Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы получения потоков атомов металла, ионных пучков и пучков быстрых нейтральных молекул 11
1.1. Получение атомарных потоков осаждаемого материала в вакууме 11
1.2. Очистка и активация поверхностей и повышение подвижности атомов в процессе осаждения покрытия 20
1.3. Ионные источники для сопровождения процесса осаждения покрытий 23
1.4. Источники быстрых нейтральных атомов и молекул 34
1.5. Источники совмещенных потоков атомов металла и быстрых моле-
Глава 2. Получение смешанного потока атомов металла и быстрых мо -
2.1. Описание экспериментальной установки и методики измерений
2.2. Изучение разрядных характеристик источника смешанного потока, скорости осаждения и адгезии тонких пленок на диэлектрических под -
2.3. Повышение однородности толщины осаждаемых покрытий путем прерывания потока атомов металла через центр эмиссионной сетки 51
2.4. Зависимость скорости осаждения пленки от энергии бомбардирующих ее атомов аргона и интервала между импульсными пучками быст -
Глава 3. Методы повышения плотности потока атомов металла . 59
3.1. Описание экспериментальной модели источника и методик измерений . 60
3.2. Изучение параметров плазменного эмиттера источника и формируемых потоков атомов металла и быстрых молекул газа . 61
3.3. Исследование влияния неоднородного магнитного поля на долю распыляющих мишень ионов 67
3.4. Изучение влияния сопротивления резистора обратной связи на энергию быстрых молекул газа 71
3.5. Выводы 75
Глава 4. Источник с распыляемой на дне полого катода мишенью для синтеза покрытий на диэлектрических изделиях 77
4.1. Влияние конфигурации магнитного поля на разряд, распределение концентрации его плазмы и скорости распыления мишени 77
4.2. Применение источника с распыляемой в неоднородном магнитном поле мишенью для синтеза покрытий на диэлектрических подложках . 91
4.3. Выводы 100
Заключение . 103
Список литературы
- Очистка и активация поверхностей и повышение подвижности атомов в процессе осаждения покрытия
- Изучение разрядных характеристик источника смешанного потока, скорости осаждения и адгезии тонких пленок на диэлектрических под
- Зависимость скорости осаждения пленки от энергии бомбардирующих ее атомов аргона и интервала между импульсными пучками быст
- Изучение влияния сопротивления резистора обратной связи на энергию быстрых молекул газа
Очистка и активация поверхностей и повышение подвижности атомов в процессе осаждения покрытия
Потоки атомов, осаждаемых на изделия в вакуумных камерах, получают магнетронным распылением изготовленных из необходимых материалов мишеней [1] или их испарением катодными пятнами вакуумной дуги [2] и электронным пучком [3, 4], а также в результате распыления мишеней ионными пучками.
На рисунке 1.1 представлена схема электронно-лучевого испарения. Осаждаемый материал 1 находится, как правило, в жидком состоянии в тигле 2, который устанавливают на дне рабочей вакуумной камеры, а обрабатываемую под ложку 3 располагают над ним.
Металлический пар 4 поднимается наверх в направлении подложки 3 и осаждается на ее поверхности, образуя покрытие 5. Термоэмиссионный катод 6 и система фокусировки 7 электронной пушки также устанавливаются на дне вакуумной камеры вблизи тигля. При этом луч 8 при помощи магнитной системы, состоящей из полюсного наконечника 9 и электромагнита 10, направляют на поверхность испаряемого материала 1 в тигле 2. Перемещение электронного луча 8 осуществляется изменением напряженности магнитного поля. Но так как температура испаряемого металла 1 в зоне луча 8 превышает температуру плавления тигля 2, то тигель не нагревают, а наоборот, охлаждают проточной водой.
