МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ИНЖЕКЦИЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ
MAGNETRON SPRAY SYSTEM WITH ELECTRON INJECTION

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к магнетронным распылительным системам, и может быть использовано для нанесения покрытий методом магнетронного распыления металлической мишени в вакууме.
-3
-3
-3
Магнетронные распылительные системы (МРС) с плоской мишенью широко используются для осаждения покрытий. Нижнее предельное рабочее давление такого типа разряда составляет, как правило, (1÷2)⋅10 Торр. Относительно высокое давление газа в пространстве дрейфа потока распыленных атомов увеличивает их рассеивание (подложки достигает менее 35% распыленного материала), а также ухудшает качество осаждаемого покрытия за счет высокой доли атомов рабочего газа в формируемой пленочной структуре. Положительную роль на формирование покрытия оказывает ионное ассистирование из плазмы магнетронного разряда. Снижение рабочего давления с 3⋅10 до 1⋅10 Торр приводит к увеличению ионного тока на подложку практически в два раза при тех же параметрах магнетронного разряда.
Известно устройство, в котором для понижения рабочего давления планарного магнетронного разряда используется эффект полого катода посредством размещения дополнительного кольца, установленного непосредственно на мишень магнетронной распылительной системы [1]. Поскольку кольцо, как и мишень, находится под отрицательным потенциалом и подвергается интенсивному ионному распылению, для предотвращения загрязнения потока распыленных атомов нежелательными примесями материал кольца и мишени по составу должны быть полностью идентичны. Широкое использование в МРС спекаемых композитных мишеней делает такой подход экономически нецелесообразным и технически сложно реализуемым.
-4
Известно устройство, в котором для понижения рабочего давления планарного магнетронного разряда за счет дополнительной ионизации рабочего газа используется термоэмиссионный катод в виде спирали либо самокалящейся трубки, выполненной из тугоплавкового материала (например, тантала) [2]. Катод, эмитирующий электроны, располагается в пространстве между мишенью магнетрона и подложкой. Анодом дополнительного разряда служит анод магнетронного разряда. Близким техническим решением является использование в качестве эмиттера электронов накаленных полых катодов в виде трубки или набора трубок. Ток разряда с накаленным катодом, как правило, составляет от единиц до десятков ампер. Несмотря на ряд недостатков (необходимость введения дополнительных электродов в процесс, невозможность работы в среде реакционных газов, термическая нагрузка на подложку) указанный подход помогает решить основную задачу - понизить нижнее предельное давление магнетронного разряда вплоть до 5⋅10 Торр. Использование холодного полого катода позволяет избежать известных недостатков термоэмиссионных катодов [3].
Наиболее близким устройством по наибольшему количеству общих признаков к предлагаемому изобретению и взятым нами за прототип является импульсная МРС с дополнительным вакуумно-дуговым генератором плазмы [4]. Устройство представляет собой стандартную МРС и включает в себя плоскую цилиндрическую мишень, магнитопровод с двумя кольцевыми магнитами и корпус, имеющий потенциал анода. Вакуумно-дуговой генератор плазмы служит для инициирования основного магнетронного разряда при низком давлении и располагается на периферии мишени МРС. Для улучшения однородности и увеличения плотности начальной плазмы вблизи мишени может использоваться два вакуумно-дуговых генератора, размещенных на диаметрально противоположных концах мишени. Инжекция плазмы осуществляется от периферии к центру вдоль плоскости мишени.
Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании указанного устройства, является низкая энергия электронов из дополнительного разряда и, как следствие, низкая степень ионизации рабочего газа при снижении рабочего давления в области мишени, что требует значительного увеличения тока электронов из дополнительного разряда.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является обеспечение компактной конструкции МРС, обеспечивающей эффективное распыление мишени при пониженном давлении рабочего газа и минимальных дополнительных энергозатратах.
Техническим результатом является снижение давления рабочего газа в пространстве дрейфа потока распыленных атомов между мишенью и подложкой.
Указанный технический результат достигается тем, что в магнетронной распылительной системе, содержащей в корпусе-аноде катодный узел, включающий в себя магнитный блок, закрытый плоской распыляемой мишенью-катодом и обращенной распыляемой поверхностью в сторону подложки, согласно изобретению катодный узел дополнительно снабжен, по крайней мере, одним инжектором электронов, обеспечивающим поток электронов через отверстие в плоской мишени, которая при этом для инжектора выполняет функцию анода.
