Структура нераспыляющего магнетронного разряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат наук Казиев, Андрей Викторович

• Казиев, Андрей Викторович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Казиев, Андрей Викторович

Содержание

Введение

1 Импульсные газовые разряды низкого давления

в магнитном поле

1.1 Режимы магнетронного разряда

1.2 Процессы перехода тлеющего (магнетронного) разряда

в дуговой режим

1.3 Исследования разрядов магнетронного типа

1.3.1 Особенности динамики разрядов магнетронного типа

1.3.2 Зондовые измерения в магнитном поле

1.3.3 Измерения энергетических распределений частиц

1.4 Выводы

2 Экспериментальная установка

2.1 Разрядные устройства

2.1.1 Планарный магнетрон

2.1.2 Устройство с профилированными электродами

2.2 Система электрического питания разряда

2.3 Вакуумная система

2.4 Комплекс зондовой диагностики

2.4.1 Импульсные электрические зонды

2.4.2 Электростатический энергоанализатор

2.4.3 Магнитные зонды

2.5 Комплекс оптической диагностики

2.5.1 Высокоскоростная оптическая съёмка

2.5.2 Оптическая эмиссионная спектроскопия

3 Экспериментальное исследование НРМР

3.1 Устойчивые режимы НРМР

3.2 Моделирование начальной стадии НРМР

3.3 Распределение параметров плазмы

3.4 Измерения с помощью энергоанализатора

3.4.1 Конструкция энергоанализатора

3.4.2 Энергетические распределения ионов

3.5 Высокоскоростная визуализация процессов в плазме

3.6 Спектроскопия плазмы

4 Обсуждение результатов

и создание феноменологической модели

4.1 Высокочастотные периодические процессы

4.2 Модель низкочастотных периодических процессов

4.3 Значение НРМР в технологии

Заключение

Литература

Некоторые принятые обозначения и сокращения

d

das у dcs

Si

■^esat? -^isat •¿col

Id j

me,mi,mi

n

гв

ГЬе,Ги

те ий

Um

Uas> Ucs

Uc Ud

ий

UP1

расстояние между электродами толщина: анодного слоя, катодного слоя кинетическая энергия: электрона, иона ток насыщения: электронный, ионный ток в цепи коллектора ток разряда плотность тока

масса: электрона, иона, нейтральной частицы плотность плазмы радиус Дебая

радиус Лармора: электрона, иона температура электронов

потенциал анода (относительно потенциала земли) потенциал анализирующей сетки падение потенциала: анодное, катодное потенциал катода (относительно потенциала земли) напряжение горения разряда плавающий потенциал потенциал плазмы

длина свободного пробега: электрона, иона

HiPIMS high-power impulse magnetron sputtering

(I)-PVD (ion-assisted) physical vapor deposition

MP С магнетронная распылительная система

НРМР нераспыляющий магнетронный разряд

СИМР сильноточный импульсный магнетронный разряд

СДР сильноточный диффузный разряд

ЭОК электронно-оптическая камера

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура нераспыляющего магнетронного разряда»

Введение

В современном представлении разрядами магнетронного типа принято называть разряды, в которых присутствуют области с замкнутым дрейфом электронов, релизующиеся в диапазоне давлений 10~4-10~2 торр. Широкое использование в технике магнетронных распылительных систем (MPC) стимулировало в первую очередь исследования стационарных разрядов в скрещенных электрическом и магнитном полях, отличающихся сравнительно малой удельной мощностью. Свойства этих форм магнетронного разряда достаточно изучены [1, 2]. В то же время, свойства разряда в области перехода от магнетронного разряда с растущей вольт-амперной характеристикой к дуговому разряду остаются практически не исследованными.

Возможность создания разрядов большой мощности с однородной структурой плазмы ограничивается наличием различного вида неустойчи-востей, приводящих к контракции разряда и переходу его в дуговой режим [3]. Развитие перегревной неустойчивости требует применение импульсного или квазистационарного режима работы с длительностью импульса меньшей характерного времени нагрева газа в разрядном промежутке. Для исследовательских и технологических целей квазистационарный режим является предпочтительным вследствие ожидаемой стабильности параметров разряда и плазмы в течение всей длительности импульса. Создание сильноточного квазистационарного режима возможно путём наложения на разрядный промежуток прямоугольного импульса напряжения. При этом импульс подаётся либо на разрядный промежуток, заполненный газом до необходимого давления, после чего происходит пробой и установление квазистационарного режима; либо на промежуток, заполненный предварительно созданной плазмой с дальнейшим ростом её плотности и установ-

лением квазистационарного режима. Длительность переходных процессов в значительной степени зависит от предварительной ионизации разрядного промежутка, причём при её отсутствии время выхода на квазистационарные параметры плазмы может составлять 1 мс и более, а при наличии предварительной плазмы с концентрацией ~ 108 см3 уменьшается до 0,1 мс.

В 1986 г. на кафедре физики плазмы МИФИ была обнаружена новая стабильная форма квазистационарного разряда в поперечном магнитном поле, являющаяся промежуточной стадией перехода от магнетронно-го разряда к дуговому и имеющая следующие основные характеристики: напряжение горения около 100 В, ток разряда —от 10 А до 2000 А (в зависимости от давления и материала электродов), плотность тока на катоде до 90 А/см2, длительность существования свыше 1 мс [3]. Такой разряд был впервые реализован в инертных газах при сравнительно высоких давлениях ~ 10-1-10торр. Он получил название «сильноточный диффузный разряд» (СДР) [3].