Чем выше температура плавления осаждаемого материала, тем сложнее получать его пар. В то же время, скорость распыления ионами тугоплавких материалов, лишь незначительно отличается от скорости распыления материалов, имеющих низкую температуру плавления [5]. На основе этого был предложен способ осаждения покрытий, где мишень распыляется ионами в аномальном тлеющем разряде низкого давления, схема которого представлена на рисунке 1.2.
Являющаяся катодом разряда мишень 1, распыляется ионами 2, образованными в плазме 3 и ускоренными в катодном слое 4 тлеющего разряда. В результате столкновений ионов 2 с поверхностью мишени 1 образуются электроны 5, ко 13 торые необходимы для поддержания разряда, и распыленные атомы 6, осаждаемые на поверхности изделия 7, расположенного на аноде разряда 8.
Известно, скорость осаждения материала пропорциональна скорости v (м/с) распыления мишени где Y - коэффициент распыления, зависящий от вида ионов, их энергии и материала мишени, j - плотность ионного тока на мишени, е - элементарный заряд, М - масса атома материала мишени, ар- его плотность.
Например, при распылении, алюминиевой мишени ионами аргона, скорость осаждения покрытия 2 мкм/час достигается при достаточно высокой плотности тока на катоде j 10 А/м 2. По этой причине мишень распыляют в аномальном тлеющем разряде с падением потенциала на катоде Uк 2-5 кВ.
Для поддержания разряда с указанными параметрами Uк и j необходимо давление р аргона в вакуумной камере не менее 4 Па. При таком давлении длина их свободного пробега примерно равна 2,5 мм, что в 20 раз меньше расстояния 5 см между распыляемой мишенью 1 и подложкой 7. При/? 4 Па плотность потока атомов металла на поверхность подложки снижается, так как часть его осаждается на стенки камеры, а также обратно на мишень 1.
При этом адгезия покрытия к подложке так же снижается при таком высоком давлении. Отсюда следует, что нанесение качественных покрытий с помощью аномального тлеющего разряда может быть осуществлено лишь в узком диапазоне давления рабочего газа, из-за чего к системе стабилизации давления газа в разрядном устройстве предъявляют жесткие требования.
Для получения более высокой, чем в аномальном тлеющем разряде скорости распыления мишени необходимо, во-первых, снизить давление рабочего газа в разряде, во-вторых, увеличить плотность тока на катоде и, в-третьих, уменьшить катодное падение потенциала. Это представляется возможным при наложении магнитного поля, нормального по отношению к направлению движения элек 14
тронов [6-12]. В результате возрастает длина пути электронов от катода к аноду, и на него электроны попадают после того, как израсходуют всю энергию. Тлеющий разряд в магнитном поле называется магнетронным, а источники металлического пара на его основе – магнетронами.
На рисунке 1.3 изображена принципиальная схема аксиально симметричного разрядного устройства с дисковой катодной мишенью 1, и постоянным магнитом 2, создающим арочное магнитное поле, образующее магнитную ловушку вблизи поверхности катода.
Эмитированные катодом электроны могут выбраться из этой ловушки только после многократных осцилляций в ней и столкновений с молекулами рабочего газа. При подаче напряжения на промежуток между катодом 1 и анодом 3 от источника питания 4 и давлении аргона 0,1–1 Па зажигается разряд с катодным падением в несколько сотен вольт. В зоне арочного магнитного поля появляется яркое кольцо плотной плазмы 5, а остальное пространство заполняется плазмой 6 низкой концентрации. В результате неоднородного радиального распределения концентрации плазмы у поверхности катода, ширина катодного слоя 7 объемного заряда также неоднородна, и достигает минимального значения 1 мм в области арочного поля [13].
Рассматриваемый способ можно использовать и для распыления диэлектрических материалов. Для этого необходимо закрепить тонкую плоскую диэлектрическую мишень на поверхности металлического катода 1 магнетронной распылительной системы и подавать на него переменное высокочастотное напряжение.
Метод магнетронного распыления имеет существенный недостаток, а именно, низкий коэффициент использования материала мишени [14]. Повысить его можно, если контур плотной плазмы перемещать по поверхности мишени, для чего применяют подвижные магниты.
