Investigațiile preliminare referitoare la caracterizarea sistemului HIPIMS au avut în vedere obiectivele principale ale proiectului și anume:
i) rolul câmpului magnetic suplimentar care acționează asupra unui sistem magnetron circular plan. Lucrări de simulare și modelare a descărcării magnetron
ii) proiectarea și realizarea unor configurații preliminare de câmp magnetic exterior pentru optimizarea regimului de pulverizare și depunere de straturi subțiri. Caracterizarea parametrilor plasmei obținute în descărcări magnetron în prezența câmpurilor magnetice adiționale.
iii) depunerea unor straturi subțiri metalice în sistem magnetron și câmp magnetic suplimentar
I.1.1. Rolul câmpului magnetic suplimentar care acționează asupra unui sistem magnetron circular plan. Lucrări de simulare și modelare a descărcării magnetron.
Pentru a obține informațiile necesare stabilirii rolului câmpului magnetic suplimentar, ca mijloc de îmbunătățire a proprietăților fizice ale straturilor subțiri depuse prin tehnologia megnetronului pulsat de mare putere, precum și a creșterii performanțelor tehnice ale acestor instalații și diminuare a pierderilor de material, în laboratoarele instituției coordonatoare au fost continuate studiile bibliografice în care au fost analizate rezultatele existente în literatura de specialitate și au fost realizate simulări și modelări care să conducă la stabilirea parametrilor pentru realizarea instalației de laborator și trecerea la experimentările preliminare.
Analiza bibliografică a avut în vedere o parte dintre monografiile existente [1-4], ultimul articol științific de sinteză în domeniu [5] și numeroase alte articole de specialitate în domeniul studiat din care prezentăm doar o selecție [6-20].
Modelarea numerică a descărcării magnetron
Pentru modelarea numerică a descărcării magnetron s-a folosit un cod de tip Particle-In-Cell Monte Carlo Collisions (PIC-MCC). Codul este scris pentru un sistem de coordonate cartezian. Axa x este paralelă cu catodul (cunoscut şi sub numele de ţintă), axa z fiind perpendiculară pe catod. Câmpurile electric şi magnetic au componente doar în planul (x,z). Se consideră că parametrii plasmei nu variază după axa y, motiv pentru care tratarea problemei după această axă poate fi neglijată, rezultând un cod 2D (tratare spaţială în două dimensiuni). O astfel de configuraţie corespunde unei ţinte magnetron rectangulare, având lungimea (orientată după axa y) mult mai mare decât lăţimea (orientată după axa x). În cod poate fi urmărit atât comportamentul particulelor încărcate cu sarcini electrice (electroni şi ioni pozitivi) precum şi distribuţiile spaţio-temporale ale parametrilor plasmei (potenţial electric, câmp electric, densitatea particulelor încărcate cu sarcini electrice, energia particulelor, etc) în întregul domeniu de simulare. Atât electronii cât şi ionii suferă ciocniri cu atomii neutri.
În figura 1 este prezentată forma pulsului de tensiune aplicată la catod pentru care s-a realizat simularea numerică. S-a considerat o sursă de tensiune cu preionizare, astfel încât la începutul pulsului pe catod este aplicată deja o tensiune de -300 V. Tensiunea maximă aplicată este de -600 V şi durata pulsului de 5 µs. Gazul de lucru este argon, la o presiune de 5 mtorr.
Fig.1. Evoluţia temporală a tensiunii aplicate pe catodul descărcării pe durata unui puls
În figura 2 sunt reprezentate, comparativ, distribuţiile axiale (după axă z) ale parametrilor plasmei (potenţial, densitate electronică şi ionică) în cazul unei descărcări magnetron de curent continuu (figura 2a) având tensiunea de -320 V pe catod şi în cazul HIPIMS (figura 2b) pentru tensiunea de -600 V pe catod, la momentul 1,5 µs de la începutul pulsului. Poziţia pe axa x pentru care s-a făcut reprezentarea corespunde zonei de maximă pulverizare a ţintei (race-track) şi are valoarea x = 9,3 mm faţă de axul descărcării. Valoarea inducţiei câmpului magnetic a fost de asemenea reprezentată pentru o mai bună corelare a rezultatelor.