Особенностью квазистационарного сильноточного диффузного разряда является отсутствие заметной эрозии катода и его распыления. Образующаяся плазма характеризуется высокими плотностью и степенью ионизации. При этом она является чисто газовой и не содержит атомов и ионов металла в количествах, достаточных для регистрации существующими методами диагностики (спектроскопическими и др.) [4].

Подобные формы нераспыляющего разряда могут быть реализованы и при более низких давлениях, но неотъемлемым условием их существования является наличие химически активной газовой среды и окисляющегося катода.

Актуальность работы.

В технологических задачах реактивного катодного распыления (в частности, при создании оксидных покрытий) повышение мощности импульсного магнетрона с целью увеличения скорости нанесения покрытия может привести к обратному эффекту в виде резкого снижения напряжения разряда и уменьшения катодного распыления. Наиболее часто этот эффект воз-

никает в сильных магнитных полях при использовании магнитных систем, позволяющих создавать поля с индукцией 1 Тл и более на поверхности катода. Необходимым фактором также является наличие активно окисляющегося материала катода. В таких условиях формируется нераспыляющий магнетронный разряд (НРМР). Анализ литературы по магнетронным разрядам показал, что информация по переходным нераспыляющим режимам практически отсутствует; даются лишь рекомендации по работе с реактивными газами в ограниченном диапазоне мощности. Оказалось, что физика таких разрядов до сих пор не изучена.

Исследование структуры разряда и динамики плазменных образований позволит внести вклад в физику магнетронных разрядов, а также провести сравнительный анализ результатов, полученных другими авторами для импульсных магнетронных распылительных разрядов.

Цель диссертационной работы — исследование структуры нераспы-ляющей формы магнетронного разряда, являющейся переходным режимом от сильноточного импульсного разряда к дуговому в магнетронных распылительных устройствах.

К основным задачам исследования относятся:

1. Моделирование начальной стадии нераспыляющего магнетронного разряда (НРМР)

2. Поиск устойчивых режимов НРМР в присутствии кислородосодержа-щего газа

3. Исследования катодного слоя и параметров плазмы НРМР зондовыми методами и методами эмиссионной спектроскопии

4. Экспериментальное исследование структуры и динамики НРМР с помощью высокоскоростной оптической диагностики

5. Разработка феноменологических моделей для описания режимов НРМР

6. Проведение сравнительного анализа плазменных процессов в сильноточном импульсном магнетронном разряде и НРМР и разработка рекомендаций по выбору параметров работы магнетронов, позволяющих

избежать возникновения нераспыляющих режимов разряда Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведено моделирование начальной стадии НРМР.

2. На базе расчётной модели определены области локализации плазмы и пространственная структура НРМР.

3. Впервые проведены комплексные зондовые и спектроскопические исследования для экспериментально обнаруженных устойчивых режимов НРМР.

4. С помощью высокоскоростной электронно-оптической камеры определены структура и динамика плазменных образований в магнетронных разрядах.

5. Впервые обнаружены два различных режима существования НРМР, отличающиеся структурой плазменных образований.

6. Предложена феноменологическая модель, описывающая низкочастотные динамические процессы в плазме как НРМР, так и СИМР (ШРМБ).

7. Впервые показано, что устойчивые формы импульсных разрядов в магнетронных системах, близкие по интегральным характеристикам (мощно стным, токовым, энергетическим), могут иметь принципиально отличающиеся структуру и динамику развития.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Создана комплексная система диагностики импульсных магнетронных разрядов, позволяющая проводить измерения энергетических спектров ионов, локальных характеристик плазмы, а также внутренних электрических и магнитных полей.

2. Разработана система оптической диагностики для импульсных магнетронных разрядов с системой синхронизации, позволяющая детально изучить динамику процессов в любой момент их развития.

3. Разработанная феноменологическая модель низкочастотных периодических процессов может быть также использована для описания динамики распылительных импульсных форм магнетронного разряда

(СИМР, HiPIMS).

4. Экспериментально обнаружены условия перехода СИМР в НРМР, в котором практически отсутствует распыление катода, что позволяет определить границы области применимости импульсных форм магнетрон-ных разрядов при работе с активно окисляющимися катодами. Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты моделирования начальной стадии развития разряда в сложной геометрии Е х В-полей

2. Измеренные энергетические распределения ионов на катоде НРМР, определяющие величину катодного падения потенциала

3. Измеренные пространственные распределения параметров плазмы, позволяющие определить структуру НРМР

4. Экспериментально обнаруженные формы магнетронного разряда, отличающиеся по пространственным распределениям параметров, структуре излучения и динамике развития

5. Экспериментальные результаты, показывающие существование двух различных режимов НРМР, отличающихся структурой плазменных образований

6. Феноменологическая модель, описывающая процессы развития низкочастотных неоднородностей в плазме магнетронных разрядов Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования доложены в рамках VIII, X и XI Курчатовской молодёжной научной школы (Москва, 2010, 2012, 2013), Научной сессии НИЯУ МИФИ (Москва, 2011, 2013), XIV Всероссийской конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы» (Звенигород, 2011), XX и XXI Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, 2011, 2013), VIII Российской конференции «Современные средства диагностики плазмы и их применение» (Москва, 2012), XIV Школы молодых учёных ФИАН «Актуальные проблемы физики» (Звенигород, 2012), Всероссийской молодежной научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Долгопрудный, 2012), XIX Международной

научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2013), 40-й Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2013), 2nd International Conference on Research and Application of Plasmas (Warsaw, Poland, 2013). В сборниках трудов указанных конференций опубликовано 16 работ.

