Activitatea II.3 Diagnoza plasmei in diferite configuratii de camp magnetic
In acest an au fost continuate studiile referitoare la caracterizarea parametrilor plasmei descarcarii magnetron si a straturilor subtiri depuse prin pulverizare catodica in conditiile in care campul magnetic extern, propus si utilizat in primul an al contractului, a fost modificat folosind o configuratie complexa in care actiunea acestuia a fost extinsa si in regiunea substratului. Pentru diagnoza plasmei in diferite configuratii de camp magnetic s-a folosit o instalatie de depuneri de straturi subtiri, a carei schema este prezentata in figura 9 si a carei descriere a fost facuta in raportul stiintific al etapei precedente. De asemenea, principii de lucru ale metodelor de diagnoza folosite (electrice, optice si spectrale) au fost detaliate in raportul stiintific anterior. Campul magnetic auxiliar a fost produs cu ajutorul a doua bobine montate pe exteriorul instalatiei, una la nivelul catodului iar cealalta la nivelul substratului. S-a folosit o tinta de aluminiu iar gaz de lucru s-a folosit argon.
Figura 9. Schema bloc a instalatiei experimentale
Pentru a putea evidentia modul in care campul magnetic creat de cele doua bobine actioneaza asupra descarcarii magnetron au fost inregistrate imagini ICCD cu ajutorul unei camere ultra-rapide (figura 10). Imagininile au fost achizitionate la momentele de timp t = 2 µs si t = 9 µs de la initierea pulsului de tensiune si s-a folosit un timp de integrare (gate) de 30 ns. Informatii asupra evolutiei spatio-temporale a electronilor din descarcare au fost obtinute folosind un filtru optic cu banda de transmisie in domeniul rosu (690 – 900 nm). Majoritatea liniilor spectrale emise de atomii excitati ai gazului de lucru se gasesc in acest domeniu spectral. Aceste imagini contin informatii asupra densitatii speciilor excitate de Ar din sistem, aceste specii fiind dependente de densitatea electronilor energetici, care produc aceste procese de excitatare. Cu ajutorul acestei tehnici se pot obtine informatii calitatative asupra modului in care se modifica cinetica si dinamica particulelor din plasma functie de prezenta sau absenta campului magntic suplimentar.
Figura 10. Imagini ICCD ale descarcarii pentru diferite configuratii de camp magnetic; (Semnul + corespunde cu cazul in care campul magnetic creat de bobina auxiliara are acelasi sens cu cel creat de piesa polara centrala a magnetronului).
Campul magnetic creat de cele doua bobine actioneaza atat asupra magnetronului, prin modificarea regimului de echilibrare – dezechilibrare cat si asupra electronilor primari (produsi la initierea pulsului) si secundari (produsi in volumul plasmei in urma proceselor de ionizare). De asemenea, pentru o valoare a campului magnetic, creat de ambele bobine, mai mare de 150 Gauss, are loc o modificare a zonei cu luminozitate intensa a descarcarii, de la forma tronconica, data de snurul de plasma, la forma conica, data de expansiunea regiunii de ionizare in directie perpendiculara la tinta. Atunci cand polaritatea bobinei de sus este inversata (Bs = -150 Gauss), cele doua bobine formeaza o configuratie de camp magnetic de tip „sea sau cusp” care are ca efect uniformizarea concentratiei de electroni din volumul descarcarii. Modificarea formei si intensitatii luminoase a plasmei odata cu cresterea inductiei magnetice create de bobina de jos poate fi explicata de masuratorile electrice ale curentului mediu pe descarcare, respectiv, pe shield (figura 11). Se observa ca curentul mediu pe descarcare creste cu cresterea inductiei magnetice a bobinei de jos. Pentru valori mici ale campului magnetic (B<100 Gauss) , aproape tot curentul descarcarii se scurge prin shield. Pentru valori ale lui B mai mari de 150 Gauss, valoarea medie a curentului prin shield se diminueaza odata cu cresterea lui B. Acest lucru indica faptul ca electronii secundari ai plasmei nu mai sunt culesi de shield, care are rol de anod, ci sunt injectati in volumul descarcarii contribuind la intensificarea proceselor de excitare si ionizare din plasma.
