Diagnostika a modelování vysokovýkonových pulzních magnetronových výbojů

Ing. Jan LAZAR

Doctoral thesis

Diagnostics and modeling of high-power impulse magnetron sputtering discharges

Abstract:

Vysokovýkonové pulzní magnetronové naprašování (HiPIMS) přitahuje v posledních letech značnou pozornost odborné veřejnosti. Oproti konvenčním systémům používaným k pulznímu magnetronovému naprašování jsou při HiPIMS depozicích na terč magnetronu přiváděny napěťové pulsy které (i) způsobují vysoké nominální výkonové hustoty na terči (v řádech kWcm-2), (ii) mají nízkou střídu (obvykle do 10%) a (iii) relativně nízkou opakovací frekvenci (50 Hz-10 kHz). Tato disertační práce je zaměřena na diagnostiku, řízení a modelování výbojového plazmatu vytvářeného při HiPIMS depozičních procesech. Časově nerozlišená energiová spektra toků iontů byla zkoumána hmotnostním spektrometrem. V práci je prezentována metodologie (i) měření, (ii) kalibrace a (iii) interpretace energiově rozlišených spekter jednou a vícenásobně ionizovaných částic. K HiPIMS depozicím zirkonových vrstev a vrstev oxidů zirkonu byl použit zirkonový terč o průměru 100 mm osazený na nevyvážený magnetron. Substrát byl umístěn ve vzdálenosti 100 mm od terče, opakovací frekvence pulzů byla 500 Hz. Zirkonové vrstvy byly deponovány v argonové atmosféře o tlaku 1 Pa. Toky iontů byly měřeny hmotnostním spektrometrem ve vzdálenostech 70 mm, 100 mm a 200 mm od terče. Při zachování průměrné výkonové hustoty (100 Wcm-2) na terči vedlo zkrácení pulzů (střída snížena z 10% na 4%) ke zvýšení průměrné výkonové hustoty v pulzu z 0.97 kWcm-2 na 2,22 kWcm-2 a k (i) vzrůstu podílu dvojnásobně ionizovaných zirkonových iontů (z 21% až na 32%) v celkovém toku na substrát, (ii) poklesu zastoupení jednou ionizovaných zirkonových iontů (z 23% na 3%), (iii) snížení depoziční rychlosti z 590 nm/min na 440 nm/min, (iv) mírnému poklesu zastoupení iontů zirkonu v celkovém toku zirkonových částic na substrát (z 55% na 49%) a (v) mírnému poklesu toků iotů s vysokými (až 100 eV) kinetickými energiemi. Dvojnásobně ionizované zirkonové ionty za těchto podmínek dominovaly (až 63%) v celkovém toku iontů ve vzdálenosti 200 mm od terče. Naše modelové výpočty naznačují, že pokles depoziční rychlosti při rostoucí průměrné výkonové hustotě v pulzu je charakteristikou HiPIMS modu rozprašování obecně a je nezávislý na konfiguraci depozičního systému. K depozici vrstev oxidů zirkonu bylo použito totéž naprašovací zařízení doplněné o (i) systém napouštění reaktivního plynu, (ii) prstencovou anodu umístěnou v oblasti substrátu a (iii) řídící systém. Vrstvy byly deponovány ve směsi argonu a kyslíku při tlaku argonu 2 Pa. Opakovací frekvence pulzů byla 500 Hz a střída v rozmezí 2.5% ? 10%. Byly deponovány transprentní (extinkční koeficient nižší než 4×10-3 při 500 nm) vrstvy oxidu zirkoničitého (ZrO2). Vzrůst průměrné výkonové hustoty na terči z 5 Wcm-2 na 100 Wcm-2 při 10% střídě vedl k (i) nárůstu depoziční rychlosti z 11 nm/min na 73 nm/min a (ii) trojnásobnému poklesu poměru depoziční rychlosti ku průměrné výkonové hustotě na terči. Zvýšení průměrné výkonové hustoty v pulzu zkrácením pulzu (pokles střídy z 5% na 2.5%) způsobilo pokles depoziční rychlosti z 64 nm/min na 15 nm/min. Vrstvy ZrO2 byly krystalické s převažující monoklinickou mřížkou. Jejich extinkční koeficient se pohyboval mezi 6×10-4 a 4×10-3 (při 550 nm) a tvrdost byla v rozmezí 10 GPa ? 15 GPa. Tok iontů na substrát (i) byl tvořen převážně Ar+ a Ar2+ ionty, (ii) obsahoval více kyslíkových iontů než iontů zirkonu a (iii) tok O+ iontů dosahoval přinejmenším pětkrát vyšších hodnot než tok iontů O2+. Pomocí dynamického modelu depozičního procesu bylo demonstrováno, že použité regulační zařízení, jehož vstupní veličinou je impedance výboje a které ovládá napouštění reaktivního plynu, je použiteln

