Diagnostika a modelování vysokovýkonových pulzních magnetronových výbojů

Abstract

Vysokovýkonové pulzní magnetronové naprašování (HiPIMS) přitahuje v posledních letech značnou pozornost odborné veřejnosti. Oproti konvenčním systémům používaným k pulznímu magnetronovému naprašování jsou při HiPIMS depozicích na terč magnetronu přiváděny napěťové pulsy které (i) způsobují vysoké nominální výkonové hustoty na terči (v řádech kWcm-2), (ii) mají nízkou střídu (obvykle do 10%) a (iii) relativně nízkou opakovací frekvenci (50 Hz-10 kHz). Tato disertační práce je zaměřena na diagnostiku, řízení a modelování výbojového plazmatu vytvářeného při HiPIMS depozičních procesech. Časově nerozlišená energiová spektra toků iontů byla zkoumána hmotnostním spektrometrem. V práci je prezentována metodologie (i) měření, (ii) kalibrace a (iii) interpretace energiově rozlišených spekter jednou a vícenásobně ionizovaných částic. K HiPIMS depozicím zirkonových vrstev a vrstev oxidů zirkonu byl použit zirkonový terč o průměru 100 mm osazený na nevyvážený magnetron. Substrát byl umístěn ve vzdálenosti 100 mm od terče, opakovací frekvence pulzů byla 500 Hz. Zirkonové vrstvy byly deponovány v argonové atmosféře o tlaku 1 Pa. Toky iontů byly měřeny hmotnostním spektrometrem ve vzdálenostech 70 mm, 100 mm a 200 mm od terče. Při zachování průměrné výkonové hustoty (100 Wcm-2) na terči vedlo zkrácení pulzů (střída snížena z 10% na 4%) ke zvýšení průměrné výkonové hustoty v pulzu z 0.97 kWcm-2 na 2,22 kWcm-2 a k (i) vzrůstu podílu dvojnásobně ionizovaných zirkonových iontů (z 21% až na 32%) v celkovém toku na substrát, (ii) poklesu zastoupení jednou ionizovaných zirkonových iontů (z 23% na 3%), (iii) snížení depoziční rychlosti z 590 nm/min na 440 nm/min, (iv) mírnému poklesu zastoupení iontů zirkonu v celkovém toku zirkonových částic na substrát (z 55% na 49%) a (v) mírnému poklesu toků iotů s vysokými (až 100 eV) kinetickými energiemi. Dvojnásobně ionizované zirkonové ionty za těchto podmínek dominovaly (až 63%) v celkovém toku iontů ve vzdálenosti 200 mm od terče. Naše modelové výpočty naznačují, že pokles depoziční rychlosti při rostoucí průměrné výkonové hustotě v pulzu je charakteristikou HiPIMS modu rozprašování obecně a je nezávislý na konfiguraci depozičního systému. K depozici vrstev oxidů zirkonu bylo použito totéž naprašovací zařízení doplněné o (i) systém napouštění reaktivního plynu, (ii) prstencovou anodu umístěnou v oblasti substrátu a (iii) řídící systém. Vrstvy byly deponovány ve směsi argonu a kyslíku při tlaku argonu 2 Pa. Opakovací frekvence pulzů byla 500 Hz a střída v rozmezí 2.5% ? 10%. Byly deponovány transprentní (extinkční koeficient nižší než 4×10-3 při 500 nm) vrstvy oxidu zirkoničitého (ZrO2). Vzrůst průměrné výkonové hustoty na terči z 5 Wcm-2 na 100 Wcm-2 při 10% střídě vedl k (i) nárůstu depoziční rychlosti z 11 nm/min na 73 nm/min a (ii) trojnásobnému poklesu poměru depoziční rychlosti ku průměrné výkonové hustotě na terči. Zvýšení průměrné výkonové hustoty v pulzu zkrácením pulzu (pokles střídy z 5% na 2.5%) způsobilo pokles depoziční rychlosti z 64 nm/min na 15 nm/min. Vrstvy ZrO2 byly krystalické s převažující monoklinickou mřížkou. Jejich extinkční koeficient se pohyboval mezi 6×10-4 a 4×10-3 (při 550 nm) a tvrdost byla v rozmezí 10 GPa ? 15 GPa. Tok iontů na substrát (i) byl tvořen převážně Ar+ a Ar2+ ionty, (ii) obsahoval více kyslíkových iontů než iontů zirkonu a (iii) tok O+ iontů dosahoval přinejmenším pětkrát vyšších hodnot než tok iontů O2+. Pomocí dynamického modelu depozičního procesu bylo demonstrováno, že použité regulační zařízení, jehož vstupní veličinou je impedance výboje a které ovládá napouštění reaktivního plynu, je použitelné pro efektivnímu řízení reaktivních depozic vrstev oxidů zirkonu.