По результатам работы опубликовано 3 статьи в рецензируемых научных журналах:

1. Ходаченко Г.В., Писарев A.A., Крашевская Г.В., Щелканов И.А., Орлов И. Е., Соколов А. Ю., Казиев А. В., Атаманов М. В., Юрченко А. А., Купцов К. А. Ионно-плазменная генерация тонкого TiN-покрытия фольги электролитических конденсаторов // Известия РАН. Серия физическая. 2010. Т. 74. С. 277-283 (входит в перечень ВАК РФ, индексируется в Scopus)

2. Казиев A.B., Ходаченко Г.В., Щелканов И.А. Исследование структуры импульсного сильноточного диффузного разряда // Ядерная физика и инжиниринг. 2011. Т. 2. С. 449-454 (входит в перечень ВАК РФ)

3. Kaziev А. V., Khodachenko G. V. Optical diagnostics of low-pressure quasi-stationary diffuse discharge // Physica Scripta. 2014. V. TI61. P. 014053(1-4) (перечень ВАК РФ, индексируется в Web of Science и Scopus) Личный вклад соискателя заключается в подготовке и проведении

экспериментов, обработке и анализе полученных данных, построении численных и аналитических моделей, позволяющих описать полученные результаты.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём составляет 152 страницы, 93 рисунка. Список литературы включает 99 наименований.

Настоящая работа выполнена на кафедре физики плазмы НИЯУ МИФИ под руководством кандидата физико-математических наук, с. н. е., доцента Ходаченко Георгия Владимировича.

Глава 1

Импульсные газовые разряды низкого давления в магнитном поле

1.1 Режимы магнетронного разряда

Магнетронные разряды широко используются в мире для создания покрытий из металлов, сплавов металлов, полупроводников и диэлектриков [2]. Реактивное распыление — это ионное распыление элементарной (металлической) мишени в среде, содержащей газы, которые вступают в реакцию с материалом мишени, образуя химическое соединение. Существуют подробные обзоры, освещающие современное состояние и перспективы применения МРС в промышленном масштабе (к примеру, [5, 6]).

Особое место в ряду разрядов, применяемых в МРС, занимают импульсные режимы магнетронного разряда. К ним относятся сильноточный импульсный магнетронный разряд (СИМР) и разряд, используемый в технологии high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS).

На рис. 1.1 приведена схема областей существования разрядов в скрещенных полях.

Стационарный магнетронный разряд (MP) существует при давлениях р = 10-4-1 торр. Сильноточный импульсный магнетронный разряд (СИМР), характеризующийся высокими значениями тока /а и напряжения горения Щ и наличием продолжительной квазистационарной фазы (1-20 мс), реализуется в диапазоне давлений 10~3-10-1 торр. Одним из частных случаев реализации СИМР является технология high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS), в которой разряд также характеризуется большими значениями

га

то то о.

ф 10" х

I

01 X к о. с= то

ю1

■ч

нрмр : СДР

дуговой разряд

_|-1_

10 10' 10 10 10 10' 10 о

Давление, Па

50 100 " 10' 210' 310'

Ток разряда, А

Рис. 1.1. Области существования разрядов в скрещенных полях

/а и ¿7<1, но длительность импульса мала (10-500 мкс), и квазистационарная фаза, как правило, отсутствует. СИМР и ШР1М8 применяются в технологических задачах создания высококачественных покрытий из различных материалов.

К низковольтным режимам относятся дуговой, сильноточный диффузный разряд (СДР) и нераспыляющий магнетронный разряд (НРМР). Сильноточный импульсный диффузный разряд (СДР) формируется, преимущественно, в диапазоне давлений 10_1-10торр независимо от вида разрядного устройства, рода газа, материала катода. Его характерной особенностью является отсутствие заметного распыления и испарения материала электродов во всём диапазоне рабочих параметров. При этом плотность плазмы велика, не содержит частиц металла, а распределение её параметров в разрядном промежутке близко к однородному [3, 4, 7]. Такой режим позволяет проводить модификацию поверхности материалов низкоэнергетичными потоками ионов рабочего газа, поэтому одним из его ключевых применений является высокоскоростное травление полупроводников.

В области давлений ниже Ю-1 торр при обычных условиях нераспы-ляющие режимы не существуют. Однако при работе в среде, содержащей кислород, при использовании активно окисляющегося катода (А1) реализуются устойчивые режимы нераспыляющего магнетронного разряда (НРМР) при давлении вплоть до 2 • Ю-3 торр. Именно такие режимы могут вно-

сить ограничения в параметры работы импульсных магнетронных распылительных систем, снижая скорости нанесения покрытий практически до нуля в случае реактивного распыления с активно окисляющимся катодом.

В отличие от стационарных магнетронов (постоянного тока) и сред-нечастотных MPC, характерными параметрами устройств, работающих с СИМР и HiPIMS, являются низкая частота следования импульсов, высокая амплитуда напряжения, большой ток разряда, высокая мгновенная мощность и высокая степень ионизации плазмы. Эти параметры варьируются в зависимости от решаемых задач и, соответственно, конкретного режима разряда. Сводная справочная информация об их значениях и диапазонах изменения приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Параметры стационарного магнетронного разряда, СИМР

и HiPIMS [8].

Параметр стационарный MP СИМР HiPIMS

Давление рабочего газа, Па io-2-i 10~2-10 10"1-!

