CC BY
100
УДК 621.793.7:669.24/.29 С. В. Зотов, ассист.,
Н. Н. Трушин, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-18-87, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА МИШЕНЕЙ
ДЛЯ МАГНЕТРОННО-РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Рассмотрены конструкторско-технологические аспекты производства мишеней из чистых тугоплавких металлов для разных типов магнетронно-распылителъных систем.
Ключевые слова: магнетронно-распылителъная система, мишень, анод, металлическое покрытие.
На современном этапе развития электротехнической промышленности возникла необходимость в металлических покрытиях толщиной менее 1 мкм, нанесенных на поверхность из различных материалов (пластмасса, стекло, металл ит. д.). Такие металлические пленки могут быть получены в установках типа "Магнетрон" и аналогичных, где материал - пленку из которого необходимо нанести на требуемую поверхность - используют в качестве расходуемого электрода, называемого мишенью.
Магнетронные системы относятся к системам распыления диодного типа, в которых распыление материала происходит за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа, образующимися в газе аномально тлеющего разряда. Высокая скорость распыления, характерная для этих систем, достигается увеличением плотности ионного тока за счет локализации плазмы у распыляемой поверхности мишени с помощью сильного поперечного магнитного поля.
Основными элементами магнетронной распылительной системы являются катод-мишень, анод и магнитная система. Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы.
При подаче постоянного напряжения между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или отрицательный потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и возбуждает аномальный тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки электроны захватываются магнитным полем, им сообщается слож-
265
ное циклоидальное движение по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Электроны оказываются как бы в ловушке, создаваемой с одной стороны магнитным полем, возвращаемым электроны на катод, а с другой стороны - поверхностью мишени, отталкивающей электроны.
Электроны циркулируют в этой ловушке до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых электрон потеряет полученную от электрического поля энергию. Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадет на анод, используется на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности катода. Что в свою очередь обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки поверхности мишени и значительный рост скорости распыления, а следовательно, и скорости осаждения пленки.
Магнетронная распылительная система может работать в диапазоне давлений от 10 до 1 Па и выше. Важнейшими параметрами, во многом определяющими характер разряда в ней, являются геометрия и величина магнитного поля, индукция которого у поверхности мишени 0,03 - 0,1 Тл.
Конструкции современных магнетронных распылительных систем весьма разнообразны. Наиболее распространённые конструкции описаны в [1].
В настоящее время известно множество конструктивных вариантов магнетронных распылительных систем, но наибольшее распространение в промышленности получили системы с мишенями конической и плоской форм.
Конструкции магнетронных систем должны обеспечивать высокую скорость распыления, минимальное отрицательное воздействие на обрабатываемые структуры, высокий коэффициент использования материала мишени, возможность распыления разнообразных материалов, нанесение пленочных покрытий на большие площади с минимальной неравномерностью по толщине, высокую надежность работы, большой срок службы и другие. Большинство из этих требований удовлетворяется правильным выбором конструкции магнетронной и формы мишени.
Магнитная система, являющаяся одним из конструктивных элементов магнетронной системы, должна формировать у поверхности мишени поле заданной конфигурации и величины с минимальным рассеянием для создания эффективной магнитной ловушки для электронов. Исследования по макетированию магнитных полей позволили выявить наиболее целесообразные варианты конструкции магнитной системы с точки зрения простоты и возможности получения магнитного поля требуемой геометрии и величины [3].
Форма мишени обусловливается видом распыляемого материала и геометрией магнитной системы. Мишень должна обеспечивать высокий коэффициент использования ее материала (что особенно важно, поскольку распыление мишени не равномерно, стоимость мишени высока), хороший электрический и тепловой контакты с водоохлаждаемым держателем, удобство замены, минимальное экранирование магнитного поля.
Следует отметить, что конические мишени не требуют специального крепления, поскольку они самоуплотняются в водоохлаждаемом держателе вследствие их расширения при нагревании, обеспечивая в дальнейшем надежный тепловой и электрический контакты, что особенно важно при распылении легкоплавких материалов. При разработке магнетронных систем с плоскими мишенями наиболее остро встает проблема их охлаждения. Значительные плотности тока на распыляемой поверхности приводят к неравномерному разогреву мишени, что приводит к ее короблению, а в местах плохого контакта с держателем - к ее расплавлению. При этом традиционный метод крепления винтами не эффективен. Больший эффект дает приклеивание мишени к держателю с помощью специальных проводящих клеев, однако наличие локальных областей перегрева при недостаточном охлаждении может вызвать сильное газовыделение и разрушение клеевого слоя. Надежным и эффективным способом крепления мишеней является пайка с помощью припоев на основе олова, индия или их сплавов. В то же время крепление мишеней с помощью клеев и припоев затрудняет замену мишеней, а сами клеи и припои могут влиять на состав газовой среды вакуумного рабочего объема. Поэтому чаще предпочтение отдается тем формам мишени, которые обеспечивают надежный тепловой контакт с водоохлаждаемым держателем и легко снимаются.
