Modelování vysokovýkonových pulzních magnetronových výbojů pro depozici vrstev

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.