Наиболее широкое распространение на данный момент получил метод вакуумно-дугового испарения мишени. Он впервые был использован для нанесения покрытий в 1884 году Т.А. Эдисоном, получившим в 1894 году на этот метод патент США [15]. Через плазму на поверхности мишени протекает ток порядка 100 А, при этом плотность мощности, выделяющейся на поверхности мишени, составляет 1013 Вт/м 2 и соответствует температуре полной ионизации материала. В работе А. Андерса [16] приведены данные о распределении ионов по кратности ионизации для всех электропроводящих материалов. Кратность ионизации элементов в каждой отдельной группе и в каждом периоде таблицы Менделеева повышается с ростом их порядковых номеров.
Получение пара с высокой степенью ионизации и высокой кинетической энергией эмитируемых ионов до 0,1 кэВ является одним из отличий дугового метода испарения мишени катодными пятнами вакуумной дуги. В еще одной работе А. Андерса [17] приведены данные об энергиях ионов различных материалов мишени.
Из-за высокого давления пара металла в пятне с поверхности мишени за 5-40 нс выбрасывается струя металлической плазмы. Если на поверхности рядом с местом выброса плазмы имеется стимулятор дуги, например, диэлектрическое включение или острый выступ, то происходит пробой и выбрасывается очередная струя плазмы, и так далее. Постоянный ток дуги является ничем иным, как непрерывной последовательностью коротких импульсов тока элементарных плазменных струй [18] амплитудой 20–40 А, при превышении которой на поверхности мишени образуются несколько катодных пятен вакуумной дуги. На рисунке 1.4 представлена схема такого пятна [19].
Изучение разрядных характеристик источника смешанного потока, скорости осаждения и адгезии тонких пленок на диэлектрических под
Чтобы получить качественные покрытия в процессе вакуумного осаждения необходимо предварительно произвести очистку поверхности от загрязнений и активировать её, а также в процессе осаждения обеспечить высокую подвижность атомов в поверхностных слоях.
Как правило обрабатываемые изделия сначала моют в ультразвуковой ванной при атмосферном давлении, а потом нагревают в вакуумной камере до 400– 500 С и очищают бомбардировкой ионами.
При ионной очистке на поверхности изделия образуются также дефекты структуры, которые при последующем осаждении покрытия являются центрами его конденсации [22]. Чем больше плотность вакансий (отсутствующих атомов кристаллической решетки на поверхности), тем выше адгезия покрытия к изделию. Поэтому образование поверхностных дефектов при ионной бомбардировке изделия называют активацией поверхности.
Ионная бомбардировка используется также и для поддержания высокой подвижности поверхностных атомов в процессе осаждения покрытия. В работах Д. Амано и Р. Лоусона представлены зависимости плотности покрытия от энергии ионов [22, 24]. Были произведены измерения плотности покрытий при осаждении на подложку в вакууме ионов свинца и магния. Они показали, что с увеличением энергии ионов растет и плотность покрытия. Однако при превышении определенных значений энергии ионов плотности покрытий снова снижаются. От энергии ионов зависит также и твердость покрытий [25,26].
Если в процессе осаждения на подложку медленных атомов металла бомбардировать её поверхность ускоренными ионами газа, то отношение плотностей потоков медленных и быстрых частиц так же будет оказывать влияние на плотность и микротвердость покрытия [27]. Когда энергия ионов аргона постоянна и составляет 100 эВ, а отношение плотностей потоков ионов аргона и атомов алюминия возрастает от 0 до 0,2, плотность алюминиевых покрытий увеличивается от 1500 кг/м3 до 2000 кг/м3. Но с дальнейшим увеличением отношения плотностей частиц аргона и алюминия или энергии ионов плотность осаждаемого покрытия снижается.