 |
 |
| (a) curent continuu | (b) HIPIMS |
Fig.2. Distribuţia axială a potenţialului (V), densităţii electronilor (ne) şi a ionilor (ni) la x = 9,3 mm, pentru descărcările magnetron de curent continuu (a) şi HIPIMS (b)
În ambele cazuri (figura 2a şi b) se constată că descărcarea poate fi împărţită axial în două zone, limita fiind la aproximativ z = 7,5 mm de catod. Zona I, z < 7,5 mm, corespunde luminii negative, caracterizată de o densitate ridicată a plasmei şi de un câmp electric diferit de zero. În acelaşi timp, aceasta este şi zona în care inducţia câmpului magnetic are valori suficient de ridicate pentru a permite confinarea electronilor. Zona II, z > 7,5 mm, prezintă o densitate a plasmei cu un ordin de mărime mai mică decât prima zonă, iar câmpurile electric şi magnetic sunt foarte slabe. Căderea catodică este mai îngustă pe măsură ce creşte tensiunea aplicată pe catod şi, implicit, densitatea particulelor încărcate, fiind limitată la 1-2 mm. Rezultatele ilustrate în figura 2 au condus la studierea funcţiei de distribuţie a electronilor (EEDF) separat pe cele două zone diferite ale plasmei.
 |
 |
| (a) curent continuu | (b) HIPIMS |
Fig.3. Funcţia de distribuţie a electronilor mediată pe întreg volumul descărcării şi separat pe cele două zone diferite ale plasmei, pentru descărcările magnetron (a) de curent continuu şi (b) HIPIMS
În figura 3 sunt reprezentate funcţiile de distribuţie ale electronilor mediate fie pe întreg volumul descărcării fie pe cele două zone diferite ale plasmei, în cazul descărcării magnetron de curent continuu şi HIPIMS. Se observă că zona I a descărcării este caracterizată printr-o funcţie de distribuţie a electronilor sărăcită de electroni lenţi dar cu o fracţie importantă de electroni rapizi cu energii peste 100 eV. Zona II a descărcării este populată cu electroni de energii mici, în schimb fracţia de electroni rapizi cu energii peste 150 eV este foarte mică. Aceste rezultate demonstrează că particulele încărcate cu sarcini electrice sunt produse preponderent în zona I a descărcării de către electronii cu energii mari, capabili să realizeze cionciri de ionizare. Aceşti electroni sunt în principal electronii secundari emişi de la catod prin bombardament ionic, ce îşi câştigă energia în câmpul electric intens din căderea catodică (Fig.2). Zona II a descărcării este în principal o zonă de termalizare a electronilor şi difuzie a lor către anod.
 |
 |
| (a) curent continuu | (b) HIPIMS |
Fig.4. Funcţia de distribuţie a ionilor Ar+ mediată pe întreg volumul descărcării şi separat pe cele două zone diferite ale plasmei, pentru: (a) descărcările magnetron de curent continuu şi (b)HIPIMS
Analog figurii 3, în figura 4 sunt reprezentate funcţiile de distribuţie ale ionilor de argon Ar+ mediate fie pe întreg volumul descărcării fie pe cele două zone diferite ale plasmei, în cazul descărcării magnetron de curent continuu şi HIPIMS. Se constată că, în zona II (z > 7,5 mm), majoritatea ionilor au energii mici, acestea nedepăşind 30-35 eV. În zona I numărul ionilor cu energii mici scade dar regăsim în schimb ioni cu energii mari câştigate prin accelerare în căderea catodică. Diferenţa dintre descărcarea magnetron de curent continuu şi HIPIMS se observă în principal la funcţia de distribuţie din zona I. Acest ultim rezultat privind funcţia de distribuţie a ionilor a permis alegerea domeniului de valori pentru inducţia unui câmp magnetic axial ce poate fi aplicat suplimentar pentru traparea ionilor şi dirijarea lor controlată spre substrat în vederea îmbunătăţirii procesului de depunere a straturilor subţiri.
Mai mult, trebuie precizat faptul că, aceste rezultate obținute prin simulare numerică sunt compatibile cu rezultatele raportate în măsurătorile experimentale obținute în studiile realizate, de-a lungul timpului, în laborator și raportate deja în mai multe lucrări științifice publicate în jurnale specializate recunoscute [22-27] și citate deja de comunitatea științifică internațioanlă.
