Activitatea IV.3. Măsurători electrice în plasme reactive.
Avantajele operării HiPIMS în modul multi-puls
În raportul anterior au fost prezentate avantajele tehnicii de pulverizare multi-puls HiPIMS (m-HiPIMS), în sensul creșterii ratei de depunere și îmbunătățirii proprietăților filmelor depuse în comparație cu rezultatele obținute în descărcarea HiPIMS standard (s-HiPIMS). În cadrul acestui raport al proiectului, grație tehnicii de diagnoză a plasmei prin spectrometrie de masă, sunt aduse informații suplimentare despre speciile ionizate din plasmă, informații necesare îmbunătățirii nivelului de cunoaștere a mecanismelor care au loc în timpul procesului de pulverizare catodică magnetron și de depunere de filme subțiri. Astfel, s-au comparat funcțiile de distribuție energetică ale ionilor metalici pulverizați în descărcarera magnetron ce funcționează în regim dc, s-HiPIMS și m-Hipims, în diverse amestecuri de gaze (Ar, Ar-H2 și Ar-N2), la presiunea totală de 1 Pa și puterea medie de 100 W. Experimentele s-au efectuat utilizând instalația experimentală construită în cadrul proiectului. S-a folosit o țintă de wolfram pe care s-au aplicat, pentru modul de operate m-HiPIMS, secvențe de 5 micro-pulsuri de înaltă tensiune (U = – 1 kV), fiecare cu durata de 3 µs, decalate unele față de altele cu 50 µs, iar pentru modul s-HiPIMS, pulsuri cu durata de 3 µs, respectiv, 50 µs. Frecvența de repetiție, atât în modul m-HiPIMS cât și în modul s-HiPIMS, a fost setată astfel încât să se mențină aceeași putere medie pe descărcare de 100 W. Pentru modul de operare dc, valoarea tensiunii a fost de 300 V iar cea a curentului de 0.333 A. Distribuția energetică a ionilor a fost înregistrată cu un spectrometru de masă, echipat cu un modul de analiză energetică a ionilor (EQP 1000 Hiden Analytical), plasat la o distanță de 10 cm față de suprafața țintei. Funcția de distribuție energetică a ionilor de W din descărcarea magnetron operată în regim dc prezintă un maxim la o valoare a energiei de aproximativ 2,5 eV și o parte energetică, ce se extinde până la aproximativ 40 eV. În cazul operării descărcării magnetron în regim HiPIMS, funcțiile de distribuție energetică sunt mult diferite, prezintă un maxim în jurul valorii de 5 eV, în timp ce partea energetică se extinde spre 110 eV. Maximul funcției de distribuție corespunde ionilor termalizați (ca urmare a procesului de ciocnire cu atomii gazului de lucru în timpul transportului lor spre spectrometrul de masă), în timp ce partea energetică a funcției de distribuție este formată din acei atomii de W pulverizați și ionizați în drumul lor spre spectrometru de masă Această parte energetică include, de asemenea, și speciile metalice ionizate care sunt reflectate de către țintă. Se observă astfel că distribuțiile energetice ale ionilor de W pulverizați în m-HIPIMS sunt mult mai mari decât cele obținute în regim dc sau s-HiPIMS și conțin o fracție mult mai mare atât de ioni termalizați cât și de ioni energetici.
|
|
Fig. 15. Funcțiile de distribuție energetică ale ionilor metalici de W pulverizați în descărcarea magnetron ce funcționează în regim dc, HiPIMS și m-HiPIMS, în Ar la presiunea totală de 1 Pa și puterea medie disipată pe catod de 100 W.
Integrala funcției de distribuție oferă informații despre fluxul de ioni care ajung în zona orificiului de extracție al spectrometrului de masă. Astfel, se constată că fluxul de ioni de W obținut în regimul m-HiPIMS este de 2 ori mai mare față de cel obținut în s-HiPIMS (cu pulsuri de 3 µs), de 3 ori mai mare față de cel obținut în s-HiPIMS (cu pulsuri de 50 µs) și de 10 ori mai mare față de cel obținut în descărcarea magnetron convențională dc. Mai mult, pentru regimul m-HiPIMS, fluxul de ioni de W dublu ionizați este aproximativ egal cu cel al ionilor o dată ionizați. Pentru celelalte regimuri (s-HiPIMS și dc) fluxul de ioni de W dublu ionizați este mult mai mic decât cel al ionilor o dată ionizați.