Из приведенных данных следует, что для получения покрытия с заданными значениями плотности и микротвердости, процесс осаждения необходимо сопровождать ионами с определенной энергией. Следовательно, для точного управления параметрами покрытия необходимы источники моноэнергетических ионов. При этом, изменения плотности тока и энергии ассистирующих ионов позволяют регулировать микротвердость и плотность покрытия, а также изменять его структуру и в широком диапазоне регулировать значения остаточных напряжений [28,29].
При превышении порогового значения напряжения растяжения или сжатия покрытие разрушается и в первую очередь это связано с адгезией покрытия [31]. Для ее улучшения подложку предварительно обрабатывают ионным пучком. Например, если в процессе осаждения на подложке из стали нитридного покрытия бомбардировать его ионами азота с энергией 30 кэВ, то увеличивается ширина интерфейса от 0,01 мкм до 0,05 мкм [30]. Бомбардировка ионами с большей энергией увеличивает ширину интерфейса и после осаждения пленок[32, 33].
В первом варианте подложка размером 2030 мм2 и толщиной 2 мм была установлена на расстоянии 100 мм от мишени и на нее подавалось постоянное отрицательное напряжение смещения 100 – 200 В. Далее на подложку при температуре 330 оС осаждалось покрытие TiN толщиной до 5 мкм с микротвердостью до 2700HV0,04. Между подложкой и покрытием из нитрида титана виден переходный титановый слой толщиной 1 мкм (рис. 1.8а)
Во втором случае на подложку подавались импульсы отрицательного напряжения длительностью 20 мкс и амплитудой в 30–50 кэВ с частотой 25 Гц. В итоге на подложку осаждалось темное покрытие состава Ti2N (рис. 1.8б) толщиной до 15 мкм и микротвердостью до 5500HV0,04 [34]. Как видно, переходный слой между подложкой и покрытием отсутствует, вместо него имеется интерфейс с монотонным снижением значений концентраций железа, углерода и ростом концентраций титана и азота. Результаты работы [35] демонстрируют возможности осаждения покрытий из диэлектрических материалов с сопровождением ионами высокой энергии. Было показано, что в процессе осаждения кремния с сопровождением ионами азота с энергией 40 кэВ в течение 60 мин на подложку из никеля, на ней синтезируется диэлектрическая пленка из нитрида кремния толщиной 0,5 мкм, микротвердостью 980HV0,02 и коэффициентом трения по стали 0,1– 0,15.
Чтобы в процессе осаждения на проводящие подложки покрытия из токо-проводящего материала бомбардировать его ионами, достаточно погрузить обрабатываемые изделия в плотную плазму, в которой содержатся все элементы необходимые для синтеза покрытия. Далее необходимо подать на изделия ускоряющее ионы напряжение. Этот метод называется иммерсионным и довольно широко применяется в промышленности на установках для упрочнения поверхности.
Существенными недостатками этого метода являются невозможность осаждать покрытия на диэлектрические изделия, синтезировать покрытия из диэлектрических материалов и резкая неоднородность распределения ионного тока по поверхности обрабатываемого изделия, имеющего сложную геометрическую форму с острыми выступами и глубокими пазами. Даже при погружении в однородную плазму такого изделия плотность ионного тока j на его острых выступах будет на порядок выше, а в углублениях на порядок ниже, чем средняя плотность тока jo (рис. 1.9) [36]. Предварительная иммерсионная очистка с высокой интенсивностью распыления ионами аргона острых кромок приводит к затуплению режущего инструмента, в результате чего последующее осаждение твердого износостойкого покрытия не увеличивает срок службы инструмента. В то же время при низкой плотности тока не обеспечивается необходимая адгезия и срок службы покрытий в канавках инструмента весьма недолгий.
