Ime strani: ARRSProjekti / 2016 / Razumevanje plazemskih procesov in rasti tankih plasti v magnetronskem naprševanju pri visoki pulzni moči

Razumevanje plazemskih procesov in rasti tankih plasti v magnetronskem naprševanju pri visoki pulzni moči


Nazaj na seznam za leto 2016


Naziv projekta

Razumevanje plazemskih procesov in rasti tankih plasti v magnetronskem naprševanju pri visoki pulzni moči (J2-7238)
Understanding plasma processes and thin film growth in High Power Impulse Magnetron Sputtering (J2-7238)

© Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

Partnerji

Institut "Jožef Stefan", Odsek za tanke plasti in površine

Kemijski inštitut, Odsek za kemijo materialov

Projektna skupina

Vodja projekta: dr. Matjaž Panjan

Sodelavci na IJS: doc. dr. Miha Čekada, dr. Peter Panjan, doc. dr. Uroš Cvelbar, dr. Gregor Filipič

Sodelavci na KI: prof. Miran Gaberšček, prof. Goran Dražić, dr. Elena Chernyshova

Vsebinski opis projekta

Magnetronsko naprševanje je vakuumska tehnika, ki se uporablja za nanašanje kvalitetnih tankih plasti v mikroelektroniki, fotovoltaiki, inženirstvu površin, optiki ter drugih področjih sodobnih tehnologij. Naprševanje poteka s pomočjo plazme, ki jo ustvarimo pri nizkem tlaku (tipično 1 Pa) s priključitvijo negativne električne napetosti na katodo. Ioni se pospešijo proti katodi (tj. tarči) in razpršujejo material po vakuumski komori. Za magnetronsko plazmo je do nedavnega veljalo prepričanje, da je ta porazdeljena v obliki homogenega obroča, kar lahko opazimo s prostim očesom oz. na fotografijah posnetih z navadno kamero (slika spodaj levo). Raziskave s hitrimi kameri, katere je opravljal tudi vodja raziskovalnega projekta dr. Matjaž Panjan, pa so pokazale, da je plazma zgoščena v manjših področjih, ki jih imenujemo ionizacijske cone (spodnje slike na desni). Cone imajo obliko podolgovate puščice, njihovo število pa je odvisno od delovnega tlaka in parametrov razelektritve. vrtijo v ravnini magnetrona in pomembno vplivajo na transport nabitih delcev v plazmi. Smer gibanja in hitrost ionizacijskih con je odvisna od toka razelektritve in delovnega tlaka, hitrosti pa so med 2 in 10 km/s.

Cilj raziskovalnega projekta je bolje razumeti pojav plazemskih nehomogenosti v magnetronskem naprševanju. V projektu uporabljamo različne eksperimentalne tehnike za razumevanje osnovnih fizikalnih procesov, kot so hitra ICCD kamera, emisijska in Langmuirjeva sonda, optična emisijska spektroskopija ter druge diagnostične tehnike. Poleg eksperimentalnih tehnik v projektu nameravamo modelirati gibanje nabitih delcev v nehomogenem plazemskem potencialu, ki ga ustvarjajo ionizacijske cone. Na ta način bomo poskušali pojasniti nekatere lastnosti ionizacijski con in fizikalne procese povezane z njimi.

Cone.png

Magnetronska razelektritev posneta z navadno kamero (levo) ter z visokohitrostno ICCD kamero (slike desno). Plasma je organizirana v t.i. ionizacijske cone. Slike so bile posnete v enosmerni magnetronski razelektritvi za različne tlake argona.

Faze projekta

  1. Faza: Razumeti osnovne fizikalne procese, ki so povezani s pojavom plazemskih nehomogenosti v magnetronski razelektritvi
  2. Faza: Razviti model, ki pojasnjuje organizacijo plazme v ionizacijske cone
  3. Faza: Preveriti, če plazemske nehomogenosti vplivajo na homogenost mikrostrukturnih lastnosti kovinskih tankih plasti

Realizacija projekta

V letu 2016 smo realizirali večji del prve faze projekta. Pretekle raziskave plazemskih nehomogenosti, ki smo jih študirali s hitrimi kamerami, smo nadgradili z meritvami z električnimi sondami. Iz teh meritev smo lahko določili osnovne plazemske parametre, kot so porazdelitev plazemskega potenciala, gostota prostorskega naboja in energije elektronov (spodnje animacije). S pomočjo teh podatkov pa smo uspeli razčistiti nekatere raziskovalne hipoteze, ki smo jih postavili v projektu. Uspelo nam je na primer pojasniti puščičasto oblika ionizacijskih con, njihovo odvisnost od tlaka ter dinamiko. Poleg tega pa smo z meritvami plazemskega potenciala prišli do pomembnih spoznanj o osnovnih fizikalnih procesih v magnetronski plazmi. Prostorska porazdelitev plazemskega potenciala in električnega naboja sta pokazali, da električna polja v ionizacijski coni pospešujejo elektrone in jim na ta način dovajajo energijo za vzdrževanje plazmo. Ta mehanizem dovajanja energije elektronov predstavlja novo hipotezo za samo-vzdrževanje magnetronske plazme in se razlikuje od hipoteze opisane v literaturi, da plazmo vzdržujejo le sekundarni elektroni.

Vp.png

Slika ionizacijske cone posneta z visokohitrostno kamero (levo). Porazdelitev plazemskega potenciala in električnega polja (desno), ki približno sovpada s sliko na levi. Podrobnejši opis je v članku M. Panjan and A. Anders, J. Appl. Phys. 121 (2017) 063302

S5n.gif S7n.gif

Porazdelitev plazemskega potenciala in električnega polja (levo) ter porazdelitev energije elektronov (desno) v DC magnetronski razelektritvi. Meritve so prikazane v r-z ravnini za različne azimutne kote. Podrobnejši opis je v članku M. Panjan and A. Anders, J. Appl. Phys. 121 (2017) 063302

Bibliografske reference

  • Članek: M. Panjan and A. Anders "Plasma potential of a moving ionization zone in DC magnetron sputtering" J. Appl. Phys. 121 (2017) 063302, supplementary material

  • Vabljeno predavanje na mednarodni konferenci 43rd International Conference on Metallurgical Coatings & Thim Films (April 2016, San Diego, ZDA), M. Panjan - Magnetron sputtering: physics of spokes in continuous and pulsed discharges

  • Vabljeno predavanje na mednarodni konferenci 14th European Vacuum Conference (Junij 2016, Portorož, Slovenija), M. Panjan - Magnetron sputtering: Why is magnetron plasma organized in dense, periodic regions?

  • Vabljeno predavanje na seminarju Max-Planck Institut für Plasmaphysik (December 2016, Garching, Nemčija), M. Panjan - Magnetron sputtering: Illuminating physics of ionization zones

Nazaj na seznam projektov po letih