Fig. 5. Valorile energiilor atomilor materialelor pulverizate în descărcările magnetron în regim de descărcare în regim continu și respectiv HIPIMS
În aceste măsuratori au fost puse în evidență prezența electronilor termici și respectiv a electronilor energetici cu energii comparabile căderii catodice [22] și respectiv prezența atomilor, și respectiv ionilor, speciilor pulverizate din catod cu distribuții ale vitezelor în domeniul 0.5×103 – 6×103 m/s [23-27], viteze care, după cum se poate constata din diagrama prezentă în figura 5, corespund unor energii ale atomilor de cel mult 60 eV, pentru toate materialele țintelor propuse a fi studiate în acest proiect (Al, Ti, Ni, Cu, și W). Pentru a stabili domeniul valorilor inducției câmpului magnetic care ar avea ca efect confinarea particulelor încărcate electric, electroni și ioni, în volumul dintre catod (țintă) și substratul pe care are loc depunerea materialului pulverizat și a diminua pierderile acestora spre anodul descărcării s-a ținut seama de valorile energiilor particulelor prezentate mai sus pentru a fi calculate valorile razelor Larmor rc:
rc = mv/eB
în care m și e sunt masa, respectiv sarcina electrică a electronului sau ionului ce se mișcă în câmpul magnetic de inducție B după direcție perpendiculară liniilor de câmp. În Figura 6 sunt prezentate valorile razelor Larmor pentru electroni (a) și respectiv a ionilor de cuprul (b) funcție de energiile lor cinentice având ca parametru valoarea inducției câmpului magnetic B.
 |
 |
| (a) | (b) |
Fig.6. Valorile razelor Larmor pentru electroni (a) și respectiv ioni de cupru (b) funcție de energia loc cinetică având ca parametru vavloarea inducției cîmpului magnetic specificată.
Examinând rezultatele prezentate și respectiv dimensiunile geometrice ale incintei (raza 7,5 cm), a catodului descărcării (2,8 cm) și respectiv a distanței catod-substrat (sub 10 cm) s-a ajuns la concluzia că trebuie să fie luate în considerare sisteme capabile să producă câmpuri magnetice suplimentare cu inducții cuprinse în domeniul a 102 Gauss.
Modificarea configuraţiei capcanei magnetice din faţa catodului la aplicarea unui câmp magnetic suplimentar
La aplicarea unui câmp magnetic suplimentar, orientat axial (paralel cu axa z), capcana magnetică din faţa catodului suferă modificările ilustrate în figura 7. Pentru a obţine o hartă vectorială cât mai clară modulul oricărui vector din figura 1 este egal cu 3*ln(B), unde B reprezintă inducţia câmpului magnetic în punctul în care este reprezentat vectorul. Cele trei hărţi vectoriale diferă prin valoarea inducţiei câmpului magnetic suplimentar, respectiv Be = -200, 0 şi +200 G. În cazul de faţă avem de a face cu un catod magnetron balansat (Fig.7b). Noţiunea de magnetron balansat se referă aici în special la faptul că liniile de câmp magnetic ce pornesc din magnetul central se închid în principal la catod şi nu la pereţii incintei. Magnetul central al catodului are polul N orientat în sensul pozitiv al axei z şi magnetul exterior are polul S orientat în acelaşi sens. În plus, inducţia câmpului magnetic este mai mare la suprafaţa magnetului central faţă de cel exterior. Aplicarea unui câmp magnetic suplimentar de -200 G (Fig.7a) slăbeşte inducţia câmpului magnetic creat de magnetul central şi o întăreşte pe cea a câmpului magnetic creat de magnetul exterior, creând o capcană magnetică mai echilibrată în faţa catodului. Acest fapt ar putea duce la o confinare mai bună a plasmei şi, implicit, la obţinerea unei plasme cu densitate mai mare. Lucrurile se petrec exact invers la aplicarea unui câmp magnetic suplimentar de +200 G (Fig.7b). Câmpul suplimentar mărește inducţia câmpului magnetic creat de magnetul central şi o diminuează pe cea a câmpului magnetic creat de magnetul exterior, ducând la dezechilibrarea puternică a capcanei magnetice. Efectul principal în acest caz este deconfinarea plasmei ce poate duce, la valori mari ale câmpului magnetic suplimentar, chiar la stingerea descărcării.
