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

2. УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП РАБОТЫ, ОСНОВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ
МАГНЕТРОННЫХ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Магнетронная распылительная система включает в себя распыляемый катод-мишень 1, магнитопровод 2, магнит 3, анод 4, электростатический экран 5, штуцеры подачи воды 6 (рис. 1).
Рис. 1. Схема магнетронной распылительной системы и движение заряженных частиц в разрядном промежутке
Магнитопровод и магнит образуют магнитную систему, создающую арочное магнитное поле над поверхностью катода. Вместо
постоянного магнита можно использовать электромагнит. Анодом
часто служат стенки вакуумной камеры, в которой располагается
магнетронная распылительная система. В некоторых случаях применяют отдельный анод, изолированный от вакуумной камеры и
имеющий относительно нее положительный потенциал. Электростатический экран, охватывающий катод, служит для предотвращения зажигания разряда на боковых поверхностях магнитопровода или катодного узла. Электростатический экран может иметь
потенциал камеры или анода.
7

В МРС используется разряд низкого давления в неоднородных
скрещенных электрическом (Е) и магнитном (В) полях, локализованный у поверхности распыляемой мишени, которая является катодом. При этом силовые линии электрического поля перпендикулярны катоду, а магнитного поля — параллельны ему. Эмитируемые
с поверхности катода при ионной бомбардировке электроны захватываются магнитным полем и совершают сложные циклические
движения у распыляемой поверхности, многократно сталкиваясь
с атомами рабочего газа. Полученные в результате ионизирующих
столкновений электроны также удерживаются в магнитной ловушке. Таким образом, вблизи поверхности катода образуется область
высокой концентрации частично замагниченной плазмы. Полученные в результате ионизации рабочего газа ионы ускоряются разрядным напряжением, приложенным в направлении катода-мишени, и
распыляют ее.
Магнетронную распылительную систему характеризуют следующие параметры:
• максимальные и типичные значения напряжения разряда, ток
разряда и средняя плотность тока на катоде;
• допустимый диапазон давления рабочего газа;
• индукция и форма силовых линий магнитного поля над поверхностью катода;
• вольт-амперная характеристика разряда;
• скорость распыления катода / скорость роста покрытия;
• коэффициент использования материала катода;
• максимальная электрическая мощность разряда и максимальная мощность, снимаемая с катода.
Магнетронные распылительные системы могут питаться как
постоянным током, так и переменным током различной частоты и
формы. Напряжение разряда имеет значение 300. . .800 В.
В случае переменного тока частота питающего напряжения лежит в диапазоне 2 кГц. . .30 МГц. Наиболее часто применяются
МРС постоянного тока. При частоте 2. . .100 кГц работают импульсные магнетроны [11]. Их работа похожа на работу магнетронов постоянного тока. В настоящее время импульсные магнетроны
начинают вытеснять магнетроны постоянного тока при реактивных
процессах [12]. При частотах порядка нескольких мегагерц ра8

ботают высокочастотные магнетроны. Такие устройства применяют для распыления диэлектрических материалов. В высокочастотных МРС используется емкостной высокочастотный разряд [13].
По причине сложности системы питания и ограниченной производительности такие устройства применяются достаточно редко.
Разряд в МРС горит по всему катоду, но плотность тока на катоде распределяется неравномерно (рис. 2). Поэтому следует различать среднюю плотность тока и максимальную плотность тока.
Средняя плотность тока jср равна отношению тока разряда Jp к
площади катода Sк:
jcp = Jp
Sк
.
(1)
Рис. 2. Распределение плотности тока j и теплового потока qT на поверхности катода
Средние значения плотности тока на катоде jcp = 150 . . .
. . . 1000 А/м2. В некоторых МРС средняя плотность тока может
достигать значения jcp = 1500 . . . 6000 А/м2 (режим «самораспыления» катода). Максимальная плотность тока jmax приходится на
зону максимальной выработки катода. Максимальная плотность
тока превышает среднюю плотность тока в 8—12 раз. Соответственно, плотность теплового потока qT, приходящего на катод
из разряда, распределена также неравномерно. Максимальная
плотность теплового потока qT max превышает среднюю плотность
теплового потока qT в 8–12 раз. Это следует учитывать при расчете
охлаждения катода.
Определяющее влияние на разряд оказывают значение индукции и форма силовых линий магнитного поля над поверхностью
9

катода, давление и вид рабочего газа, размер и форма катода, материал катода.
Магнетроны работают при давлении рабочего газа (как правило, аргона) 0,03. . .0,50 Па. Если давление выше указанного, разряд
горит, но эффективность магнетрона снижается. Расстояние от катода до подложки обычно cоставляет более 0,1 м. При давлении
выше 0,50 Па длина свободного пробега электрона составляет менее 0,012 м, что приводит к уменьшению потока распыленного
материала в результате столкновений распыленных атомов с атомами аргона. Поэтому желательно обеспечить работу МРС при
более низких значениях давления. Разряд в МРС можно зажечь
при давлениях ниже 0,03 Па, причем нижняя граница диапазона
допустимого давления сильно зависит от конструктивных особенностей МРС и конфигурации магнитного поля.
Известно, что в МРС с меньшими линейными размерами катода труднее зажечь разряд, для этого требуются большие значения
индукции магнитного поля и давления рабочего газа. При больших
линейных размерах катода разряд зажигается при более низких давлениях рабочего газа.
Важным проектным параметром МРС является максимальное
значение параллельной поверхности катода составляющей индукции магнитного поля Bmax. Наибольшее значение Bmax достигается на поверхности катода, под аркой из силовых линий магнитного
поля. Там же достигается наибольшая плотность тока и происходит
максимальная выработка катода. Для зажигания разряда необходимо, чтобы индукция Bmax находилась в диапазоне 0,03. . .0,15 Тл.
В МРС применяют две разновидности конфигурации магнитного поля над поверхностью катода. Для создания таких магнитных полей используют магнитные системы двух типов. В сбалансированной магнитной системе магнитный поток внутреннего полюса Φвнутр равен магнитному потоку внешнего полюса Φвнеш,
в несбалансированной магнитной системе магнитный поток внутреннего полюса Φвнутр меньше магнитного потока внешнего полюса Φвнеш.
Вольт-амперная характеристика разряда сильно зависит от индукции магнитного поля и давления рабочего газа [1, 14]. Увеличение индукции магнитного поля приводит к росту тока разряда при
10