[論文レビュー] On the role of ion potential energy in low energy HiPIMS deposition: An atomistic simulation

Movaffaq Kateb, Jón Tómas Guðmundsson+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2021

Metal and Thin Film Mechanics参考文献 84被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、分子動力学シミュレーションを用いて、低エネルギー高パワーインパulseマグネトロンスパッタリング（HiPIMS）銅蒸着におけるイオンポテンシャルエネルギーの役割を、Ziegler-Biersack-Littmark（ZBL）ポテンシャルで定義されたものとして調査した。イオンポテンシャルを含めることで衝突ダイナミクスが変化し、界面混合と点欠陥が減少し、一時的な表面リップル／ポア（最大5 nmの高さ）が生成される。これは、実験的に観察されたHiPIMS堆積銅膜の多孔質性を説明する。

ABSTRACT

We study the effect of the so-called ion potential or non-kinetic energies of bombarding ions during ionized physical vapor deposition of Cu using molecular dynamics simulations. In particular we focus on low energy HiPIMS deposition, in which the potential energy of ions can be comparable to their kinetic energy. The ion potential, as a short-ranged repulsive force between the ions of the film-forming material and the surface atoms (substrate and later deposited film), is defined by the Ziegler-Biersack-Littmark potential. Analyzing the final structure indicates that, including the ion potential leads to a slightly lower interface mixing and fewer point defects (such as vacancies and interstitials), but resputtering and twinning have increased slightly. However, by including the ion potential the collision pattern changes. We also observed temporary formation of a ripple/pore with 5~nm height when the ion potential is included. The latter effect can explain the pores in HiPIMS deposited Cu thin films observed experimentally by atomic force microscopy.

研究の動機と目的

• 低エネルギーHiPIMS銅蒸着におけるイオンポテンシャルエネルギーが微細構造の進化に与える影響を調査すること。
• イオンの非運動的（ポテンシャル）エネルギーが薄膜成長、欠陥形成、表面形貌に顕著に影響を与えるかどうかを特定すること。
• 従来のMDシミュレーションで運動エネルギーのみを用いることが、HiPIMSの正確なモデリングに十分であるかどうかを明確にすること。
• 実験的に観察されたHiPIMS堆積銅薄膜における表面ポアおよびリップルの起源を解明すること。
• イオン化PVDプロセスの現実的なモデリングにおいて、イオンポテンシャルを含める必要性を評価すること。

提案手法

• 低エネルギーで高イオン化度のフラックスを用いたCu薄膜蒸着の原子スケール分子動力学（MD）シミュレーションを実施する。
• Ziegler-Biersack-Littmark（ZBL）ポテンシャルを導入し、イオン-表面間の短距離反発的相互作用をイオンポテンシャルエネルギーとしてモデル化する。
• ZBLポテンシャルを含む（イオンポテンシャルあり）と含まない（運動エネルギーのみ）の2つのシミュレーションケースを比較する。
• 界面混合、点欠陥（空孔、間隙原子）、タ winning、表面粗さなどの時間発展する構造的特徴を分析する。
• イオン衝突時の衝突ダイナミクスとエネルギー移動を追跡し、軌道および運動量移動の変化を評価する。
• 制御された運動エネルギー（低エネルギー、約10–40 eV）を持つイオンフラックスを用い、基板バイアスを調整してイオンエネルギーを調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオンポテンシャルエネルギーを含めることで、HiPIMS堆積銅膜における界面混合と点欠陥形成にどのような影響が生じるか？
• RQ2 MDシミュレーションにおいてイオンポテンシャルを含めると、HiPIMS蒸着の衝突ダイナミクスにどのような変化が生じるか？
• RQ3 イオンポテンシャルの導入により、実験的に観察された一時的な表面リップルおよびポアが説明可能か？
• RQ4 どのような条件下でイオンポテンシャルエネルギーが、イオン化PVDプロセスの正確なMDシミュレーションにおいて不可欠となるか？
• RQ5 エネルギーを持つ中性原子が、イオンポテンシャルの欠如を補う程度はどの程度か？

主な発見

• イオンポテンシャルを含めることで、Cu薄膜と基板との間の界面混合がわずかに減少した。
• イオンポテンシャルを含めた場合、空孔や間隙原子を含む点欠陥の数がわずかに減少した。
• リスパッタリングおよびタ winningは、イオンポテンシャルを考慮した場合にわずかに増加した。
• イオンポテンシャルにより衝突パターンが変化し、反射および非直線的運動量移動が可能となり、純粋に運動エネルギーに基づくモデルには見られない現象が発生した。
• 3回目のイオン衝突後に最大5 nmの高さ差を示す一時的な表面リップルまたはポアが形成され、4回目の衝突まで持続した。この結果、イオンポテンシャルが実験的に観察された多孔質性と直接関連していることが示された。
• イオンポテンシャルを除外した場合、このようなポアの形成は観察されず、イオンポテンシャルが現実的な表面形貌進化をシミュレートする上で極めて重要であることが確認された。