 |
 |
 |
| (a) Be = -200 G | (b) Be = 0 G | (c) Be = +200 G |
Fig.7. Influenţa câmpului magnetic suplimentar Be asupra configuraţiei capcanei magnetice din faţa catodului
În concluzie, prezenţa unui câmp magnetic axial suplimentar, care este orientat în aceaşi sens cu câmpul creat de magnetul central (Fig.7c), debalansează configuraţia capcanei magnetice fiind, în general, un caz nerecomandat pentru depunerea de straturi subţiri. Pe de altă parte, în cazul unui magnetron nebalansat cu un câmp magnetic de inducție mare în zona centrală, prezenţa unui câmp magnetic axial suplimentar, orientat în sens invers câmpului creat de magnetul central (Fig.7a), poate determina o modificare în sensul diminuării dezechlibrului și apropierea de regimul magnetronului balansat proces însoțit de creșterea eficienței regimului de pulverizare. Rezultatele experimentale preliminare arată că acest mod de compensare a debalansării poate fi esențială în procesul de confinare a particulelor și la creșterea substanțială nu numai a randmanetului procesului de pulverizare-depunere pe substrat cât mai ales în creșterea calităților fizice ale straturilor subțiri depuse.
I.1.2. Proiectarea și realizarea unor configurații preliminare de câmp magnetic exterior pentru optimizarea regimului de pulverizare și depunere de straturi subțiri. Caracterizarea parametrilor plasmei obținute în descărcări magnetron în prezenta câmpurilor magnetice adiționale.
Descrierea instalațiilor, tehnicilor și metodelor experimentale
Pentru realizarea lucrărilor experimentale planificate în cadrul proiectului, laboratorul de fizica plasmei din Universitatea Alexandru Ioan Cuza, ca instituție coordonatoare, a pus la dispoziția colectivului una dintre instalațiile magnetron existente în laborator. Schema de principiu a acestei instalații este prezentata in figura 8. Aceasta este echipată cu un sistem de pompare alcătuit dintr-o pompă preliminară uscată (PVP) și o pompă turbomoleculară (PT) care asigură o presiune limită inferioară de cel puțin 10-7 Torr. Incinta tehnologică este un cilindru din oțel inoxidabil cu diametrul de 15 cm și o lungime de 35 cm la care sunt sudate patru porturi laterale, dipuse în cruce, prin care au acces sistemul de pompare și sistemele de diagnoză electrică, optică și spectrală a plasmei. Gazul de lucru este argonul (Ar). Acesta este introdus prin flanșa de bază prin care este introdus și catodul descărcării. Catodul descărcării este un sistem magnetron plan circular cu răcire indirecta [1-4], pe care pot fi montate ținte cu un diametru de 56 mm. Câmpul magnetic este nebalansat [8] având o inducție, măsurată la suprafața piesei polare centrale, de 2900 Gauss iar la suprafața piesei polare exterioare de numai 300 Gauss. În studiile efectuate, în acestă fază a proiectului, au fost folosite, cu deosebire, ținte din cupru (Cu) dar vor fi raportate și rezultate obițnute cu ținte din aluminiu, titan, nichel, wolfram și calcogenuri.
Fig.8. Schema bloc a instalatiei experimentale
Incinta tehnologică a jucat rolul anodului descărcării și a constituit masa electrică a instalației. Deoarece studiile au avut în vedere o analiză comparativă a regimurilor între catod și anod au fost utilizate doua surse de tensiune pentru producerea descărcării, o sursa de curent continuu (3500 V și maximum 0.5 A) , respectiv o sursa pulsata de putere (1000 V, max 100 A) cu o durată a pulsului reglabilă între 1 μs si maximum 50 μs și o frecvență a pulsurilor cuprinsă intre 50 Hz și 10 kHz. Descărcarea a fost produsă în flux constat de argon într-un domeniu de presiune cuprins între 3 mTorr si 50 mTorr.
