Samoorganizacija plazme v razelektritvah magnetronskega naprševanja
Oznaka in naziv projekta
Samoorganizacija plazme v razelektritvah magnetronskega naprševanja (J2-2509)
Self-organization of plasma in magnetron sputtering discharges (J2-2509)
Obdobje: 1. 9. 2020 – 31. 03. 2024
Področje: tehnika / elektronske komponente in tehnologije / vakuumistika
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Matjaž Panjan Povezava na SICRIS
Raziskovalna organizacija: Institut "Jožef Stefan"
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Uvod
Motivacija pri raziskavah tankih plasti je razviti materiale z boljšimi mehanskimi, optičnimi, električnimi in drugimi funkcionalnimi lastnostmi. Izmed fizikalnih postopkov nanašanja iz parne faze (PVD) je ena najpomembnejših metod magnetronsko naprševanje. Pri magnetronskem naprševanju material uparimo s prenosom kinetične energije od ionov v plazmi na atome v materialu tarče. Najpogosteje katodo priklopimo na enosmerni (DC) električni potencial; tehniko zato imenujemo enosmerno magnetronsko naprševanje (DCMS). V zadnjih desetletjih so razvili več pulznih tehnik. Če je pulziranje v območju 100 kHz in je povprečni tok razelektritve nekoliko večji kot pri klasičnem DCMS, rečemo tej tehniki pulzno enosmerno magnetronsko naprševanje. Ena najbolj perspektivnih pulznih tehnik, ki je deležna precejšnjega zanimanja, je pulzno magnetronsko naprševanje pri visoki moči (HiPIMS). Na katodo lahko priklopimo tudi sinusno radiofrekvenčno napetost; tej tehniki zato rečemo RF magnetronsko naprševanje (RFMS). Vse opisane magnetronske tehnike ustvarjajo karakteristične vrste plazme, kar na različne načine vpliva na lastnosti tankih plasti. Razumevanje fizike magnetronske plazme je zato ključnega pomena za nanašanje tankih plasti visoke kakovosti.
Identifikacija problema: Zakaj se plazma organizira v gosta, periodična območja?
V zadnjih letih se je naše razumevanje magnetronske plazme dramatično spremenilo. Tradicionalni pogled na magnetronsko razelektritev predpostavlja, da je plazma azimutno simetrična. Toda če plazmo posnamemo z zelo kratkimi časi ekspozicije (tj. pod mikrosekundo), lahko opazimo značilne nehomogenosti v plazmi. Tem območjem rečemo ionizacijske cone. V večini primerov razelektritev sestavlja več ionizacijskih con, ki imajo puščičasto obliko in so usmerjene v smeri gibanja elektronov (tj. v smeri E×B). V splošnem so vzorci odvisni od pogojev razelektritve, tj. delovnega tlaka in toka razelektritve, velikosti magnetrona in jakosti magnetnega polja. Pojav ionizacijskih con dokazuje, da je naše razumevanje mehanizmov v magnetronski plazmi nepopolno. Namen projekta je bil podrobneje razumeti samoorganizacijo plazme magnetronske plazme in njen vpliv na transport in energijo nabitih delcev.
Cilji predlaganega projekta
A: Proučiti pojav ionizacijskih con v različnih magnetronskih režimih
Prvi cilj projekta je bil raziskati in primerjati pojav ionizacijskih con v enosmernem (DCMS), pulznem (HiPIMS) in oscilatornem (RFMS) načinu magnetronskega naprševanja.
B: Raziskati dinamiko ionizacijskih con
V drugem delu projekta smo proučevali dinamiko plazme v HiPIMS-režimu. Z visokohitrostno CMOS-kamero z mikrosekundno resolucijo smo posneli samo-organizacijo plazme in dinamiko ionizacijskih con v posameznih HiPIMS-pulzih.
C: Analizirati energijo in transport delcev
Zadnji cilj projekta je bil preučiti transport in prostorsko porazdelitev razpršenih atomov in ionov.
