펄스 직류 평면 마그네트론 방전의 유체 모델

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9017(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 유체 모델을 사용하여 펄스형 직류(DC) 평면 마그네트론 방전을 시뮬레이션하여 전자기학에 대한 포아송 방정식 및 로렌츠 힘과 결합된 종 연속성, 운동량 및 에너지 전달 방정식을 해결했습니다. 검증된 DC 마그네트론 모델을 기반으로 비대칭 바이폴라 전위 파형이 50~200kHz 주파수 및 50~80% 듀티 사이클에서 음극에 적용됩니다. 우리의 결과는 펄스가 전자 밀도와 전자 온도를 증가시키지만 펄스가 없는 DC 마그네트론에 비해 증착 속도를 감소시키는 것으로 나타났으며 이는 실험 연구에서 보고된 것과 일치하는 추세입니다. 펄스 주파수가 증가하면 전자 온도가 증가하지만 전자 밀도와 증착 속도가 감소하는 반면, 듀티 사이클이 증가하면 전자 온도와 밀도가 모두 감소하지만 증착 속도는 증가합니다. 우리는 시간 평균 전자 밀도가 주파수에 반비례하여 확장되고 시간 평균 방전 전압 크기가 듀티 사이클에 따라 확장된다는 것을 발견했습니다. 우리의 결과는 변조된 펄스 전력 마그네트론 스퍼터링에 쉽게 적용 가능하며 교류(AC) 반응성 스퍼터링 공정으로 확장될 수 있습니다.

펄스형 직류 평면 마그네트론(P-DCM)은 알루미늄 스칸듐 질화물(AlScN)1 또는 알루미늄 질화물(AlN)2과 같은 유전체 박막을 증착하기 위한 반응성 스퍼터링에 자주 사용됩니다. P-DCM에서는 양극성 펄스 전압이 10~250kHz3의 중간 주파수에 인가되어 네거티브 펄스 동안 스퍼터링이 발생하고 포지티브 펄스 동안 방전이 발생합니다. P-DCM의 장점은 무선 주파수(RF) 스퍼터링4에 비해 더 높은 증착 속도, 비펄스 DCM5에 비해 더 높은 전력, 스퍼터링 중 전기 아크 감소6를 포함합니다. 금속 타겟의 표면 전하 축적으로 인해 전기 아크가 발생할 수 있으며, 이는 증착된 필름의 균일성과 품질을 심각하게 손상시킵니다7.

Bradley 등8은 시간 분해 Langmuir 프로브를 사용하여 기판 근처 위치에서 듀티 사이클이 80%인 DCM과 P-DCM 모두의 전자 밀도와 유효 전자 온도의 시간 변화를 측정했습니다. 보고된 시간 평균 전자 밀도는 50의 P-DCM에 대해 \(9.3\times {10}^{15}\) m−3, \(8.4\times {10}^{15}\) m−3입니다. DCM의 경우 \(7.1\times {10}^{15}\) m−3보다 100kHz 더 크고, P-DCM의 경우 시간 평균 전자 온도는 4.2, 4.5eV, 50에서는 3.34eV보다 100kHz 더 큽니다. DCM. Lee 등9은 듀티 사이클 80%에서 펄스 주파수 75, 100, 250kHz에 대해 각각 3.06, 3.63, 5.32eV의 전자 온도 측정을 보고했습니다. Glocker4는 동일한 전력에서 직류(DC) 마그네트론과 35kHz 교류(AC) 마그네트론을 비교하고 3.2eV, \(6.4\times {10}^{16}\)m의 전자 에너지, 이온 밀도 및 증착 속도를 보고했습니다. −3, 0.70 nm/s(AC) 및 2.4 eV, \(1.63\times {10}^{16}\) m−3, 0.82 nm/s(DC).

Lee 등10은 20kHz 미만의 펄스 주파수에서 증착 속도가 감소한다고 보고했으며, 이는 최대 350kHz의 주파수에서 산화바나듐 증착에 대한 유사한 결과를 뒷받침합니다11. 증착 속도는 일반적으로 듀티 사이클12,13에 따라 증가하는 것으로 나타났습니다. 20kHz P-DCM의 Langmuir 프로브 측정에 따르면 일정한 전력 하에서 듀티 사이클이 10%에서 90%로 증가하면 전자 밀도와 온도가 감소하는 것으로 나타났습니다14.

운영 문제와 재료 손실로 인해 전산 모델링은 복잡한 스퍼터링 모델15을 테스트하고 검증하는 경제적인 방법입니다. 유체 모델은 유체역학적 평형에서 종을 모델링하기 위한 가장 간단한 도구 중 하나이며 비펄스 DCM 방전16, 질소의 고주파 펄스 DC 방전17 및 RF 주파수18에서 용량 결합 플라즈마에 적용할 수 있는 방법을 찾습니다. 모델 정확도를 높이기 위해 유체 모델/Monte Carlo19 및 입자 내 세포/Monte Carlo20,21와 같은 하이브리드 수치 모델이 제안되었습니다.