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INNOVATE


Neue Erkenntnisse über den Elektronenfluss durch direkte Beobachtung der Speichenentwicklung beim Magnetron-Sputtern

25. Oktober 2017 | Verfasser: KJLC Innovate

In einer Veröffentlichung im Juli 2017 liefern die Drs. André Anders und Yuchen Yang eine verbesserte Beschreibung der Elektronenflüsse und -energien an der Oberfläche einer Magnetron-Sputterkathode. Durch die Kombination eines einzigartigen Bildgebungsverfahrens und einer linearen Kathode (Target) konnten die Forscher eine Reihe von Zeit/Raum-Bildern erzeugen, die Plasmainstabilitäten zeigen, die durch die Bewegung von Elektronen im Magnetfeld der Kathode angetrieben werden. Die Bilder zeigen die Auswirkungen auf den Plasmastrom sowohl beim herkömmlichen DC-Magnetron-Sputtern (dcMS), als auch für das Hochleistungsimpuls-Magnetron-Sputtern (HiPIMS). Die vollständige Veröffentlichung ist online verfügbar unter http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4994192.

Das Gleichstrom-Magnetron-Sputtern (dcMS) ist ein Dünnschicht-Abscheidungsverfahren, bei dem ionisierte Gasatome, in der Regel Argon, verwendet werden, um Atome oder Moleküle aus einer festen Quelle, wie einem Metall, einer Metalllegierung oder einer Keramik, allgemein als Magnetron-Target bezeichnet, freizusetzen. Die Atome, die durch die Kollision von Argonionen mit der Zieloberfläche aus dem Sputtertarget ausgestoßen werden, wandern dann über eine Wurfweite und lagern sich in Monolagen oder Clustern ab, die sich schließlich zu einer Beschichtung auf einem Substrat entwickeln. HiPIMS ist eine Weiterentwicklung des herkömmlichen dcMS durch die Verwendung extrem großer Spannungs-/Stromimpulse, die zur Ionisierung der gesputterten Atome führen. Zwischen den Hochleistungsimpulsen wird dem System eine verlängerte Pause gestattet, so dass die mittlere Impulsdauer des Belastungszyklus die für dcMS typische thermische Belastung der Kathode nicht übersteigt.

Anders, Senior Scientist Affiliate, Lawrence Berkeley National Laboratory, ist seit kurzem Direktor des Leibniz-Instituts für Oberflächenmodifikation und Professor für Angewandte Physik an der Universität Leipzig. Mitarbeiter Yang ist heute Wissenschaftler am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking. Die Forscher haben eine Technik entwickelt, die den Driftweg von Elektronen und die damit verbundenen Ionisationsprozesse sowohl in dcMS als auch in HiPIMS anschaulich darstellt. Im Falle von dcMS dreht sich der Bereich der stärksten Ionisation oder „Speiche“ nahe der Oberfläche des Sputtertargets im Magnetfeld des Magnetrons gegen den Uhrzeigersinn. Beim Betrieb im HiPIMS-Modus wird die Speichenrotation umgekehrt. Es lassen sich zwei unterschiedliche Mechanismen für die Bildung der gegensätzlichen Driftmuster erkennen.

Abbildung 1: Speichenentwicklung in DC-Magnetron-Sputter-(dcMS)-Plasma (links) und Hochleistungs-Impulsmagnetron-(HiPIMS) Plasma (rechts). Bei dcMS bewegt sich die Speiche von links nach rechts. Im HiPIMS-Plasma bewegt sich die Speiche von rechts nach links.

In einem umfassenden Tutorial über reaktive HiPIMS (Ref.: Reactive high power impulse magnetron sputtering (R-HiPIMS) André Anders, Journal of Applied Physics 121, 171101 (2017) präsentiert der Autor fantastische Bilder der Elektronendriftmuster auf kreisförmigen planaren Magnetron-Sputterkathoden. Diese neue Arbeit geht weiter durch den alternativen Ansatz der Verwendung von Raum-Zeit-Bildern, die mit einer sogenannten Streak-Kamera gewonnen wurden, gegenüber den Raum-Raum-Bildern, die mit herkömmlichen Kameras aufgenommen wurden.

Abbildung 2: Charakteristische Spannungs- und Stromkennlinien für einen typischen HiPIMS-Impuls.

Um den einzigartigen Ansatz der Bildaufnahme besser nutzen zu können, haben die Forscher eine fortschrittliche lineare Kathode von Kurt J. Lesker Company verwendet. Die Form des Sputterkanals im Target einer linearen Kathode unterscheidet sich von dem einer herkömmlichen, runden Sputterkanone und bietet eine alternative Sicht auf den Elektronenfluss in Richtung +/-E x B. Diese Kathode zeigt außerdem eine hervorragende Targetausnutzung, eine einfache Integration in eine Vakuumkammer und die Drop-Down-Anodenfunktion, die einen schnellen Sputtertargetwechsel mit einem Minimum an Demontage/Montage ermöglicht.

Abbildung 3: Die lineare Kathode von KJLC mit einer Größe von 5 x 10" mit der Drop-Down-Anodenfunktion, die einen schnellen Targetwechsel ermöglicht.

