6.3. Формирование тонких пленок с использованием магнетронных распылительных систем

В магнетронных распылительных системах (MSS) форми­рование пленок производится распылением мишени (като­да) из аномального тлеющего разряда в скрещенных Е Н полях. Линии магнитного поля в области мишени располо­жены параллельно ее поверхности так, что электроны, эмиттируемые из мишени под действием ионной бомбардировки, захватываются магнитным полем и совершают движение по замкнутым циклоидальным траекториям. В результате замагничивания электронов резко увеличивается интенсив­ность электрон-атомного взаимодействия, и как следствие, возрастает степень ионизации плазмы и плотность ионного тока. Таким образом, эффект наложения магнитного поля эквивалентен увеличению давления газа. Эквивалентное дав­ление определяется по формуле:

где р_экв — рабочее давление в отсутствие магнитного поля, — время между столкновениями электрона с атомами рабо­чего газа, — циклотронная частота электрона.

Ионизированные атомы под действием электрического поля ускоряются и бомбардируют поверхность мишени. Про­цесс бомбардировки вызывает распыление атомов мишени, которые затем конденсируются на подложке в виде тонкой пленки.

Увеличение эффективности ионизации в MSS ведет к воз­растанию плотности ионного тока (примерно в 100 раз по сравнению с диодными распылительными системами без маг­нитного поля), что приводит к существенному (в 50—100 раз) увеличению скорости распыления материала мишени и, сле­довательно, более высокой скорости осаждения распыленно­го потока. Кроме того, низкое полное сопротивление плаз­мы позволяет существовать разряду в MSS при более низком по сравнению с диодными системами рабочем давлении. Плотность тока на катоде MSS достигает 60 мА/см², а плотность мощности до 40 Вт/см². Сравнительные ВАХ MSS с планарной и цилиндрической мишенью, а также диодной распылительной системы при распылении Аl в Аr приведе­ны на рис. 6.16.

Большой объем аналитичес­ких исследований по исполь­зованию MSS для форм. Было установле­но, что существенное влияние на ВАХ оказывают рабочее дав­ление, магнитная индукция, материал мишени и степень его эрозии. С уменьшением давления ВАХ сдвигаются в область больших рабочих на­пряжений. Аналогичное вли­яние оказывает уменьшение магнитной индукции. Посколь­ку при низком давлении разряд в MSS поддерживается в ос­новном за счет вторичных электронов, эмиттируемых с ми­шени в результате ионной бомбардировки, то на ВАХ боль­шое влияние оказывает материал мишени. В результате эро­зии мишени в зоне распыления образуется своеобразный по­лый катод и улучшаются условия локализации плазмы, что приводит к сдвигу ВАХ в область меньших рабочих напряже­ний, причем этот сдвиг растет с увеличением давления.

Рис. 6.16. Типичные ВАХ [8]: 1 - МРС планарного типа с прямоугольной мишенью;

2 - МРС с цилиндрической полой мишенью; 3 - МРС планарного типа с кольцевой мишенью;

4 - МРС с цилиндрической мишенью; 5 - диодная распылительная система без

магнитного поля(во всех случаях распыления Al для МРС p=0,13 Па, для диодной РС p=6,5 Па)

В общем случае ВАХ описывается выражением

(6.13)

где — коэффициент, зависящий от конструкции MSS, U₀ — минимальное напряжение, необходимое для поддер­жания разряда.

Квадратичная зависимость тока от напряжения обуслов­лена пространственным зарядом, который ограничивает элек­тронный ток, текущий от мишени вдоль линий магнитного поля. Эффективность процесса плазмообразования в MSS в 5 раз выше, чем в диодных системах без магнитного поля. Поскольку энергетическая эффективность процесса распы­ления, определяемая зависимостью коэффициента распыле­ния от энергии ионов, имеет максимальное значение в диа­пазоне 300—500 эВ, который характерен для MSS, этот вид ионно-плазменного распыления характеризуется мак­симальным значением энергетической эффективности по сравнению с другими видами распылительных систем.

