Un modèle fluide de décharge magnétron planaire à courant continu pulsé

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9017 (2023) Citer cet article

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Nous avons simulé une décharge de magnétron planaire à courant continu pulsé (CC) à l'aide d'un modèle fluide, en résolvant les équations de continuité des espèces, d'impulsion et de transfert d'énergie, couplées à l'équation de Poisson et à la force de Lorentz pour l'électromagnétisme. Sur la base d'un modèle de magnétron CC validé, une forme d'onde de potentiel bipolaire asymétrique est appliquée à la cathode à une fréquence de 50 à 200 kHz et un rapport cyclique de 50 à 80 %. Nos résultats montrent que les impulsions entraînent une augmentation de la densité électronique et de la température électronique, mais une diminution du taux de dépôt par rapport au magnétron CC non pulsé, tendances cohérentes avec celles rapportées par les études expérimentales. L'augmentation de la fréquence d'impulsion augmente la température des électrons mais réduit la densité électronique et le taux de dépôt, tandis que l'augmentation du rapport cyclique diminue à la fois la température et la densité des électrons mais augmente le taux de dépôt. Nous avons constaté que la densité électronique moyenne dans le temps évolue inversement avec la fréquence et que l'amplitude de la tension de décharge moyenne dans le temps évolue avec le cycle de service. Nos résultats sont facilement applicables à la pulvérisation magnétron à puissance pulsée modulée et peuvent être étendus aux processus de pulvérisation réactive en courant alternatif (AC).

Le magnétron planaire à courant continu pulsé (P-DCM) est fréquemment utilisé dans la pulvérisation réactive pour déposer un film mince diélectrique tel que le nitrure d'aluminium scandium (AlScN)1 ou le nitrure d'aluminium (AlN)2. Dans le P-DCM, une tension pulsée bipolaire est appliquée à une fréquence moyenne de 10 à 250 kHz3, conduisant à une pulvérisation pendant l'impulsion négative et à une décharge pendant l'impulsion positive. Les avantages du P-DCM incluent un taux de dépôt plus élevé par rapport à la pulvérisation par radiofréquence (RF)4, une puissance plus élevée par rapport à un DCM5 non pulsé et une réduction des arcs électriques pendant la pulvérisation6. Un arc électrique peut se produire en raison de l'accumulation de charges de surface sur la cible métallique, compromettant gravement l'uniformité et la qualité du film déposé7.

À l'aide d'une sonde Langmuir résolue dans le temps, Bradley et al.8 ont mesuré l'évolution temporelle de la densité électronique et de la température électronique effective du DCM et du P-DCM avec un rapport cyclique de 80 % à l'emplacement proche du substrat. La densité électronique moyenne dans le temps rapportée est \(9,3\times {10}^{15}\) m−3, \(8,4\times {10}^{15}\) m−3 pour P-DCM à 50, 100 kHz supérieures à \(7,1\times {10}^{15}\) m−3 pour le DCM, et les températures électroniques moyennes dans le temps sont de 4,2, 4,5 eV pour le P-DCM à 50, 100 kHz supérieures à 3,34 eV pour DCM. Lee et al.9 ont rapporté une mesure de la température électronique de 3,06, 3,63, 5,32 eV pour une fréquence pulsée de 75, 100, 250 kHz à un rapport cyclique de 80 %, respectivement. Glocker4 a comparé un magnétron à courant continu (CC) et un magnétron à courant alternatif (AC) de 35 kHz à la même puissance et a rapporté des énergies électroniques, des densités d'ions et des taux de dépôt de 3,2 eV, \(6,4\times {10}^{16}\) m −3, 0,70 nm/s pour le courant alternatif et 2,4 eV, \(1,63\times {10}^{16}\) m−3, 0,82 nm/s pour le courant continu, respectivement.

Lee et al.10 ont signalé une diminution du taux de dépôt à des fréquences d'impulsion inférieures à 20 kHz, corroborées par des résultats similaires pour les dépôts d'oxyde de vanadium à des fréquences allant jusqu'à 350 kHz11. Il a généralement été constaté que les taux de dépôt augmentent avec les cycles de service12,13. Les mesures de la sonde Langmuir d'un P-DCM de 20 kHz ont montré qu'une augmentation du cycle de service de 10 à 90 % à puissance constante entraîne une réduction des densités électroniques et des températures14.

En raison des défis opérationnels et des pertes de matériaux, la modélisation informatique constitue un moyen économique de tester et de valider des modèles de pulvérisation complexes15. Les modèles fluides font partie des outils les plus simples pour modéliser des espèces en équilibre hydrodynamique et trouvent des applications dans la décharge DCM non pulsée16, la décharge CC pulsée à haute fréquence dans l'azote17 et le couplage capacitif du plasma à la fréquence RF18. Pour améliorer la précision du modèle, des modèles numériques hybrides, tels que le modèle fluide/Monte Carlo19 et la particule dans la cellule/Monte Carlo20,21, ont été proposés.