В простейшем случае конструкция магнетронных распылительных систем с плоскими мишенями включает магнитный блок, вмонтированный в водоохлаждаемый корпус, являющийся одновременно и держателем мишени. Вокруг корпуса располагается анод в виде цилиндра или медной трубки с проточной водой, установленный по периметру мишени вблизи ее. Анод обычно заземляется. Для более полного устранения бомбардировки подложек вторичными электронами катодный блок окружается заземленным экраном, а по периметру мишени и в центре устанавливаются изолированные аноды, имеющие небольшой (порядка 50 В) положительный потенциал относительно земли. Аноды перекрывают места входа и выхода силовых линий магнитного поля и улавливают рассеиваемые вдоль силовых линий вторичные электроны, оставляя открытой только ту область мишени, где силовые линии параллельны распыляемой поверхности и скорость распыления максимальна. Экранирование слабо распыляемых участков мишени улучшает свойства получаемых пленок. При изготовлении чувствительных к радиационным воздействиям приборов целесообразно
дополнительно улавливать летящие в сторону подложки ионы, которые, например, могут образоваться в результате ионизации распыленных атомов мишени. В этом случае над поверхностью положительного анода устанавливается дополнительный отрицательный электрод.
Другая конструкция магнетронной распылительной системы, использующей мишень специальной формы - четыре составные части из стержней с заданным профилем сечения, расположенных вдоль прямоугольной зоны распыления. Каждая часть крепится к центру и по периметру брусками из магнитного материала, которые являются в данном случае полюсными наконечниками, выводящими силовые линии магнитного поля от полюсов магнитной системы на поверхность мишени. Это позволяет распылять достаточно толстые мишени. [1, 2] После распыления половины материала мишени она переворачивается и производится распыление остальной части, что обеспечивает повышение коэффициента использования материала мишени до 90 %.
В типичной конструкции магнетронной распылительной системы с конической мишенью магнитная система с держателем и мишенью помещается в заземленный корпус, который играет роль дополнительного анода. Основной анод располагается в центре, и на него может быть подано положительное смещение. Недостатком такой магнетронной системы является сложность изготовления магнитной системы, обеспечивающей фокусировку силовых линий магнитного поля между полюсными наконечниками. Обычно наблюдаются искажение и рассеяние силовых линий у верхнего внешнего полюсного наконечника, что затрудняет локализацию плазмы в центральной наиболее толстой части мишени.
Положительного результата можно достигнуть, используя дополнительную магнитную систему, расположенную над верхним полюсным наконечником непосредственно под дополнительным анодом.
С коэффициентом использования распыляемого материала тесно связана проблема равномерности распыления мишени. Выше были показаны пути повышения коэффициента использования распыляемого материала выбором мишени определенной геометрии. Однако существует еще один путь - применение сканирующего магнитного поля. Существуют два способа перемещения магнитного поля по поверхности мишени: электромагнитный и механический.
В первом случае вокруг мишени устанавливают электромагнит, который создает дополнительное переменное магнитное поле, перпендикулярное поверхности мишени.
Использование дополнительного переменного поля производит деформацию основного поля: вершина арки начинает смещаться от средней линии, в результате чего происходит симметричное смещение зоны максимальной эрозии, и профиль распыления становится почти прямоугольным.
Равномерность распыления мишени можно значительно увеличить, используя многоячеистую электромагнитную систему, питающуюся от сети переменного тока.
Основные области применения этого метода получения покрытий -дисплеи телевизоров, сотовых телефонов, компьютеров. При этом на стекло наносят поочередно пленки различных материалов Сг, А1, Мо, 7г, Т^ Si и их соединений, оксидов металлов ит. д. и при электромагнитном возбуждении ячейки определенного металла возникает соответствующий цвет на экране; покрытия на СБ и БУБ дисках, светоотражательное стекло на зданиях; антикоррозионные, износостойкие покрытия на изделиях; декоративные покрытия ит. д.
Изготовить мишень из пластичного материала не представляет особого труда, но при механической обработке таких материалов, как чистый металл (Сг, ', Т^ А1 и др.) возникает много технологических проблем, которые связаны в первую очередь со свойствами самого материала.
Например, хром и вольфрам имеют высокую твердость, но очень хрупкие; кроме этого, механическая обработка таких металлов напрямую зависит от структурного и энергетического состояния самого материала.
Перечисленные металлы относятся к группе тугоплавких, поэтому процесс производства заготовок из них связан с высокими температурами и достаточно сложный, что в свою очередь затрудняет получение стабильных характеристик материала. Поэтому технологический процесс обработки заготовок может носить общий характер, а конкретные режимы, зачастую приходится подбирать или уточнять к каждой партии заготовок после анализа микроструктуры и механических испытаний.