Плотность тока, А/см2, max ~ 0,2 ~ 20 ~ 10

Напряжение разряда, кВ 0,3-0,6 0,3-1,5 0,3-1,5

Плотность плазмы, см-3, шах ю11 5 • 1013 1013

Электронная температура, эВ, шах 5 20 15

Энергия в одном импульсе, Дж, шах — 3600 20

Плотность мощности в разряде, кВт/см2 < 0,1 1-40 1-3

Длительность одного импульса, мкс — 10-50000 1-700

Степень ионизации распылённого материала < 0,01 > 0,9 > 0,9

Технологии магнетронного распыления в реактивных средах, применяемые в задачах создания покрытий из различных соединений металлов (оксиды, нитриды и др.), требуют преодоления определённых трудностей, связанных с протеканием химических реакций между материалами электродов и рабочим газом. В стационарных и среднечастотных MPC большинство возникающих проблем решается при использовании специализированных источников питания [6]. Однако в импульсных MPC, использующих разряды СИМР и HiPIMS, параметры рабочих режимов (максимальный ток, длительность импульса) достаточно жёстко ограничиваются.

На рис. 1.2 демонстрируется различие между рабочими параметрами ШРШБ в нереактивном случае и при наличии окисляющегося катода в реактивной среде.

-200-

Время, мкс

20

40

60

Время, мкс

г 12

ее И 6 к О.

4 О.

Ж 2 (2

-0

80

Рис. 1.2. Осциллограммы импульса ШР1М8 при распылении: а) Л в Аг [9],

б) А1в АГ + 02 [10]

Видно, что во втором случае значительно снижаются и длительность импульса, и ток разряда. Одной из причин такого рода ограничений является переход разряда в относительно низковольтную нераспыляющую форму. В связи с этим, необходимо определить процессы, происходящие при переходе разряда в дугу, и условия, при которых может быть реализован промежуточный переходный режим.

1.2 Процессы перехода тлеющего (магнетронного) разряда в дуговой режим

Переходные режимы из тлеющего разряда в дуговой изучались достаточно ограниченным рядом исследователей. В работе [11] проводится обзор ряда экспериментов, выполненных в период 1958-1966 гг., и описывается модель процессов, происходящих при переходе тлеющего разряда в дуговой. Важно отметить, что обсуждается переход в дугу, не связанный с тепловыми эффектами, приводящими к значительной термоэмиссии. Рассмотрен случай низких давлений (р < 0,1 торр), при которых толщина катодного слоя тлеющего разряда dcs < Ai, где Ai — средняя длина свободного пробега ионов. Утверждается, что работы, сделанные ранее 1958 г., содержали противоречивые результаты, а сами эксперименты проводились при неудовлетворительных условиях с точки зрения вакуумной технологии и состояния поверхностей электродов. За время, прошедшее с 1966 г., ничего нового в теоретическую модель внесено не было, и все опытные данные хорошо объяснялись на основе имеющихся соображений.

Модель основывается на том, что принципиальным условием для перехода тлеющего разряда в дуговой является наличие макроскопических диэлектрических частиц на поверхности катода. При этом сюда же входят и диэлектрические включения, т. е. частицы, находящиеся в толще у поверхности материала.

Модель описывает переход в дугу в два этапа. Первый этап (инициация) включает зарядку диэлектрика и завершается его пробоем. Пробой сопровождается выбросом пара материала катода, а также заряженных частиц, в межэлектродный промежуток. Второй этап подразумевает процессы, приводящие к возникновению дуги в образовавшейся среде, и механизмы ее протекания. Он заканчивается, когда дуга либо становится стационарной, либо гаснет (в зависимости от параметров внешней электрической цепи).

В начальный момент времени зажигается тлеющий разряд. В процессе протекания разряда плотность ионного тока на катод есть j+, толщина

катодного слоя dcs, падение напряжения в слое Ucs. В общем случае ионы падают на поверхность катода с энергиями от нуля до eUcs, где е — элементарный заряд. Однако в рассматриваемой ситуации низкого давления слой является бесстолкновительным, так что все ионы набирают полную энергию eUcs. Падающие ионы создают заряд на первоначально незаряженной диэлектрической макрочастице (диэлектрическом включении). Из-за конечной проводимости включения параллельно происходит нейтрализация заряда за счет электронов металла. Для начала вообще пренебрежем нейтрализацией. Тогда при стационарной плотности ионного тока j+ накопление заряда приведет к росту напряженности поля Е до пробойного значения Еъ во всех частицах одновременно, если их размеры меньше некоторого предельного. Это справедливо, если считать включения плоскими конденсаторами. (Формулы, описывающие плоский конденсатор, применимы здесь, т. к. расстояния между ионами, сидящими на поверхности диэлектрика при Е ~ Еъ, много меньше размера этого диэлектрика, поэтому соответствующая поверхность «обкладки» эвипотенциальна.) Тогда время зарядки до Еъ не зависит от размера частицы (от расстояния между пластинами конденсатора). Сверху размер частицы (способной инициировать переход в дугу) ограничивает условие, связывающее пробойное поле диэлектрика Еъ и катодное падение потенциала в тлеющем разряде Ucs: Eъdi\ < Ucs. Иначе обкладка конденсатора не сможет зарядиться до необходимых значений, т. к. при Eъd(i > Ucs ионам не хватит энергии, набираемой при пролете катодного слоя, чтобы попасть на поверхность частицы. Поэтому ограничение сверху выглядит так: d^ < ис5/Еъ. Если учесть конечную проводимость диэлектрика, оказывается, что т. к. на границах частицы происходит контакт с металлом катода, то чем больше размеры частицы, тем быстрее напряженность электрического поля в ее центре достигает пробойного значения. Если же частица слишком маленькая, то при Е < Еъ в её центре ток нейтрализации может сравняться с током j+. Значит, при заданном фиксированном значении j+ частица такого размера никогда не зарядится до Еъ, и пробой не произойдет.

Таким образом, есть определенный диапазон размеров диэлектрической макрочастицы (диэлектрического включения), в котором такая частица может выступить в роли инициатора дуговой привязки. Нижний предел зависит от плотности ионного тока на катод а верхний — от падения напряжения в катодном слое тлеющего разряда.