Realizacija in rezultati projekta
Pri raziskovanju magnetronske plazme in pojava ionizacijskih con smo v okviru zastavljenih ciljev trenutno prišli do naslednjih zaključkov:
Cilj A: Proučiti pojav ionizacijskih con v različnih magnetronskih režimih
S tehnikami za diagnostiko plazme smo raziskali stabilnost, periodičnost, samo-organizacijo in dinamiko ionizacijskih con v enosmernem (DCMS) in radiofrekvenčnem (RFMS) magnetronskem naprševanju. Samo-organizacijo plazme smo primerjali v DCMS- in RFMS-načinu naprševanja. Ta dva režima tvorita najbolj periodične in stabilne vzorce ionizacijskih con. Cone smo opazovali pri tlakih argona od 0.25 Pa do 2 Pa in močeh od 50 W do 150 W (slika 1). Pri enakih pogojih razelektritve (tj. enakem tlaku in moči), je bilo število ionizacijskih con v RFMS-režimu vedno večje kot v DCMS-režimu. Z višanjem tlaka se je število con v obeh režimih povečevalo, medtem ko moč razelektritve ni bistveno vplivala na število ionizacijskih con. Na podlagi eksperimentov sklepamo, da je samoorganizacija magnetronske plazme povezana s kompleksnim gibanjem elektronov v nehomogenem električnem in magnetnem polju ter s trki elektronov z atomi plina in s tem povezanimi izgubami energije. Da bi preverili to hipotezo, smo simulirali disipacijo energije elektronov za določene tlake argona in napetosti na katodi. Tipično prepotovano pot elektronov smo nato primerjali z dolžino in številom con pri posameznih pogojih razelektritve (slika 2). Rezultati simulacij se v splošnem dobro ujemajo z eksperimentalnimi podatki. Te raziskave smo objavili v članku [1] in jih predstavili v vabljenem predavanju na konferenci "29th International Scientific Meeting on Vacuum Science and Technology".
Slika 1: Ionizacijske cone, posnete z visokohitrostno kamero v (a) enosmernem in (b) oscilatornem režimu magnetronskega naprševanja. Slike prikazujejo samo-organizacijo plazme pri različnih močeh razelektritve (50-150 W) in tlaku argona (0,25-2 Pa) [1].
Slika 2: Spreminjanje energije elektronov zaradi neelastičnih trkov z atomi plina v odvisnosti od prepotovane poti v enosmernem (DCMS) in (b) oscilatornem (RFMS) režimu magnetronskega naprševanja in so bili narejeni za različne tlake argona [1].
Cilj B: Raziskati dinamiko plazme v HiPIMS-režimu
Samo-organizacija plazme in dinamika ionizacijskih con je najbolj kompleksna v pulznem načinu naprševanja. Prehodni pojavi, povezani s hitrim naraščanjem razelektritvenega toka med pulzom, močno vplivajo na lastnosti con. V študijah uporabljamo pulzno tehniko, imenovano magnetronsko naprševanje pri visoki pulzni moči (HiPIMS). Pri tej tehniki na katodo magnetrona dovajamo kratke pulze (tipično 20–200 µs), medtem ko je čas med pulzoma več kot desetkrat daljši. S takšnimi pulzi lahko dosežemo zelo visoke tokove razelektritve, ki so nekaj velikostnih redov višji kot pri DC naprševanju. Visoki tokovi med pulzom ustvarjajo zelo gosto plazmo in visoko stopnjo ionizacije. S snemanjem plazme z visokohitrostno CMOS-kamero smo prišli do več spoznanj o dinamiki ionizacijskih con v HiPIMS-režimu [2]. Raziskave smo opravili za širok razpon tokov razelektritve (10-400 A) in tlakov 0,25-2 Pa (videoposnetek). Ugotovili smo, da z naraščanjem razelektritvenega toka plazma prehaja skozi tri značilne faze (slika 3). V fazi I, ki traja od začetka pulza pa do toka približno 25 A, je dinamika ionizacijskih con podobna tisti v DCMS-razelektritvah – cone imajo podolgovato trikotno obliko in se vrtijo v smeri -E×B s hitrostjo 4-15 km/s. Hitrost je odvisna od naraščanja razelektritvenega toka, tlaka argona in števila ionizacijskih con. V fazi II, ki je prisotna med približno 25 A in 50 A, se plazma obnaša kaotično in tvori neperiodične vzorce, cone pa se vrtijo v smereh -E×B in E×B. Pri tokovih nad 50 A plazma preide v fazo III. Nastajati začnejo periodični vzorci, cone imajo značilno trikotno obliko in se vrtijo v smeri E×B s hitrostjo 6–9 km/s. Hitrost con je odvisna le od tlaka, medtem ko tok razelektritve in število con ne vplivata na hitrost.
