パルス直流平面マグネトロン放電の流体モデル

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9017 (2023) この記事を引用

261 アクセス

メトリクスの詳細

流体モデルを使用してパルス直流 (DC) 平面マグネトロン放電をシミュレーションし、種の連続性、運動量、エネルギー伝達方程式を解き、電磁気学のポアソン方程式とローレンツ力と組み合わせました。 検証された DC マグネトロン モデルに基づいて、非対称双極電位波形が 50 ～ 200 kHz の周波数および 50 ～ 80% のデューティ サイクルでカソードに印加されます。 我々の結果は、パルス化により電子密度と電子温度が増加するが、パルス化されていない DC マグネトロンに比べて蒸着速度が低下することを示しており、その傾向は実験研究で報告された傾向と一致しています。 パルス周波数を増加すると、電子温度は増加しますが、電子密度と蒸着速度は低下します。一方、デューティ サイクルを増加すると、電子温度と密度は両方とも低下しますが、蒸着速度は増加します。 時間平均した電子密度は周波数に反比例し、時間平均した放電電圧の大きさはデューティ サイクルに応じて変化することがわかりました。 私たちの結果は、変調パルス電力マグネトロン スパッタリングに容易に適用でき、交流 (AC) 反応性スパッタリング プロセスにも拡張できます。

パルス直流プレーナー マグネトロン (P-DCM) は、窒化アルミニウム スカンジウム (AlScN)1 や窒化アルミニウム (AlN)2 などの誘電体薄膜を堆積する反応性スパッタリングでよく使用されます。 P-DCM では、双極パルス電圧が 10 ～ 250 kHz3 の中周波で印加され、負のパルス中にスパッタリングが発生し、正のパルス中に放電が発生します。 P-DCM の利点には、高周波 (RF) スパッタリング 4 と比較して成膜速度が高く、非パルス DCM と比較して出力が高く 5、スパッタリング中のアーク発生の減少 6 が含まれます。 金属ターゲット上の表面電荷の蓄積によりアーク放電が発生する可能性があり、堆積膜の均一性と品質が著しく損なわれます7。

Bradley ら 8 は、時間分解ラングミュア プローブを使用して、基板近くの位置でデューティ サイクル 80% で DCM と P-DCM の両方の電子密度と有効電子温度の時間変化を測定しました。 報告されている時間平均電子密度は \(9.3\times {10}^{15}\) m−3、P-DCM 50 では \(8.4\times {10}^{15}\) m−3、 DCM の場合は \(7.1\times {10}^{15}\) m−3 より 100 kHz 大きく、P-DCM の時間平均電子温度は 50、100 kHz で 4.2、4.5 eV で、P-DCM の場合は 3.34 eV より大きくなります。 DCM。 Leeら9は、パルス周波数75、100、250 kHz、デューティサイクル80%での電子温度の測定値がそれぞれ3.06、3.63、5.32 eVであると報告しました。 Glocker4 は、同じ出力で直流 (DC) マグネトロンと 35 kHz 交流 (AC) マグネトロンを比較し、電子エネルギー、イオン密度、蒸着速度が 3.2 eV、\(6.4\times {10}^{16}\) m であると報告しました。それぞれ、AC では −3、0.70 nm/s、DC では 2.4 eV、\(1.63\times {10}^{16}\) m−3、0.82 nm/s です。

Leeら10は、20 kHz未満のパルス周波数で堆積速度が低下することを報告しており、これは最大350 kHzの周波数での酸化バナジウム堆積の同様の結果によって裏付けられています11。 一般に、堆積速度はデューティ サイクルとともに増加することがわかっています 12、13。 20 kHz P-DCM のラングミュア プローブ測定では、定電力下でデューティ サイクルを 10% から 90% に増加させると、電子密度と温度が低下することが示されました 14。

運用上の課題と材料の損失のため、複雑なスパッタリング モデルをテストおよび検証するには、計算モデリングが経済的な方法です 15。 流体モデルは、流体力学的平衡にある種をモデル化するための最も単純なツールの 1 つであり、非パルス DCM 放電 16、窒素中での高周波パルス DC 放電 17、RF 周波数での容量結合プラズマ 18 などに応用できます。 モデルの精度を向上させるために、流体モデル/モンテカルロ 19 やセル内粒子/モンテカルロ 20,21 などのハイブリッド数値モデルが提案されました。