Figura 11. Evolutiile curentului mediu pe descarcare si a curentului prin „shield” .
Un parametru foarte important urmarit in studiile intreprinse a fost fluxul de ioni la nivelul substratului. Acest parametru permite evaluarea gradului de ionizare a plasmei, respectiv a atomilor pulverizati din tinta. Mai mult, s-a avut in vedere monitorizarea distributiei acestui flux de ioni pe suprafata substratului in scopul stabilirii parametrilor de lucru in care aceasta distributie poate fi cat mai uniforma. Astfel s-au inregistrat evolutiile temporale ale curentilor ionici de saturatie pentru cazurile: i) Bj = 0 G, Bs= 0 G, ii) Bj = +300 G, Bs= 0 G, iii) Bj = +300 G, Bs= -150 G. Presiunea gazului a fost de 10 mTorr, iar durata pulsului de 20 µs.
 |
 |
| a) | b) |
Figura 12. Evolutiile temporale ale curentilor ionici de saturatie (a) si distributia radiala a densitatii de curent ionic pentru cazurile: i) Bj = 0 G, Bs= 0 G, ii) Bj = +300 G, Bs= 0 G, iii) Bj = +300 G, Bs= -150 G.
Se poate constata ca prezenta campului magnetic suplimentar creat doar de bobina de jos are ca rezultat cresterea valorii densitatii fluxului de ioni (valoarea integralei de sub curbele prezentate in figura 12.a) in regiunea axiala a descarcarii cu cresterea inductiei campului magnetic. Aceasta crestere poate fi de peste un ordin de marime pentru o inductie a campului magnetic suplimentar de numai 300 Gauss. Distributia densitatii ionilor care ajung la substrat este mult mai uniforma in prezenta lui Bs (cazul Bj = +300 G, Bs= -150 G).
Totodata, masuratorile de absorbtie rezonanta laser asupra densitatii de atomi neutri de Al pun in evidenta o diminuare neta a concentratiei de neutri de Al odata cu cresterea inductiei campului magnetic creat de bobina de jos (figura 13). Masuratorile au fost efectuate in preajma substratului (5 cm deasupra tintei).
Figura 13. Distributia spatio-temporala a neutrilor de Al in absenta (a) si in prezenta campului magnetic auxiliar de 360 Gauss (b).
Cauzele diminuarii densitatii de atomi de Al pulverizati sunt:
– modificarea compozitie plasmei odata cu cresterea lui B auxiliar. Creste gradul de ionizare al atomilor metalici si prin urmare mai putini neutri vor fi detectati in volumul investigat de laser.
– scaderea ratei de pulverizare datorita fenomenului de autopulverizare (reintoarcere la tinta a ionilor metalici). Rata de autopulverizare Al+-Al este mai mica decat rata de pulverizare in cazul bombardamentului cu ioni de Ar. Fenomenul de autopulverizare este accentuat si de scaderea potentialului plasmei (-120 V in apropierea tintei) odata cu cresterea lui B, fapt ce conduce la cresterea probabilitatii ca acestia sa fie redirectionati catre tinta.
– cresterea valorii medii a curentului pe descarcare odata cu cresterea lui B duce la cresterea curentului de drift care genereaza un camp magnetic local ce poate conduce la modificarea nivelelor energetice ale atomilor neutri de Al (efectul Zeeman).
– modificarea regiunii de ionizare (figura 10) si implicit a caderii catodice a descarcarii odata cu cresterea inductiei campului magnetic auxiliar ce are ca efect diminuarea energiei ionilor care bombardeaza tinta si a ratei de pulverizare.
Rezultatele experimentale au fost prezentate la „31st International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 14-19 Iulie 2013, Granada, Spania” si la “16th International Conference on Plasma Physics and Applications, 20-25 Iunie 2013, Magurele, Romania” si aceeptate spre publicare in [13].