[论文解读] 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 11

一句话总结

本研究通过分子动力学模拟，探究了在低能高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）铜沉积过程中，基于齐格尔-比尔斯克-利特马克（ZBL）势能定义的离子势能的作用。引入离子势能会改变碰撞动力学，减少界面混合与点缺陷，并诱导形成瞬态表面波纹/孔洞（最高达5 nm），从而解释了实验中观察到的HiPIMS沉积铜膜的多孔性。

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.

研究动机与目标

• 研究离子势能对低能HiPIMS铜沉积过程中微观结构演化的影响。
• 确定离子的非动能（势能）是否显著影响薄膜生长、缺陷形成与表面形貌。
• 澄清仅使用动能的常规分子动力学（MD）模拟是否足以实现HiPIMS建模的准确性。
• 阐明实验中观察到的HiPIMS沉积铜薄膜表面孔洞与波纹的成因。
• 评估在离子束物理气相沉积（PVD）过程的现实模拟中，是否必须包含离子势能。

提出的方法

• 采用低能、高度电离的离子束进行铜薄膜沉积的原子尺度分子动力学（MD）模拟。
• 采用齐格尔-比尔斯克-利特马克（ZBL）势能模型，模拟离子与表面之间的短程排斥作用，即离子势能。
• 对比两种模拟情形：一种包含ZBL势能（离子势能），另一种不包含（仅考虑动能）。
• 分析随时间演化的结构特征，如界面混合、点缺陷（空位、间隙原子）、孪晶以及表面粗糙度。
• 追踪离子撞击过程中的碰撞动力学与能量传递，评估轨迹与动量转移的变化。
• 采用具有受控动能（低能，约10–40 eV）的离子束，并通过基底偏压调节离子能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HiPIMS沉积铜膜中，包含离子势能如何影响界面混合与点缺陷的形成？
• RQ2 在HiPIMS沉积的MD模拟中，引入离子势能后，碰撞动力学发生何种变化？
• RQ3 引入离子势能是否能够解释实验中观察到的HiPIMS铜膜表面瞬态波纹与孔洞？
• RQ4 在何种条件下，离子势能对离子束物理气相沉积过程的MD模拟至关重要？
• RQ5 在MD模拟中，高能中性原子在缺乏离子势能时，能在多大程度上补偿其缺失？

主要发现

• 包含离子势能后，铜薄膜与基底之间的界面混合程度略有降低。
• 当包含离子势能时，点缺陷（如空位和间隙原子）的数量略有减少。
• 考虑离子势能后，再溅射与孪晶现象略有增加。
• 离子势能改变了碰撞模式，使离子发生偏转并实现非共线动量传递，而这种现象在纯动能模型中不存在。
• 在第三次离子撞击后，形成高度差达5 nm的瞬态表面波纹或孔洞，并持续至第四次撞击，直接将离子势能与实验中观察到的多孔性关联起来。
• 当不包含离子势能时，此类孔洞的形成完全消失，证实其在模拟真实表面形貌演化中的关键作用。