На рис. 6.17 представлена планарная MSS фланцевой кон­струкции. Катодный узел, включающий мишень, магнит­ную систему и водоохлаждаемый держатель, электрически изолирован от стенок камеры кольцом из керамики или дру­гого изоляционного материала. Магнитная система может

Рис. 6.17. Магнетронная распылительная система с пле­нарным катодом

быть выполнена с использованием соленоида, что обеспечи­вает гибкость функционирования, однако более традицион­ным вариантом является использование постоянных магни­тов, что обьясняется меньшей тепловой нагрузкой на ми­шень, а также лучшей надежностью и конструктивной гиб­костью. В MSS магниты размещаются так, что один магнит­ный полюс расположен на центральной оси мишени, а вто­рой магнитный полюс формируется кольцом магнитов по внешнему краю мишени. Центральный магнит и внешнее кольцо магнитов шунтируются с задней стороны магнито- проводом. Над поверхностью мишени магнитное поле фор­мирует замкнутый контур, имеющий форму тороида, и элек­троны дрейфуют вдоль этой области под действием силы Лоренца. Для эффективной работы MSS поперечная компо­нента магнитного поля над поверхностью мишени должна составлять, как правило, величину более 200 э. Чаще всего применяются постоянные магниты на основе бариево-стронциевых ферритов, сплавов альнико и сплавов кобальта с редкоземельными элементами.

Используя магниты различной формы, могут быть созда­ны катодные узлы различных конфигураций: круглой, пря­моугольной и т. д. при условии формирования над поверх­ностью мишени замкнутого контура с одинаковыми пара­метрами электрического и магнитного полей. На рис. 6.18

Рис. 6.18. Разрядная область планарной MSS с протяжен­ной прямоугольной мишенью

представлена разрядная область планарной MSS с протяжен­ной прямоугольной мишенью.

При подаче больших удельных мощностей для достиже­ния требуемой скорости распыления, необходимо обеспечить эффективный тепловой и электрический контакт между мишенью и корпусом, поскольку большая часть приклады­ваемой мощности должна рассеиваться системой охлажде­ния. Существует множества вариантов катодных узлов с пря­мым и косвенным охлаждением мишеней проточной водой. Непосредственный контакт проточной воды с тыльной стороной мишени обеспечивает максимальную эффективность процесса охлаждения, однако опасность прорыва воды при образовании трещины в мишени или при чрезмерном уве­личении зоны эрозии ограничивает применение этого спо­соба охлаждения. Конструкции с косвенным охлаждением используют водоохлаждаемый медный держатель, который может являться неразъемной составной частью несущей кон­струкции катодного узла. Однако такой вариант обеспечи­вает меньшие удельные тепловые нагрузки. Хороший теп­ловой контакт мишени с держателем может обеспечиваться с использованием припоев на основе индия.

В MSS планарного типа распыляемая мишень обычно представляет собой пластину толщиной от 2 до 15 мм. В ми­шени недопустимы включения, пустоты, трещины, нерав­номерное распределение примесей, поскольку в противном случае не обеспечивается однородность свойств по поверхно­сти, возникает тенденция дугообразования и пр. Зона эро­зии мишени MSS ограничена областью высокой плотности плазмы. Эффективное распыление материала мишени про­исходит из области, формируемой замкнутым контуром на поверхности мишени. Поперечное сечение зоны эрозии имеет

Рис. 6.19. Изменение глубины зоны эрозии планарного магнетрона с круглой мишенью в процессе ее распыления

F-образную форму (рис. 6.19). По мере увеличения степени эрозии скорость осаждения распыляемого материала снижа­ется. Коэффициент использования материала мишени MSS достигает значений 25—45 % в зависимости от конфигура­ции магнитной системы . В МРС с несколькими зонами эрозии или зоной сложной формы может быть достигнут более высокий коэффициент использования материала ми­шени. Отмечено, что коэффициент использования материала мишени может быть увеличен путем снижения рабочего давления (рис. 6,20).

