Metal ion escape and gas rarefaction in high power impulse magnetron sputtering

Abstract

High power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) is an advanced ionized physical vapor deposition (IPVD) technique that uses almost the same hardware as dc magnetron sputtering (dcMS), but is more flexible in tuning film characteristics. Compared to conventional dc magnetron sputtered films, thin films produced by HiPIMS typically have enhanced properties, such as better crystallinity, higher mass density, and improved phase composition, primarily due to low-energy ion bombardment during the film growth process. However, the broader use of HiPIMS in industrial applications is constrained by the main disadvantage: often a significantly lower deposition rate. This drawback is mainly attributed to the back-attraction of the film-forming species after they have been ionized in the dense plasma near the cathode target.

The thesis focuses on addressing this primary limitation of HiPIMS by investigating the physics governing the discharge, and the relationship between sputter yield and deposition rate. The central goal was to analyze and further develop the ionization region model (IRM) of HiPIMS discharges to optimize the deposition process. The research involved computational modeling, including studies on working gas rarefaction across multiple target materials, the detailed modeling of discharges with chromium, aluminum, and graphite targets in various gas mixtures (e.g., Ne/Ar), and the analysis of the results obtained from the simulations.

The main conclusion, supported by the data analysis of the IRM simulation results for various target materials under diverse discharge conditions, is that the sputter yield dictates the back-attraction probability of the sputtered species. The sputter yield is shown to be a key factor that significantly changes the discharge composition, electron temperature, degree of gas rarefaction, and, consequently, the possible limit on deposition rate and overall discharge characteristics. Furthermore, the sputter yield determines which process is mainly responsible for working gas rarefaction.

In conclusion, this work establishes that the target sputter yield is important for controlling and optimizing the HiPIMS discharge. The thesis serves as an introduction to the physical processes investigated, while the detailed results of the work are presented in the attached articles. The work also includes a supplementary experimental part focused on measurements of the ionized flux fraction (IFF) in the deposition flux. This experimental data served for constraining one of the parameters within the IRM, thereby improving the model’s predictive power.

Háaflspúlsuð segulspæta (HiPIMS) er ræktunartækni sem byggir á háu hlutfalli jónaðra agna í agnaflæðinu sem myndar húðina, en notar nánast sama tækjabúnað og jafnstraumssegulspætun, en hefur meiri sveigjanleika hvað varðar það að stýra megi gæðum ræktaðrar húðar. Í samanburði við húðir ræktaðar með hefðbundinni dc segulspætu sýna húðir sem ræktaðar eru með HiPIMS yfirleitt bætta eðliseiginleika, svo sem betri kristallsbyggingu, hærri eðlismassa og bætta fasasamsetningu, aðallega vegna lágorku jónahríðar á vaxtarstiginu. Hins vegar er útbreiddari iðnaðarnotkun HiPIMS verulega takmörkuð vegna helsta ókosts þessarar tækni: verulega minni ræktunarhraða. Þessi lági ræktunarhraði er rakinn til þess að eftir jónun spættu atómanna í þéttu rafgasinu nærri bakskautsskotmarkinu, er stór hluti þeirra dreginn aftur að bakskautinu.

Megin markmið ritgerðarinnar er að leita leiða til að bregðast við þessari helstu takmörkun HiPIMS tækninnar með því að rannsaka eðlisfræðina sem lýsir afhleðslunni og tengslin milli afraksturs spætunar (e. sputter yield) og ræktunarhraða. Meginmarkmiðið var að greina og þróa áfram jónunarsvæðislíkanið (IRM) fyrir háflspúlsaðar segulspætur til þess að besta ræktunarferlið. Þetta fól í sér líkanagerð, þar á meðal rannsóknir á gasþynningu vinnugassins fyrir mörg mismunandi skotmörk, líkanagerð á afhleðslum með skotmörk úr króm, áli og grafíti í ýmsum gasblöndum (t.d. Ne/Ar), og greiningu á niðurstöðum úr þessum hermununum.

Meginniðurstaðan, sem studd er af gagnagreiningu á niðurstöðum úr IRM-hermunum fyrir ýmis skotmörk, við fjölbreytt afhleðsluskilyrði, er sú að afrakstur spætunar ræður líkunum á því að spættu agnirnar dragist aftur að skotmarkinu. Sýnt er fram á að afrakstur spætunar sé lykilþátturinn í að breyta samsetningu agna í afhleðslunni, rafeindahitastigi, hve mikið vinnugasið þynnist og þar með mögulegum takmörkunum á ræktunarhraða svo og heildar eiginleikum afhleðslunnar. Enn fremur ákvarðar afrakstur spætunar því hvaða ferli ber meginábyrgð á þynningu vinnugassins.

Þegar upp er staðið staðfestir þetta verk að afrakstur spætunar skotmarksins sé mikilvæg stýristærð þegar besta á háaflspúlsaða segulspætu. Ritgerðin þjónar sem inngangur að þeim eðlisfræðilegu ferlum sem rannsakaðir voru, en megin niðurstöður verksins eru kynntar í meðfylgjandi greinum. Í verkinu er einnig fjallað um tilraunir þar sem áhersla er lögð á að mæla hlutfall jónaðra agna í flæðinu (IFF) sem myndar húðina. Þessi tilraunagögn voru notuð til að afmarka eina af breytum IRM-líkansins, sem bætir forspárgildi líkansins.