Жидкостная модель импульсного планарного магнетронного разряда постоянного тока

Том 13 научных докладов, номер статьи: 9017 (2023) Цитировать эту статью

261 Доступов

Подробности о метриках

Мы смоделировали импульсный планарный магнетронный разряд постоянного тока (DC) с использованием модели жидкости, решая уравнения непрерывности частиц, импульса и переноса энергии в сочетании с уравнением Пуассона и силой Лоренца для электромагнетизма. На основе проверенной модели магнетрона постоянного тока к катоду подается сигнал асимметричного биполярного потенциала с частотой 50–200 кГц и рабочим циклом 50–80%. Наши результаты показывают, что импульсная обработка приводит к увеличению электронной плотности и температуры электронов, но снижает скорость осаждения по сравнению с неимпульсным магнетроном постоянного тока, что соответствует тенденциям, указанным в экспериментальных исследованиях. Увеличение частоты импульсов увеличивает температуру электронов, но снижает плотность электронов и скорость осаждения, тогда как увеличение рабочего цикла снижает как температуру, так и плотность электронов, но увеличивает скорость осаждения. Мы обнаружили, что усредненная по времени плотность электронов обратно пропорциональна частоте, а усредненная по времени величина разрядного напряжения зависит от рабочего цикла. Наши результаты легко применимы к магнетронному распылению с модулированной импульсной мощностью и могут быть распространены на процессы реактивного распыления на переменном токе (AC).

Импульсный планарный магнетрон постоянного тока (P-DCM) часто используется при реактивном распылении для нанесения тонких диэлектрических пленок, таких как нитрид алюминия-скандия (AlScN)1 или нитрид алюминия (AlN)2. В P-DCM подается биполярное импульсное напряжение на средней частоте 10–250 кГц3, что приводит к распылению во время отрицательного импульса и разряду во время положительного импульса. Преимущества P-DCM включают более высокую скорость осаждения по сравнению с радиочастотным (RF) распылением4, более высокую мощность по сравнению с неимпульсным DCM5 и снижение электрической дуги во время распыления6. Электрическая дуга может возникнуть из-за накопления поверхностных зарядов на металлической мишени, что серьезно ухудшает однородность и качество осажденной пленки7.

Используя зонд Ленгмюра с временным разрешением, Брэдли и др.8 измерили временную эволюцию электронной плотности и эффективную электронную температуру как DCM, так и P-DCM с рабочим циклом 80% в месте вблизи подложки. Зарегистрированная усредненная по времени плотность электронов равна \(9,3\times {10}^{15}\) м-3, \(8,4\times {10}^{15}\) м-3 для P-DCM при 50, на 100 кГц больше, чем \(7,1\times {10}^{15}\) м-3 для DCM, а усредненные по времени температуры электронов равны 4,2, 4,5 эВ для P-DCM при 50, 100 кГц больше 3,34 эВ для ДКМ. Ли и др.9 сообщили об измерении температуры электронов 3,06, 3,63, 5,32 эВ для частоты импульсов 75, 100, 250 кГц при рабочем цикле 80% соответственно. Glocker4 сравнил магнетрон постоянного тока (DC) и магнетрон переменного тока (35 кГц) при одинаковой мощности и сообщил об энергии электронов, плотности ионов и скорости осаждения 3,2 эВ, \(6,4\times {10}^{16}\) м −3, 0,70 нм/с для переменного тока и 2,4 эВ, \(1,63\times {10}^{16}\) м−3, 0,82 нм/с для постоянного тока соответственно.

Ли и др.10 сообщили о снижении скорости осаждения при частоте импульсов менее 20 кГц, что подтверждается аналогичными результатами для осаждения оксида ванадия на частотах до 350 кГц11. Было обнаружено, что скорость осаждения обычно увеличивается с увеличением рабочего цикла12,13. Измерения зонда Ленгмюра для P-DCM с частотой 20 кГц показали, что увеличение рабочего цикла с 10 до 90% при постоянной мощности приводит к снижению плотности электронов и температуры14.

Из-за эксплуатационных проблем и потерь материала компьютерное моделирование является экономичным способом тестирования и проверки сложных моделей распыления15. Модели жидкости являются одними из самых простых инструментов для моделирования видов, находящихся в гидродинамическом равновесии, и находят применение в неимпульсном разряде DCM16, высокочастотном импульсном разряде постоянного тока в азоте17 и емкостной плазме на радиочастоте18. Для повышения точности модели были предложены гибридные численные модели, такие как модель жидкости/Монте-Карло19 и модель частицы в ячейке/Монте-Карло20,21.