ISSN 0351-9716 MAGNETRONSKA IONSKO-RAZPR[EVALNA ^RPALKA Alenka Vesel, Miran Mozeti~ Institut "Jo`ef Stefan", Odsek za tehnologijo povr{in in optoelektroniko, Jamova 39, 1000 Ljubljana, Slovenija POVZETEK V prispevku prikazujemo konstrukcijo novega tipa ionske-razpr{evalne ~rpalke, ki je sestavljena iz kombinacije Penningovih in magnetronskih celic. Raziskovali smo odvisnost razelektrit-venega toka v novi ~rpalki od delovne napetosti in tlaka. Rezultati so pokazali, da dobimo stabilno razelektritev v obmo~ju med 1·10–8 mbar in 1·10–6 mbar. Pri razmeroma nizki napetosti je odvisnost toka od tlaka linearna, pri vi{ji napetosti pa se karakteristika zlomi pri tlaku okoli 1·10–7 mbar. Magnetron sputter-ion pump ABSTRACT In this contribution we describe a new type of sputter-ion pump that consists of a combination of Penning and magnetron cells. The dependence of discharge current versus the anode voltage and the pressure was investigated. Results showed that a stable discharge was established in the pressure range between 1·10–8 mbar and 1·10–6 mbar. At low voltage the dependence of discharge current versus pressure was linear, while at high voltage the curve broke at the pressure of 1·10–7 mbar. 1 UVOD Za doseganje in vzdr`evanje ultravisokega vakuuma se najve~ uporabljajo ionsko-razpr{evalne ~rpalke.(1,2) Delovanje teh ~rpalk sloni na vzpostavitvi plazovite ionizacije (razelektrenja) med dvema kovinskima elektrodama, med katerima je velika potencialna razlika (nekaj kV). V razelektritvi ob nepro`nih trkih hitrih elektronov z molekulami plina nastajajo pozitivni ioni, ki se v elektri~nem polju pospe{ijo. Ioni z veliko energijo se lahko vrinejo v kovinsko kristalno mre`o katode, kjer ostanejo ujeti, ali pa izbijejo iz nje atome kovine. Izbiti atomi se napr{ijo na povr{ino anode, kjer kemijsko reagirajo s plini. Tako dose`emo ~rpalni u~inek. Za ~rpanje plinov je zato potreben stalen dotok izbitih kovinskih atomov, ki jih dobimo le ob zadostnem obstreljevanju katode z ioni. To pa ion® lahko zagotovimo le, ~e z ustrezno kombinacijo elektri~nega in magnetnega polja podalj{amo poti elektronov in s tem pove~amo verjetnost trka z molekulo plina in nastanka iona. Celice, ki sestavljajo ionsko-razpr{evalne ~rpalke, so zato konstruirane tako, da delujejo kot past za elektrone. Najbolj preprosta oblika celice je Penningova celica (slika 1), ki je sestavljena iz anode v obliki valja. Anoda je na obeh straneh omejena s katodnima plo{~ama, ki sta navadno izdelani iz ~istega titana. Titan se uporablja kot napr{evalni material zaradi izredne sposobnosti vezave plinov v ~vrsto vezane spojine. Velikost Penningove celice je nekaj cm, razdalja med anodnim valjem in katodno plo{~o pa nekaj mm. Celica se nahaja v zunanjem magnetnem polju gostote okoli 0,1 T, ki je vzporedno z osjo anode in tako pravokotno na elektri~no polje. V pre~nem elektri~nem in magnetnem polju se elektroni gibljejo po cikloidah okoli anodne osi.