Přejít k obsahu


Return of target material ions leads to a reduced hysteresis in reactive high power impulse magnetron sputtering: Model

Citace:
KADLEC, S., ČAPEK, J. Return of target material ions leads to a reduced hysteresis in reactive high power impulse magnetron sputtering: Model. Journal of Applied Physics, 2017, roč. 121, č. 17, s. "171910-1"-"171910-18". ISSN: 0021-8979
Druh: ČLÁNEK
Jazyk publikace: eng
Anglický název: Return of target material ions leads to a reduced hysteresis in reactive high power impulse magnetron sputtering: Model
Rok vydání: 2017
Autoři: Stanislav Kadlec , Ing. Jiří Čapek Ph.D.
Abstrakt CZ: Efekt mizení hystereze v reaktivním vysokovýkonovém pulzním magnetronovém naprašování (HiPIMS) byl nedávno popsán v literatuře, ale fyzikální vysvětlení tohoto jevu stále chybí. V této práci je prezentován analytický model reaktivního pulzního naprašování zahrnující i HiPIMS podmínky. Tento model kombinuje Bergův model reaktivního naprašování a model HiPIMS výboje autorů Christie a Vlček. V modelu je uvažováno časové i plošné průměrování za účelem popisu makroskopického stacionárního stavu, zejména k popisu bilance reaktivního plynu v reaktoru. Nejdůležitějším efektem v prezentovaném modelu je pokrývání proreagovaných částí terče kovovými ionty terčového materiálu, které efektivně snižuje pokrytí terče reakčními produkty při daném parciálním tlaku. Pravděpodobnost návratu ionizovaného kovu byla zvolena jako hlavní parametr modelu. Model vysvětluje důvody pro redukovanou hysterezi v HiPIMS výboji. Kritická čerpací rychlost byla až sedmkrát nižší v případě reaktivních HiPIMS podmínek v porovnání s pulzním magnetronovým naprašováním při středních opakovacích frekvencích pulzů. Model předpovídá redukovanou hysterezi za HiPIMS podmínek kvůli méně negativní směrnici toku kovů na substrát a sorpci reaktivního plynu, oboje jako funkce parciálního tlaku reaktivního plynu. Model také předpovídá, že za určitých podmínek reaktivní HiPIMS výboj vede k vyšší depoziční rychlosti než při použití standardních depozičních technik. Porovnání modelu s experimentálními daty ukazuje dobrou kvalitativní i kvantitativní shodu pro tři materiálové kombinace, konkrétně pro Ti-O2, Al-O2, and Ti-N2.
Abstrakt EN: A tendency to disappearing hysteresis in reactive High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) has been reported previously without full physical explanation. An analytical model of reactive pulsed sputtering including HiPIMS is presented. The model combines a Berg-type model of reactive sputtering with the global HiPIMS model of Christie-Vlček. Both time and area averaging is used to describe the macroscopic steady state, especially the reactive gas balance in the reactor. The most important effect in the presented model is covering of reacted parts of target by the returning ionized metal, effectively lowering the target coverage by reaction product at a given partial pressure. The return probability of ionized sputtered metal has been selected as a parameter to quantify the degree of HiPIMS effects. The model explains the reasons for reduced hysteresis in HiPIMS. The critical pumping speed was up to a factor of 7 lower in reactive HiPIMS compared to the mid-frequency magnetron sputtering. The model predicts reduced hysteresis in HiPIMS due to less negative slope of metal flux to substrates and of reactive gas sorption as functions of reactive gas partial pressure. Higher deposition rate of reactive HiPIMS compared to standard reactive sputtering is predicted for some parameter combinations. Comparison of the model with experiment exhibits good qualitative and quantitative agreement for three material combinations, namely, Ti-O2, Al-O2, and Ti-N2.
Klíčová slova

Zpět

Patička