Рис. 6.20. Формы зоны эрозии мишени при различных давлениях

Кроме катодных узлов с плоской планарной мишенью используются узлы с конической мишенью, с плоской фа­сонной мишенью, цилиндрической мишенью, подвижной магнитной системой и проч. Изменение конст­руктивного исполнения катодного узла и мишени может быть вызвано стремлением минимизировать облучение подложек вторичными электронами, проводить обработку изделий сложной формы, а также повысить коэффициент использо­вания мишени.

Потребляемая MSS мощность составляет, как правило, от 0,3 до 20,0 кВт при напряжении 0,4—0,7 кВ. В MSS, по­требляющих большую удельную мощность, резко обостряет­ся проблема предотвращения дугообразования между като­дом и анодом, а также на поверхности мишени, что может привести к образованию капельной фазы и нестабильности разряда. Кроме того, максимальная плотность тока в МРС

30—60 мА/см² лимитируется обеспечением надежного теплоотвода от катодного узла MSS. Скорости осаждения мате­риалов в MSS могут достигать значений 300 /с, однако для материала в твердом состоянии максимально допустимая удельная мощность ограничиваются его теплопроводностью. Известны сообщения о формировании с использованием MSS пленок меди распылением жидкофазной мишени со скорос­тью до 800 /с, т. е. об объединении процесса распыления и испарения.

При распылении мишеней из магнитных материалов для уменьшения шунтирующего действия на магнитное поле МРС чаще всего уменьшают толщину слоя материала мише­ни (до уровня порядка 1 мм), либо используют дополнитель­ный источник магнитного поля.

Рис. 6.21, Зависимость скорости осаждения пленок от мощности разряда MSS при рабочем давлении Аг 0,1 Па и расстоянии мишень—подложка 7,5 см

Поскольку энергии распыляющих ионов в MSS не превы­шают 600—700 эВ, то скорость формирования пленок находится в прямой зависи­мости от мощности раз­ряда (рис. 6.21). При этом основная темпера­турная нагрузка на под­ложку (до 60 %) соз­дается потоком высокоэнергетичных электро­нов из областей с боль­шой осевой составляю­щей магнитного поля.

Наряду с мощностью на параметры процесса осаждения и свойства осаждаемых слоев ока­зывает влияние давление рабочего газа, температура под­ложки, а также напряжение смещения. В общем случае: увеличение давления может изменять структурно-фазовые свойства пленок и характер внутренних напряжений; с уве­личением температуры, увеличивается размер зерна вследст­вие увеличения подвижности атомов осаждаемого материа­ла; подача отрицательного смещения на пластину вызыва­ет бомбардировку растущей пленки ионами, что стимули­рует целый ряд эффектов, рассмотренных в подразделе 6.2.

Достоинствами метода магнетронного распыления являются: возможность получать пленки металлов, сплавов, по­лупроводников и диэлектриков (в случае использования ре­активных процессов); высокая скорость осаждения (до не­скольких сотен /с), а следовательно, и высокая чистота пленок; относительно высокая адгезия и низкая пористость пленок; возможность изменения параметров пленок за счет потенциала смещения на подложке, давления и состава га­зовой среды; более низкое по сравнению с другими ионно- плазменными методами радиационное и тепловое воздействие на обрабатываемую структуру; возможность использования процесса самораспыления некоторых материалов при высо­ких плотностях тока на мишени; а также возможность со­здания линий непрерывного действия.

К недостаткам метода относятся: сложность реализации методов ионного ассистирования из автономного источника ионов вследствие различных диапазонов давлении этих уст­ройств; сравнительно низкий коэффициент использования материала мишени (около 25 % для плоской мишени); срав­нительно высокая неравномерность осаждаемой пленки по толщине за счет распыления материала из узкой зоны эро­зии, что требует использования устройств перемещения под­ложек; высокие требования к качеству используемых ми­шеней для предотвращения нестабильности процесса осаж­дения; сравнительно высокое давление рабочего газа (как правило, не менее 0,1 Па).