На второй стадии происходит процесс зажигания дуги. Для этого процесса, фактически, не имеет значения, каким образом в межэлектродном промежутке образовался пар металла. Важен только сам факт его наличия, его начальная плотность и закон, по которому она спадает в процессе разлета. Предполагая, что закон убывания плотности экспоненциальный, обозначим характерное время спада через т\. Если разрядный контур устроен так, что ток в нем может возрасти до значения, большего тока отсечки для дуги 1С, за достаточно короткое время т, происходит образование катодного пятна на поверхности катода. Критерий зажигания дуги связывает два характерных времени: время нарастания тока и время разлета облака материала тх. Условие зажигания дуги тогда выглядит следующим образом: /р + 1т\ > /с, где /р — ток в промежутке перед переходом в дугу, I — скорость нарастания тока в контуре, I = 8У/Ь (5У — разница между напряжением тлеющего разряда и напряжением дуги, Ь — индуктивность контура). При разлете облака концентрация заряженных частиц падает до значений, не достаточных для обеспечения эмиссионных токов, необходимых для дугового разряда.

Автор [11] приводит также описание эксперимента, идеального для изучения переходного процесса. В нем используется разрядное устройство с двумя холодными электродами. Вакуумная камера и рабочий газ чисты настолько, что как только поверхности электродов очищены, далее их загрязнения не происходит. С достаточной точностью определена истинная площадь поверхности катода, обращенной к плазме, и известна соответствующая однородная по поверхности плотность тока. Ток в разрядном контуре выше тока отсечки дуги для любого из исследуемых материалов электродов, так что как только переход произошел, дуга стабильно поддерживается.

Основные результаты по переходам в дугу, опубликованные в рассмат-

риваемых в [11] работах, следующие:

• Работа [12]. Минимальный ток, при котором может происходить переход в дугу, больше для катодов с большей теплотой сублимации. Ряд материалов в порядке возрастания минимального тока: Щ, Сё, Ъп, Са, М& РЬ, А1, Си, Бп, №, Бе, XV, С.

• Статья [13]. Давления р = 0,1-10 торр. Время перехода (время нарастания тока) 2-10 не. При переходе наблюдается импульс тока на катоде и световая вспышка, при этом в этот момент времени на аноде скачка тока нет. Загрязнение поверхности способствует срывам в дуговой режим. Загрязнения удаляются с поверхности при повторяющихся дугах на алюминиевом катоде, если только рабочий газ — не кислород. Если часть поверхности катода очищена, а часть загрязнена, то стабильный нормальный тлеющий разряд горит на очищенной части (если ток не достаточен для перехода в аномальный режим). Когда тлеющий разряд уже занимает всю очищенную область, а ток повышается, прямо на границе раздела очищенной и загрязненной зон появляется дуговая привязка.

• Цикл статей [14-17]. Точки возникновения дуговых привязок совпадают с местами, где расположены включения с низкой электрической проводимостью. Наличие включений с высокой проводимостью не влияет на переход в дугу Результаты воспроизводимы, только если поверхность не загрязнена. Диэлектрические макрочастицы, как нанесённые на поверхность, так и имплантированные внутрь, приводят к одинаковым эффектам. Кондиционирование может быть объяснено снижением сопротивления диэлектрических включений при длительной ионной бомбардировке.

• Статья [18]. Если на поверхности катода находятся диэлектрические макрочастицы одного фиксированного размера, то длительность тлеющего разряда до срыва в дугу обратно пропорциональна плотности ионного тока на катод. Эта длительность не зависит от энергии ионов (при условии, что она выше некоторого порогового значения). Длительность

тлеющего разряда и плотность ионного тока на катод показывают, что переход в дугу происходит как раз тогда, когда электрическое поле в диэлектрике достигает пробойного значения Еъ. Род газа и давление (в пределах 5 • 10_3 торр < р < 5 • Ю-2 торр не влияют на переходные процессы.

• Цикл статей [19-24]. Можно так обработать материал, используя нагрев и облучение, что он станет устойчивым к срывам в дугу. Общее загрязнение поверхности (в особенности, органическими соединениями) влияет на скорость кондиционирования. Кондиционированный образец не теряет своих свойств при обработке растворителями, но декондициони-руется в присутствии углерода, жира, соли, ртути, отпечатков пальцев и т. д. Диэлектрические включения сами по себе (без общего загрязнения) не приводят к переходам в дуговой режим, если плотность тока ~ 10 А/см2. В процессе кондиционирования постепенно увеличивается длительность горения тлеющего разряда до срыва. Полировка катода ускоряет кондиционирование. Общее загрязнение само по себе (без диэлектрических макрочастиц) не приводит к срывам, если включения в материале отсутствуют.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Казиев, Андрей Викторович, 2014 год

Литература

[1] Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982.

[2] Кузьмичёв А. И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. К.: Аверс, 2008.

[3] Мозгрин Д. В., Фетисов И. К., Ходаченко Г. В. Экспериментальное исследование сильноточных форм квазистационарного разряда низкого давления в магнитном поле // Физика плазмы. 1995. Т. 21. С. 422-433.

[4] Ходаченко Г. В., Мозгрин Д. В., Фетисов И. К., Степанова Т. В. Нерас-пыляющий импульсный магнетронный разряд // Физика плазмы. 2012. Т. 38. С. 78-86.

[5] Берлин Е.В., Сейдман JI. А. Ионно-плазменные процессы в тонкоплёночной технологии. М.: Техносфера, 2010.

[6] Берлин Е. В., Сейдман JI. А. Получение тонких плёнок реактивным магнетронным распылением. М.: Техносфера, 2014.