(3,4) Elektron se pribli`a anodi le, ~e tr~i ob molekulo, pri ~emer izgubi kine-ti~no energijo in se pove~a radij njegovega kro`enja. Tako se pove~a mo`nost trka s plinsko molekulo in s tem nastanka iona. S~asoma se v celici ustvari osno simetri~en oblak visokoenergijskih elektronov, katerih prostorski naboj spremeni elektri~no polje v celici tako, da ka`e radialno proti osi in je pravokotno na magnetno polje.(3,5) Magnetronska celica (slika 2) se od Penningove razlikuje po tem, da ima na osi anode dodatno katodno palico, ki povezuje stranski katodni plo{~i. Elektri~no polje v tej celici je tako vseskozi radialno in ni odvisno od vzpostavitve oblaka elektronov kot v Penningovi celici. Razelektritev v magnetronski celici je zato veliko bolj stabilna od navadne Penningove stene črpalke titanovi katodi iV+ •••* V«S v ?/» razpršeni Ti-atonW ~ n tt j•? L%& titanovi katodi Slika 1: Prikaz ~rpanja v Penningovi celici 1 Ti-katoda B smer magnetnega polja ^adsorbirane molekule plina K Slika 2: Prikaz ~rpanja v magnetronski celici 10 VAKUUMIST 23/1 (2003) ISSN 0351-9716 Slika 3: Fotografija povr{ine katod iz ionske ~rpalke. Na sliki so opazna mo~no erodirana podro~ja na katodi (ozna~eno s pu{~ico), zaradi njenega stalnega obstreljevanja. celice, pri nizkih tlakih pa razelektritev tudi hitreje v`ge. Penningova celica ima poleg nestabilnosti(6) in ~asovno zakasnjenega v`iga razelektritve(7) {e druge slabosti v primerjavi z magnetronsko. Ioni, ki nastajajo v razelektritvi in se nato v elektri~nem polju pospe{ijo, trkajo v ozko obmo~je na stranskih katodah (slika 1), medtem ko je druga povr{ina katode popolnoma neizkori{~ena. Na mestu, kjer ioni trkajo v katodo, pride do mo~ne erozije katodnega materiala, zato tam s~asoma nastanejo luknjice (slika 3), in taka katoda postane neuporabna. V magnetronski celici je situacija popolnoma druga~na. V njej poteka obstreljevanje in razpr{evanje osrednje katode po vsej njeni povr{ini, medtem ko na stranskih katodnih plo{~ah pride celo do napr{evanja razpr{enega titana, zato sta lahko le-ti v magnetronski celici opu{~eni, saj nimata takega pomena kot v Penningovi celici. Zaradi stalne erozije katodne palice v magnetronski celici je njena povr{ina veliko bolj ~ista kot povr{ina katod v Pennin-govi celici, kar ugodno vpliva na ~rpanje vodika.(8) Vodik se namre~ ~rpa z difuzijo v notranjost katod, ki je v primeru kontaminirane povr{ine ote`ena.(9,10) Zaradi omenjenih prednosti magnetronskih celic pred Penningovimi in zaradi dejstva, da se na trgu dobijo le navadne Penningove ~rpalke, smo se odlo~ili za konstrukcijo in preizku{anje nove ~rpalke, sestavljene iz magnetronskih celic.(11) Zaradi te`av, ki nastopijo pri natan~ni poravnavi katodne palice z osjo anode,(12) smo se odlo~ili narediti ~rpalko, sestavljeno iz kombinacije Penningovih in magnetronskih celic. 