Размещение инжектора в катодном узле с выводом электронов в плоской мишени позволяет инжектируемым электронам дополнительно ускоряться в прикатодном слое магнетронного разряда, вследствие чего они имеют достаточную энергию для эффективной ионизации газа вблизи плоскости распыляемой мишени при пониженном давлении.
Кроме того, для создания плазмы в инжекторе может быть использован тлеющий разряд с холодным полым катодом, обладающий простотой, надежностью и достаточно высокой степенью ионизации рабочего газа за счет осцилляции электронов. Также в качестве источника электронов в инжекторе может использоваться плазма дугового разряда с накаленным либо самокалящимся катодом.
Конструкция МРС с инжекцией электронов схематично представлена на фиг. 1.
Устройство содержит в корпусе-аноде 1 катодный узел, включающий в себя плоскую мишень 2, распыляемой поверхностью мишени обращенной наружу в сторону к подложке. В катодном узле за плоскостью мишени 2, электрически соединенной с электродом 3, расположены система магнитов 4 с магнитопроводом 5, обеспечивающие магнитное поле арочной конфигурации в области распыляемой мишени 2. Инжектор электронов 6 размещен также в катодном узле и выполнен в виде трубки малого диаметра. В месте расположения инжектора в мишени 2 МРС выполнено соосное отверстие для прохождения инжектируемых электронов через мишень наружу. Рабочий газ подается с торца инжектора электронов.
-4
3
Устройство работает следующим образом. Вакуумная камера, в которую установлена в МРС, откачивается до остаточного давления не выше 1⋅10 Торр. В полость инжектора электронов 6 подается рабочий газ с расходом не менее 5 см/мин. К инжектору электронов 6 (катод) и мишени 2 (анод) прикладывается постоянный потенциал порядка 600÷700 В от источника питания I, в результате чего в полости трубки происходит инициирование тлеющего разряда с током от единиц до нескольких сотен мА при напряжении 300÷500 В. Особенностью разрядной системы является то, что катод магнетронного разряда (мишень 2) одновременно является анодом инжектора электронов. При подаче постоянного напряжения от источника питания II между мишенью 2 (катод) и корпусом-анодом 1 (анод) зажигается основной магнетронный разряд. При функционировании газового разряда в инжекторе 6 часть электронов из полости трубки замыкается на анод (мишень 2), оставшаяся часть через апертуру в мишени инжектируется в прикатодный слой магнетронного разряда, где получают значительную дополнительную энергию, соответствующую катодному падению потенциала (300÷500 эВ), и производит эффективную ионизацию рабочего газа вблизи поверхности распыляемой мишени в условиях пониженного давления, когда самостоятельная форма горения магнетронного разряда затруднительна или даже невозможна.
На фиг. 2 представлено влияние инжекции порции высокоэнергетичных электронов на нижнее предельное рабочее давление магнетронного разряда при его постоянной мощности для двух значений тока: 100 мА (кривая 1) и 200 мА (кривая 2). Для этого ток магнетронного разряда стабилизировался источником питания на заданном уровне, а повышение напряжения горения магнетронного разряда при снижении рабочего давления компенсировалось увеличением тока электронов из инжектора. Как видно, для поддержания функционирования магнетронного разряда при пониженном давлении с той же мощностью, в отличие от прототипа с внешним расположением инжектора электронов, в данном случае ток инжектора может быть в несколько раз меньше тока магнетронного разряда, что связано с более эффективной ионизацией рабочего газа вблизи мишени за счет дополнительной энергии, приобретенной за счет ускорения в катодном слое магнетронного разряда. С увеличением рабочего тока магнетронного разряда требуется незначительное увеличение тока инжектора (кривая 2).
Таким образом, данное изобретение, в отличие от указанных ранее устройств, обеспечивает снижение рабочего давления в пространстве между распыляемой мишенью и подложкой при минимальных дополнительных энергозатратах.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение
1. Zhehui Wang, Samuel A. Cohen Hollow cathode magnetron. // J. Vac. Sci. Technol. A 17 (1), Jan/Feb 1999, p. 77.
2. J. Cuomo and S.M. Rossnagel // J. Vac Sci. Technol. - 1986. - A 4 (3). - P. 393.
3. J. Musil, S. Kadlec, and W.D. Munz // J. Vac Sci. Technol. - 1991. - A 9 (3). - P. 1171.
4. RU 2220226 C1, 12.04.2002 г.