High power impulse magnetron sputtering of tungsten and zirconium: An ionization region model study

Abstract

The plasma dynamics of high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) discharges with a tungsten and zirconium targets are studied by applying the ionization region model (IRM). The IRM effectively captures the temporal variations of the species densities as well as the electron energy, providing insights into key discharge parameters such as ionization and back-attraction probabilities and the working gas rarefaction processes. When operating with tungsten target, the discharge current at the cathode target surface is composed of both argon and tungsten ions and the argon ions precede the tungsten ions. The investigations reveal that for tungsten target, an initial peak in the discharge current waveform is primarily due to argon ion bombardment, transitioning to dominance by tungsten ions as the discharge progresses. The model illustrates how tungsten ions increasingly contribute to the discharge current at higher cathode voltages, effectively leading to higher discharge current densities, highlighting changes in ionization and back-attraction probabilities correlating with voltage increases. In case of zirconium target, roughly 2/3 of the discharge current at the cathode target surface is carried by Ar+ ions while only about 1/3 is carried by Zr+ ions. Using the IRM, the substantial effect of electron impact ionization in promoting working gas rarefaction is observed, a critical factor in these discharges, especially pronounced at lower pressures and higher current densities. For HiPIMS discharges with both tungsten and zirconium targets, there are significant contributions from both argon ions and metal ions. This indicates that with both tungsten and zirconium targets the discharges operate on combination of working gas and self-sputter recycling.

Kvik hegðun rafgass í háaflspúlsuðum segulspætum (HiPIMS) með þungsteins og sirkon skotmörkum eru rannsökuð með því að beita jónunarsvæðislíkani (IRM). Jónunarsvæðislíkanið fangar vel breytingar í þéttleika agna með tíma, sem og orku rafeinda, sem gefur okkur innsýn í helstu kennistærðir afhleðslunnar eins og líkur jónunnar og líkur á því að jónir séu dregnar til baka að skotmarkinu, sem og fall í þéttleika vinnugassins. Niðurstöðurnar sýna að fyrir þungsteinsskotmark, að upphafstoppurinn í afhleðslustraumnum er að mestu borinn af argon jónum, og samsetning straumsins breytist síðan í það að þungteins jónir verða ráðandi hleðsluberi síðar í púlsinum. Líkanniðurstöðurnar sýna hvernig þungsteinsjónirnar leggja meira til afhleðslustraumsins þegar spennan á bakskaut afhleðslunnar er aukin, sem í raun eykur strauminn um afhleðsluna, og dregur fram hvernig jónunarlíkur aukast og bakdráttarlíkum falla með hækkandi bakskautsspennu. Þegar skotmarkið er þungsteinn þá samanstendur straumurinn um afhleðsluna af bæði argon- og þungsteinsjónum, og argon jónirnar birtast á undan þungsteinsjónunum. Hlutfall jóna í flæði agna Fflux er metið vera á bilinu 7 % fyrir hámarks straumþéttleika 0.33 A/cm2 og hækkar í 34 % við 0.73 A/cm2 , og þetta hlutfall eykst með aukinn bakskautsspennu. Fyrir sirkon skotmark, er um það bil 2/3 af straumnum um afhleðsluna við yfirborð skotmarksins borinn af Ar+ jónum á meðan um 1/3 er borinn af Zr+ jónum. Fyrir afhleðslur með sirkon skotmarki, sýnir rannsóknin, sem er staðfest með tilraunum, að hlutfall jóna í flæðinu breytist all verulega, fer frá 25% upp í 59%, hækkar með hækkandi hámarks straumþéttleika um afhleðsluna. Með því að beita IRM, sést glögglega mikilvægt hlutverk jónunar argons með árekstri við rafeindir í því að valda þrýstingslækkun vinnugassins, í þessum afhleðslum, einkum við lágan gasþrýsting og háan straumþéttleika. Þessu til viðbótar, þá sést með samanburði við tilraunaniðurstöður, sem fengnar voru með mælingu á Thomson dreifingu, og mælingu á ljósútgeislun, frá afhleðslum með þungsteinsskotmark að þrátt fyrir að IRM gefi of lág gildi á rafeindaþéttleika og gefi of há gildi fyrir rafeindahitastig, þá segir það fyrir um hegðan þessara stærða sem fall af tíma. Þegar á allt er litið, þá sýna þessar niðurstöður að meðalrúmmálslíkanið er er mjög notadrjúgt í að segja fyrir um þá flóknu hegðun sem finna má í HiPIMS afhleðslum, og að þær forspár falla vel að því sem hefur sést í tilraunum. Fyrir HiPIMS afhleðslur, með bæði þungsteins og sirkon skotmörk, er verulegt framlag til straums um afhleðslunnar frá bæði argon og málmjónum. Þetta þýðir að bæði þungsteins og sirkon afhleðslur gera út á bæði endurvinnslu jóna vinnugassins og jóna sjálf-spætunar.