Современные тенденции развития методов формирования пленок с использованием MSS предполагают устранение не­которых из означенных недостатков. Представляется чрез­вычайно перспективным уменьшение рабочего давления MSS ниже уровня 0,1 Па, что позволяет значительно изменять физические условия формирования пленок, а также дает возможность модифицировать процесс осаждения пленок использованием бомбардирующей ионной компоненты вы­ращиваемой фазы. При этом основными характеристиками распыления при низком давлении являются: реализация процесса sight-of-line осаждения (т. е. минимизация межа­томного взаимодействия при транспортировке распыленно­го потока); возможность формирования пленок с напряже­ниями сжатия; возможность распыления мишени ионами осаждаемого материала (самораспыление). Подобный подход открывает новые области применения магнетронного распыления, в частности для эффективного формирова­ния защитных покрытий, покрытий со специальными свой­ствами (антифрикционные, антикоррозионные и др.). Умень­шение рабочего давления до уровня менее 0,1 Па увеличива­ет гибкость в проектировании распылительных систем за счет возможности значительного увеличения дистанции ми­шень—подложка, а также позволяет реализовывать процес­сы ионно-стимулированного осаждения с использованием автономных ионных источников — так называемый процесс ионного ассистирования магнетронному распылению (ion bean assisted magnetron — IBAM).

Основной проблемой формирования разряда низкого дав­ления в MSS является недостаточная концентрация заряжен­ных частиц. Наиболее очевидным путем решения этой про­блемы является увеличение напряженности магнитного поля у поверхности мишени. Однако давление распыления маг­нетрона, магнитное поле которого сбалансировано и форми­руется только одним внутренним магнитом или электромаг­нитом, уменьшается с увеличением Н до некоторого преде­ла, который может быть преодолен только новым качествен­ным улучшением в ограничении плазмы. Эффектив­ным путем уменьшения рабочего давления является предот­вращение попадания линий магнитного поля за края мише­ни, что может быть осуществлено оптимизацией распреде­ления магнитного поля над мишенью магнетрона посред­ством использования дополнительного источника магнитно­го поля в периферийной области разряда. Ограничение плаз­мы также может быть реализовано в MSS с электрическими зеркалами и многокатодных несбалансированных MSS с зам­кнутой конфигурацией магнитного поля. Дополнительная ионизация газа может быть достигнута также использовани­ем электронной эмиссии из накального или полого катодов, а также индуктивно связанным ВЧ или СВЧ разрядом.

Одним из перспективных направлений развития MSS яв­ляется разработка так называемых несбалансированных маг­нетронов (unbalanced magnetron — UBM).

В обычном, или сбалансированном, магнетроне плазмен­ный разряд с высокой концентрацией частиц ограничивает­ся областью мишени. Зона плотной плазмы распространяет­ся на расстоянии порядка 60 мм от поверхности мишени. Пленки, выращенные в пределах этой области, подвергают­ся одновременной ионной бомбардировке. Если подложка установлена за пределами этой области, она подвергается воздействию области низкой плотности плазмы, а потока ионов, бомбардирующих подложку (обычно < 1 мА/см² ) чаще всего недостаточно для модификации структуры пленки. Для управления свойствами пленок ионной бомбардировкой в этом случае необходимо повышение энергии ионов, что может быть реализовано повышением отрицательного сме­щения подложки. Однако повышение энергии ионов может привести к возникновению дефектов в пленке, а также воз­растанию внутренних напряжений, и во многих случаях от­рицательно влияет на параметры слоев. Для осаждения плот­ных пленок без больших внутренних напряжений предпоч­тительны ионы низкой энергии (до 100 эВ) при высокойплотности ионного тока на подложку (> 2 мА/см² ).

а б в

Рис. 6.22. Типы конфигураций магнетронов

В UBM (рис. 6.22,а б в), в отличие от обычных магнетронов, не все линии магнитного поля замкнуты между центральным и внешним полюсами магнитной системы. В UBM 1-го типа (рис. 6.22, б) центральный полюс усилен относи¬тельно внешнего полюса. В этом случае незамкнутые линии магнитного поля с центрального полюсного наконечника направлены к стенкам камеры. При этом практически устраняется продольная составляющая магнитного поля, что дает низкую плотность плазмы в области подложки. Применение UBM 1-го типа позволило получить покрытия с управляемой и воспроизводимой пористостью примерно в 1000 раз большей, чем у плотного материала [193]. Пленки дан¬ного типа имеют большой потенциал применения, например, как катализаторы или поглощающие покрытия.