2 KONSTRUKCIJA EKSPERIMENTALNE MAGNETRONSKE IONSKO-RAZPR[EVALNE ^RPALKE Za preu~evanje karakteristik magnetronske ~rpalke smo konstruirali preskusno ~rpalko, ki je bila sestavljena iz 19 celic (slika 3). Ohi{je ~rpalke je bilo narejeno iz nerjavnega jekla debeline 1 mm. Anodni valji so bili narejeni iz 0,5 mm debele folije nerjavnega jekla AISI 314L. Z uporabo tankostenskih materialov smo pridobili pri manj{i masi ~rpalke. Premer anodnih VAKUUMIST 23/1 (2003) valjev je bil 27 mm, dol`ina pa 66 mm. Na ohi{je ~rpalk smo postavili Arnoldove feritne magnete, ki jih je obdajal `elezni jarem, tako da smo v ~rpalki dosegli gostoto magnetnega polja okoli 0,15 T. ^rpalka je bila sestavljena iz 13 Penningovih in 6 magnetronskih celic. Magnetronske celice so vsebovale okrogle titanove katodne palice debeline 3 mm. Stranski titanovi katodni plo{~i sta bili opu{~eni. Namesto tega smo v Penningovih celicah uporabili majhne titanove ~epke ? 3 mm, ki smo jih pri~vrstili na ohi{je ~rpalke na mestu, kjer os anodnih valjev seka ohi{je ~rpalke in kjer poteka najintenzivnej{e razpr{evanje katodnega materiala. Z opustitvijo stranskih katodnih plo{~ se je pove~al razelektritveni volumen celice in zmanj{ala masa ~rpalke. Premer ~rpalke je bil 158 mm. 3 EKSPERIMENT Raziskovali smo odvisnost razelektritvenega toka v novi magnetronski ~rpalki od napetosti in tlaka. ^rpalko smo s prirobnico CF40 namestili na vakuumski sistem, ki je bil ~rpan z ionsko ~rpalko Varian Starcell z nazivno ~rpalno hitrostjo 120 l/s. Za pred-~rpanje smo uporabili turbomolekularno in rotacijsko ~rpalko. Tlak v sistemu smo merili z Bayard-Alperto-vim merilnikom tlaka, sestavo atmosfere pa z masnim spektrometrom. Z njim smo izvajali tudi kontrolo netesnosti. Da bi zmanj{ali razplinjevanje sten in dosegli bolj{i vakuum, smo sistem predhodno pregrevali na 150 °C. Po pregrevanju sistema, ki je potekalo 40 h, smo dosegli kon~ni tlak okoli 5·10–9 mbar. -lafM^ a) b) Slika 4: Shemati~ni prikaz nove ionsko-razpr{evalne ~rpalke, sestavljene iz kombinacije Penningovih in magnetronskih celic: a) stranski ris in b) tloris: 1 – ohi{je ~rpalke, 2 – prirobnica za pritrditev na vakuumski sistem CF40, 3 – anodni valj, 4 – visokonapetostna elektri~na prevodnica, 5 – dr`alo, 6 – katodna palica, 7 – ~epek, 8 – magnet. (11) 11 ISSN 0351-9716 Slika 5: Razelektritveni tok v preskusni ~rpalki v odvisnosti od napetosti. Parameter je tlak v mbar. Residualno atmosfero je pri tem tlaku sestavljal ve~inoma le {e vodik, kar je pokazal masni spektrometer. Tlak v sistemu smo spreminjali z dovajanjem du{ika v sistem skozi precizni dozirni ventil. Spreminjali smo ga v obmo~ju od 1·108 mbar do 1·10–6 mbar. ^rpalko smo z visokonapetostno prevod-nico priklju~ili na napetost, ki smo jo lahko spreminjali od 1 kV do 7 kV. 4 REZULTATI INDISKUSIJA Na sliki 5 prikazujemo odvisnost razelektritvenega toka I od napetosti U na anodi. Krivulje I = I(U) so bile izmerjene pri razli~nih tlakih. Iz slike je razvidno, da tok z napetostjo nara{~a. Pri napetostih, ni`jih od 5 kV, je tok zelo {ibek, nato pa za~ne strmo nara{~ati. Ve~ji razelektritveni tok pomeni mo~nej{e razpr{e-vanje in s tem tudi bolj{o ~rpalno hitrost ~rpalke. ^e `elimo imeti v ~rpalki mo~no razelektritev, potem delovna napetost take ~rpalke ne bi smela biti ni`ja od 5 kV. Povezavo med jakostjo razelektritve I/p in ~rpalno hitrostjo S nam podaja zveza:(13) S=c I-p kjer je p tlak in c konstanta, ki je odvisna od magnetnega polja, napetosti, geometrije celice in vrste plina.