Videoposnetek: Dinamika plazme za posamezne HiPIMS-pulze (dolžine 150 µs), posneta z visokohitrostno CMOS-kamero za različne razelektritvene tokove 50–400 A in tlake 0,25–2,0 Pa. Rezultati so predstavljeni v članku [2].
Slika 3: Z naraščanjem razelektritvenega toka plazma prehaja skozi značilne faze, označene z I, II in III. Na desni sliki so prikazni karakteristični vzorci plazme v posameznih fazah, posneti z visokohitrostno kamero iz frontalnega in stranskega pogleda [2].
Cilj C: Analizirati energijo in transport delcev
Ionizacijske cone pomembno vplivajo tudi na transport električno nabitih delcev v plazmi. Z energijsko ločljivim masnim spektrometerom smo izmerili energijsko in prostorsko porazdelitev ionov, ki prihajajo s področja ionizacijskih con. Simulacije smo naredili s programom SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter), ki temelji na binarni aproksimaciji trkov in uporablja metodo Monte Carlo. S tem programom smo za različne materiale in vpade argonovih ionov z energijami, ki so tipične v procesih naprševanja (tj. 300-1000 eV) izračunali vrednosti razpršitvenih koeficientov (slika 4) in prostorsko porazdelitev razpršenih atomov (slika 5). Raziskave smo opisali v znanstvenem članku [3]. Simulirali smo tudi energijske porazdelitve razpršenih atomov za različne elemente periodnega sistema (slika 6). Energija razpršenih atomov pomembno vpliva na mikrostrukturo in fizikalne lastnosti tankih plasti. Simulacije so nam dale boljši vpogled v proces razprševanja in nam omogočajo boljše razumevanje nastanka gostih plazemskih struktur v magnetronskem naprševanju.
Slika 4 Izračunani razpršitveni koeficienti v odvisnosti energije argonovih ionov za pravokotni vpad. Simulacije so bile narejene s programom SRIM za elemente, ki se pogosto uporabljajo za nanašanje tankih plasti . Rezultati so podrobneje opisani v članku [3].
Slika 5 Kotna porazdelitev razpršenih atomov pri poševnem vpadu argonovih ionov z energijo 600 eV na različne materiale [3].
Slika 6 Energijska porazdelitev razpršenih atomov pri različnem vpadu argonovih ionov z energijo 600 eV na materiale prehodnih kovin [4].
Bibliografske reference
Članek [1]: M. Panjan, Self-organizing plasma behavior in RF magnetron sputtering discharges, J. Appl. Phys., 125 (2019) 203303
Članek [2]: M. Panjan, Plasma dynamics of individual HiPIMS pulses: imaging study using high-frame-rate camera, Plasma Sources Sci. Technol. 33 (2024) 055015
Članek [3]: N. Mahne, M. Čekada, M. Panjan, Total and Differential Sputtering Yields Explored by SRIM Simulations, Coatings, 12 (2022) 1541
Članek [4]: N. Mahne, M. Čekada, M. Panjan, Energy Distribution of Sputtered Atoms Explored by SRIM program, Coatings, 13 (2023) 1448
Predavanje na mednarodni konferenci PLATHINIUM 2021 (September 2021, virtualna konferenca), M. Panjan - Plasma spokes in RF and DC magnetron sputtering discharges
Vabljeno predavanje na mednarodni konferenci 28th International Scientific Meeting on Vacuum Science and Technology(Maj 2022, Crikvenica, Hrvaška), N. Mahne - Monte Carlo simulations of sputtering yield for deposition-relevant target materials using plasma-based techniques
Vabljeno predavanje na mednarodni konferenci 29th International Scientific Meeting on Vacuum Science and Technology(Maj 2023, Gozd Martuljek, Slovenija), M. Panjan - Self-organization of plasma in DC and RF magnetron sputtering
Predavanje na mednarodni konferenci ICMCTF 2024 (May 2024), M. Panjan - Plasma dynamics of individual HiPIMS pulses investigated by high-frame-rate camera