Razumevanje plazemskih procesov in rasti tankih plasti v magnetronskem naprševanju pri visoki pulzni moči
Naziv projekta
Razumevanje plazemskih procesov in rasti tankih plasti v magnetronskem naprševanju pri visoki pulzni moči (J2-7238)
Understanding plasma processes and thin film growth in High Power Impulse Magnetron Sputtering (J2-7238)
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Vodja projekta: dr. Matjaž Panjan
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Magnetronsko naprševanje je vakuumska tehnika, ki se uporablja za nanašanje kvalitetnih tankih plasti v mikroelektroniki, fotovoltaiki, inženirstvu površin, optiki ter drugih področjih sodobnih tehnologij. Naprševanje poteka s pomočjo plazme, ki jo ustvarimo pri nizkem tlaku (tipično 1 Pa) s priključitvijo negativne električne napetosti na katodo. Ioni se pospešijo proti katodi (tj. tarči) in razpršujejo material po vakuumski komori. Za magnetronsko plazmo je do nedavnega veljalo prepričanje, da je ta porazdeljena v obliki homogenega obroča, kar lahko opazimo s prostim očesom oz. na fotografijah posnetih z navadno kamero (slika spodaj levo). Raziskave s hitrimi kameri, katere je opravljal tudi vodja raziskovalnega projekta dr. Matjaž Panjan, pa so pokazale, da je plazma zgoščena v manjših področjih, ki jih imenujemo ionizacijske cone (spodnje slike na desni). Cone imajo obliko podolgovate puščice, njihovo število pa je odvisno od delovnega tlaka in parametrov razelektritve. vrtijo v ravnini magnetrona in pomembno vplivajo na transport nabitih delcev v plazmi. Smer gibanja in hitrost ionizacijskih con je odvisna od toka razelektritve in delovnega tlaka, hitrosti pa so med 2 in 10 km/s.
Cilj raziskovalnega projekta je bil bolje razumeti pojav plazemskih nehomogenosti v magnetronskem naprševanju. V projektu smo uporabili različne eksperimentalne tehnike za diagnostiko plazme , kot so ICCD kamera, emisijska in Langmuirjeva sonda, optična emisijska spektroskopija ter druge tehnike. Poleg eksperimentalnih tehnik v projektu smo razvili model, ki pojasnjuje pogoje za nastanek, samo-vzdrževanje, samooganizacijo in obliko ionizacijskih con. Izračunali smo trajektorije nabitih delcev v električnem in magnetnem polju magnetrona in prišli do zaključka, da ionizacijske cone nastanejo zaradi zelo različnega gibanja elektronov in ionov. V zadnjem delu projekta pa smo pokazali neposredno povezavo med vrtenjem con in ionskim tokom, ki prihaja iz magnetronske plazme proti podlagam. Poskušali smo tudi poovezati lastnosti plazme s strukturnimi lastnostmi tankih plasti, ki smo jih postavili na različna mesta glede na magnetronski izvor.
Magnetronska razelektritev posneta z navadno kamero (levo) ter z visokohitrostno ICCD kamero (slike desno). Plasma je organizirana v t.i. ionizacijske cone. Slike so bile posnete v enosmerni magnetronski razelektritvi za različne tlake argona.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.
Cilji, realizacija in rezultati projekta
Namen projekta je bil preučevati lastnosti magnetronske plazme. Glavni cilji projekta so bili:
Študij samooganizacije plazme in lastnosti ionizacijskih con v magnetronskem naprševanju pri visoki pulzni moči (HiPMS) in pri enosmernem magnetronskem naprševanju (DCMS). V okviru projekta smo preiskovali pogoje za samooganizacijo magnetronske plazme in se osredotočili na vpliv različnih parametrov na obliko, število in dinamiko ionizacijskih con. Ionizacijske cone smo preučevali z visokohitrostno kamero, masno spektrometrijo, optično emisijsko spektroskopijo ter električnimi sondami. Cone smo analizirali pri različnih tlakih argona, katodnih napetostih, jakostih magnetnega polja, pulznih parametrih ter za različne materiale tarče. Opazili smo, da magnetronska plazma tvori ionizacijske cone v obeh režimih delovanja in v širokem razponu parametrov. Na število con in njihovo obliko sta najbolj vplivala tlak argona in magnetno polje, medtem ko sta imela katodna napetost in razelektritveni tok manjši vpliv. V vseh primerih so imele ionizacijske cone obliko podolgovatih puščic ali trikotnikov. Kot prvi smo odkrili prisotnost ionizacijskih con v radio-frekvenčnem režimu magnetronskega naprševanja.
