[论文解读] Influence of magnetic field on plasma parameters and thin film deposition along axial and radial distances in DC magnetron

Gopikishan Sabavath, I. Banerjee+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2017

Metal and Thin Film Mechanics参考文献 32被引用 3

一句话总结

本研究探讨了直流磁控溅射系统中磁场分布对离子体参数及薄膜沉积的影响。通过实验测量与COMSOL模拟，结果表明电子温度（Te）和电子密度（ne）随距阴极轴向和径向距离的增加而降低，沉积速率（Dr）亦呈现相似趋势，该结果经粒子-网格蒙特卡罗碰撞（PIC-MCC）建模验证，其模拟结果与实验数据吻合。

ABSTRACT

Magnetic field (B) distribution of the magnetron was measured and discussed its effect on plasma parameters and deposition rate. Plasma parameters such as electron temperature (Te), electron number density (ne) were estimated using electron flux (EF) and electron energy distribution function (EEDF) methods as function of axial, radial distances from the cathode. Te and ne decreased with increasing of axial, radial distances from the cathode. Dr was obtained for the same positions where the above plasma parameters were measured, and found that similar profile with Te and ne. Magnetron configuration was simulated using COMSOL Multiphysics software and compared with the experimentally measured profile. Further, density distribution was simulated using measured B through particle in cell - Monte Carlo collision and found simulation results are well supported to the experimental results.

研究动机与目标

• 分析直流磁控溅射系统中，从阴极出发沿轴向和径向方向的离子体参数——电子温度（Te）和电子数密度（ne）的空间变化。
• 关联这些离子体参数与磁控溅射装置中不同位置的沉积速率（Dr）。
• 利用COMSOL Multiphysics模拟磁控溅射器的磁场分布，并与实验测量结果进行比较。
• 基于测得的磁场数据，利用粒子-网格蒙特卡罗碰撞（PIC-MCC）建模验证离子体密度分布。
• 建立磁场结构、离子体行为与薄膜沉积均匀性之间的定量关联。

提出的方法

• 通过实验测量直流磁控溅射系统中的磁场（B）分布。
• 在不同轴向和径向位置，利用电子通量（EF）和电子能量分布函数（EEDF）方法估算电子温度（Te）和电子数密度（ne）。
• 在测量离子体参数的相同位置，测量沉积速率（Dr）。
• 使用COMSOL Multiphysics对磁控溅射器的几何结构和磁场分布进行模拟，以与实验数据对比。
• 基于实验测得的B场分布，开展PIC-MCC模拟，以研究离子体密度分布。
• 将模拟结果与轴向和径向距离上Te、ne和Dr的实验测量结果进行对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在直流磁控溅射系统中，磁场分布如何影响从阴极出发的轴向和径向方向上的电子温度（Te）？
• RQ2 电子数密度（ne）相对于从阴极出发的轴向和径向距离，其空间依赖性如何？
• RQ3 沉积速率（Dr）如何随位置变化，其变化是否与Te和ne分布相关？
• RQ4 COMSOL对磁场分布的模拟结果与实验测量结果的吻合程度如何？
• RQ5 当基于实测B场数据驱动时，PIC-MCC对离子体密度的模拟能否重现实验结果？

主要发现

• 电子温度（Te）和电子数密度（ne）均随距阴极轴向和径向距离的增加而降低。
• 沉积速率（Dr）的空间分布与Te和ne相似，表明其与离子体参数存在直接相关性。
• COMSOL对磁控溅射器磁场构型的模拟结果与实验测得的B场分布具有良好一致性。
• 基于实测B场数据驱动的PIC-MCC离子体密度模拟，其结果与实验观测高度吻合。
• 实验与模拟相结合的结果证实，磁场结构对直流磁控溅射中离子体均匀性与沉积速率具有决定性影响。
• 本研究建立了一个经过验证的框架，可基于实测磁场数据与先进模拟技术，预测离子体行为与沉积特性。