In ihrer Abhandlung vom Juli 2017 postulieren die Autoren über die verschiedenen Mechanismen, die die faszinierende Umkehrung der Speichenrichtung zwischen dcMS und HiPIMS verursachen können. Zitat aus dem Dokument: „Man kann argumentieren, dass eine Speichenverschiebung in Richtung -E x B (wie in dcMS beobachtet) die erwartete „natürliche“ Richtung sein sollte, da an einer Speiche ankommende driftende Elektronen am elektrischen Feld der Speichenkante beschleunigt werden, während dort gebildete Ionen in Richtung -E x B beschleunigt werden, wodurch die elektrische Doppelschicht in Richtung -E x B verschoben wird. Zusätzlich werden diese Ionen auf das Target beschleunigt, wo sie auf der -E x B-Seite der Speichenkante Sekundärelektronen abgeben.“

„In dcMS sind immer genügend (Gas)-Neutrale vorhanden, die durch energiereiche Elektronen ionisiert werden können; bei HiPIMS ist die Situation jedoch anders: Neutrale können aufgrund von Seltenheit und starker Ionisierung lokal erschöpft sein. Wie in Ref. 1, (Leser werden auf das Originaldokument verwiesen, um detaillierte Hinweise auf die früheren Arbeiten zu erhalten, die zu diesen Beobachtungen führen), können Neutrale lokal durch Ionisation in Speichen erschöpft werden, und Ionen werden durch das lokale elektrische Feld erschöpft („evakuiert“). Infolgedessen müssen Elektronen, die an einer HiPIMS-Speiche ankommen, etwas weiter in Richtung E x B driften, um auf zu ionisierende Neutrale zu treffen. Dies impliziert eine Verschiebung der stärksten Ionisation in Richtung E x B. Bei mittleren Stromstärken, zwischen dcMS und HiPIMS, kann eine Richtungsumkehr der Speiche beobachtet werden.“

Abbildung 4: Elektronen-Drift-Muster beim Gleichstrom-Magnetron-Sputtern mit einer linearen Kathode von Kurt J. Lesker Company (Ref.: „Reactive high power impulse magnetron sputtering (R-HiPIMS)“, Andre Anders, Journal of Applied Physics 121, 171101 (2017).

Bei der Frage nach dem Einfluss dieser neuen Sichtweise der Speichenbewegung an der Kathodenoberfläche auf Dünnfilm-Wachstumsmodelle antwortete Anders: „Die Speichen (demonstrieren), dass das Magnetron tatsächlich funktioniert. Ohne Instabilitäten wären die Elektronen in geschlossenen ExB-Bahnen gefangen und könnten die Anode nur über Kollisionen erreichen. Ohne ausreichende Kollisionen könnte die Entladung stoppen oder Plasmainstabilitäten entwickeln, die einen verbesserten Stromtransport ermöglichen.

Auf der Seite des Filmwachstums erzeugen die Instabilitäten ein schwankendes Plasma, das mit der Zeit ausgeschmiert wird, da die Wachstumszeit viel länger ist als die Zeit, in der Speichen und Plasmafackeln einen wachsenden Film treffen. Die Speichen auf der Magnetronseite sind daher in einer ersten Annäherung auf der Filmseite nicht wirklich wichtig. Wenn wir genauer hinsehen, können Plasma und Material in Wellen ankommen. Wir verfügen bislang nicht über Informationen, ob die zeitliche Struktur wirklich wichtig ist. Wir haben uns bisher darauf konzentriert, zu verstehen, welche Art von Teilchen ankommen und welche Energie sie aufweisen. Diese Parameter werden durch Speichen beeinflusst oder sogar aktiviert.“

Elektronen spielen beim Magnetronsputtern eine wichtige Rolle, da sie die Anzahl der Gas- (in der Regel Argon) und Sputtertargetatome und -moleküle erhöhen, die ionisiert werden. Auf die Frage, ob diese neue Beobachtung Auswirkungen auf den Einfallswinkel oder die Haftwahrscheinlichkeit für Adatome hat, die auf ein Substrat treffen, kommentierte Anders: „Gute Frage! Der Einfallswinkel wird beeinflusst, wenn die gesputterten Atome in einer Speiche ionisiert werden. Dann wird das Ion dem elektrischen Feld in der Hülle des Substrats ausgesetzt. Ein Ion wird normalerweise auf das Substrat beschleunigt und sein Einfallswinkel ist nahezu normal. Die Haftwahrscheinlichkeit ist eine Funktion von Energie und Winkel, wobei, da das Plasma aufgrund von Speichen stärker ionisiert ist, auch ein gewisser Effekt auftreten sollte. Bisher wurde dies nicht direkt quantifiziert.“

Es ist uns bei Kurt J. Lesker Company eine Ehre, Anders und seine Co-Autoren bei dieser sehr spannenden Arbeit zu unterstützen. Zu diesem Thema wird es in Kürze eine weitere Publikation von Anders et al. geben.

Autor J. R. Gaines
Technical Director of Education
Kurt J. Lesker Company


J.R. Gaines, Jr. ist Technischer Direktor für Ausbildung bei Kurt J. Lesker Company. Er arbeitet seit annähernd 40 Jahren im Bereich der Materialwissenschaften. Als Dozent und Autor ist Herr Gaines weltweit verantwortlich für das technische Ausbildungsprogramm von KJLC, einschließlich seiner Lesker U-Suite von Vakuumtechnik-Kursen.

Schlagwörter:
INNOVATE Vakuumwissenschaft Depositionsverfahren

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