(14,15) Za navadno ~rpalko za plin du{ik je konstanta c pri 3 kV enaka 0,07 mbar l / (s A), pri 6 kV pa 0,11 mbar l / (s A).(14) Z upo{tevanjem zgornje ena~be lahko dobimo grobo oceno za ~rpalno hitrost ~rpalke, ki je pri 6 kV okoli 20l/s. S slike 5 je tudi razvidno, da pri vi{jih tlakih te~ejo ve~ji tokovi. Odvisnost toka od tlaka je prikazana na sliki 6. Kot vidimo, tok pri napetostih ni`jih od 5 kV monotono nara{~a s tlakom, pri vi{jih napetostih pa pride na prehodu iz 108 mbar v 107 mbar do spremembe naklona krivulje. 5 SKLEP V prispevku podajamo primerjavo ~rpalke, sestavljene iz Penningovih oziroma magnetronskih 12 100- ¦ 3kV okrog o 4kV okrog. a 5kV okrog. ? 6kV okrog. 10 1 1 0.1 I--------------------------1--------------------------1--------------------------1--------------------------1 1E-09 1E-08 1E-07 1E-06 1E-05 p/mbar Slika 6: Odvisnost toka od tlaka v preskusni ~rpalki. Parameter je anodna napetost. celic. Magnetronske celice imajo dolo~ene prednosti pred klasi~nimi Penningovimi, kot so stabilna razelektritev, ve~ji razelektritveni tok in ve~ja povr{ina katode, izpostavljene razelektritvi, kar ugodno vpliva na njene ~rpalne lastnosti. Kot so pokazale preliminarne raziskave, lahko tako ~rpalko uporabimo za ~rpanje UVV-sistemov. Na osnovi sedanjih rezultatov nameravamo v nadaljevanju izmeriti ~rpalno hitrost preskusne ~rpalke, sestavljene iz kombinacije Penningovih in magnetronskih celic, in jo primerjati s ~rpalno hitrostjo navadne Penningove ~rpalke. V pripravi so tudi magnetronske ~rpalke z razli~nimi oblikami katodnih palic. ZAHVALA Raziskave je financiralo Ministrstvo za {olstvo, znanost in {port v okviru projekta {t. L2-4484. Zahvaljujemo se tudi podjetju Vacutech, d. o. o. za izdelavo preskusne ~rpalke. 6 LITERATURA 1VARIAN, Varian Vacuum Products, The Complete Solution To All Ion Pumping Needs, Varian SpA, Torino, 1993 2J. M. Lafferty, Foundations of Vacuum Science and Technology, Wiley, New York, 1998 3R. L. Jepsen, Appl. Phys. 32 (1961), 2619-2626 4P. A. Redhead, Can. J. Phys. 36 (1958), 255-270 5W. Knauer, M. A. Lutz, Appl. Phys. Lett. 2 (1963), 109-111 6W. Schuurman, Investigation of a Low Pressure Penning Discharge, Ph. D. Thesis, Rotterdam, (1966) 7R. N. Peacock, N. T. Peacock, D. S. Hauschulz, J. Vac. Sci. Technol. A9 (1991) 1978-1985 8M. Mozeti~, B. Pra~ek, A. Pregelj, B. Zorko, Kovine, zlitine, tehnologije 33 (1999), 1-2, 161-163 9J. H. Singleton, J. Vac. Sci. Technol. 6 (1969), 2, 316-321 10J. H. Singleton, J. Vac. Sci. Technol. 8 (1971), 1, 275-282 11A. Vesel, M. Mozeti~, SI patent, No. 20840 A2, (2002) 12H. Hartwig, J. S. Kouptsidis, J. Vac. Sci. Technol. 11 (1974), 1154-1159 13M. Pierini, J. Vac. Sci. Technol. A2(2) (1984), 195-197 14H. Hartwig, J. S. Kouptsidis, J. Vac. Sci. Technol. 11 (1974), 1154-1159 15W. Ho, R. K. Wang, T. P. Keng, J. Vac. Sci. Technol. 20 (1982), 1010-1013 VAKUUMIST 23/1 (2003)