[7] Мозгрин Д. В., Фетисов И. К., Ходаченко Г. В. Импульсная зондовая методика определения параметров плазмы сильноточного диффузного разряда низкого давления // Физика плазмы. 1999. Т. 25. С. 1-6.

[8] Щелканов И. А. Сильноточный импульсный магнетронный разряд с автоускорением плазмы: дис. канд. физ.-мат. наук: 01.04.08. М., 2011.

[9] Ehiasarian А. P., Hecimovic A., de los Arcos Т. et al. High power impulse magnetron sputtering discharges: Instabilities and plasma self-organization//Applied Physics Letters. 2012. Vol. 100. P. 114101(1-4).

[10] Selinder T. I., Coronel E., Wallin E., Helmersson U. a-Alumina coatings on WC/Co substrates by physical vapor deposition // Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2009. Vol. 27. P. 507-512.

[11] Lutz M. A. The glow to arc transition — A critical review // IEEE Transactions on Plasma Science. 1974. Vol. 2. P. 1-10.

[12] Meek J. M., Craggs J. D. Electrical Breakdown of Gases. Oxford University Press, England, 1953.

[13] Westberg R. G. Nature and role of ionizing potential space waves in glow-to-arc transitions //Phys. Rev. 1959. Vol. 114. P. 1-17.

[14] Pfeil P. C. L., Griffiths L. B. Effect of cathode inclusions on electrical discharges//Nature. 1959. Vol. 184. P. 1481.

[15] Pfeil P. C. L., Griffiths L. B. The effect of inclusions on the arcing behaviour of metals// Journal of Nuclear Materials. 1959. Vol. 1. P. 244-248.

[16] Griffiths L. B., Pfeil P. C. L. Insulating particles on cathode surfaces: their effect upon electrical discharges//Nature. 1959. Vol. 184. P. 1475.

[17] Griffiths L. B. Effect of hydrogen-ion bombardment on the oxides of aluminium and magnesium//Nature. 1960. Vol. 188. P. 43.

[18] Hancox R. Importance of insulating inclusions in arc initiation // British Journal of Applied Physics. 1960. Vol. 11. P. 468.

[19] Dugdale R. A., Maskrey J. T., McVickers R. C. Arc initiation on heated molybdenum exposed to a toroidal hydrogen discharge // Journal of Nuclear Materials. 1962. Vol. 6. P. 35^5.

[20] Maskrey J. T., Dugdale R. A. Arc initiation on heated molybdenum exposed to a toroidal hydrogen discharge contaminated with impurity gases // Journal of Nuclear Materials. 1962. Vol. 7. P. 197-204.

[21] Maskrey J. Т., Dugdale R. A. The importance of contamination in arc initiation on stainless steel exposed to a toroidal discharge // Journal of Nuclear Materials. 1963. Vol. 10. P. 233-242.

[22] Maskrey J. Т., Dugdale R. A. The role of inclusions and surface contamination arc initiation at low pressures // British Journal of Applied Physics. 1966. Vol. 17. P. 1025.

[23] Maskrey J. T. Vacuum spark erosion at cathodic inclusions // British Journal of Applied Physics. 1965. Vol. 16. P. 1583.

[24] Maskrey J. Т., Dugdale R. A. A device for the study of vacuum arc initiation // Journal of Scientific Instruments. 1965. Vol. 42. P. 284.

[25] Holliday J. H., Isaacs G. G. Arc initiation at metal surfaces in a hydrogen Penning discharge//British Journal of Applied Physics. 1966. Vol. 17. P. 1575.

[26] Кристя В. И. Моделирование динамики перехода тлеющего разряда в дуговой, обусловленного нагревом катода ионной бомбардировкой // Известия РАН. Серия физическая. 2008. Т. 72. С. 1021-1023.

[27] Byszewski W. W., Li Y. М., Budinger А. В., Gregor P. D. Advances in starting high-intensity discharge lamps // Plasma Sources Science and Technology. 1996. Vol. 5. P. 720.

[28] Tonegawa A., Takayama K. Characteristics of a LaBc hollow cathode in the glow-arc transition // Physical Review A. 1990. Vol. 42. P. 4898-4907.

[29] Holmes A. J. T. The glow-discharge-to-arc transition instability // Journal of Physics D: Applied Physics. 1975. Vol. 8. P. 690-695.

[30] Boyle W. S., Haworth F. E. Glow-to-arc transition // Phys. Rev. 1956. Vol. 101. P. 935-938.

[31] Rossnagel S. M., Kaufman H. R. Charge transport in magnetrons // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 1987. Vol. 5. P. 2276-2279.

[32] Sheridan T. E., Goeckner M. J., Goree J. Electron velocity distribution functions in a sputtering magnetron discharge for the E x B direction // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 1998. Vol. 16. P. 2173-2176.

[33] Sheridan T. E., Goeckner M. J., Goree J. Electron distribution functions in a sputtering magnetron discharge // Japanese Journal of Applied Physics. 1995. Vol. 34. P. 4977-4982.

[34] Sheridan T. E., Goree J. Langmuir-probe characteristic in the presence of drifting electrons //Phys. Rev. E. 1994. Vol. 50. P. 2991-2996.

[35] Rossnagel S. M., Kaufman H. R. Langmuir probe characterization of magnetron operation // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 1986. Vol. 4. P. 1822-1825.

[36] Bradley J. W., Thompson S., Gonzalvo Y. A. Measurement of the plasma potential in a magnetron discharge and the prediction of the electron drift speeds // Plasma Sources Science and Technology. 2001. Vol. 10. P. 490.

[37] Fujita H., Yagura S., Ueno H., Nagano M. Plasma production with DC discharge planar magnetron device for thin film preparation // Journal of Physics D: Applied Physics. 1986. Vol. 19. P. 1699.