Данные условия реализуются в несбалансированных маг- нетронных распылительных системах. Термин "несбалан­сированный магнетрон" первыми использовали Window и Savvides [191] при исследовании семи типов планарных маг­нетронов с различной конфигурацией магнитного поля. Дан­ные конфигурации были разделены на три группы, пред­ставленные на рис. 6.22. Первый случай (рис. 6.22, а) — это обычный, или сбалансированный, магнетрон, в котором внутренний и внешние магниты подобраны таким образом, что все силовые линии, выходящие из мишени от одного полюса магнитной системы, замыкаются на другой полюс в области мишени.

В UBM 2-го типа (рис. 6.22, в) внешний полюс усилен относительно центрального полюса. В этом случае незамк­нутые линии магнитного поля с периферии катода направ­лены к подложке и вторичные электроны имеют возмож­ность двигаться вдоль силовых линий. Следовательно, плазма в UBM 2-го типа полностью не ограничена примишенной областью и может распространяться до подложки. В данном случае из плазмы могут извлекаться ионные токи значи­тельной плотности даже без внешнего смещения подложки. Несбалансированные магнетроны 2-го типа имеют большой потенциал для методов ионно-стимулированного формирова­ния пленок, особенно для слоев с повышенными трибологи­ческими характеристиками. Поэтому исследованию UBM уделяется в последнее время повышенное внимание.

Из сказанного следует, что основной особенностью UBM 2-го типа (в дальнейшем просто UBM) является наличие про­дольной составляющей магнитного поля, направленной вдоль оси магнетрона. Существует несколько путей создания необ­ходимой конфигурации магнитного поля. Чаще всего в UBM боковое магнитное поле усиливается относительно цент­рального полюса. Это достигается путем увеличения массы постоянных магнитов по внешнему краю мишени (рис. 6.23, а, б) или применением дополнительного электро­магнита, который создает дополнительное магнитное поле, усиливающее боковую составляющую магнитного поля маг­нетрона (рис. 6.23, в). Кроме того, основная магнитная система несбалансированного магнетрона может быть выпол­нена на основе электромагнита, что делает его более гибким и обеспечивает возможность проводить процессы осаждения в оптимальных режимах (рис. 6.23, г, д). Одним из ме­тодов увеличения продольной составляющей магнитного поля является использование дополнительного соленоида, устано­вленного в промежутке мишень—подложка (рис. 6.23, д, е), что позволяет оперативно изменять конфигурацию ли­ний магнитного поля в области мишень—подложка и управ­лять соотношением ион/атом в процессе осаждения. Разра­ботаны также несбалансированные магнетроны, в которых конфигурация магнитного поля может изменяться без ис­пользования электромагнитов.

Window и Savvides отметили, что магнетроны с конфигу­рацией магнитного поля 1-го типа дают позитивный потен­циал самосмещения менее +3 В, так что, когда заземленный зонд диаметром 100 мм помещался в плазму был получен небольшой ионный ток порядка 0,5—2,0 мА. Напротив, для конфигураций 2-го типа потенциал самосмещения был в диа­пазоне от -16 до -23 В. Одним из наиболее значимых резуль­татов этих исследований было то, что магнетроны 2-го типа по сравнению с магнетронами 1-го типа дают от 5 до 100 раз больший ионный ток, полученный при напряжении смеще­ния зонда -100 В. Было показано, что плотность ионного тока на подложке составляет величину 5 мА/см и более, то есть в несколько раз больше, чем для сбалансированного маг­нетрона .

