Um modelo fluido de descarga de magnetron planar de corrente contínua pulsada

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9017 (2023) Citar este artigo

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Simulamos uma descarga de magnetron planar de corrente contínua pulsada (DC) usando modelo de fluido, resolvendo equações de continuidade de espécies, momento e transferência de energia, juntamente com a equação de Poisson e força de Lorentz para eletromagnetismo. Com base em um modelo validado de magnetron DC, uma forma de onda de potencial bipolar assimétrica é aplicada no cátodo na frequência de 50–200 kHz e no ciclo de trabalho de 50–80%. Nossos resultados mostram que a pulsação leva ao aumento da densidade eletrônica e da temperatura eletrônica, mas diminui a taxa de deposição em relação ao magnetron DC não pulsado, tendências consistentes com aquelas relatadas por estudos experimentais. O aumento da frequência de pulso aumenta a temperatura do elétron, mas reduz a densidade do elétron e a taxa de deposição, enquanto o aumento do ciclo de trabalho diminui a temperatura e a densidade do elétron, mas aumenta a taxa de deposição. Descobrimos que a densidade eletrônica média no tempo aumenta inversamente com a frequência, e a magnitude da tensão de descarga média no tempo aumenta com o ciclo de trabalho. Nossos resultados são prontamente aplicáveis ​​à pulverização catódica de magnetron com potência de pulso modulada e podem ser estendidos a processos de pulverização catódica reativa de corrente alternada (CA).

O magnetron planar de corrente contínua pulsada (P-DCM) é frequentemente empregado em pulverização catódica reativa para depositar filmes finos dielétricos, como nitreto de escândio de alumínio (AlScN)1 ou nitreto de alumínio (AlN)2. No P-DCM, uma tensão pulsada bipolar é aplicada a uma frequência média de 10–250 kHz3, levando à pulverização catódica durante o pulso negativo e à descarga durante o pulso positivo. As vantagens do P-DCM incluem uma taxa de deposição mais alta em comparação com a pulverização catódica de radiofrequência (RF), uma potência mais alta em comparação com um DCM5 não pulsado e arco elétrico reduzido durante a pulverização catódica6. O arco elétrico pode ocorrer devido ao acúmulo de cargas superficiais no alvo metálico, comprometendo gravemente a uniformidade e a qualidade do filme depositado7.

Usando a sonda Langmuir resolvida no tempo, Bradley et al.8 mediram a evolução temporal da densidade eletrônica e da temperatura efetiva do elétron tanto do DCM quanto do P-DCM com ciclo de trabalho de 80% no local próximo ao substrato. A densidade eletrônica média do tempo relatada é \(9,3\times {10}^{15}\) m−3, \(8,4\times {10}^{15}\) m−3 para P-DCM em 50, 100 kHz maior que \(7,1\times {10}^{15}\) m−3 para DCM, e as temperaturas médias dos elétrons como 4,2, 4,5 eV para P-DCM em 50, 100 kHz maiores que 3,34 eV para DCM. Lee et al.9 relataram uma medição de temperatura eletrônica de 3,06, 3,63, 5,32 eV para frequência pulsada de 75, 100, 250 kHz em ciclo de trabalho de 80%, respectivamente. Glocker4 comparou magnetron de corrente contínua (DC) e magnetron de corrente alternada (CA) de 35 kHz na mesma potência e relatou energias eletrônicas, densidades de íons e taxas de deposição de 3,2 eV, \(6,4\times {10}^{16}\) m −3, 0,70 nm/s para AC e 2,4 eV, \(1,63\times {10}^{16}\) m−3, 0,82 nm/s para DC, respectivamente.

Lee et al.10 relataram diminuição da taxa de deposição em frequências de pulso inferiores a 20 kHz, corroboradas por resultados semelhantes para deposição de óxido de vanádio em frequências de até 350 kHz11. Geralmente, descobriu-se que as taxas de deposição aumentam com os ciclos de trabalho . As medições da sonda Langmuir de um P-DCM de 20 kHz mostraram que aumentar o ciclo de trabalho de 10 para 90% sob potência constante leva à redução nas densidades e temperaturas dos elétrons .

Devido aos desafios operacionais e perda de material, a modelagem computacional é uma forma econômica de testar e validar modelos complexos de sputtering15. Os modelos de fluidos estão entre as ferramentas mais simples para modelar espécies em equilíbrio hidrodinâmico e encontram aplicações em descarga DCM não pulsada , descarga DC pulsada de alta frequência em nitrogênio 17 e plasma de acoplamento capacitivo na frequência de RF . Para melhorar a precisão do modelo, foram propostos modelos numéricos híbridos, como modelo fluido/Monte Carlo19 e partícula na célula/Monte Carlo20,21.