Materialul pulverizat de catod putea fi depus pe un substrat plan așezat paralel cu ținta într-o poziție fixă. Distanța dintre catod și substrat a putut fi modificată de la circa 2 cm la peste 10 cm prin deplasarea catodului descărcării. Un parametru foarte important urmărit în studiile întreprinse a fost fluxul de ioni la nivelul substratului. Acest parametru permite evaluarea gradului de ionizare a plasmei, respectiv a atomilor pulverizați din țintă. Mai mult, s-a avut în vedere monitorizarea distribuției acestui flux de ioni pe suprafața substratului în scopul stabiliri parametrilor de lucru în care acesată distribuție poate fi cât mai uniformă. In acest scop, la nivelul substratului a fost așezat un sistem de măsură format din 8 electrozi circulari (inele) plasați coaxial și coplanar ca in figura 8. Fiecare electrod a fost suspendat în așa fel încât acesta poate fi polarizat independent și prin care se asigură faptul că circulă un curent a cărui intensitate este măsurată separat. Sistemul de prindere a electrozilor a fost realizat în așa fel încât a fost exclusă contaminarea conexiunilor spre exteriorul incintei tehnologice și scurtcicuitarea legăturilor electrice. Măsurarea intensităților curenților prin sistemul format de cei 8 electrozi a fost realizată printr-un sistem care a permis înregistrarea simultana a acestora, atât în regim staționar de funcționare a descărcării magnetron, cât și în cazul descărcărilor în regim pulsat. Pentru a măsura şi stoca, pe un calculator, semnalele electrice provenite de la cei 8 electrozi este utilizat un sistem de achiziţii de date National Instruments. Acesta este format din 8 plăci de achiziţii de date model NI PXI-6133 – 64MSamples, 8 blocuri de conectori de tip TB-2709 (conexiuni BNC), un controller de tip NI PXI-8105 şi un şasiu (rac) de tip NI PXI-1044 care permit măsurarea simultană a unui număr de până la 64 de semnale. Pentru a comanda sistemul de achiziţii de date s-a folosit limbajul de programare LabView (National Instruments). Sistemul permite achiziţionarea simultană a celor 64 de semnale analogice, cu o viteză maximă de achiziţie de 1 MSample/secunda/canal şi rezoluţie pe 14 biţi. Sistemul permite achiziţionarea simultană a semnalelor electrice provenite de la cei 8 electrozi cu o rezoluţie temporală maximă de o microsecundă.
Pentru a studia influența câmpului magnetic asupra plasmei și particulelor încărcate dintr-o descărcare magnetron pot fi luate în considerare mai multe tipuri de sisteme de producere a câmpului magentic, funcție de criteriile tehnice și tehnologice luate în discuție. Astfel, un prim criteriu ar fi legat de natura câmpului magnetic. În acest caz pot fi luate în considerare două sisteme, unul creat de bobine prin care circulă un curent electric și un al doilea sistem creat de magneți permananți. Primul sistem prezintă dezavantajul unui consum energetic suplimentar datorat pierderilor ohmice pe rezistența electrică a bobinelor dar are avantajul controlului valorii inducției câmpului magentic într-o plaja relativ mare și continuă de valori. Acest lucru asigură și o flexibilitate mai mare a sistemului, perimțând atât controlul riguros al acestui parametru cât și adaptarea lui la o clasă mare de materiale pulverizate în sistem, și care ar cere modificarea valorilor inducției câmpului magnetic funcție de masa atomilor sau ionilor pulverizați. Cel de al doilea sistem poate fi mai economic dar are marele dezavantaj că nu oferă posibilitatea producerii de câmpuri magnetice statice și de valori fixe sau, cel mult, ușor variabile funcție de diferitele sisteme mecanice de modificare a configurațiilor de fixare a pieselor polare.
O altă clasificare a sistemelor posibile de luat în seamă este cea legată de dispunerea sistemelor de producere a câmpurilor magnetice: în interiorul sau în exteriorul incintei tehnologice. În această fază a studiilor, datorită relativei simplități a soluției și din motive evidente legate de posibilitatea începerii imediate a cercetărilor, a fost luată decizia de a folosi sistemul cu dispunere exterioară a componentelor de producere a câmpului magnetic. Mai mult, a fost luată decizia ca să fie utilizate bobine pentru producerea câmpurilor magntice care să perimtă realizarea unor câmpuri statice de diferite valori și în diferite configurații care vor fi prezentate în acest raport.
