錫薄膜の表面モルフォロジーに及ぼすアーク源電流の影響

- Jun 21, 2018-


図1は、異なるアーク源電流強度で作製したフィルムの表面形態のSEM二次電子像を示す。 アークソース電流が増加すると、膜表面の液滴の数が増加し、大きさも大きくなり、膜の表面品質が低下することが分かる。

 

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a)I = 40A、b)I = 50A、c)I = 70A、d)I = 80A、e)I = 90A、f)I = 100A

 

図1異なるアークソース電流下で生成されたTiN膜の表面形態

 

アークソース電流は、フィルムの表面上の液滴の数およびサイズに大きな影響を与える。 アークイオンプレーティングの基本原理から、真空条件下で、金属カソード(アークソースターゲット)およびトリガー電極は、10kVのパルス電圧で放電をトリガーするが、陰極アークは強い放電電流密度(106 A / cm 2〜108 A / cm 2)、5μm〜6μmの非常に小さなアークスポット領域に焦点を当てると(図2)、6000℃を超える高温になり、生成中にカソード材料が急速に蒸発する高密度金属プラズマを形成するための強力な熱電界放出およびイオン化。 アークスポットの出力密度が高すぎるため、アークプールはより深くなり過度の液体容積を形成する。 アークスポットが粒子(電子、イオン、原子、原子団など)を放出するとき、粒子はアークスポットの液面にも腐食防止効果を有する。 これは、シース電位を介して液体表面にイオンを加速させ、大きい運動エネルギーで液体に衝突させるので、浴中の多数の液体原子が結合エネルギーよりも多くのエネルギーを同時に受け取り、多数の原子が放射を集中させて液滴を放出する。 アーク源ターゲットの放電電力密度が大きいほど、アーク源ターゲットの表面に形成される溶接プールが深くなり、スポット径が大きくなるので、放電電力の大きさが直接的に液滴の生成に影響を及ぼす。 式は次のとおりです。

 

P = IU / S

 

I-平均放電電流。 U-放電電圧; S-陰極ターゲットの表面積

 

方程式から、アーク源電流が増加し、それに応じてアーク源目標放電電力密度が増加し、生成された液滴の量およびサイズも増加して、膜の表面品質が低下することが分かる。


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N:窒素、M:Tiの液滴。 主なプロセス:A-基板への陽性粒子移動、B-中性粒子の基板への堆積、C-中性粒子の二次スパッタリング、D-Ti液滴の二次スパッタリング、E-粒子スパッタリングターゲット。 主な反応:TiイオンとNイオンが基板上で会合したときのX + e-1 X * + e-1、X * X + hv、X中性粒子、X *が形成される。

 

図2マルチアークイオンプレーティングTiN膜と表面液滴の形成過程

 

アークソースターゲットからカソードアークソースターゲットからスパッタリングされた液滴の基板(サンプル)への飛行中に、粒子の一部が他のものと衝突して小さくなるが、それらのうちのいくつかは依然として大きいので、 TiN膜表面の液滴の分布 加えて、アーク源電流の増加に伴って、フィルムの表面にいくつかのピットが現れる。 電流が大きければ大きいほど、この現象はより明らかであり、図1から分かるように、これらのピットは、表面上にスパッタリングされた液滴の滴によって形成される。 アーク源の電流が増加すると、スパッタされた液滴の飛行速度が大きくなり、プラズマ雰囲気中の他の粒子と直接衝突して基板(試料)の表面に直接到達することはない。 これらの液滴粒子が二次逆スパッタリング(図2のD)によってスパッタリングできないと、それらは膜中に残存し、それらの一部は基板からフィルム全体を貫通する(図2の矢印AおよびBで示すように)。 3)。 アーク源電流が大きくなればなるほど、この現象はより顕著になります。

 

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図3 TiN膜を貫通する大きな液滴