Зависимость скорости осаждения пленки от энергии бомбардирующих ее атомов аргона и интервала между импульсными пучками быст
Чтобы оценить увеличение скорости осаждения покрытий после установки на дне полого катода мишени 1 и подачи на нее высокого напряжения отрицательной полярности, и мишень 1, и сетка 11 были изготовлены из того же материала, что в описанных в предыдущей главе экспериментах – из меди, а стенки полого катода также были покрыты медной фольгой. На рисунке 3.2 представлены фотографии медной мишени на дне полого катода источника до проведения экспериментов (а) и после ее распыления в течение 4 часов ионами аргона с энергией 3 кэВ при токе в ее цепи 0,25 А.
При давлении аргона 0,2 Па и напряжении Uк = 400 В между анодом и полым катодом с площадью поверхности Sк 0,14 м2 ток в цепи последнего Iк = 1 А. Ток в цепи эквипотенциальной с катодом мишени площадью Sм 0,02 м2 равен Iм = 0,16 А, а сумма токов в цепях камеры Iкам = 0,08 А и сетки Iс = 0,16 А, площадь которой Sс 0,03 м2 в 1,5 раза больше Sм, так же в 1,5 раза больше Iм. Приведен ные цифры свидетельствуют о том, что при равных потенциалах катода и мишени плотности ионных токов из плазмы и в направлении сетки, и на мишень равны 8 А/м2, а средняя плотность тока ионов на катоде 7 А/м2 немного меньше.
Медная мишень на дне полого Рисунок 3.2б. Полый катод, стержневой анод катода до начала экспериментов и мишень после ее распыления в течение 4 ча сов ионами аргона с энергией 3 кэВ
Ток в цепи камеры Iкам = 0,08 А через резистор с сопротивлением R = 2 кОм индуцирует разность потенциалов между камерой и сеткой с = 160 В, запираю 63
щую ток электронов из камеры 17 в плазменный эмиттер ионов 10. В этом случае эквивалентный ток пучка быстрых молекул 15 равен Iп = (Iс + Iкам) = 0,2 А, где = 0,8 – геометрическая прозрачность сетки [91]. Повышение напряжения между анодом и мишенью до 3 кВ приводит к увеличению в 7,5 раза энергии ионов 9, ускоряемых в слое положительного объемного заряда между эмиттером 10 и мишенью 1, и скорость распыления ими мишени 1 существенно возрастает. Распыленные атомы 22 через отверстия сетки 11 поступают в камеру 17 и осаждаются на расположенных внутри нее подложках 16. При том же токе в цепи катода Iк = 1 А ток в цепи мишени увеличивается за счет вторичной электронной эмиссии до Iм 0,3 А.
При измерении скорости осаждения медных покрытий использовались подложки из поликора размером 4860 мм2 (рис. 2.7б). Каждую из них в течение 10 минут бомбардировали атомами аргона с энергией 1 кэВ при давлении p = 0,2 Па, токе в цепи катода Iк = 1 A и напряжениях между анодом и катодом, а также между анодом и мишенью Uк = Uм = 400 В. Затем ускоряющее напряжение Uс между анодом и сеткой уменьшали до 500 В, с помощью источника питания 23 понижали ускоряющую ионы 13 разность потенциалов между анодом 7 и камерой 17 до 100–300 В, увеличивали напряжение между анодом и мишенью до 3 кВ и в течение 1–2 часов осаждали покрытия. Толщина осажденных покрытий измерялась с помощью прибора FISCHERSCOPE X-RAY XUL для рентгеновского анализа материалов и измерения толщины покрытий.
На рисунке 3.3 представлены зависимости от расстояния до края поликоровой подложки толщины пленки, осажденной в отсутствие на сетке представленного на рисунке 2.6 диска (кривая 1) и после его установки (кривые 2 и 3).
