Welzel, Th.: Ionenenergieverteilungen in gepulsten Magnetronentladungen. In: Tagungsband: Workshop Analytische Massenspektrometrie in der Oberfächentechnik - Grundlagen und Anwendungen. Am 25. November 2009 in Dresden, 2009, p. [1-8]
Abstract:
Gepulste Entladungen kommen heute bei der Schichtabscheidung mittels (reaktiver) Magnetronzerstäubung sehr häufig, auch industriell, zum Einsatz. Damit können die Vorteile, die die Magnetronzerstäubung ausweist, wie die Möglichkeit der großflächigen Beschichtung mit hoher Abscheiderate bei moderatem Energieeintrag in die wachsende Schicht, auf reaktive Systeme, die isolierende Schichten ausbilden, übertragen werden. Mit Gleichspannungen lädt sich die Oberfläche dieser isolierenden Schichten auf dem Target mit der Zeit auf. Die damit verbundenen hohen elektrischen Felder führen zu elektrischen Durchbrüchen (Arcs), die Prozessinstabilitäten und Emission von Materialclustern, die in die wachsende Schicht eingebaut werden, verursachen. Durch gepulste Entladungen kann dies verhindert werden. Ein periodisches „Abschalten“ der Targetspannung VT führt während des kurzzeitigen Verlöschens der Entladung aufgrund der hohen Beweglichkeit der Elektronen des Plasmas zu einer Neutralisation der aufgebauten Oberflächenladung. Instabilitäten und Arcs werden vermieden, wenn die Zeiten der Zerstäubungsphase (Anphase) und des Verlöschens (Ausphase) geeignet gewählt werden. Je nach Material sind hierzu Frequenzen von einigen 10 bis 100 kHz mit Tastverhältnissen, d.h. dem Verhältnis von Anphase zu Periodendauer, von einigen 10% notwendig. Während der Ausphase kann das Magnetrontarget entweder auf das Potential der Anode (unipolar) gelegt werden oder es wird gegen diese leicht positiv vorgespannt (bipolar), um den Neutralisationsprozess noch zu unterstützen. Die periodische Veränderung von VT als treibender Größe der Entladung hat neben der Neutralisation auch Auswirkungen auf die Kenngrößen des Plasmas wie dessen Dichten oder intrinsischen Energien insbesondere der Elektronen, weswegen gepulste Entladungen selbst bei nichtreaktiven Prozessen meist andere Eigenschaften aufweisen als DC-Entladungen. Dies gilt insbesondere auch für das Plasmapotential Vpl, welches erheblichen zeitlichen Fluktuationen unterworfen ist. Infolge dessen ändern sich aber auch die Energien der Teilchen, die auf das Substrat bzw. die wachsende Schicht treffen, da diese maßgeblich durch die Differenz zwischen Vpl und Substratpotential bestimmt wird. Dies gilt insbesondere für die Ionen, die auf das Substrat treffen und i.A. bei der DC-Magnetronzerstäubung Energien im Bereich von 10 bis wenigen 100 eV aufweisen. Daher ist es notwendig, diese Energien und den Einfluss der Betriebsparameter auf das Energiespektrum möglichst genau zu kennen. Eine geeignete Methode, um sie zu ermitteln ist die energiedispersive (Ionen)-Massenspektrometrie. Sie ermöglicht zum einen die Analyse der Energie der auftreffenden Ionen, dies zum andere aber auch differenziert für unterschiedliche Ionen zu tun. Dies ist notwendig, da auf Grund unterschiedlicher Erzeugungsprozesse verschiedene Ionen (z.B. des Targetmaterials oder des Arbeitsgases) unterschiedliche Energiespektren aufweisen können. Darüber hinaus erlaubt der Einsatz eines solchen Massenspektrometers die Detektion negativer Ionen und dabei insbesondere deren getrennte Analyse von den Elektronen, was mit anderen Techniken so gut wie unmöglich ist. Im vorliegenden Beitrag wird die Messung positiver und negativer Ionen in einem asymmetrisch-bipolar gepulsten Einzelmagnetron vorgestellt. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die Unterschiede der Ionenenergien am Substrat gegenüber einer DC-Magnetronentladung infolge der Pulsung des Prozess gelegt.