[38] Bradley J. W., Lister G. Model of the cathode fall region in magnetron discharges // Plasma Sources Science and Technology. 1997. Vol. 6. P. 524.

[39] Bohlmark J., Helmersson U., VanZeeland M. et al. Measurement of the magnetic field change in a pulsed high current magnetron discharge // Plasma Sources Science and Technology. 2004. Vol. 13. P. 654.

[40] Sarakinos K., Alami J., Konstantinidis S. High power pulsed magnetron sputtering: A review on scientific and engineering state of the art // Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 204. P. 1661-1684.

[41] Anders A. Discharge physics of high power impulse magnetron sputtering // Surface and Coatings Technology. 2011. Vol. 205, Supplement 2. P. S1-S9.

[42] Gudmundsson J. Т., Brenning N., Lundin D., Helmersson U. High power impulse magnetron sputtering discharge // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2012. Vol. 30. P. 030801.

[43] Gudmundsson J., Alami J., Helmersson U. Spatial and temporal behavior of the plasma parameters in a pulsed magnetron discharge // Surface and Coatings Technology. 2002. Vol. 161. P. 249-256.

[44] Lundin D., Helmersson U., Kirkpatrick S. et al. Anomalous electron transport in high power impulse magnetron sputtering // Plasma Sources Science and Technology. 2008. Vol. 17. P. 025007.

[45] Михайловский А. Б., Цыпин В. С. Высокочастотная неустойчивость плазмы, находящейся в радиальном электрическом и продольном магнитном полях // Письма в ЖЭТФ. 1966. Т. 3. С. 247-250.

[46] McBride J. В., Ott Е., Boris J. P., Orens J. H. Theory and simulation of turbulent heating by the modified two-stream instability // Physics of Fluids. 1972. Vol. 15. P. 2367-2383.

[47] Gladd N. T. The lower hybrid drift instability and the modified two stream instability in high density theta pinch environments // Plasma Physics. 1976. Vol. 18. P. 27.

[48] Hurtig Т., Brenning N., Raadu M. A. The role of high frequency oscillations in the penetration of plasma clouds across magnetic boundaries // Physics of Plasmas. 2005. Vol. 12. P. 012308.

[49] Bohlmark J., Lattemann M., Gudmundsson J. et al. The ion energy distributions and ion flux composition from a high power impulse magnetron sputtering discharge // Thin Solid Films. 2006. Vol. 515. P. 1522-1526.

[50] Brenning N., Merlino R. L., Lundin D. et al. Faster-than-Bohm cross-B electron transport in strongly pulsed plasmas // Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 103. P. 225003.

[51] Brenning N., Hurtig Т., Raadu M. A. Conditions for plasmoid penetration across abrupt magnetic barriers // Physics of Plasmas. 2005. Vol. 12. P. 012309.

[52] Vetushka A., Bradley J. W. The current-density distribution in a pulsed dc magnetron deposition discharge // Journal of Physics D: Applied Physics. 2007. Vol. 40. P. 2037.

[53] Merlino R. L., Goldenbaum G. C., Chin-Fatt C. et al. Electron and ion heating in a high-voltage toroidal theta pinch with parallel or antiparallel bias fields // Physics of Fluids. 1981. Vol. 24. P. 2358-2371.

[54] Chen F. F. Introduction to plasma physics and controlled fusion. Second edition edition. Plenum, New York, 1984.

[55] Brenning N., Axnas I., Raadu M. A. et al. A bulk plasma model for dc and HIPIMS magnetrons // Plasma Sources Science and Technology. 2008. Vol. 17. P. 045009.

[56] Lundin D., Al Sahab S., Brenning N. et al. Internal current measurements in high power impulse magnetron sputtering // Plasma Sources Science and Technology. 2011. Vol. 20. P. 045003(1-9).

[57] Козырев А. В., Сочугов H. С., Оскомов К. В. и др. Оптические исследования неоднородностей в плазме сильноточного импульсного магне-тронного разряда//Физика плазмы. 2011. Т. 37. С. 667-673.

[58] Anders A., Ni P., Rauch A. Drifting localization of ionization runaway: Unraveling the nature of anomalous transport in high power impulse magnetron sputtering//Journal of Applied Physics. 2012. Vol. 111. P. 053304.

[59] Rauch A., Mendelsberg R. J., Sanders J. M., Anders A. Plasma potential mapping of high power impulse magnetron sputtering discharges // Journal of Applied Physics. 2012. Vol. 111. P. 083302.

[60] Anders A. Self-organization and self-limitation in high power impulse magnetron sputtering//Applied Physics Letters. 2012. Vol. 100. P. 224104(1-5).

[61] Anders A., Panjan M., Franz R. et al. Drifting potential humps in ionization zones: The "propeller blades" of high power impulse magnetron sputtering//Applied Physics Letters. 2013. Vol. 103. P. 144103(1-4).

[62] Andersson J., Ni P., Anders A. Spectroscopic imaging of self-organization in high power impulse magnetron sputtering plasmas // Applied Physics Letters. 2013. Vol. 103. P. 054104(1^1).

[63] Ni P., Hornschuch C., Panjan M., Anders A. Plasma flares in high power impulse magnetron sputtering // Applied Physics Letters. 2012. Vol. 101. P. 224102(1-5).

[64] Hecimovic А., Вбке M., Winter J. The characteristic shape of emission profiles of plasma spokes in HiPIMS: the role of secondary electrons // Journal of Physics D: Applied Physics. 2014. Vol. 47. P. 102003(1-5).