Astfel, în această primă fază a proiectului s-a stabilit ca studiile referitoare la rolul unui câmp magnetic suplimentar asupra descărcării magnetron să fie realizate în instalația prezentată mai sus folosind un câmp magnetic suplimentar stationar realizat de un sistem de două bobine așezate coaxial în exteriorul incintei tehnologice ca in figura 8. O bobină a fost așezată în regiunea catodului descărcării (Bj). Aceasta putea fi deplasata vertical, dealungul axului incintei tehnologice, pe o distanță de cel mult 10 cm. Această bobină produce o inducție a câmpului magnetic, în centrul ei, de circa 30 gauss/amper și o inducție maximă de 450 gauss pentru o durată de cel mult 5 minute, fără a necesita o răcire suplimentară. Cea de a doua bobină (Bs) a fost așezată într-o poziție fixă în regiunea substratului pe care are loc depunerea materialului pulverizat de țintă. Această bobină poate produce un câmp magnetic a cărei inducție, în centrul bobinei, este de 10 gauss/amper.
Pe lângă măsurătorile efectuate asupra fluxului de particule, încărcate electric (ioni sau electroni) și care ajung la nivelul substratului, au fost efectuate și alte măsurători optice și spectrate. Asfel, au fost obținute imagini ale descărcărilor magnetron, produse în diferite regimuri de funcționare, folosind o cameră digitală, respectiv o cameră de fotografiere ultra-rapidă. Au fost urmărite variațiile temporale ale intensităților liniilor spectrale ale atomilor neutri și respectiv ale ionilor de argon și ale materialelor țintelor. Au fost instalate sistemele pentru efectuarea măsurătorilor de absorbție atomică (DL-AA) și respectiv fluorescența indusă laser (DL-FIL) folosind două sisteme cu rezoluții spectrale diferite (Figura 9). Un sistem TOPTICA DL100 echipat cu diode laser cu o lărgire a liniei spectrale de ordinul a 10 MHz și care, funcție de dioda laser, poate scana domenii spectrale de ordinul a 10 pm dar pentru linii spectrale bine determinate și limitate ca număr. Cel de al doilea sistem folosește un laser acordabil cu o lărgire a liniei spectrale de ordinul a 2 pm dar care are avantajul scanării întregului domeniu spectral cuprins între 230 si 1300 nm.
Fig.9. Sistemul de măsurare a parametrilor plasmei folosind absorția radiației laser (DL-AA) si respectiv fluorescența indusă laser (DL-FIL)
Caracterizarea plasmei magnetron și a fluxurilor de particule pulverizate în prezența unui câmp magntic suplimentar creat de o bobină așezată în vecinătatea catodului descărcării magnetron
Avand în vedere faptul că obiectivul principal al proiectului consta în creșterea performanțelor magnetronului pulsat și diminuarea fluxului de particule pulverizate spre pereții incintei, studiile au constat în efectuarea măsurătorilor în comparație a descărcărilor fără acțiunea câmpului magnetic exterior și respectiv în prezența acestuia. Unele studii au fost efectuate pentru descărcari în regim continuu iar altele și în regim pulsat de mare putere.
În această serie de măsurători a fost utilizată bobina aflată în regiunea catodului descărcării (Bobina Bj în Fig.8) pentru a putea evidenția modul în care acțiunea câmpului magnetic creat de aceasta schimbă regimul de funcționare a magnetronului, mai ales la nivelul zonei de pulverizare. La acest nivel câmpul magnetic extern va acționa asupra a trei componente: i) modificarea regimului de echilibrare – dezechilibrare a magnetronului, ii) asupra electronilor energetici primari și iii) asupra ionilor, îndeosebi a celor de energie joasă provenți din ionizarea atomilor pulverizați de la catod.
Toate aceste efecte pot fi observate prin urmărirea imaginilor fotografice ale descărcării după o direcție perpendiculară pe axa sistemului la nivelul planului catodului. Aceste imagini conțin informații asupra densității speciilor excitate din sistem, aceste specii fiind dependente de densitatea electronilor energetici, care produc aceste porcese de excitare, și de concentrația atomilor metalici pulverizați din catod, datorită potențialelor lor mai mici de excitare în raport cu concetrația atomilor de argon.
