[논문 리뷰] On the role of ion potential energy in low energy HiPIMS deposition: An atomistic simulation

Movaffaq Kateb, Jón Tómas Guðmundsson외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 14.

Metal and Thin Film Mechanics참고 문헌 84인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 분자역학 시뮬레이션을 사용하여 저에너지 고출력 펄스형 마그네트론 스퍼터링(HiPIMS) 구리 증착에서 이온 위치 에너지(지글러-바이어삭-리트마크(ZBL) 잠재력에 의해 정의됨)의 역할을 조사한다. 이온 위치 에너지를 포함하면 충돌 역학이 변화하고, 계면 혼합과 점결함이 감소하며, 일시적인 표면 리브/기공(최대 5 nm 높이)이 발생한다. 이는 HiPIMS로 증착된 구리 필름에서 실험적으로 관측된 다공성 현상을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저에너지 HiPIMS 구리 증착 중 미세구조 진화에 대한 이온 위치 에너지의 영향을 조사하기 위해.
• 이온의 비역동적(잠재적) 에너지가 필름 성장, 결함 형성 및 표면 형태에 중대한 영향을 미치는지 확인하기 위해.
• 기존의 분자역학 시뮬레이션에서 운동 에너지만을 고려할 경우 HiPIMS 모델링에 충분한지 명확히 하기 위해.
• HiPIMS로 증착된 구리 박막에서 실험적으로 관측된 표면 기공과 리브의 기원을 밝혀내기 위해.
• 이온 위치 에너지를 포함하는 것이 이온화된 PVD 공정의 현실적인 시뮬레이션을 위해 필수적인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 저에너지, 고도로 이온화된 플럭스를 사용한 Cu 필름 증착에 대한 원자 수준의 분자역학(MD) 시뮬레이션을 수행한다.
• Ziegler-Biersack-Littmark(ZBL) 잠재력을 도입하여 이온-표면 상호작용의 단거리 반발을 이온 위치 에너지로 모델링한다.
• 두 가지 시뮬레이션 케이스를 비교한다: ZBL 잠재력을 포함한 경우(이온 위치 에너지 포함)와 포함하지 않은 경우(오직 운동 에너지만 포함).
• 계면 혼합, 점결함(빈약, 간섭), 투과, 표면 거칠기와 같은 시간에 따라 변화하는 구조적 특징을 분석한다.
• 이온 충격 중의 충돌 역학과 에너지 전달을 추적하여 궤도 변화와 동역량 전달의 변화를 평가한다.
• 제어된 운동 에너지(~10–40 eV)를 가진 이온 플럭스를 사용하고, 기판 펄스를 조절하여 이온 에너지를 조절한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온 위치 에너지를 포함할 경우 HiPIMS로 증착된 구리 필름에서 계면 혼합과 점결함 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 HiPIMS 증착의 MD 시뮬레이션에서 이온 위치 에너지를 포함할 경우 충돌 역학에 어떤 변화가 생기는가?
• RQ3 이온 위치 에너지의 포함이 HiPIMS로 증착된 구리 필름에서 실험적으로 관측된 일시적인 표면 리브와 기공을 설명할 수 있는가?
• RQ4 어떤 조건에서 이온 위치 에너지가 이온화된 PVD 공정의 정확한 MD 시뮬레이션에 필수적인가?
• RQ5 에너지가 높은 중성 원자로 이온 위치 에너지의 부재를 어느 정도 보완할 수 있는가?

주요 결과

• 이온 위치 에너지를 포함하면 Cu 필름과 기판 사이의 계면 혼합이 약간 감소한다.
• 이온 위치 에너지를 포함할 경우 점결함(빈약, 간섭 포함)의 수가 약간 감소한다.
• 이온 위치 에너지를 고려할 경우 재스퍼터링과 투과가 약간 증가한다.
• 이온 위치 에너지가 충돌 패tern을 변화시켜 굴절과 비선형 동역량 전달을 가능하게 하며, 이는 순수 운동 에너지만을 고려한 모델에서는 관찰되지 않는다.
• 세 번째 이온 충격 후 최대 5 nm 높이의 일시적인 표면 리브 또는 기공이 형성되며, 네 번째 충격까지 지속되며, 이는 이온 위치 에너지가 실험적으로 관측된 다공성과 직접적인 연관성을 가짐을 시사한다.
• 이온 위치 에너지를 배제한 경우 이러한 기공 형성이 관찰되지 않아, 현실적인 표면 형태 진화 시뮬레이션에서 이온 위치 에너지의 결정적 역할을 확인한다.