Diagnostika nízkoteplotního plazmatu v technologických zařízeních pro přípravu tenkých vrstev

Text

Důležitou výzkumnou činností v Oddělení nízkoteplotního plazmatu je výzkum nových metod diagnostiky nízkoteplotního plazmatu během růstu tenkých vrstev. V oddělení se převážně zaměřujeme se na popis chování plazmatu v různých technologických aplikacích se zaměřením na pulzně buzené magnetronové naprašování. Naším cílem je hledání souvislostí mezi parametry plazmatu a fyzikálními vlastnostmi nanesených tenkých vrstev. V rámci našeho výzkumu jsme vyvinuli nové diagnostické  techniky, které umožňují zkoumat výboje v situacích, kdy běžně používané diagnostické techniky selhávají. Na základě naší výše popsané výzkumné strategie byla vyvinuta nová diagnostická metoda vhodná pro nízkoteplotní výboje, kterou jsme nazvali modifikovanou Katsumata sondou. Náš výzkum jsme začali od konceptu Katsumata sondy používané ke studiu teploty iontů ve fúzních magnetických zařízeních. Přidáním vnějšího homogenního magnetického pole správné velikosti ke standardní Katsumata sondě jsme vytvořili novou sondu, která umožňuje měřit rychlostní distribuci iontů v nízkoteplotním plazmatu, které neobsahuje silného magnetického pole, jako je to typické pro technologické výboje [1].

Dalším neméně důležitým cílem našeho výzkumu bylo studium distribučních funkcí rychlosti iontů pracovního plynu a ionizovaných rozprášených částic z terče magnetronu. V této práci jsme použili hmotnostní spektrometr s energetickým rozlišením (Hiden Analytical Ltd, UK). Svou pozornost jsme soustředili na studium iontů Ar+, Ti+, ArTi+, O, O2+ a jejich možných dimerů jako např. Ar2+ nebo Ti2+. Získané rychlostní distribuční funkce těchto iontů ukázaly, že rychlostní distribuce Ar+ se sestává z nízkoenergetické a vysokoenergetické části, zatímco rychlostní distribuce Ti+ obsahuje převážně vysokoenergetickou část a nízkoenergetická část distribuce se objevuje pouze při zvýšeném pracovním tlaku v reaktoru. Tyto výsledky ukazují, jak mohou probíhat procesy vytváření jednotlivých iontů v plazmatu a jaké elementární procesy probíhající ve zkoumaném výboji. Například, Ti2+ dimer je vytvořen ionizací dimeru Ti2 v objemu plazmatu a hustota iontů Ti2+ klesá se zvyšujícím se pracovním tlakem v důsledku tvorby titanových klastrů [2]. Podobný výzkumný přístup jsme aplikovali také pro měření rychlostní distribuce iontů ve výboji HiPIMS. Ukázalo se, že rozdělení rychlosti argonových a titanových iontů má podobný tvar jako v případě standardního magnetronového výboje, tj. že můžeme pozorovat přítomnost nízkoenergetické a vysokoenergetické části distribuce. Dále pak rozdělení rychlosti iontů lze dobře aproximovat pomocí tzv. posunutého bi-Maxwellovského rozdělení. Takové rozdělení rychlosti naznačuje, že v oblasti výboje kde jsou ionty vytvářeny, musí existovat elektrické pole takového směru, že urychluje ionty směrem k substrátu. Tento výsledek podporuje existenci tzv. potenciálového skoku, který byl pozorován také jinými autory na základě měření potenciálu plazmatu [3].

Náš další výzkum se zaměřil na vývoj nové plazmové diagnostické techniky, která může být snadno použitelná během technologického procesu nanášení tenkých vrstev. Ukazuje se, že důležitým technologickým parametrem HiPIMS výbojů je tzv. stupeň ionizace rozprášených částic terče. V naší práci jsme se zaměřili na toto téma studiem toku ionizované frakce deponovaných částic pomocí v naší laboratoři nově vyvinuté sondy (tzv. iontový meter). Výše uvedené měření jsme také zkombinovali také s měřením parametrů plazmatů pomocí časově rozlišené Langmuirovy sondy. Naše výsledky ukázaly, že výběrem vhodného modelu popisujícího nízkoteplotní plazma mohou být parametry plazmatu získané z měření Langmuirovou sondou použity pro stanovení ionizované frakce deponovaných částic na substrát. V této práci jsme zkoumali parametry plazmatu pro různé připravované materiály, jako jsou Ti, Al a C, jak je možno vidět na obrázku. Výsledky jasně prokázaly, že maximum toku ionizované frakce deponovaných částic existuje pro materiál Ti (78%) [4, 5].

Reference:

[1] M. Čada, Z. Hubička, P. Adámek, J. Olejníček, Š. Kment, J. Adámek, J. Stöckel: A modified Katsumata probe-Ion sensitive probe for measurement in non-magnetized plasmas. Rev. Sci. Instrum. 86 (2015) 073510-7.

[2] R. Hippler, M. Cada, V. Stranak, Z. Hubicka, C.A. Helm: Pressure dependence of Ar2+, ArTi+, and Ti2+ dimer formation in a magnetron sputtering discharge. J. Phys. D: Appl. Phys. 50 (2017) 445205-8.

[3] R. Hippler, M. Cada, V. Stranak, C. A. Helm, Z. Hubicka: Pressure dependence of singly and doubly charged ion formation in a HiPIMS discharge. J. Appl. Phys. 125 (2019) 013301-7.

[4] D. Lundin, M. Čada, Z. Hubička: Ionization of sputtered Ti, Al, and C coupled with plasma characterization in HiPIMS. Plasma Sources Sci. Technol. 24 (2015) 035018-11.

[5] M. Čada, D. Lundin, Z. Hubička: Measurement and modeling of plasma parameters in reactive high-power impulse magnetron sputtering of Ti in Ar/O2 mixtures. J. Appl. Phys. 121 (2017) 171913-7.

dpt_25_diagnostika.jpg
Popis
Tok ionizované frakce deponovaných kovových atomů Ti (nahoře) a Al (dole) jako funkce střední proudové hustoty v pulzu HiPIMS výboje. Levý sloupeček zobrazuje případ délky HiPIMS pulzu 100 µs a pravý sloupeček zobrazuje situaci s délkou HiPIMS pulzu 400 µs. Výboj byl zkoumán pro dva různé pracovní tlaky v reaktoru 0,5 Pa a 2,0 Pa.
Na tématu se podílejí