Во всех трех случаях пленки осаждались в течение двух часов при расстоянии от подложки до сетки x = 150 мм, токе в цепи катода Iк = 1 А, энергии распыляющих мишень ионов аргона 3 кэВ и токе в ее цепи Iм = 0,3 А. Энергия быстрых атомов, бомбардирующих осаждаемое покрытие, для кривых 1 и 2 равнялась 130 эВ, а для кривой 3 составляла 300 эВ. Установленный на сетке диск не пропускает на подложку часть распыленных атомов мишени и снижает максимальную толщину осаждаемой на ней пленки от 4,3 мкм (кривая 1) до 3,1 мкм. Увеличение энергии бомбардирующих осаждаемое покрытие атомов от 130 до 300 эВ дополнительно снижает от 3 до 2,6 мкм (3). Отклонения от средней величины не превышают в пределах каждой подложки ± 2%.
Распределения по длине l подложек из поликора толщины медных пленок, осажденных в отсутствие на сетке дискового экрана (кривая 1) и после его установки (кривые 2 и 3) при энергии атомов аргона 130 эВ (кривые 1 и 2) и 300 эВ (кривая 3) Если при токе 1,5 А в цепи эквипотенциальных мишени и катода, распыляемых ионами аргона с энергией 850 эВ максимальная толщина медной пленки, осажденной за 2 часа при наличии диска в центре сетки (рис. 2.6), составила 500 нм (кривая 3 на рис 2.5), то при токе в цепи катода 1 А, напряжении на нем 400 В и напряжении на мишени 3 кВ толщина пленки достигла 3000 нм (кривая 2 на рис. 3.3), что в 6 раз больше.
Так как концентрация плазмы и плотность тока ионов, влетающих в камеру через эмиссионную сетку источника, пропорциональны току в цепи катода, можно говорить о девятикратном увеличении отношения плотности потока через сетку атомов металла к плотности потока быстрых атомов аргона. Следствием увеличения этого отношения является более слабая зависимость толщины покрытия от энергии бомбардирующих его атомов аргона. Если в отсутствие интенсивно распыляемой мишени увеличение их энергии от 130 до 300 эВ приводит к уменьшению толщины покрытия ровно в 2 раза (рис. 2.11), то при наличии мишени на дне полого катода толщина покрытия снижается всего на 16% от 3100 до 2600 нм. Увеличение на порядок скорости осаждения медных покрытий вследствие установки на дне полого катода мишени не повлияло на их высокую адгезию к подложкам из стекла и поликора. Однако было обнаружено, что с увеличением толщины покрытий изменяется их структура. Если при толщине менее 500 нм осаждаются зеркальные покрытия, то при толщине более 1 мкм покрытие становится матовым. Микрофотографии на рисунке 3.4 поверхности позволяют объяснить это формированием зернистой структуры покрытий с увеличением их толщины.
Изучение влияния сопротивления резистора обратной связи на энергию быстрых молекул газа
Цена ионизации аргона W = 26 эВ, и при давлении р = 0,2 Па, комнатной температуре и катодном падении потенциала, которое для оценок можно принять равным Uк = 390 В, ионизационный пробег эмитированных катодом электронов в аргоне AN = 0,75 м [74], а длина релаксации их энергии Л = (390/26)х0,75 11 м в сто раз превышает глубину полого катода. При прохождении внутри катода пути Л они около сотни раз отражаются от разных участков его поверхности обратно в плазму, успевают побывать во всех его частях и поэтому распределены внутри него достаточно однородно и изотропно.
Интенсивность ионизации газа этими электронами распределена также однородно, однако из-за диффузии ионов из центральной области плазмы в катодный слой их концентрация максимальна в центре катода и снижается вблизи его поверхности на десятки процентов [78]. Из-за этого средняя плотность тока ионов на поверхности полого катода, диаметр которого превышает его глубину почти в 3 раза (рис. 3.1), немного меньше чем на сетке и на мишени.
