Axial distribution of ion mass-to-charge state in magnetron discharge plasma.pdf Введение Магнетронное осаждение является на сегодняшний день одним из базовых методов в мире по созданию тонких пленок высокого качества [1-3]. Известно, что в процессе магнетронного осаждения параметры плазмы в области расположения подложки и соответственно потока заряженных частиц оказывают существенное влияние на характеристики осаждаемой пленки. Так, например, ионное ассистирование в процессе осаждения потока нейтральных атомов материала мишени на подложку приводит к структурным и фазовым превращениям, изменению адгезии, электрических, оптических и других свойств пленок [4-7]. С увеличением расстояния от мишени магнетрона величина плотности ионного тока из плазмы на подложку снижается [8, 9]. Это связано с тем, что даже при минимальном рабочем давлении магнетронного разряда на уровне единиц милиторр расстояние до подложки в несколько раз превышает характерные длины свободного пробега частиц [10]. Очевидно, что при этом происходит трансформация и масс-зарядового состава плазмы. Ранее для магнетронного разряда с инжекцией электронов было показано, что в непрерывном режиме на расстоянии 15 см от мишени при токе разряда менее 1 А в плазме преобладают ионы аргона [11]. При этом долевое отношение смещается в сторону ионов меди при увеличении рабочего давления и величины тока разряда. В данной работе проведены исследования масс-зарядового состава плазмы планарного магнетронного разряда в непрерывном режиме вдоль оси разрядной системы, что дает более детальное представление о параметрах плазмы при расположении подложки на различном расстоянии от магнетрона. Описание эксперимента Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. В эксперименте использовался классический планарный магнетронный разряд. Медная мишень имела диаметр 50 мм и толщину 3 мм. Магнитное поле обеспечивалось NdFeB-магнитами с величиной магнитной индукции 50 мТл на поверхности мишени в центре магнитной арки. Питание разряда обеспечивалось от стабилизированного источника питания I, имеющего функцию дугогашения. Разрядная система магнетрона была изолирована от заземленной вакуумной камеры. Напуск рабочего газа (аргона) величиной 20 см3/мин осуществлялся непосредственно к мишени магнетрона. Расход газа контролировался посредством регулятора расхода газа РРГ-3.6. Вакуумная камера была выполнена из нержавеющей стали и откачивалась турбомолекулярным насосом со скоростью откачки 500 л/мин. Измерения масс-зарядового состава плазмы магнетронного разряда осуществлялись с использованием модернизированного квадрупольного масс-спектрометра RGA-100 [12]. В модернизированном спектрометре стандартный узел ионизатора был заменен на входную диафрагму с диаметром апертуры 1.5 мм. Квадрупольный масс-спектрометр устанавливался на противоположном от магнетрона торце вакуумной камеры соосно с ним. Область пространства дрейфа частиц в квадрупольном масс-спектрометре откачивалась турбомолекулярным насосом со скоростью откачки 110 л/с, обеспечивающим давление не хуже 10-5 Торр. Без использования дифференциальной откачки в области типичных значений рабочего давления планарного магнетрона (2-4 мТорр) заряженные частицы, по мере прохождения квадруполя, испытывали значительное рассеяние, в результате чего уровень сигнала снижался на 1-2 порядка величины. Увеличение диаметра входной диафрагмы позволяет увеличить амплитуду сигнала, но при этом значительно ухудшается разрешающая способность спектрометра. Поскольку в разряде присутствуют как ионы воды (18 а.е.м.), так и двухзарядные ионы аргона (20 а.е.м.), снижение разрешающей способности спектрометра недопустимо. Поскольку токоприемник спектрометра конструктивно находится под потенциалом корпуса («земли»), для ускорения положительных ионов в спектрометр потенциал плазмы смещался относительно заземленных стенок камеры. В предположении, что потенциал плазмы приблизительно соответствует потенциалу анода магнетронного разряда, для этой цели анод магнетрона соединялся с положительным выводом источника питания II (рис. 1). Эксперименты показали, что оптимальное значение ускоряющего потенциала составляет 40-50 В. Снижение величины ускоряющего потенциала приводит к резкому уменьшению амплитуды сигнала спектрометра. Превышение потенциала уровня 60 В снижает разрешающую способность спектрометра за счет увеличения ширины пиков на полувысоте. На рис. 2 представлен типичный масс-зарядовый спектр плазмы магнетронного разряда. Поскольку никаких специальных мер не предпринималось, в плазме помимо ионов рабочих материалов (аргона и меди) присутствуют пики, соответствующие молекулярным ионам воды и азота (18 и 28 а.е.м. соответственно). Практически во всех рабочих режимах наблюдался стабильный пик двухзарядных ионов аргона. Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - подвижный магнетрон; 2 - уплотнение Вильсона; 3 - смотровое окно; 4 - квадрупольный масс-спектрометр. Источники питания: I - магнетронного разряда; II - ускоряющего напряжения Рис. 2. Масс-зарядовый спектр плазмы магнетронного разряда с медной мишенью: I = = 300 мА, р = 1.5∙10-3 Торр Результаты экспериментов На рис. 3 представлены результаты долевого отношения ионов аргона и меди в аксиальном направлении для четырех значений разрядного тока. Результаты измерений показывают, что на расстоянии от 15 до 30 см от мишени магнетрона в плазме в долевом отношении доминируют ионы аргона. Экстраполируя полученные графики в область меньших значений расстояния, можно сделать заключение, что вблизи мишени магнетрона ионы аргона будут преобладающими независимо от тока разряда. С увеличением расстояния при фиксированном рабочем давлении и величине тока разряда процентное содержание ионов аргона снижается, при этом заметно быстрее, чем меди. С увеличением тока разряда для фиксированного расстояния и рабочего давления процентное содержание ионов меди в плазме растет. Так, при токе разряда 100 мА (рис. 3, а) на расстоянии 30 см доля ионов меди составляет порядка 30 %. Увеличение тока разряда до 500 мА (рис. 3, г) приводит к увеличению доли ионов меди до 80 %. Аналогичные результаты по увеличению доли ионов меди с ростом тока разряда для импульсной формы было получено ранее [11]. Дальнейшее увеличение тока разряда в непрерывном режиме было ограничено теплоотводом магнетрона и интенсивным запылением входной диафрагмы спектрометра при минимальных расстояниях до спектрометра. На максимальном расстоянии, равном 45 см от входной диафрагмы спектрометра, при токе разряда 500 мА доля ионов аргона не превышает нескольких единиц процентов. Рис. 3. Аксиальное распределение масс-зарядового состава плазмы магнетрона: а - Iр = 100 мА; б - Iр = 200 мА; в - Iр = 300 мА; г - Iр = 500 мА; р =1.5∙10-3 Торр С увеличением рабочего давления помимо общего снижения уровня сигнала приблизительно на порядок величины, в результате уменьшения длины свободного пробега заряженных частиц в вакуумной камере, происходит снижение процентного содержания ионов аргона в долевом отношении частиц в плазме, обусловленное уменьшением температуры плазменных электронов и существенной разницей в уровне потенциала ионизации аргона (Ei = 15.7 эВ) и меди (Ei = 7.7 эВ) [13]. Аналогичные характерные зависимости были получены ранее для магнетронного разряда с плоской мишенью из чистого бора (Ei = 8.3 эВ) в атмосфере аргона [14] и криптона (Ei = 14.1 эВ) [15] с использованием времяпролетной диагностики плазмы.

Скачать электронную версию публикации