Modelování vysokovýkonových pulzních magnetronových výbojů pro depozici vrstev

Ing. Tomáš KOZÁK

Doctoral thesis

Modelling of high-power impulse magnetron discharges for thin film deposition

Abstract:

Vysokovýkonové pulzní magnetronové naprašování (HiPIMS) je novým technologickým procesem, který v několika směrech překonává konvenční magnetronové naprašování. Hlavním cílem této práce je vývoj nestacionárního modelu tohoto depozičního procesu a jeho detailní objasnění. Uvedený model vychází z existujících globálních modelů plazmatu. Umožňuje konzistentní a rychlý výpočet výbojových a depozičních charakteristik při různých procesních podmínkách. Oproti dřívějším globálním modelům přináší několik inovací: (1) rozdělení simulovaného objemu do dvou zón, (2) zahrnutí rychlých (sekundárních) elektronů a rychlých atomů rozprášených z terče, (3) zavedení a výpočet potenciálu plazmatu v magnetickém poli před terčem magnetronu a (4) nezávislý výpočet výbojového proudu. Porovnání výsledků modelu s experimenty dává dobrou shodu, vezmeme-li v úvahu prostorová zjednodušení zahrnutá v modelu. Ukazuje se, že vývoj vysokovýkonového magnetronového výboje během pulzu je obzvláště citlivý na parametry určující sekundární emisi elektronů z terče. Model je použit k výpočtu složení plazmatu v pulzním výboji s měděným terčem při rostoucí hustotě výkonu na terči. Bylo určeno, že dochází k postupnému přechodu k plazmatu dominovanému rozprášeným materiálem. Pro nejvyšší hustotu výkonu 3 kWcm-2 v pulzu představují ionty Cu+ 93% iontů v celkovém toku iontů na terč a 80% v celkovém toku částic mědi na substrát. Analýza vlivu délky pulzu ukazuje, že k dosažení vysoké výkonové hustoty na terči a následně i vysokého stupně ionizace atomů rozprášeného materiálu ve výboji je potřeba použít dostatečně dlouhé pulzy (alespoň 100 mikrosekund). Modelové výpočty ukazují na korelaci mezi stupněm ionizace atomů rozprášeného materiálu a depoziční rychlostí vztaženou ke střednímu výkonu dodanému v širokém rozsahu vstupních podmínek. Je evidentní, že pokles depoziční rychlosti vztažené ke střednímu výkonu závisí na středním výkonu dodaném do výboje během pulzu. Tento pokles je způsoben zejména návratem iontů rozprášeného materiálu zpět na terč, jejich vyššími ztrátami ke stěnám komory (v porovnání s neutrálními atomy) a pomalejší než lineární závislostí rozprašovacího výtěžku materiálu terče na kinetické energii iontů bombardujících terč.

Abstract:

High-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) is a recent development of the well-established magnetron sputtering technique. The main aim of this thesis is to develop a non-stationary model of this process and to explain their details. The presented model is based on a global description of plasma which allows for self-consistent and very fast calculations of the discharge and deposition characteristics under various process conditions. The new features of this model with respect to previous global plasma models are (1) the division of the simulated volume into two zones, (2) an incorporation of fast (secondary) electrons and fast sputtered target material atoms, (3) an introduction of a calculated potential drop (magnetic presheath) near the target and (4) a self-consistent calculation of the target current. The comparison of the model results with experiments shows a good agreement, taking into account the spatial approximations of the model. It was found that the evolution of a HiPIMS discharge during a pulse is sensitive particularly to the parameters determining the secondary electron emission from the target. The model is used to calculate the composition of the discharge plasma for HiPIMS of copper with an increasing target power density, showing a gradual transition to a metal dominated discharge with an increasing degree of ionization of the sputtered material atoms. For the highest target power density of 3 kWcm-2, we obtained in average 93% of copper ions in the total ion flux onto the target and 80% of copper ions in the total flux of copper particles onto the substrate. The analysis of the effect of the voltage pulse length shows that sufficiently long pulses (at least 100 microseconds) are needed to obtain high target power densities in a pulse and, consequently, high degree of ionization of the sputtered target material atoms. Furthermore, we show a correlation between the degrees of ionization of the target material atoms and the deposition rate per average target power density in a period for a wide range of process conditions. From the model results it is evident that the decrease of the deposition rate per average target power density in a pulse depends fundamentally on the target power density delivered into the pulse. This is mainly due to a backward flux of ionized sputtered atoms combined with higher losses of ions to chamber walls (compared to neutrals) and a less-than-linear increase of the sputtering yields of the target material with ion energy.

Keywords

modelování plazmatu, matematický model, globální model, magnetronové naprašování, depozice vrstev, pulzní výboje, HiPIMS

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 12. 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