До попадания на анод быстрые электроны проходят в среднем путь L = 4V/Sa, (4.2) где V - объем пространства, ограниченного катодом, эмиссионной сеткой и мишенью, а Sa - площадь поверхности анода. При Л L разрядное напряжение Uc не зависит от давления р и лишь увеличивается с ростом тока до предельной величины W/ey, где у - коэффициент ионно-электронной эмиссии. При Л L быстрые электроны не успевают израсходовать свою энергию на ионизацию и возбуждение газа, и ее остаток идет на нагрев анода. В этом случае поддерживать разрядный ток можно лишь за счет увеличения вклада в ионизацию газа быстрых электронов, образованных в катодном слое. Для этого нужно увеличить долю объема катода, занимаемую слоем, повысив катодное падение потенциала Uс, а в соответствии с законом Чайлда - Ленгмюра и ширину слоя. Поэтому при Л L и постоянном токе разряда его катодное падение Uк с уменьшением давленияр возрастает. В нашем случае V = 5,3х10 – 3 м 3, Sa = 1,6х10 – 3 м 2 и длина Л 11 м релаксации энергии 390 эВ при давлении аргона/? = 0,2 Па и комнатной температуре меньше длины пути электронов L = 4х5,3/1,6 13 м. Однако из-за нагрева полого катода в разряде плотность газа п0 внутри него снижается, а давление р0, при котором Л = L и с дальнейшим уменьшением р начинается рост Uк, повышается до 0,4 Па.
При напряжении между катодом и мишенью U = 0 поле магнита диаметром 60 мм увеличивает долю тока ионов из плазмы в цепь мишени в 2 раза до 25%. Это связано с изменением траекторий осциллирующих внутри катода быстрых электронов в магнитном поле. На дне катода рядом с мишенью магнитная индукция В не превышает 1 мТл, а на остальной его поверхности она еще на порядок ниже. Здесь ларморовский радиус
Re (м) = (2 т)т /еВ = 3,37х 10 – 6 [ эВ)] 1/2/(Тл), (4.3) эмитированных катодом электронов с энергией 390 эВ превышает размеры катода. Поэтому в большей части объема катодной полости магнитное поле не оказывает на их движение никакого влияния.
Однако при пролете вблизи центра мишени, где магнитная индукция возрастает до десятков мТл, ларморовский радиус уменьшается до миллиметров, и электрон по спиральной траектории, овивающей магнитную линию, направляется на мишень. Он отражается в слое около ее поверхности, затем, вращаясь вокруг той же магнитной линии, возвращается в область слабого поля у катода и снова отражается в катодном слое. При снижении энергии электронов в процессе ионизации газа их ларморовский радиус уменьшается, они начинают захватываться магнитным полем и направляться к центру мишени на еще большем расстоянии от ее поверхности.
Таким образом, при наличии магнитного поля движение эмитированных катодом и образованных в катодном слое быстрых электронов отличается лишь тем, что они вынуждены чаще, чем прежде подлетать к мишени 7 (рис. 3.1) и отражаться в слое около ее поверхности. Анод 7 расположен на расстоянии 70 мм от мишени в области слабого магнитного поля В 1 мТл (рис. 3.6б), не оказывающего влияния на движение электронов. Поэтому напряжение Uк между анодом и катодом начинает повышаться с уменьшением давления при той же его величине р0 0,4 Па, что и без магнитного поля.
Так как концентрация электронов, осциллирующих вдоль магнитных линий, сходящихся на мишени, выше вблизи ее поверхности, чем на расстоянии от нее в области слабого поля, интенсивность ионизации и концентрация плазмы у мишени выше, чем у катода и сетки. Из-за этого средняя плотность ионного тока на мишень в 2 с лишним раза больше, чем на сетку.
Траектории электронов, эмитированных мишенью на расстоянии от ее центра г 30 мм, мало отличаются от траекторий электронов, эмитированных катодом. В сильном магнитном поле возле мишени они летят вдоль его линий (рис. 3.6а). При напряжении 17= 0 между катодом 2 и мишенью 7 (рис. 3.1) небольшая группа электронов, эмитированных в самом центре мишени, подлетает к сетке 11 и отражается в слое между ней и плазмой 10, а остальные подлетают к поверхности полого катода 2 и отражаются в катодном слое.
