных пленочных элементов изделий электронной техники – приводит к появлению новых и модификации уже давно известных способов получения тонких пленок.

Одним из инструментов для получения тонкопленочных покрытий являются магнетронные распылительные системы (МРС). Эти устройства позволяют получать практически любые по составу покрытия [1]. Показателем их производительности является скорость осаждения. В классических МРС с твердой мишенью, работающих на постоянном токе, она составляет несколько нанометров в секунду.

Однако существуют отрасли промышленности, использующие «толстые» покрытия, и их задачи требуют гораздо более высоких скоростей осаждения. Например, металлизация керамики для СВЧ электроники выполняется путем осаждения на её поверхность медного покрытия толщиной до 300 мкм. Подобные обстоятельства вынуждают осуществлять поиск новых решений, позволяющих существенно увеличить скорости осаждения покрытий.

Одним из перспективных путей повышения производительности осаждения покрытий является использование МРС с жидкофазными мишенями. Их конструкция не предполагает охлаждения мишени, как это реализовано в классических магнетронах

Магнетронная распылительная система с жидкофазной мишенью

По данным [2], процесс ионного распыления происходит в приповерхностной области металла толщиной 0,3-0,8 нм и на него затрачивается менее 3% подводимой энергии, вся остальная энергия переходит в тепло. В типичных МРС мишень и магнитная система имеют хороший тепловой контакт, поэтому требуется обеспечивать непрерывное охлаждение катодного узла для предотвращения выхода из строя магнитной системы. В случае если материал мишени МРС находится в твердом состоянии, удельная мощность ионного тока ограничивается величиной критической удельной мощности, которую выдерживает материал мишени без расплавления.

Этим объясняется один из главных недостатков МРС – относительно невысокая скорость роста покрытий. Так, для магнетрона на постоянном токе при распылении металлической мишени она составляет 1…10 нм/с.

Увеличить производительность МРС можно, если использовать жидкофазную мишень, т.е. увеличить плотность потока осаждаемых частиц за счет наличия распылительной и испарительной компоненты [3].

Добиться этого можно, если теплоизолировать мишень от охлаждаемой магнитной системы и, таким образом, создать условия для разогрева и расплавления материала мишени.

Конструкции МРС с жидкофазной мишенью

В ходе выполнения работы были рассмотрены две конструкции МРС с жидкофазной мишенью: с дисковой и кольцевой мишенью (рис. 1) [4].

            а)                                                                          б)

Рисунок 1. Конструкции МРС с жидкофазной мишенью (а – дисковая мишень, б – кольцевая мишень):

1 – мишень; 2 – тигель; 3 – керамические вставки; 4 – центральный магнитопровод; 5 – корпус магнетрона; 6 – постоянные магниты; 7 – термопара.

Мишень из испаряемого материала помещается в теплоизолированный тигель, выполненный из немагнитного тугоплавкого материала. Непосредственно под тиглем расположена водоохлаждаемая магнитная система. Между тиглем и корпусом магнитной системы находится зазор порядка 2 мм, препятствующий отводу тепла от мишени в процессе ее разогрева.

Рабочий объем откачивается до необходимого давления, затем напускается аргон и между тиглем и анодом прикладывается напряжение. При этом загорается разряд, локализованный у поверхности мишени магнитным полем. Материал мишени за счет интенсивной ионной бомбардировки нагревается до такого значения температуры, при котором испарение атомов с поверхности мишени становится заметным. Сначала расплавляется зона горения разряда, затем центральная часть мишени и краевая область, в течение ~10 минут мишень полностью переходит в жидкое состояние.

При определенной плотности ионного тока начинается интенсивное испарение материала мишени, причем при достижении высокой упругости паров распыляемого вещества начинается процесс самораспыления, в котором магнетронный разряд способен поддерживаться только атомами, удаляемыми с поверхности мишени. Тогда можно прекратить напуск аргона, что существенно снизит загрязнение получаемых тонкопленочных покрытий. Этот режим работы МРС с жидкофазной мишенью вызывает наибольший интерес.

Основной недостаток конструкции, имеющей дисковую мишень (рис.1, а) – неравномерное плавление мишени. Из-за разницы температур зоны расплава и относительно холодных краев мишени происходит ее разрыв, что приводит к нестабильности разряда.

Конструкция с кольцевой мишенью (рис. 1, б) лишена этого недостатка, так как вся мишень находится непосредственно в зоне горения разряда и, следовательно, происходит ее равномерное расплавление.

Распределение магнитного поля

Для обеспечения стабильной работы МРС с жидкофазной мишенью следует создать вблизи её поверхности достаточно сильное и равномерной магнитное поле.

Анализ распределений электрического и магнитных полей в различных конструкциях магнетронов показывает, что высота области скрещенных полей над поверхностью мишени не велика – до 0,5- 1 см, а требуемая величина индукции на поверхности мишени составляет около 0,03 – 0,1 Тл, что обеспечивает стабильное горение разряда [5].

Для сравнительной оценки обеих конструкций в программном комплексе ELCUT было смоделировано распределение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля по поверхности мишени. Результат моделирования представлен на рисунке 2.