Рис. 6.23. Компоновочные схемы несбалансированных магнетронных распылительных систем

Существует UBM с двумя источниками маг­нитного поля: основной магнитной системой на постоянных магнитах и дополнительным внешним соленоидом (рис. 6.24). Самарий-кобальтовые магниты формируют на поверхности мишени поле напряженностью 800 э (рис. 6.24, а). Степень несбалансированности МРС варьируется изменением интен­сивности продольной составляющей магнитного поля над мишенью

Рис. 6.24 Конфигурация магнитного поля UBM: а) сбалансированный режим; б) несбалансированный режим

(рис. 6.24, б). В качестве мишени использован диск из А1 (99,9 % чистоты) толщиной 4,5 мм. Расстояние мишень—подложка составляло 85, 120 и 150 мм. Рабочее давление несбалансированной МРС изменялось в пределах (2,2—10) 10^-2 Па. Ток разряда МРС достигал 4,5 А при на­пряжении 350—650 В. Было установлено, что напряжение самосмещения зависит только от тока разряда МРС и не зависит от напряжения разряда. Напряжение самосмеще­ния подложки изменялось от -24 до -20 В при токе разряда МРС от 0,2 до 3,1 А. При отсутствии дополнительного сме­щения на подложке наблюдался отрицательный ток, при увеличении напряжения смещения происходит уменьшение тока (рис. 6.25). Дальнейшее увеличение напряжения сме­щения приводит к изменению полярности, а при достиже­нии значения 80—90 В наступает насыщение.

Рис. 6.25. Зависимость тока подложки от напряжения смещения

Зависимость суммарного тока пучка от тока разряда при различной дистанции мишень—подложка представлен на рис. 6.26. Ток пучка прямо пропорционален току разряда UBM и увеличивается с уменьшением дистанции мишень— подложка. Показано, что плотность ионного тока достигала 8 мА/см² на оси устройства. С увеличением тока соленоида, т. е. степени несбалансированности, происходит увеличе­ние тока пучка (рис. 6.27) при постоянной скорости распы­ления мишени, т. е. изменяя ток соленоида получена воз­можность управлять соотношением ион/атом на подложке.

Рис. 6.26. Зависимость сум- Рис.6.27. Зависимость плотно-

марного тока пучка UBM от сти ионного тока на подложку

тока разряда от тока соленоида

В результате анализа различных данных по исследова­нию UBM продемонстрировано, что осевая составляющая магнитного поля в промежутке мишень—подложка позво­ляет поддержать значительную ионную бомбардировку при низких энергиях, с приемлемым отношением ион/атом при достаточно низком (10^-2 Па) давлении.

Как было отмечено выше, на свойства осаждаемых по­крытий большое влияние оказывает поток ионов, бомбарди­рующий поверхность осаждаемой пленки. Ионный ток под­ложки и плотность тока подложки зависят от тока разряда UBM и расстояния мишень—зонд, и не могут точно описать свойства той или иной несбалансированной магнетронной системы. В UBM ионный ток, поступающий на подложку, прямо пропорционален току разряда. Скорость осаждения пропорциональна току разряда (при неизменном напряже­нии). В результате, в отличие от некоторых других процес­сов ионного осаждения, при повышении скорости осажде­ния отношение ионного потока к потоку осаждаемых атомов на определенном расстоянии остается постоянным. Поэтому степень несбалансированности МРС можно более полно охарактеризовать отношением ион/атом. Данное от­ношение может быть оценено следующим образом:

(6.14)

(6.15)

(6.16)

где J_t — количество прибывающих ионов, J_v — количество осаждаемых атомов, j_i — плотность ионного тока в мА/см²; M_v — масса осаждаемых атомов в атомных единицах массы, т_и = 1,66 10^-24 г/а. е. м. — единичная масса, р — плотность пленки в г/см , — скорость осаждения материала в нм/с.

Window и Savvides показали, что соотношение ион/атом для осаждаемых пленок Си изменялось от 0,00025:1 для кон­фигурации 1-го типа до 2:1 для конфигурации 2-го типа. Другие исследования показали, что для пленок TiN, осажденных методом несбалансированного магнетронного распыления, отношение ион/атом Ti изменялось от 1,7:1 до 5,3:1 и от 1,4:1 до 6,3:1 соответственно.