Razviti fizikalni model, ki pojasnjuje samooganizacijo magnetronske plazme in lastnosti ionizacijskih con. Na podlagi eksperimentalnih opazovanj smo naredili model, ki pojasnjuje pogoje za nastanek, samo-vzdrževanje, samooganizacijo in obliko ionizacijskih con. Izračunali smo trajektorije nabitih delcev v električnem in magnetnem polju magnetrona in prišli do zaključka, da ionizacijske cone nastanejo zaradi zelo različnega gibanja elektronov in ionov. Na gibanje elektronov, ki imajo veliko mobilnost, vplivata električno in magnetno polje, medtem ko ioni sledijo le električnemu polju. Predvidevamo, da specifično gibanje elektronov ter disipacija njihove kinetične energije ob neelastičnih trkih s plinom povzročijo nastanek prostorske nehomogenosti v gostoti naboja. Neenakomerna porazdelitev naboja pa ustvari močna električna polja v ravnini katode. Ta polja, ki so najmočnejša na robu cone, povratno vplivajo na gibanje in energijo nabitih delcev ter tako samo-vzdržujejo obliko in gibanje ionizacijske cone.
Povezati lastnosti plazme s strukturnimi lastnostmi tankih plasti. V zadnji fazi projekta smo poskušali povezati karakteristike magnetronske plazme in strukturne lastnosti tankih plasti. Lastnosti magnetronske plazme smo analizirali z masno spektrometrijo pri različnih parametrih razelektritve. Merili smo gostoto ionskega toka, energijo ionov ter njihovo prostorsko porazdelitev. Karakteristiko plazme smo nato primerjali z morfologijo, mikrostrukturo in gostoto tankih plasti, ki smo jih analizirali z elektronsko mikroskopijo. Opazili smo, da na mikrostrukturo tankih plasti vpliva predvsem način delovanja magnetrona ter v manjši meri kotna postavitev vzorcev. V HiPIMS-režimu smo opazili bolj goste plasti kot v DCMS-režimu. Mikrostruktura plasti je bila v obeh režimih bolj gosta, če so bili vzorci postavljeni v smeri normale katode in ne pod velikim kotom.
Slika ionizacijske cone posneta z visokohitrostno kamero (levo). Porazdelitev plazemskega potenciala in električnega polja (desno), ki približno sovpada s sliko na levi. Podrobnejši opis je v članku M. Panjan and A. Anders, J. Appl. Phys. 121 (2017) 063302
Porazdelitev plazemskega potenciala in električnega polja (levo) ter porazdelitev energije elektronov (desno) v DC magnetronski razelektritvi. Meritve so prikazane v r-z ravnini za različne azimutne kote. Podrobnejši opis je v članku M. Panjan and A. Anders, J. Appl. Phys. 121 (2017) 063302
Energijska porazdelitev ionov argona (levo) in niobija (desno) izmerjeno v DC magnetronski razelektritvi. Dvakrat ionizirani ioni imajo dvakrat večje energije, kar nakazuje, da ione pospešuje električno polje ionizacijske cone.
Povezava med signalom plavajočega potenciala vrteče se ionizacijske cone in signalom masnega spektrometra izmerjena za različne energije ionov argona (levo) in ionov niobija (desno). Meritve dokazujejo neposredno povezavo med vrtenjem ionizacijske cone in tokom ionov pospešenim zaradi električnega polja cone.
Bibliografske reference in dosežki
Članek: M. Panjan and A. Anders "Plasma potential of a moving ionization zone in DC magnetron sputtering" J. Appl. Phys. 121 (2017) 063302, supplementary material. Članek je bil v zadnjih dveh letih (tj. 2017, 2018) 59-krat citiran (baza Web of Science, 14.3. 2019). Je eden najbolj citiranih člankov v ugledni znanstveni reviji za uporabno fiziko Journal of Applied Physics, članek je bil posebej izpostavljen v februarskem glasilu revije. V bazi Web of Science je članek označen kot "Highly Cited Paper", kar ga uvršča v en procent najbolj citiranih člankov znanstvenega področja v zadnjih dveh letih.
Članek: M. Panjan Self-organizing plasma behavior in RF magnetron sputtering discharges J. Appl. Phys. (2019) submitted for publication
Vabljeno predavanje na mednarodni konferenci AVS 65th International symposium & Exhibition (April 2018, Long Beach, CA, ZDA), M. Panjan - Illuminating physics of magnetron sputtering discharges
Vabljeno predavanje na mednarodni konferenci 43rd International Conference on Metallurgical Coatings & Thim Films (April 2016, San Diego, ZDA), M. Panjan - Magnetron sputtering: physics of spokes in continuous and pulsed discharges
Vabljeno predavanje na mednarodni konferenci 14th European Vacuum Conference (Junij 2016, Portorož, Slovenija), M. Panjan - Magnetron sputtering: Why is magnetron plasma organized in dense, periodic regions?
Vabljeno predavanje na seminarju Max-Planck Institut für Plasmaphysik (December 2016, Garching, Nemčija), M. Panjan - Magnetron sputtering: Illuminating physics of ionization zones
Vabljeno predavanje na mednarodni konferenci 17th International Conference on Thin Films (November 2017, New Delh, Indija), M. Čekada - Growth detects in PVD hard coatings
Vabljeno predavanje na mednarodni konferenci 26th International Conference on Materials and Technology (Oktober 2018, Portorož, Slovenija), G. Dražić - Quantitative Cs-corrected scanning transmission electron microscopy of crystal structures and defects