Un modello fluido di scarica planare del magnetron a corrente continua pulsata

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9017 (2023) Citare questo articolo

261 accessi

Dettagli sulle metriche

Abbiamo simulato una scarica planare del magnetron a corrente continua pulsata utilizzando il modello del fluido, risolvendo le equazioni di continuità delle specie, quantità di moto ed energia di trasferimento, accoppiate con l'equazione di Poisson e la forza di Lorentz per l'elettromagnetismo. Sulla base di un modello di magnetron CC convalidato, una forma d'onda di potenziale bipolare asimmetrica viene applicata al catodo con una frequenza di 50–200 kHz e un ciclo di lavoro del 50–80%. I nostri risultati mostrano che la pulsazione porta ad un aumento della densità elettronica e della temperatura degli elettroni, ma ad una diminuzione del tasso di deposizione su magnetron CC non pulsato, tendenze coerenti con quelle riportate da studi sperimentali. L’aumento della frequenza degli impulsi aumenta la temperatura degli elettroni ma riduce la densità elettronica e la velocità di deposizione, mentre l’aumento del ciclo di lavoro diminuisce sia la temperatura che la densità degli elettroni ma aumenta la velocità di deposizione. Abbiamo scoperto che la densità elettronica media nel tempo scala inversamente alla frequenza, e la grandezza della tensione di scarica mediata nel tempo scala con il ciclo di lavoro. I nostri risultati sono facilmente applicabili allo sputtering con magnetron a potenza di impulso modulato e possono essere estesi ai processi di sputtering reattivo a corrente alternata (CA).

Il magnetron planare a corrente continua pulsata (P-DCM) viene spesso impiegato nello sputtering reattivo per depositare film sottili dielettrici come il nitruro di scandio di alluminio (AlScN)1 o il nitruro di alluminio (AlN)2. Nel P-DCM viene applicata una tensione pulsata bipolare alla frequenza media di 10–250 kHz3 che provoca uno sputtering durante l'impulso negativo e una scarica durante l'impulso positivo. I vantaggi del P-DCM includono un tasso di deposizione più elevato rispetto allo sputtering a radiofrequenza (RF)4, una potenza maggiore rispetto a un DCM non pulsato5 e una riduzione dell'arco elettrico durante lo sputtering6. Possono verificarsi archi elettrici a causa dell'accumulo di cariche superficiali sul bersaglio metallico, compromettendo gravemente l'uniformità e la qualità della pellicola depositata7.

Utilizzando la sonda Langmuir risolta nel tempo, Bradley et al.8 hanno misurato l'evoluzione temporale della densità elettronica e della temperatura effettiva degli elettroni sia di DCM che di P-DCM con un ciclo di lavoro dell'80% nella posizione vicino al substrato. La densità elettronica media nel tempo riportata è \(9,3\times {10}^{15}\) m−3, \(8,4\times {10}^{15}\) m−3 per P-DCM a 50, 100 kHz maggiore di \(7,1\times {10}^{15}\) m−3 per DCM e le temperature degli elettroni mediate nel tempo come 4,2, 4,5 eV per P-DCM a 50, 100 kHz maggiori di 3,34 eV per DCM. Lee et al.9 hanno riportato una misurazione della temperatura degli elettroni di 3,06, 3,63, 5,32 eV per una frequenza pulsata di 75, 100, 250 kHz con un ciclo di lavoro dell'80%, rispettivamente. Glocker4 ha confrontato il magnetron in corrente continua (CC) e il magnetron in corrente alternata (CA) da 35 kHz alla stessa potenza e ha riportato energie degli elettroni, densità di ioni e velocità di deposizione di 3,2 eV, \(6,4\times {10}^{16}\) m −3, 0,70 nm/s per CA e 2,4 eV, \(1,63\times {10}^{16}\) m−3, 0,82 nm/s per CC, rispettivamente.

Lee et al.10 hanno riportato una diminuzione del tasso di deposizione a frequenze di impulso inferiori a 20 kHz, supportati da risultati simili per la deposizione di ossido di vanadio a frequenze fino a 350 kHz11. In genere si è riscontrato che i tassi di deposizione aumentano con i cicli di lavoro12,13. Le misurazioni della sonda Langmuir di un P-DCM a 20 kHz hanno mostrato che l'aumento del ciclo di lavoro dal 10 al 90% a potenza costante porta alla riduzione della densità e della temperatura degli elettroni14.

A causa delle sfide operative e della perdita di materiale, la modellazione computazionale è un modo economico per testare e convalidare modelli sputtering complessi15. I modelli di fluido sono tra gli strumenti più semplici per modellare le specie in equilibrio idrodinamico e trovano applicazioni nella scarica DCM non pulsata16, nella scarica DC pulsata ad alta frequenza nell'azoto17 e nell'accoppiamento capacitivo del plasma alla frequenza RF18. Per migliorare l'accuratezza del modello, sono stati proposti modelli numerici ibridi, come il modello fluido/Monte Carlo19 e particella in cella/Monte Carlo20,21.