Experimental a fost pus în evidență faptul că intreruperea pulsului de tensiune după 3 µs permite ionizarea unei fracții importante din atomii pulverizați din țintă și se evită atragerea lor înapoi spre țintă deoarece potențialul de polarizare al țintei dispare. Ionii produși pe durata pulsului difuzează în toate direcțiile, spre pereții reactorului și către substrat. În modul m-HiPIMS, ajustând durata dintre micropulsurile succesive ale unei secvențe, se poate îmbunătăți considerabil gradul de ionizare al speciilor pulverizate, mai ales a celor aflate departe de țintă, care nu mai pot fi întoarse înapoi către țintă. În consecință, crește fluxul total de ioni metalici către substrat, ce se constată a fi benefic atât pentru rata de depunere cât și pentru proprietățile filmului depus.
|
(a) |
(b) |
Fig. 16. Funcțiile de distribuție energetică ale ionilor metalici de W pulverizați în descărcarea HiPIMS în Ar, Ar+ N2 și Ar + H2 , la presiunea totală de 1 Pa și puterea medie disipată pe catod de 100 W. Durata pulsurilor de tensiune a fost de 3 µs (a), respectiv 50 µs (b).
Spectrometria de masă furnizează informații importante despre două regimuri de funcționare a descărcării HiPIMS, și anume: cel în care se folosesc pulsuri foarte scurte de tensiune (3 µs), și în care pulverizarea materialului țintei este realizată cu precădere de către ionii gazului de lucru, și cel în care se folosesc pulsuri lungi de tensiune (50 µs), iar pulverizarea materialului țintei este realizată cu precădere de către ionii metalici (auto-pulverizare). În figura 16 sunt prezentate comparativ funcțiile de distribuție energetică ale ionilor metalici de W pulverizați în descărcarea HiPIMS cu pulsuri scurte (3 µs), respectiv, pulsuri lungi (50 µs), în Ar, Ar+ N2 (66% Ar +33% N2) și Ar+H2 (66% Ar +33% H2), la presiunea totală de 1 Pa și puterea medie disipată pe catod de 100 W. În ambele cazuri, energia maximă detectată în funcțiile de distribuție este de aproximativ 110 eV, dar în cazul pulverizării folosind pulsuri scurte, fracțiile de ioni de W, atât termalizați cât și energetici, sunt mult mai mari în comparație cu cele obținute prin auto-pulverizare.
În cazul operării HiPIMS cu pulsuri lungi, nu apar diferențe semnificative între funcțiile de distribuție energetică obținute în diferite amestecuri de gaze, deoarece pulverizarea este realizată predominant de către ionii metalici de W (auto-pulverizare). În contrast, în cazul operării HiPIMS cu pulsuri scurte, apar diferențe majore între funcțiile de distribuție energetică obținute în diferite amestecuri de gaze, evidențiindu-se astfel faptul că pulverizarea este realizată predominant de către gazul de lucru. Mai mult, pentru aceeași valoare a puterii medii disipate pe descărcare, frecvența de repetiție a pulsurilor este mult mai mare în cazul pulverizării cu pulsuri scurte decâ în cazul pulverizării cu pulsuri lungi, astfel este îmbunătățită considerabil conductivitatea plasmei și favorizat transportul de ioni metalici către substrat.
Rezultatele experimentale obținute demonstrează că tehnica m-HiPIMS este o soluție alternativă importantă pentru îmbunățirea proprietăților filmelor depuse datorită bombardamentului cu ioni metalici de mare energie. Această tehnică prezintă avantajul ionizării suplimentare a materialului pulverizat din țintă și diminuarea efectului de intoarcere a ionilor metalici către țintă. Prin urmare, limitarea ratei de depunere, adesea invocată în procesele s-HiPIMS, poate fi depașită utilizând modul m-HiPIMS. Creșterea ratei de depunere este atribuită reducerii efectului de rarefiere a gazului, prevenirii apariției efectului de auto-pulverizare și îmbunătățirii transportului de ioni metalici către substrat.
Rezultatele obținute în cadrul acestei etape probează încă o dată versatilitatea dispozitivului și a tehnicii HiPIMS de depunere de filme subțiri. Cu ajutorul tehnicii HiPIMS s-au depus materiale pure (carbon, aluminiu, titan, mangan, nichel, cupru, molibden, tantal şi wolfram), oxizi (TiO2, ZnO), nitruri (WN), oxinitruri (TiOxNy și ZnOxNy), materiale compozite (W-Be, WbeDeN, GST, GST:N) cu rate de depunere comparabile sau chiar mai mari decât cele obținute în pulverizarea magnetron convențională și cu proprietăți superioare. De asemnenea, pentru analiza plasmei s-au folosit cele mai moderne și performante metode de diagnoza, cum ar fi: spectrometria de masă, spectroscopia de absorbție rezonantă laser și fluorescență indusă laser, fotografierea ultrarapidă.