[65] Gallian S., Hitchon W. N. G., Eremin D. et al. A phenomenological model for the description of rotating spokes in HiPIMS discharges // Plasma Sources Science and Technology. 2013. Vol. 22. P. 055012(1-8).

[66] Rauch A., Anders A. Estimating electron drift velocities in magnetron discharges // Vacuum. 2013. Vol. 89. P. 53 - 56.

[67] Winter J., Hecimovic A., de los Arcos T. et al. Instabilities in high-power impulse magnetron plasmas: from stochasticity to periodicity // Journal of Physics D: Applied Physics. 2013. Vol. 46. P. 084007.

[68] Brenning N, Lundin D. Alfven's critical ionization velocity observed in high power impulse magnetron sputtering discharges // Physics of Plasmas. 2012. Vol. 19. P. 093505(1-5).

[69] Brenning N., Lundin D., Minea T. et al. Spokes and charged particle transport in HiPIMS magnetrons // Journal of Physics D: Applied Physics. 2013. Vol. 46. P. 084005(1-10).

[70] Альфвен X., Аррениус Г. Эволюция Солнечной системы. Пер. с англ. под ред. Г. И. Петрова. М.: Мир, 1979.

[71] Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969.

[72] Чан П., Тэлбот Л., Турян К. Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме, пер. с англ. М.: Мир, 1978.

[73] Tichy М., Kudrna P., Behnke J. F. et al. Langmuir probe diagnostics for medium pressure and magnetised low-temperature plasma // Journal de Physique IV France. 1996. Vol. 7. P. C4-397-411.

[74] Sanmartín J. R. Theory of a probe in a strong magnetic field // Physics of Fluids. 1970. Vol. 13. P. 103-116.

[75] Laframboise J. G., Rubinstein J. Theory of a cylindrical probe in a colli-sionless magnetoplasma// Physics of Fluids. 1976. Vol. 19. P. 1900-1908.

[76] Maciel H. S., Petraconi G., Pessoa R. S. Studies of a hollow cathode discharge using mass spectrometry and electrostatic probe techniques // 12th International Congress on Plasma Physics. Nice, France. 2004.

[77] Brussaard G.J.H., van der Steen M., Carrere M. et al. Langmuir probe measurements in an expanding magnetized plasma // Physical Review E. 1996. Vol. 54. P. 1906-1911.

[78] Чернетский А. В., Зиновьев О. А., Козлов О. В. Аппаратура и методы плазменных исследований. М.: Атомиздат, 1965.

[79] Hutchinson I.H. Principles of plasma diagnostics. Second edition. New York: Cambridge University Press, 2005.

[80] Лебедев Ю. А. Введение в зондовую диагностику плазмы пониженного давления. М.: МИФИ, 2003.

[81] Лохте-Хольтгревен В., Рихтер Ю., Травинг Г. и др. Методы исследования плазмы / Под ред. В. Лохте-Хольтгревена. Пер. с англ. под ред. С.Ю. Лукьянова. М.: Мир, 1971.

[82] Дороднов А. М., Козлов Н. П. Диагностика плазмы. М.: МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1971.

[83] Хаддлстоун Р., Леонард С., Ловберг Р. и др. Диагностика плазмы / Под ред. Р. Хаддлстоуна, С. Леонарда. Пер. с англ. под ред. С. Ю. Лукьянова. М.: Мир, 1967.

[84] Haefer R. Die Zündspannung von Gasentladungen unter dem Einfluß eines transversalen Magnetfeldes im Druckbereich von 10 bis 10"8 Torr // Acta Physica Austriaca. 1953. Vol. 7. P. 52-90.

[85] Redhead P. A. The Townsend discharge in a coaxial diode with axial magnetic field // Canadian Journal of Physics. 1958. Vol. 36. P. 255-270.

[86] Хастед Дж. Физика атомных столкновений. Пер. с. англ. М.: Мир, 1965.

[87] Hudson J. Е., Vallance С., Harland P. W. Absolute electron impact ionization cross-sections for CO, CO2, OCS and CS2 // Journal of Pysics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 2004. Vol. 37. P. 445^155.

[88] Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

[89] Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Общие вопросы электродинамики газов. М.: ГИТТЛ, 1952.

[90] Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток / Под ред. Л. А. Сена, В.Е. Голанта. М.: Наука, 1971.

[91] Платонов A.A., Слышов А.Г., Вагнер С.Д. О кинетике электронов в прианодной области тлеющего разряда в скрещенных полях // Письма в Журнал технической физики. 2006. Т. 32. С. 88-94.

[92] Фетисов И. К. Газовый разряд низкого давления в магнитном поле. М.: МИФИ, 1999.

[93] Пирс Р., Гейдон А. Отождествление молекулярных спектров. Пер. с англ. под ред. С. Л. Мандельштама и М. Н. Аленцева. М.: ИИЛ, 1949.

[94] Зайдель А.Н., Прокофьев В. К., Райский С.М. и др. Таблицы спектральных линий. М.: Наука, 1962.

[95] Kramida A., Ralchenko Yu., Reader J., NIST ASD Team. NIST Atomic Spectra Database. Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology, 2013.

[96] Reyes P. G., Mendez E. F., Osorio-Gonzalez D. et al. Optical emission spectroscopy of C02 glow discharge at low pressure // Physica Status Solidi C. 2008. Vol. 5. P. 907-910.

[97] Голант B.E., Жилинский А. П., Сахаров И. Е. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977.

[98] Цендин JI. Д. Нелокальная кинетика электронов в газоразрядной плазме//Успехи физических наук. 2010. Т. 180. С. 139-164.

[99] Кудрявцев А. А., Смирнов А. С., Цендин JI. Д. Физика тлеющего разряда. СПб.: Лань, 2010.