În completarea rezultatelor, obținute prin simularea distrubuției liniilor de câmp magnetic din vecinătatea catodului în prezența unui câmp magnetic suplimentar și prezentate în Fig.7, în Fig. 10 sunt prezentate imaginile obținute prin fotografiere, a descărcărilor obținute în curent continuu cu instalația prezentată în Fig. 8.
 |
 |
| (a) | (b) |
Fig.10 Imaginile laterale ale descăcărilor magnetron în curent continuu I = 150 mA, argon p = 10 mTorr, țintă din wolfram și câmp magnetic exterior suplimentar de inducție (a) B=0 Gauss, (b) B=300 Gauss
Un rezultat edificator este acela prin care se constată că, utilizarea câmpului magnetic suplimantar poate conduce descărcarea magnetron în două regimuri distincte funcție de sensul liniilor de câmp. Direcția liniilor de câmp extern este perpendiculară pe suprafața catodului și ca urmare, la nivelul țintei inducția câmpului magnetic poate avea două situații distincte. O primă stare în care, la nivelul axului sistemului, la câmpul magnetic permanent al magnetronului (de inducție 2900 Gauss) câmpul magnetic exterior (de inducție 300 Gauss) se scade, sau se adugă, funcție de sensul curentului prin bobina exterioară. În primul caz magnetronul are o tendință spre echilibrarea sistemului magnetic și optimizarea regimului de funcționare a acestuia. Acest lucru este confirmat de imagininle din Fig.10 în care este evidentă creșterea gradului de excitare a atomilor din sistem, în prezența câmpului magnetic extern (Fig.10 b) față de intensitatea descărcării în absența câmpului magnetic exterior (Fig.10 a). Mai mult, la inversarea sensului curentului prin bobina sistemului și inversarea sensului câmpului magnetic exterior Bj așa încât se accentuează dezechilibrul din sistem, descărcarea magnetron nici nu se mai poate aprinde. Aceste efecte sunt încă mai accentuate la funcționarea în impuls și la densitatăți mari ale speciilor excitate ale plasmei așa cum rezultă din imaginile similare prezentate în Fig. 11.
 |
 |
| (a) | (b) |
Fig.11. Imaginile laterale ale descăcărilor magnetron in curent continuu I = 25A și o durată a pulsului de 50 μs, argon p = 10 mTorr, țintă din wolfram și câmp magnetic exterior suplimentar de inducție (a) B=0Gauss, (b) B=300 Gauss
O altă informație globală, asupra influenței unui câmp magnetic exterior asupra descărcării magnetron se poate urmări în variațile temporale relative ale intensităților curenților de descărcare pentru un regim pulsat de mare putere. Astfel, în Fig.12 sunt prezentate variațiile intensităților curenților de descărcare, în cele două regimuri de funcționare, în absența (Fig.12 a) și respectiv prezența câmpului magnetic adițional extern în regiunea catodului descărcării (Fig.12b). Din aceste variații rezultă, pe de o parte că, prezența câmpului câmpului magnetic extern face ca aprinderea descărcării să nu mai depindă de presiunea gazului de lucru și că, de asemenea, valorile intensităților maxime ale curenților de descărcare cresc mult mai puțin cu creșterea presiunii gazului. Ambele observații pot fi explicate printr-un element, menționat deja, prin care am arătat că acțiunea câmpului magnetic extern determină funcționarea magnetronului spre un regim optim dat de deplasarea spre regimul echilibrat al structurii de câmp magnetic.