Abstract:

High-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) is an emerging physical vapor deposition technique. HiPIMS systems operate the magnetron targets with voltage pulses that (i) generate high target power densities in a pulse (on the order of kWcm-2), (ii) are of low duty cycles (up to about 10%) and (iii) are applied at relatively low frequencies (50 Hz ? 10kHz). This thesis is focused on the diagnostics, control and modeling of HiPIMS discharge plasmas. The ion fluxes were investigated by time-averaged energy-resolved mass spectroscopy. The methodology of the (i) measurement, (ii) calibration and (iii) interpretation of the energy spectra of singly and multiply charged ions is presented. The HiPIMS depositions of zirconium and zirconium-oxide films were performed using an unbalanced magnetron with a planar zirconium target with a diameter of 100 mm. Substrate was located at a distance of 100 mm from the target and the pulse repetition frequency was 500 Hz. Zirconium films were deposited at an argon pressure of 1 Pa. Energy-resolved mass spectroscopy was carried out at positions 70 mm, 100 mm and 200 mm from the target. An increase in the average target power density from 0.97 kWcm-2 to 2.22 kWcm-2 in shortened voltage pulses (from 10% to 4% duty cycle) at an average target power density of 100 Wcm-2 in a period resulted in (i) high fractions (21% ? 32%) of doubly charged zirconium ions in total ion fluxes onto the substrate, (ii) decreasing fractions of singly charged zirconium ions from 23% to 3%, (iii) a reduced deposition rate of films from 590 nm/min to 440 nm/min and (iv) a weakly decreasing ionized fraction (from 55% to 49%) of the sputtered zirconium atoms in the flux onto the substrate and (v) slight decrease in the flux of ions with high (up to 100 eV) kinetic energies. The doubly charged zirconium ions became strongly predominant (up to 63%) in the total ion flux onto the substrate at a distance of 200 mm from the target. Model calculations indicate that the increase in the losses of sputtered particles as the average target power density in a pulse is increased is inherent to the HiPIMS mode of the discharge and is independent of the particular configuration of the deposition system. For the reactive depositions of zirconium-oxide films, the sputtering device was further equipped with (i) a reactive-gas inlet system, (ii) a ring-shaped anode located at the position of the substrate holder and (iii) a computer-based control system. The depositions were performed in argon?oxygen gas mixtures at an argon pressure of 2 Pa. Duty cycles ranged from 2.5% to 10%. Transparent (extinction coefficient lower than 4×10-3 at 550 nm) zirconium dioxide (ZrO2) films were deposited. An increase in the average target power density from 5 Wcm-2 to 100 Wcm-2 in a period at the same duty cycle of 10% resulted in (i) a rise in the deposition rate from 11 nm/min to 73 nm/min and (ii) a decrease (3 times) in the deposition rate per average target power density in a period. An increased target power density in shortened voltage pulses (the duty cycle decreased from 5% to 2.5%) at an average target power density of 50 Wcm-2 in a period led to a reduced deposition rate from 64 nm/min to 15 nm/min. ZrO2 films were crystalline with a predominant monoclinic structure. Their extinction coefficient was between 6×10-4 and 4×10-3 (at 550 nm) and hardness between 10 GPa and 15 GPa. The ion flux at the substrate position (i) was dominated by the Ar+ and Ar2+ ions, (ii) comprised more oxygen ions than zirconium ions and (iii) the flux of O+ ions was at least 5 times higher than the flux of O2+ ions. By means of a time-resolved model of the deposition process it was demonstrated that the applied control system that utilized the discharge impedance as the input parameter and operated the reactive-gas inlet valves can be used to effectively control the reactive depositions of zirconium-oxide films.

Abstract:

é pro efektivnímu řízení reaktivních depozic vrstev oxidů zirkonu.

Keywords

vysokovýkonové pulzní magnetronové naprašování, HiPIMS, PVD, reaktivní depozice, diagnostika, hmotnostní spektroskopie, metodika, plazma, modelování, řízení procesu, řídící systém, zirkon, oxid zirkonu, tenká vrstva

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 11. 2012

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Prof. RNDr. Jaroslav Vlček, CSc.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Plasma Physics and Physics of Thin Films