Тонкие пленки из хрома применяются при производстве жестких магнитных дисков устройств внешней памяти компьютеров в качестве защитного слоя магнитной памяти, в интегральных микросхемах, фотомасках, жидкокристаллических дисплеях, используются при производстве зеркал, архитектурных стекол, в оптике, бижутерии, в качестве покрытий на лезвия бритв и в других целях.
Изделия из хрома и вольфрама чистотой не менее 3К получают методами порошковой металлургии. Основные способы получения заготовок из хрома следующие:
1. Прессование порошка хрома, спекание заготовки, капсулирова-ние в стальную оболочку (для защиты от окисления при нагреве перед деформацией) деформация на стане или молоте, механическая обработка.
2. Засыпка порошка в капсулу, вакуумирование и заварка капсулы, уплотнение в "газостате" (пресс с рабочей атмосферой - аргон) при высоком давлении и температуре.
При разных способах производства получаю заготовки разной формы, размеров и структуры материала, что требует соответственно и разных процессов механической обработки.
После первого способа, как правило, под каждое изделие отдельная заготовка - плоская или круглая массой ~ от 1 до 40кг. Их механическая обработка включает следующие операции: обрезка заготовок по контуру на отрезных станках, снятие материала оболочки и промежуточного слоя интерметаллида (СгБе) на фрезерных станках, фрезерование в размер, доводка на плоскошлифовальных станках до нужных допусков и чистоты поверхности.
Основной вид брака при механической обработке - трещины и сколы на изделиях и раковины на поверхности.
Причину появления трещин зачастую трудно квалифицировать однозначно, так как это может быть как дефект деформации, скрытый материалом оболочки, так и больше допустимых усилия при закреплении заготовки в станке, большая подача при резании, плохая заточка инструмент ит. д.
Раковины также могут быть как из-за дефекта материала (посторонние включения, выкрашивания из-за ослабленности границ зерен) так и по причине неправильно подобранного режущего инструмента или режимов резания.
Брак, выявленный на операциях механической обработки составляет 20...30 % в отдельных случаях доходит до 50 %. В связи с этим очень важно исключить все причины брака связанные с самим процессом механической обработки.
Наибольшее распространение в настоящее время получил второй способ производства мишеней из хрома.
При газостатическом прессовании получают брикет массой 2 тонны и более, и его режут на изделия нужного размера. В этом случае получается большое количество изделий с одинаковой структурой материала и химическим составом, что позволяет использовать одни режимы обработки на все изделия одинакового размера.
Процесс механической обработки состоит из следующих операций: обрезка на пиле материала капсулы, порезка на пиле на заготовки близкие по толщине к изделию, токарная или фрезерная обработка, шлифовка.
Основные виды брака - трещины и сколы, разнотолщинность заготовки из-за отклонения пилы, раковины на поверхности. Брак обычно составляет 10.15 %, в отдельных случаях до 20 %. При этом способе производства влияние технологического процесса производства самого материала значительно меньше, структура его более пластичная и соответственно
большее значение имеет правильно подобранные режимы резания и инструмент.
Таким образом, актуальными задачами в технологии обработки изделий из чистого хрома являются следующие:
1) совершенствование процессов получения исходных заготовок мишени;
2) создание организационно-технологического обеспечения формализации и автоматизации оптимального проектирования процессов обработки заготовок из чистых металлов;
3) совершенствование существующих и создание новых технологических процессов и средств технологического оснащения механической обработки заготовок из чистых металлов;
4) совершенствование методов контроля и обеспечения качества деталей из чистых металлов.
Исследования показывают, что даже незначительное повышение эффективности какого-либо этапа технологической цепочки дает существенное снижение себестоимости производства деталей из чистого хрома.
Список литературы
1. Арцимовича Л. А. Плазменные ускорители. М.: Машиностроение, 1973. 405 с.
2. Данилин Б. С., Неволин В. К., Сырчин В. К. Исследование магнетронных систем ионного распыления материалов// Электронная техника. Сер. Микроэлектронника, 1977. C. 32-45.
3. Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982. 352 с.
4. Иванов Ю. И., Носов Н. В. Эффективность и качество обработки инструментами на гибкой основе. М.: Машиностроение, 1985. 453 с.
5. Салли А. Хром. М.: Металлургиздат, 1958. 292 с.
6. Митин Б. С. Порошковая металлургия и напылённые покрытия. М.: Металлургия, 1987. 792 с.
S. Zotov, N. Trushin
MANUFACTURING FEATURES OF SHOOTINGMAEKFORMAGNETRON-SPRAY SYSTEM
The manufacturing features of shooting mark made of chemically pure refractory metal for different magnetron-spray system are reviewed.
Key words: magnetron-spray system, a target, the anode, a metal covering.
Получено 08.11.10