 |
 |
| (a) | (b) |
Fig.12. Intensitățile curenților unei descărcări magnetron pulsat produsă în argon și țintă din aluminiu, pentru un câmp magnetic adițional de inducție (a) B= 0 Gauss și (b) B= 180 Gauss. Presiunea argonului ca paramentru
Pentru aceleași domenii de valori ale parametrilor, caracteristici condițiilor experimentale în care au fost efectuate aceste studii, au fost măsurate intensitățile curențior ionici culeși de electrozii prezentați în Fig. 7 pentru o polarizare de -100 V a acestora. În aceste condiții se poate constata că prezența câmpului magnetic suplimantar are ca rezultat creșterea valorii densității fluxului de ioni în regiunea axială a descărcării, atât cu creșterea inducției câmpului magnetic cât și cu presiunea argonului. Această creștere poate fi de peste un odin de mărime pentru o inducție a câmpului magnetic suplimentar de numai 300 Gauss. Se confirmă rezultatul experimental raportat recent în literatura de specialitate [21,28], care arată că, acest flux ionic are o evoluție temporală care arată prezența așa numitului „vânt” ionic. Acest fenomen este determinat de particulele pulverizate de la catod și care produce o presiune asupra gazului buffer și care poate fi urmărit prin primul maxim al curentului ionic, acesta fiind urmat de al doilea maxim relativ, determinat de ionii proveniți din ionizarea atomilor pulverizați. Dinamica celor două grupe de ioni este diferită și depinde de durata pulsului de mare putere și de natura atomilor țintei.
 |
 |
| (a) | (b) |
Fig. 13. Intensitățile curenților ionici măsurați de electrodul central montat în planul substartului la 9 cm de catodul (Cu) descărcării magnetrn în impuls de mare putere pentru două presiuni diferite ale argonului și diferitee valori ale inducției câmpului magnetic adițional
Acest model este confirmat de măsurătorile spectrale prin care s-a urmărit evoluția intensității liniilor spectrale ale gazului buffer (argon) și respectiv a metalului pulverizat.
 |
 |
| (a) | (b) |
Fig.14. (a) Evoluția temporală a intensității curentului de descărcare, a intensității curentului ionic la nivelul substratului și a intensităților liniilor spectrale ale argonului și cuprului în prezența câmpului magnetic suplimentar B=180 Gauss, (b)variația temporală a intensității unei linii spectrale a argonului pentru diferite inducții al câmpului magnetic suplimemntar, p=3 Torr.
Rezultatele experimentale arată că, întradevar, primul maxim al intensității curentului ionic la nivelul substratului se înregistrează la același moment cu maximul intensității liniei spectrale a argonului ceea ce confirmă procesul de comprimare a acestuia. Ceea ce nu se mai confirmă este prezența celui de al doilea maxim al curentului ionic care se înregistrează mult după manifestarea maximului dat de curentul ionilor de argon și care nu mai poate fi regăsit în variația intensității liniei spectrale ale metalului pulverizat, în cazul de față a cuprului. Intensitatea liniei spectrale a cuprului scade mult mai repede decât intensitatea liniei spectrale a argonului și respectiv a intensității curentului ionic măsurat de electrodul plasat la nivelul substratului.
I.1.3. Depunerea unor straturi subțiri metalice în sistem magnetron și camp magnetic suplimentar
Principala aplicație a proiectului îl constituie desigur depunerea straturilor subțiri. Se urmărește creșterea ratei de depunere, a diminuării pierderilor de material în direcția radială și creșterea calității straturilor depuse. Într-o serie de alte experiențe au fost efectuate depuneri de straturi subțiri metalice urmărind efectul câmpului magnetic exterior asupra: i) uniformității depunerii, ii) rata depunerii și respectiv iii) calitatea straturilor subțiri depuse. Rezultatele experimentale obținute sunt prezentate în figura 15, pentru depuneri de straturi subțiri din cupru.
 |
 |
 |
| (a) | (b) | (c) |
Fig.15. Proprietățile starturilor subțiri depuse în descărcarea magnetron cu țintă din wolfram (a) și respectiv nichel în absența unui câmp magnetic exterior (b) și în prezența acestuia B= 225 Gauss (c).
Se constată că prezența câmpului magnetic extern nu are nicio influență semnificativă asupra grosimii și uniformității stratului depus într-o descărcare magnetron în curent continuu (Fig.15 a). În timp ce, în cazul descărcării în impuls de putere, grosimea stratului depus, și implicit rata de depunere, la aceeași putere medie disipată pe descărcare, este de doar 75% din valorile obținute în regim continuu, în absența cîmpului magnetic extern și de circa 85% în cazul prezenței câmpului magnetic exterior. Dar, datorită bombardamentului ionic, intens prezent în cazul prezenței câmpului magnetic extern, se obțin straturi subțiri dense din nichel și cu rugozitate mult mai mică (Fig. 15 c) față de straturile obținute în absența câmpului magnetic.