Метод магнетронного распыления обеспечивает меньший нагрев подложек, чем парофазно-химическое осаждение (CVD), что предопределяет перспективы его использования для формирования функциональных покрытий с повышен­ными трибологическими свойствами. Однако диапазон ис­пользования MSS и UBM все еще недостаточно широк в силу определенных недостатков метода магнетронного распыле­ния. Одной из проблем является "затенение" при обработке изделий сложной формы, имеющих объемную поверхность. Для получения равномерной толщины пленки используется вращение подложки, но в этом случае покрытие накладыва­ется послойно, что может изменять его структурные пара­метры. В случае использования сложного перемещения под­ложек, возрастает стоимость оборудования и уменьшается скорость осаждения пленок. По данной причине в начале восьмидесятых годов для более равномерного покрытия объемных деталей был разработан ряд многокатодных рас­пылительных систем. Данный метод успешно ис­пользовался для осаждения покрытий на небольшие детали, например оптические линзы, а расстояние мишень—под­ложка составляло порядка нескольких сантиметров.

Тогда же было отмечено, что в двухкатодных MSS маг­нитные системы магнетронов могут конфигурироваться с идентичной или противоположной полярностью. В дальней­шем было отмечено, что при определенных условиях исполь­зование многокатодных устройств позволяет достигать, эф­фекта, характерного для несбалансированного магнетронного распыления. Такие конфигурации были описаны соответственно как "зеркальная" (mirrored) и "с замкнутой областью" (closed field) (рис. 6.28) При зеркальной конфи­гурации полярность магнитных систем обоих магнетронов идентична.

Рис. 6.28. Конфигурации компоновки двухкатодных магнетронных устройств

В данном случае взаимодействие магнитных полей маг­нетронов приводит к тому, что часть незамкнутых линий магнитного поля внешних магнитов направлена к стенкам камеры. Вторичные электроны, двигаясь по линиям маг­нитного поля, имеют значительную расходимость, что пре­допределяет низкую плотность плазмы в области подложки. Напротив, при конфигурации с замкнутой областью, линии магнитного поля замкнуты между магнетронами. Поток вторичных электронов на стенки камеры незначителен и под­ложка в данном случае лежит в области высокой плотности плазмы. Так, например, при последние конструкции магнетронов для CFUBMS сис­тем разрабатываются с использованием редкоземельных магнитов с напряженности магнитного поля на поверхности мишени Ti порядка 500 э напряженность магнитного поля в центре замкнутой области, т. е. в области подложки, составляет около 20 э. Это позволяет достигать скорости осаждения, сравнимой со скоростью осаждения сба­лансированных магнетронов при уровне ионной бомбарди­ровки подложки, расположенной на расстоянии 10 см, сопо­ставимой с несбалансированными магнетронами. По­добные эффекты предопределили резко возросшую интен­сивность исследований в этом направлении, а конфигура­ция магнетронного распыления с замкнутой областью полу­чила обозначение как метод CFUBMS (closed field unbalanced magnetron sputtering), Сравнительная эффективность исполь­зования CFUBMS систем представлена на рис. 6.29. При этом влияние замкнутой магнитной области на соотно­шение ион/атом становится более явным при увеличении расстояния мишень—подложка.

Рис. 6.29. Зависимость отношения ион/атом от расстояния ми­шень—подложка для различных конфигураций процесса несба­лансированного магнетронного распыления: CFUBMS — распы­ление в замкнутой области; MFUBMS — зеркальная конфигурация; UBMS — несбалансированное магнетронное распыление

высокой коэрцитивной силой, что позволяет повы­сить напряженность магнитного поля на поверхности мишени до 1000 э. Увеличение напряженности магнитного поля по­вышает эффективность ионизации в плазме, что в свою оче­редь приводит к значительному увеличению ионного тока. Этот эффект показан на рис. 6.30, который составлен по дан­ным, представленным Teer Coatings , где сравнивается ионный ток подложки для одиночных сбалансированных и несбалансированных маг­нетронов, CFUBMS-сис- темы на ферритовых маг­нитах и более поздней мо­дернизированной системы CFUBMS на редкоземель­ных магнитах.

