Магнетронные распылительные системы. Часть 1. Устройство, принципы работы, применение

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Д.В. Духопельников
Магнетронные
распылительные системы
В двух частях
Часть 1
Устройство, принципы работы, применение
Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
по курсу «Технологические ионно-плазменные установки»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2014

УДК 621.793:537.525(075.8)
ББК 32.848.4
Д85
Рецензенты: Л.А. Дудко, В.П. Подчезерцев
Д85
Духопельников Д. В.
Магнетронные распылительные системы : учеб. пособие:
в 2 ч. — Ч. 1 : Устройство, принципы работы, применение /
Д .В. Духопельников. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана,
2014. — 53, [2] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-3798-6
Рассмотрены устройство, принцип работы и основные характеристики магнетронных распылительных систем (МРС). Изложены физические процессы и особенности работы МРС. Перечислены основные типы и конструктивные схемы МРС. Дан пример конструкции
МРС с электромагнитной системой.
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности
«Плазменные энергетические установки», а также для аспирантов и
инженеров, занимающихся разработкой и конструированием МРС.
УДК 621.793:537.525(075.8)
ББК 32.848.4
ISBN 978-5-7038-3798-6
c
⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014

ВВЕДЕНИЕ
Магнетронная распылительная система (МРС) является одним
из наиболее перспективных технологических устройств в ионноплазменной технологии. Эта система имеет неоспоримые преимущества при нанесении покрытий на большие площади, что ставит ее на первое место при создании рулонных и листовых материалов со специальными свойствами. Магнетроны применяются
при создании гибких печатных плат, легких электростатических
экранов и экранно-вакуумной изоляции для космической техники,
теплосберегающего остекления, экранов систем отображения информации. Особенно выгодно применять МРС для создания многослойных наноструктурированных покрытий в машиностроении,
оптике, электронике. Все это определяет интерес промышленности к совершенствованию этих устройств, разработке новых схем
и технологий их применения.
Еще 35 лет назад зажечь разряд в МРС считалось большим
искусством. Экспериментаторы делились между собой опытом и
вырабатывали критерии (зачастую ошибочные), по которым можно
было определить, заработает магнетрон или нет.
В настоящее время МРС стали одними из наиболее широко используемых ионно-плазменных технологических устройств.
За прошедшие годы разработано много конструктивных схем МРС,
проведен большой объем научных исследований. Выяснилось, что
в физическом плане магнетронный разряд очень сложен и неудобен при экспериментальных исследованиях, а теоретические модели громоздки и плохо согласуются с опытом. Несмотря на это,
разработчики проектируют эти устройства, руководствуясь весьма
простыми эмпирическими критериями. Практически всегда разряд
3

в МРС зажигается, но, как правило, магнетрон работает неудовлетворительно, и допущенные ошибки исправляются после длительной экспериментальной отработки. Таким образом, и в настоящее
время успех при проектировании новой МРС зависит от личного
экспериментального опыта разработчика.
Существует немного русскоязычной литературы, дающей относительно полное представление об МРС [1–3]. Огромное количество сведений и результатов экспериментальных исследований
МРС рассредоточено по периодической литературе, что вызывает
трудности при изучении этих устройств. Магнетронные распылительные системы по принципу организации разрядного промежутка похожи на холловские ускорители (ускорители с анодным слоем
и стационарные плазменные двигатели). Физические процессы в
холловских ускорителях описаны в работах [4, 5]. Поток материала
в МРС получается в результате распыления катода ионами (катодное распыление). Физические основы процессов, происходящих
при катодном распылении, изложены в работах [6–8].
В данной работе автор хотел поделиться практическим опытом исследований, создания и эксплуатации МРС, чтобы облегчить
труд студентов и разработчиков при изучении и проектировании
данных устройств.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНЕТРОННЫХ
РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
Магнетронные распылительные системы начали применять для
нанесения тонких пленок с начала 1970-х годов [9]. Они пришли
на смену системам катодного распыления, ранее широко применявшимся в полупроводниковой промышленности. При этом МРС
составили конкуренцию системам термовакуумного испарения и
электронно-лучевого испарения [10], особенно при нанесении покрытий из тугоплавких материалов и при нанесении покрытий на
плоские подложки большой площади (архитектурное стекло, листовые и рулонные материалы). Магнетронные распылительные
системы позволяют распылять и наносить покрытия практически
любых металлов, сплавов, проводящих и диэлектрических керамик, при этом толщина покрытия может составлять от нескольких
нанометров до нескольких десятков микрометров.
После разработки МРС их очень быстро начали внедрять в
промышленности. С середины 1970-х годов МРС применяют для
нанесения проводящих слоев при производстве микросхем и нанесения различных оптических покрытий. В конце 1970-х годов
появились оснащенные МРС поточные линии для непрерывного
нанесения покрытий на архитектурное стекло. В начале 1980-х
годов МРС начали использовать для нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент. С середины 1980-х годов МРС
применяют для нанесения магнитных покрытий на жесткие диски
накопителей информации.
В настоящее время МРС широко распространены в нанотехнологии. С их помощью наносят различные наноструктурированные
покрытия, имеющие от нескольких десятков до нескольких ты5

сяч слоев из различных материалов с толщиной слоя от единиц
до десятков нанометров. Таким способом получают износостойкие покрытия высочайшей твердости, сварочные фольги, специальные оптические покрытия (например, зеркала и интерференционные фильтры, работающие в жестком ультрафиолетовом или
рентгеновском излучении), покрытия со специальными электрофизическими свойствами, например, пленки с эффектом «гигантского
магнитного сопротивления» (GMR-эффект), которые используются для создания чувствительных датчиков магнитного поля или
головок чтения информации в современных жестких дисках компьютеров.
Преимуществами МРС являются:
• высокие скорости нанесения покрытия (в десятки раз больше,
чем при катодном распылении);
• невысокие тепловые нагрузки на подложку, что важно при
нанесении покрытий на полимерные подложки;
• возможность нанесения покрытий сложного состава из сплавов (например, при термовакуумном испарении происходит сепарация компонентов сплава);
• возможность нанесения покрытий в среде реактивного газа
(оксиды, нитриды, карбиды);
• возможность нанесения покрытия с хорошей воспроизводимостью по толщине и составу на подложки больших размеров
(эта особенность МРС определяет их главное преимущество перед остальными системами при нанесении покрытий на рулонные
и листовые материалы);
• возможность использовать МРС в технологических линиях
с непрерывным нанесением покрытий благодаря большому запасу
материала в распыляемом катоде (время напыления 5–20 дней).
К недостаткам МРС следует отнести:
• относительно высокую энергоемкость процесса (500 эВ на
один распыленный атом против 50 эВ при вакуумно-дуговом испарении);
• нестабильность реактивных процессов при нанесении оксидов, нитридов и карбидов металлов и, как следствие, необходимость применения сложных систем контроля и управления
разрядом.
6