Untersuchung der zeitlichen Entwicklung der Entladung bei der gepulsten Magnetronzerstäubung

• Applicant: Dr. Thomas Welzel
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials ; Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
• Term: from 2006 to 2009
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 21809139

• Final Report Year: 2009

Final Report Abstract

Im Projekt wurden die plasmaphysikalischen Eigenschaften asymmetrisch-bipolar gepulster Magnetronentladungen, die zur Beschichtung von Oberflächen eingesetzt werden, untersucht. Dabei kam es darauf an, diese Parameter zeitaufgelöst innerhalb eines Entladungspulses zu ermitteln, um so Vorgänge zu verstehen, die den Plasmazustand von dem einer DC-Magnetronentladung unterscheiden. Generell wurden starke Schwankungen aller Plasmaparameter, d.h. der Ladungsträgerdichte, Elektronenenergien und des Plasmapotentials, während eines Pulses und auch innerhalb der einzelnen Phasen (An-, Ausphase) festgestellt. Das Zündverhalten in der Anphase hängt dabei wesentlich davon ab, wie viele Restladungen noch vom vorherigen Puls vorhanden sind. Die verbliebenen Elektronen werden bei Anlegen der (negativen) Targetspannung zum Substrat beschleunigt, so dass sich zunächst hohe Elektronenenergien aufbauen. Diese führen in der Folge zu einer starken Ionisierung und damit einem Dichtemaximum, das deutlich eher erscheint als die treibende Targetspannung ihr Maximum erreicht. Räumlich tritt dieses vor allem im Bereich des Substrats auf, wo die Elektronen durch das Magnetfeld gebündelt werden. Nachfolgend bestimmen hochenergetische Sekundärelektronen das Verhalten der Entladung, die von auf das Target treffenden Restionen ausgelöst werden. Da diese am Targel erzeugt und durch dessen Randschicht beschleunigt werden, folgt dieser Effekt zeitlich der Targetspannung und die Elektronen sind vorrangig im Bereich der magnetischen Falle lokalisiert. Es wurde gezeigt, dass die Sekundärelektronenemission (y) wesentlich für die Entladungsbildung ist. Ein hoher y-Koeffizient führt zu niedrigen Spannungen bzw. hohen Strömen und einem schnelleren Entladungsaufbau. Der Einsatz von O2 beeinflusst die Entladung daher mehr über die Änderung der Targetoberfläche als über die direkte Gasionisation. Ein schnellerer Aufbau tritt auch für erhöhten Druck oder vermehrte Restladungen auf, weswegen andere Entladungen mit geringeren Frequenzen unter 100 kHz eine langsamere Entwicklung zeigen. Das Plasmapotential ist sehr stark an die Änderungen der Targetspannung gekoppelt. In der Anphase bleibt es jedoch nahe dem Potential der geerdeten Wände. Dagegen folgt es in der Ausphase dem Potential des (positiven) Targets einschließlich eines Peaks zu Beginn der Ausphase von mehreren +100 V. Infolge dessen ist das Ausschalten kein passiver Vorgang, sondern erzeugt kurzzeitig erneut hochenergetische Elektronen in Substratnähe - vor allem dann, wenn dieses in seinem Potential fixiert ist. Gleichzeitig werden Ionen in Richtung Substrat/Wand beschleunigt und können dort zu Schäden bzw. Zerstäubung führen. Dieser Effekt wird bei unipolaren Entladungen nicht auftreten. Das zeitliche Verhalten des Plasmapotentials lässt sich mit der Quasineutralität und der dadurch erzwungenen Stromgleichheit von positiven Ionen und Elektronen gut beschreiben. Das Verlöschen der Entladung in der Ausphase erfolgt in zwei verschiedenen Schritten. Zunächst erfolgt ein schnelles Absinken (< 1 ps) der Dichte und optischen Emission, da die Erzeugung schneller Elektronen am Target unterbrochen wird. Dem folgt ein langsamerer Abbau (> 2 ps), der dem Veriust langsamer, thermischer Elektronen zu den Wänden geschuldet ist. Er wird vor allem in optischer Emission beobachtet, wenn metastabil angeregtes Argon beteiligt ist, das nur geringe Anregungsenergien benötigt. Dieser langsame Abfall ist für das schnelle Wiederzünden infolge verbliebener Ladungen verantwortlich.

Publications

• Reactive Gas Effects in Pulsed Magnetron Sputtering: Time-Resolved Investigation, Surf. Coat. Technol. 201, 7 (2006) 3959-3963 (ISBN 0257-8972)
  T. Welzel, ,T. Dunger, F. Richter
  
• Temporal and spatial development of the charge carrier distribution on pulsed magnetron discharges: influence of substrate position, SVC - 50th Annual Technical Conference Proceedings, The Society of Vacuum Coaters, 2007, 431-435 (ISBN 0737-5921)
  T. Dunger, T. Welzel, B. Berger, F. Richter
  
• Two-Dimensional Double Probe Study of the Temporal Evolution of the Charge Carrier Density in a Pulsed Magnetron, Plasma Processes and Polymers 4, Sl (2007) S931-936 (ISSN 1612-8850 Druck, 1612-8869 Online)
  T. Welzel, T. Dunger, F. Richter
  
• Process Diagnostics, in: D. Depla, S. Mahieu, Reactive Sputtering Deposition (Springer Series in Materials Science 109), Springer-Verlag, Berlin. Heidelberg, 2008, Chapter 7, p. 255-300 (ISBN: 3540766626)
  J.W. Bradley, T. Welzel
  
• Spatial and temporal development of the plasma potential in differently configured pulsed magnetron discharges. New J. Phys. 10(2008)123008
  T. Welzel, T. Dünger, B. Liebig, F. Richter
  
• Physics and Phenomena in Pulsed Magnetrons: An overview, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 093001 (ISSN 0022-3727 Druck, ISSN 1361-6463 Online)
  J. W. Bradley, T. Welzel