Рис. 6.30. Зависимость тока подложки от напряжения смещения для различных конфигураций магнетронного распыления:

1 — CFUBMS-система на магнитах из редкоземельных материалов; 2 — CFUBMS-система на ферритовых магнитах; 3 — UBMS;

4 — сбалансированный магнетрон

В начале 90-х годов был разработан и запатентован ряд промышленных и ис­следовательских многока­тодных CFUBMS-систем. В этих и других ана­логично разработанных си­стемах четное количество расположенных напротив друг друга магнетронов окружает вращающийся подложкодержатель (рис. 6.31). Магнитные системы смежных магнетронов имеют противоположные по­лярности и линии поля замкнуты между ними.

Одним из направлений развития методов магнетронного распыления является ионно-стимулированное формирование пленок с использованием автономных ионных источников (IBAM). Реализация такого процесса позволяет: точно конт­ролировать состав и энергию, а также угол падения бомбар­дирующих частиц на подложку; расширить диапазон энер­гий обрабатывающих ионов от десятков эВ до единиц кэВ, обеспечить режимы ионного ассистирования независимо от режимов MSS (например для предварительной очистки), что позволяет в широких пределах оказывать воздействие на физические параметры пленок, а также допускает высокий уровень контролируемости процесса фазообразования. Одна­ко, для реализации метода IBAM необходимо совместить диапазоны давлений магнетронного распылительного уст­ройства и независимого источника ионов и исключить нега­тивное взаимовлияние разрядов. Перспективным вариантом

представляется использование в процессах IBAM ионного источ­ника с разрядом в скрещенных ЕхН полях (УАС или ТХУ) и MSS или UBM пониженного до уров­ня 10"²—10"¹ Па давления. В этом случае, кроме того, пред­ставляет интерес использование магнитной системы источника ио­нов для создания эффекта несба­лансированности с замкнутой об­ластью CFUBMS. Вариант несба­лансированного магнетрона в со­четании с торцевым холловским ускорителем в режиме замкнутой области представлен на рис. 6.32. В данном случае линии магнитного поля замкнуты между магнетроном и ионным источником, и подложка находится в области высокой плот­ности плазмы. Метод ионно-ассистированного CFUBMS по­зволяет выполнять низкоэнергетическую (порядка 10 эВ) ионную бомбардировку подложки в процессе роста пленок с помощью разряда UBM при одновременной дополнительной ионной бомбардировке ионами с энергией порядка 100 эВ

(используя ТХУ) или энергий порядка 1000 эВ (используя ионный источник на основе УАС).

Рис. 6.32. Метод ионноассистированного несбалансиро­ванного магнетронного распыления с замкнутой областью (ионноассистированное CFUBMS) [198]

Повышенный интерес вызывает также использование явле­ния самораспыления в MSS. Имеются три причины, предо­пределившие интенсивное развитие данного метода: увели­чение скорости осаждения пленок, ионизация распыленного материала и отсутствие инертного газа. Последние два фактора влияют на механизм роста пленок и увеличивают химичес­кую активность при формировании компонентных слоев.

Среди других тенденций использования методов магнетронного распыления, хотелось бы выделить объединение магнетронного распыления поверхности в так называемые дуп­лексные процессы создания покрытий (это название может относиться к любым процессам, в которых комбинируется два метода получения покрытий). Типичным примером яв­ляется плазменное азотирование низколегированной стали с последующим покрытием износостойким материалом, например нитридом титана (TiN). Упрочненный азотированный слой обеспечивает плавное увеличение твердости к поверх­ности изделия, и обеспечивает лучшую адгезию покрытия. Результирующий комбинированный слой имеет высокую из­носостойкость и хорошую усталостную прочность.

К перспективным областям использования методов магнетронного распыления относятся процессы формирования многослойных покрытий и компонентных слоев реактивны­ми методами, включая оксиды, нитриды и карбиды, для по­лучения в том числе твердых, износостойких покрытий, по­крытий с низкими фрикционными свойствами, антикорро­зионных, декоративных покрытий, а также покрытий со спе­цифическими оптическими или электрическими свойствами.