При напряжении U 0, электроны первой группы начинают безвозвратно вылетать из полого катода 2 через отверстия сетки 77, а остальные бомбардируют катод и с увеличением их энергии eU повышают ток его электронной эмиссии. В результате катодное падение потенциала Uк снижается при U 1,2 кэВ в полтора раза (сплошная кривая на рис. 4.4). Так как с дальнейшим повышением энергии электронов коэффициент вторичной электронной эмиссии уменьшается [95], а доля электронов, покидающих катод через сетку, увеличивается, напряжение Uк снова возрастает.
Путь электронов, эмитированных за пределами центральной зоны мишени, от нее до катода проходит через арочное магнитное поле на периферии мишени, и поэтому его длина может значительно превышать размеры катода. При г = 40 мм нормальная к поверхности мишени составляющая вектора магнитной индукции Вп = 0, а направленная радиально тангенциальная составляющая В = 12 мТл. В этом поле ларморовский радиус Re электрона с энергией 390 эВ примерно равен 6 мм. На расстоянии 6 мм от мишени В = 10 мТл и R 7 мм, поэтому в рассматриваемом диапазоне пространства можно воспользоваться приближением однородного поля. При напряжении U = 0 и токе в цепи мишени 1м = 0,22 А (кривая 1 на рис. 4.2) средняя плотность тока ионов аргона из плазмы j) = 0,22/0,02 = 11 А/м2. Согласно закону Чайлда-Ленгмюра где j І - плотность тока ионов, еиМ- их заряд и масса, 0 - электрическая постоянная, а Uм - напряжение между плазмой и мишенью, ширина слоя между плазмой и мишенью d = 2,5 мм в два с лишним раза меньше Re. В работах [60] и [95] экспериментально доказано, что в этих условиях участок траектории ускоренного в слое и возвращающегося в него после пролета через плазму электрона практически совпадает с ларморовской окружностью, пересекающей поверхность мишени под прямым углом. Поэтому электрон, эмитированный мишенью на расстоянии г = 40 мм от ее центра, ускоряется в слое и отклоняется в азимутальном направлении. Он удаляется от поверхности не более чем на 7 мм, возвращается в слой на расстоянии около 14 мм от места своего появления, замедляется, вновь ускоряется и так движется дальше.
При уменьшении расстояния г от центра мишени до 25 мм обе составляющие вектора магнитной индукции на ее поверхности возрастают до Вп В 18 мТл. Поэтому при г 40 мм среднее расстояние осциллирующего электрона до поверхности мишени уменьшается, а Вп отклоняет его в направлении от центра мишени. При увеличении r до 60 мм B снижается до 4 мТл, осциллирующий здесь электрон удаляется от мишени примерно на 20 мм, а противоположно направленная составляющая поля Bn – 1.5 мТл отклоняет его к центру мишени. Электрон, эмитированный на краю мишени, сразу удаляется от нее в область слабого поля, где ларморовский радиус его траектории превышает глубину полого катода 100 мм, и достаточно быстро долетает до катода.
Арочная конфигурация магнитного поля на периферии мишени (рис. 3.6а) напоминает поле несбалансированного планарного магнетрона [96], в котором для повышения концентрации плазмы у поверхности осаждаемого на подложке покрытия отбирают быстрые электроны из магнитной ловушки, а для этого снижают магнитную индукции в центре мишени. В данной работе магнитная индукция снижается не в центре, а на периферии мишени, причем покидающие магнитную ловушку электроны сразу попадают в электростатическую ловушку полого катода и эмиссионной сетки. С ростом напряжения U между катодом и мишенью энергия и удаление от ее поверхности электронов, азимутально дрейфующих в магнитной ловушке, увеличиваются. Растет и число покидающих магнитную ловушку быстрых электронов, которые бомбардируют полый катод и вносят свой вклад в увеличение тока его электронной эмиссии.