 

а)                                         б)

Рисунок 2 – Распределение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля в МРС с жидкофазной мишенью: а) дисковая мишень, б) кольцевая мишень

Как видно из рис.2 распределение горизонтальной составляющий индукции магнитного поля для обоих случаев являются похожими на классические. Однако есть и отличия. Распределение магнитного поля в МРС с дисковой мишенью в большей степени похоже на распределение магнитного поля в МРС с твердой мишенью (рис.2 а). Величина магнитного поля в этом случае будет напрямую зависеть от толщины мишени, т.к. она находится над магнитной системой. С увеличением толщины мишени магнитная индукция будет уменьшаться, а значит, и рабочие характеристики МРС с дисковой мишенью тоже будут ухудшаться. В частности, будет увеличиваться рабочее давление, рабочее напряжение, при котором разряд будет стабильно гореть, также будет увеличиваться. Кроме того, с увеличение рабочего давления мишень будет эффективней охлаждаться, что приведет к увеличению времени выхода мишени в жидкое состояние. Достоинством МРС с дисковой мишенью является большая площадь расходуемого материала мишени.

Распределение магнитного поля в МРС с кольцевой мишенью также имеет вид, близкий к классическому. Однако максимальное значение индукции сдвинуто ближе к центру МРС. Это происходит из-за того, что в центре МРС установлены полюсные наконечники из магнитного материала. Эти наконечники позволяют вывести силовые лини магнитного поля гораздо выше уровня магнитов. Как видно из рис. 2 б индукция магнитного поля на поверхности кольцевой мишени в несколько раз выше, что понижает рабочее давление и рабочее напряжение МРС. Форма силовых линий магнитного воля тут не имеет решающего значения, т.к. после расплавления мишени осаждение происходит со всей ее площади. Кроме того в случае кольцевой мишени ее толщина может быть достаточно большой, т.к. изменяя высоту полюсного наконечника можно вывести силовые лини магнитного поля на достаточно большое расстояние от магнитов.

Скорость осаждения

При работе МРС с жидкофазной мишенью одновременно осуществляется процесс распыления и испарения, причем при определенных режимах испарение становится преобладающим над распылением. Таким образом, благодаря наличию испарительной компоненты в осаждаемом потоке можно увеличить скорость осаждения покрытий на 1-2 порядка по сравнению с МРС с твердой мишенью.

Для экспериментов использовался магнетрон, конструкция которого представлена на рис. 1,а. В тигель, изготовленный из нержавеющей стали, помещалась алюминиевая мишень. В атмосфере аргона (давление порядка 0,5 Па) производилось осаждение покрытия на стеклянные подложки. Ряд экспериментов проводился из твердой фазе, т.е. плавления мишени не было. На часть же образцов напыление производилось после перехода мишени МРС в жидкую фазу. На рисунке 3 представлена зависимость скорости осаждения алюминия от плотности мощности разряда при наличии (рис.3, кривая 2) и отсутствии испарения (рис.3, кривая 1).

Рисунок 3 – Зависимость скорости осаждения пленок алюминия от плотности мощности разряда

Из графика следует, что скорость осаждения покрытий из жидкой фазы в несколько раз превосходит скорость осаждения из твердой фазы при прочих равных условиях (при плотности мощности на мишени 12-25 Вт/см2 скорости осаждения покрытий из жидкой фазы составляли 15-25 нм/с, из твердой фазы составила 3-5 нм/с).

Заключение

Рассмотрены некоторые конструкции МРС с жидкофазной мишенью. Показано, что использование мишени в виде кольца может оказаться более предпочтительным, поскольку в этом случае величина магнитной индукции на поверхности мишени больше, что приводит к более высокой концентрации ионов в прикатодном пространстве.

Использование такой конструкции позволяет понизить рабочее давление в вакуумной камере примерно на порядок по сравнению с жидкофазным магнетроном, имеющим дисковую мишень.

В совокупности с возможностью данных магнетронов работать в режиме «самораспыления» (распыление в собственных парах мишени, когда рабочий газ используется только для «зажигания» магнетронной плазмы) понижение рабочего давления в камере приведет к значительному улучшению свойств получаемых покрытий.


Библиографический список
  1. Thin-Film Deposition: Principles and Practice. – Boston: McGraw Hill, 1995. – 616 p.
  2. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. – М.: Радио и связь, 1982. – 72 с.
  3. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Третьяков Р.С., Юрьева А.В. Тепловые и эрозионные процессы при работе магнетронных распылительных систем с неохлаждаемыми мишенями // Изв. ВУЗов.Физика.–2009.– Том 52.–№11/2.–С. 180-185
  4. Юрьева А.В., Степанова О.М., Блейхер Г.А., Юрьев Ю.Н. Баланс энергии на катодном узле магнетронной распылительной системы с жидкофазной мишенью // Известия ВУЗов. Физика. – 2014 – Т. 57 – №. 3/3.– C. 283-287
  5. Магнетронные распылительные системы / Кузьмичёв А. И.. Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. – Киев: Аверс, 2008. – 244 с.


Все статьи автора «Юрьева Алена Викторовна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: