روند فرسایش بازار یک طرفه

برای ثبت نام در هشدارها ، لطفاً ابتدا وارد شوید. اگر به یک حساب کاربری احتیاج دارید ، لطفا در اینجا ثبت نام کنید

بررسی پروفایل های فرسایش هدف که توسط یک پرتوی یونی گسترده با انرژی کم مصرف شده است

مربوط

مقالات

• بررسی پروفایل های فرسایش هدف که توسط یک پرتوی یونی گسترده با انرژی کم مصرف شده است

Wjatscheslaw Sakiew 1 ، A) ، Eileen Klocke 1 ، and Detlev Ristau 2

• 1 آلمان
• 2 آلمان
• 3 آلمان
• الف) نویسنده ای که باید به آنها رسیدگی شود: [ایمیل محافظت می شود]

• Wjatscheslaw Sakiew
• آیلین کلوک
• Detlev Ristau

چکیده

تقاضا برای بسترهای پوشیده از پرتوی یونی (IBS) روکش شده در حال رشد است. برای یافتن زمینه های جدید کاربردی برای فناوری پوشش IBS ، لازم است که توزیع ذرات درگیر را در یک فرآیند پوشش واکنشی در مقیاس صنعتی درک کنیم. در جستجوی این هدف ، در تحقیقات حاضر ، پروفایل هایی که از اهداف دی اکسید تانتالوم ، سیلیکون و سیلیکون توسط یک پرتوی یونی گسترده با انرژی کم (انرژی یونی 1. 9 کیلوولت ، منبع یونی RIM-20) استفاده می شود ، با یک مکانیکی اندازه گیری می شوند. پروفایل سنج و مقایسه. برای تقریب داده های فرسایش گسسته و دو بعدی به طور دقیق ، یک عملکرد تجربی تهیه شده است. برای یک زاویه شیب هدف کاربردی 55 درجه ، نتایج نشان می دهد که مکانیسم های تعامل یون و جامد وابسته به زاویه واقعی در سطح اتمی نقش نسبتاً فرعی در اصلاح سطح ماکروسکوپی از هدف از نظر توزیع کیفی فرسایش دارندمشخصات. به نظر می رسد هندسه فرآیند کاربردی تأثیر بسیار بیشتری دارد. علاوه بر این ، در مورد سیلیکون ، میزان فرسایش خطی به عنوان تابعی از زمان فرسایش مشاهده می شود. بنابراین ، به نظر نمی رسد که شکل مشخصات فرسایش گسترده تأثیر قابل اندازه گیری بر میزان فرسایش داشته باشد.

رسوب پرتو Ion Beam (IBSD) یک فناوری پوشش به خوبی تثبیت شده در امکانات تولید فیلم نازک نوری است. خصوصیات ، برنامه ها و پارامترهای کیفیت قابل دستیابی در ادبیات باز به خوبی مستند شده اند. 1-3 1. D. Ristau و T. Gross ، در پیشرفت در فیلم های نازک نوری II ، ویرایش شده توسط C. Amra ، N. Kaiser ، و H. A. Macleod (SPIE ، 2005) ، جلد. 5963 ، ص. 596313. 2. C. J. Stolz و R. A. Negres ، Opt. مهندس57 ، 1 (2018). https://doi.org/10. 1117/1. oe. 57. 12. 121910 3. M. Becker ، M. Gies ، A. Polity ، S. Chatterjee ، and P. J. Klar ، Rev. Sci. ساز90 ، 023901 (2019). https://doi.org/10. 1063/1. 5063976 روکش آینه برای ردیاب های موج گرانشی 4 4. J. Degallaix ، C. Michel ، B. Sassolas ، A. Allocca ، G. Cagnoli ، L. Balzarini ، V. Dolique ، R. Flaminio ، D. Forest ، M. Granata ، B. Lagrange ، N. Straniero ، J. Teillon ، and L. Pinard ، J. Opt. SOC. صبح. A 36 ، C85 (2019). https://doi.org/10. 1364/josaa. 36. 000C85 و ژیروسکوپ های حلقه ای برای اندازه گیری چرخش اینرسی 5 5. J. Belfi ، N. Beverini ، F. Bosi ، G. Carelli ، D. Cuccato ، G. De Luca ،A. Di Virgilio ، A. Gebauer ، E. Maccioni ، A. Ortolan ، A. Porzio ، G. Saccorotti ، A. Simonelli ، and G. Terreni ، Rev. Sci. ساز88 ، 034502 (2017). https://doi.org/10. 1063/1. 4977051 برنامه های علمی برجسته ای هستند. یک عنصر اصلی در لکه دار شدن پرتو یون (IBS) پرتو یون است - به طور عمده ترکیبی از ذرات اولیه است که با آنها اتمهای هدف (ذرات ثانویه) از یک سطح هدف پاشیده می شوند. حذف اتمها توسط یونهای پرانرژی معادل یک فرآیند فرسایش است.

در طول چند دهه گذشته، IBSD به طور مداوم بهبود یافته است.، ویرایش شده توسط A. Piegari و F. Flory (انتشارات Woodhead، 2018)، صفحات 103 140. مفاهیم جدید پیاده سازی شده اند، 7-9 7. M. Jupé, M. Lappschies, L. Jensen, K. Starke, and D. Ristau, in Proceedings Vol. 6403، مواد نوری آسیب ناشی از لیزر 2006، ویرایش شده توسط G. J. Exarhos، A. H. Guenther، K. L. Lewis، D. Ristau، M. J. Soileau، و C. J. Stolz (SPIE، 2007)، ص. 640311. 8. T. Willemsen, M. Jupé, L. Gallais, D. Tetzlaff, and D. Ristau, Opt. Lett. 42, 4502 (2017). https://doi.org/10. 1364/ol. 42. 004502 9. S. Malobabic, M. Jupé, and D. Ristau, Light: Sci. Appl. 5 , e16044 (2016). https://doi.org/10. 1038/lsa. 2016. 44 و بررسی های سیستماتیک مکانیسم های فیزیکی زیربنایی انجام شده است. 10،11 10. C. Bundesmann and H. Neumann, J. Appl. فیزیک124 , 231102 (2018). https://doi.org/10. 1063/1. 5054046 11. H. Badorreck, M. Steinecke, L. Jensen, D. Ristau, M. Jupé, J. Müller, R. Tonneau, P. Moskovkin, S. Lucas, APflug، L. Grinevičiūtė، A. Selskis، و T. Tolenis، Opt. Express 27 , 22209 (2019). https://doi.org/10. 1364/oe. 27. 022209 در مقابل، پارامترهای بهره وری و عوامل اقتصادی دخیل چندان مورد توجه قرار نگرفته است. تنها در چند سال اخیر است که روند خاصی به سمت پوشش های نوری بزرگ در زمینه IBSD مشاهده شده است. مناطق رسوب یکنواخت قابل دستیابی هنوز کمتر از 1 متر قطر دارند. 12،13 12. W. Sakiew, S. Schrameyer, P. Schwerdtner, N. Erhart, and K. Starke, Appl. انتخاب کنید59, 4296 (2020). https://doi.org/10. 1364/ao. 389883 13. A. Ribeaud, J. Pistner, H. Hagedo, M. Brophy, P. Kupinski, J. Watson, and R. Hand, in Laser-Induced Damage OpticalConference 50 Anniversary Materials 2018، ویرایش شده توسط C. W. Carr، G. J. Exarhos، V. E. Gruzdev، D. Ristau، و M. J. Soileau (SPIE، 2018)، صفحات 134-142. با این حال، انتظار می رود که پوشش های بزرگتر با سطح کیفی IBSD برای کاربردهای آینده مورد نیاز باشد، به عنوان مثال، پوشش های نوری با اندازه متر برای کاربردهای نجومی و فضایی یا اپتیک های لیزری با قدرت بالا با اندازه متر برای سیستم های نوری بزرگ. 14 14. T. A. Laurence, D. A. Alessi, E. Feigenbaum, R. A. Negres, S. R. Qiu, C. W. Siders, T. M. Spinka, and C. J. Stolz, J. Appl. فیزیک071101 128 (2020). https://doi.org/10. 1063/1. 5131174

برای باز کردن زمینه های جدید کاربرد ، نیاز به درک دقیق توزیع ذرات اولیه و ثانویه در یک فرآیند IBSD در مقیاس صنعتی وجود دارد. تقریب هندسه لکه دار توسط یک منبع نقطه مشترک به عنوان نقطه منشاء تمام ذرات پاشیده شده در این زمینه کافی نیست اگر یک پرتوی یونی گسترده اعمال شود. 12 12. W. Sakiew ، S. Schrameyer ، P. Schwerdtner ، N. Erhart و K. Starke ، Appl. انتخاب59 ، 4296 (2020). https://doi.org/10. 1364/AO. 389883 به طور دقیق تر ، به منظور ایجاد درک در مورد چگونگی انتشار ذرات ذرات ثانویه از لحاظ کیفی و کمی از هدف ، لازم است بدانیم که چگونه ذرات اصلی که بر روی آن وارد می شوندسطح هدف توزیع می شود. در رابطه با این ، بررسی پروفایل های فرسایش ، همانطور که برای لکه دار شدن مگنترون (MS) ، شکل پرتو یونی (IBF) انجام شده است ، و ابزارهای میکروسکوپ پرتو یون متمرکز در طی چند دهه گذشته ، اطلاعات ارزشمندی در مورد توزیع های درگیر ارائه می دهدذرات. تحقیقات قابل مقایسه در زمینه IBSD ، که یک پرتوی یون وسیع و یک هدف کج به کار می رود ، برای نویسندگان مشخص نیست (در Ref. 15 15. M. Becker ، X. Li ، T. Henning و P. J. Klar ، Rev. Sci. Instrum. 91 ، 013905 (2020). https://doi.org/10. 1063/1. 5128339 ، منبع یونی RIM-10 استفاده می شود ، که یک بستر ساخته شده از سیلیکون را با زاویه ای عادی از بروز فرسایش می دهد). تحقیقات حاضر برای ارائه داده های تجربی مربوطه و فراهم کردن پایه ای برای مدل سازی توزیع ذرات اصلی بر روی سطح هدف بعداً است.

در زمینه MS ، که یک فناوری پوشش است که با IBSD رقابت می کند (به عنوان مثال ، Ref. 16 16. Y. Chen ، D. Hahner ، M. Trubetskov ، S. Schrameyer ، W. Sakiew ، K. Starke و V. Pervak، Appl. Phys. B 126 ، 82 (2020). https://doi.org/10. 1007/s00340-020-07431-6) ، مشخصات فرسایش اغلب به عنوان یک مسابقه ، شیار فرسایش یا مشخصات عمق گفته می شود. در مورد MS واکنشی ، مسمومیت با توجه به مدل برگ 17 17. S. Berg ، E. Särhammar و T. Nyberg ، فیلم های نازک 565 ، 186 (2014). https://doi.org/10. 1016/j. tsf. 2014. 02. 063 یا مدل RSD2013 18 18. K. Strijckmans and D. Depla ، J. Phys. D: Appl. فیزیک47 ، 235302 (2014). https://doi.org/10. 1088/0022-3727/47/235302 یک مکانیسم مهم مهم است و احتمالاً برای IBSD واکنشی نیز مرتبط است. نتایج به تازگی منتشر شده 19 19. T. Lautenschläger ، بررسی سیستماتیک از رسوب پرتو یونی از TIO₂(دانشگاه لایپزیگ، 2018). سطح هدف تیتانیوم تقریباً کاملاً اکسید شده در طول IBS در حضور O را نشان می دهد₂جوعلاوه بر آن، مسمومیت با هدف قوی تر اهداف تیتانیومی در مقایسه با اهداف تانتالیوم نتیجه گیری Ref. 20 20. W. Sakiew, S. Schrameyer, M. Jupé, P. Schwerdtner, N. Erhart, K. Starke, and D. Ristau, Thin Solid Films 682, 109 (2019). https://doi.org/10. 1016/j. tsf. 2019. 05. 027.

تفاوت های اساسی بین IBF، IBSD برای اهداف علمی (با تمرکز بر مکانیسم های برهمکنش یون- جامد)، و فرآیندهای IBSD در مقیاس صنعتی (با تمرکز بر تولید) به شرح زیر است: (1) قطر باز D_نوریاز نوری یونی اعمال شده (که مطابق با اندازه اولیه یک پرتو یونی است 21 21. M. Sangregorio, K. Xie, N. Wang, N. Guo, and Z. Zhang, Chin. J. Aeronaut. 31 , 1635 (2018). https://doi.org/10. 1016/j. cja. 2018. 06. 005 ) که با آن یون ها از پلاسما استخراج می شوند و پرتو یونی تشکیل می شود، (2) جریان پرتو یونی استخراج شده I_پرتو، (3) فاصله d_هدفبین نوری یون و هدف (طول انتشار پرتو)، و (4) توزیع حاصل از یون ها بر روی سطح هدف.

در فرآیندهای IBF، قطر تیر کوچک تر روی قطعه کار که قرار است ماشین کاری شود (پس از انتشار پرتو) توانایی تصحیح خطای قوی تری دارد. 22 22. Y. Lu, X. Xie, L. Zhou, Z. Dai, and G. Chen, Appl. انتخاب کنید56, 260 (2017). https://doi.org/10. 1364/ao. 56. 000260 ترجیحاً شکل تیر و تابع حذف حاصل از آن روی قطعه کار گوسی باشد. برای برآوردن این معیارها، یون اپتیک با D_نوریدر محدوده 10-50 میلی متر اعمال می شود. 22, 23 22. Y. Lu, X. Xie, L. Zhou, Z. Dai, and G. Chen, Appl. انتخاب کنید56, 260 (2017). https://doi.org/10. 1364/ao. 56. 000260 23. J. Bauer, F. Frost, and T. Aold, J. Phys. د: اپلیکیشنفیزیک50 , 085101 (2017). https://doi.org/10. 1088/1361-6463/50/8/085101 علاوه بر آن، دیافراگم هایی با قطر کمتر از 0. 5 میلی متر بین منبع یون و قطعه کار برای شکل دهی پرتو نصب می شوند. 22, 24 22. Y. Lu, X. Xie, L. Zhou, Z. Dai, and G. Chen, Appl. انتخاب کنید56, 260 (2017). https://doi.org/10. 1364/ao. 56. 000260 24. T. Aold, G. Böhm, R. Fechner, J. Meister, A. Nickel, F. Frost, T. Hänsel, and A. Schindler, Nucl. Instrum Methods Phys. Res., Sect. A 616, 147 (2010). https://doi.org/10. 1016/j. nima. 2009. 11. 013 ارزش های ادبیات برای I_پرتودر محدوده 1-40 میلی آمپر و مقادیر برای d متفاوت است_هدفتا 80 میلی متر را می توان یافت.

برای تحقیقات علمی مکانیسم های تعامل یون و جامد ، وضعیت کاملاً مشابه است. یک نوری یون کوچک در ترکیب با فاصله کوتاه D مربوطه_هدفتضمین می کند که تنها یک ناحیه کوچک در هدف توسط ذرات اصلی (در مقایسه با فاصله مشاهده ذرات ثانویه) پاشیده می شود ، که امکان در نظر گرفتن یک منبع نقطه لکه دار را فراهم می کند. علاوه بر این ، طول انتشار یون کوتاه تر تعداد یونهایی را که به عنوان یک نتیجه از یک مسیر آزاد محدود به هدف نمی رسند ، کاهش می دهد. در Refs25-28 25. T. Amelal ، L. Pietzonka ، E. Rohkamm ، and C. Bundesmann ، J. Vac. علمیTechnol. ، A 38 ، 033403 (2020). https://doi.org/10. 1116/1. 5142911 26. K. OH ، D. Kalanov ، A. Anders ، and C. Bundesmann ، J. Vac. علمیTechnol. ، A 38 ، 033011 (2020). https://doi.org/10. 1116/6. 0000037 27. D. Kalanov ، A. Anders ، and C. Bundesmann ، J. Vac. علمیTechnol. ، A 37 ، 051507 (2019). https://doi.org/10. 1116/1. 5114973 28. T. Lautenschläger and C. Bundesmann ، J. Vac. علمیTechnol. ، A 35 ، 041001 (2017). https://doi.org/10. 1116/1. 4985050 ، به عنوان مثال ، تنظیمات زیر برای تحقیقات IBS و IBSD انتخاب شده است: D_نوری= 16 میلی متر ، من_پرتودر محدوده 6-10 میلی آمپر و D_هدف= 150 میلی متر.

برای فرآیندهای IBSD در مقیاس صنعتی ، وضعیت متفاوت است. به منظور پاسخگویی به خواسته های بهره وری صنعت فیلم نازک نوری ، جریان های پرتو بالاتر برای تولید مقدار مشخصی از ذرات ثانویه در هر واحد لازم است. از تجربه عملی ، من_پرتودر محدوده 200-500 کارشناسی ارشد برای تولید فیلم نازک با کیفیت بالا متفاوت است. برای جریانهای پرتو در این محدوده و بالاتر ، لازم است یونها را بر روی اندازه سطح هدف مناسب توزیع کنیم. در غیر این صورت ، ماده هدف خیلی سریع مصرف می شود و تولید فیلترهای پیچیده با مدت زمان طولانی فرآیند غیر ممکن است. تاکنون بهترین راه حل فنی استفاده از پرتو یون گسترده ای است که توسط یک سیستم استخراج چند آپارتمان بزرگ تولید می شود. د_نوریمعمولاً بزرگتر از 100 میلی متر است ، و بازار حتی اپتیک یون را برای IBSD با حداکثر D ارائه می دهد_نوری= 220 میلی متر. جریان پرتو بالاتر و بنابراین ، میزان پوشش بالاتر فواید اصلی یک نوری بزرگ یون است. تنظیم D مفید است_هدفتا حد امکان برای جلوگیری از تخریب سریع نوری یون از طریق شار ذرات ناشی از هدف باشد ، اگرچه این می تواند بر بهره وری یک فرآیند IBSD به طور قابل توجهی تأثیر بگذارد. 20 20. W. Sakiew ، S. Schrameyer ، M. Jupé ، P. Schwerdtner ، N. Erhart ، K. Starke ، and D. Ristau ، Thin Solid Films 682 ، 109 (2019). https://doi.org/10. 1016/j. tsf. 2019. 05. 027 بنابراین ، ارزش های بهره وری و همچنین عوامل اقتصادی به D بستگی دارد_هدفوادبه عنوان مثال ، در دستگاه های پوشش IBSD Navigator 1100 و Navigator 2100 ، 12،20 12. W. Sakiew ، S. Schrameyer ، P. Schwerdtner ، N. Erhart و K. Starke ، Appl. انتخاب59 ، 4296 (2020). https://doi.org/10. 1364/ao. 389883 20. W. Sakiew ، S. Schrameyer ، M. Jupé ، P. Schwerdtner ، N. Erhart ، K. Starke ، and D. Ristau ، Films Solid 682 ، 109(2019). https://doi.org/10. 1016/j. tsf. 2019. 05. 027 تولید شده توسط پوشش های لبه GmbH (CEC) ، مجموعه های مشترک دارای D هستند_هدف>350 میلی متراز تجربه عملی ، مسافت های هدف در محدوده 200-550 میلی متر در IBSD برای تولید فیلم های نازک نوری استفاده می شود.

تمرکز این کار بررسی پروفایل فرسایش هدف در طی انرژی کم (انرژی یونی 1. 9 کیلوولت ، منبع یونی RIM-20) است که پرتوی یون گسترده ای واکنش پذیر در مقیاس میلی متر است. پروفایل های فرسایش که از Tantalum (TA) ، سیلیکون (SI) و دی اکسید سیلیکون استفاده شده است (SIO₂) اهداف به صورت تجربی تعیین می شوند و با یکدیگر مقایسه می شوند. TA انتخاب شده است زیرا یکی از رایج ترین مواد "با شاخص بالا" است که برای فرآیندهای IBSD در فناوری فیلم نازک نوری استفاده می شود. به همان اندازه ، SI و SIO₂متداول ترین مواد "کم ارزش" هستند. هر سه ماده هدف برای تولید پوشش های آینه کم از دست در مناطق VIS و مادون قرمز نزدیک (NIR) ترجیح داده می شوند. دو فاصله مختلف D_هدف= 370 میلی متر و D_هدف= 550 میلی متر مورد بررسی قرار می گیرد.

طغیان و فرسایش مورد بررسی TA ، SI و SIO₂اهداف در Navigator 1100 ، 20 20. W. Sakiew ، S. Schrameyer ، M. Jupé ، P. Schwerdtner ، N. Erhart ، K. Starke و D. Ristau ، Thin Solid Films 682 ، 109 (2019) انجام شد. https://doi.org/10. 1016/j. tsf. 2019. 05. 027 دستگاه پوشش IBS با مقیاس صنعتی ، با پیکربندی پراکنده از اجزای اصلی فرآیند. تجهیزات توسط یک کرایوپپ به فشار پایه 10 × 10 - 6 PA در محدوده خلاء بالا تخلیه می شوند. برای تولید یک پرتوی یونی گسترده ، Navigator 1100 مجهز به نوع فرکانس رادیویی با القایی (RF) نوع Ion Source RIM-20 است. این طرح بر اساس RIT ساخته شده است. 29،30 29. H. W. Loeb ، در کنفرانس 7th پیشرانه الکتریکی AIAA (AIAA ، ویلیامزبرگ ، ویرجینیا ، 1969) ، ص. 285. 30. J. Freisinger ، J. Heland ، D. Krämer ، H. Löb ، and A. Scharmann ، Rev. Sci. ساز63 ، 2571 (1992). https://doi.org/10. 1063/1. 1142892 RIM-20 با یک منحنی شکل کروی شکل سه سیستم استخراج چند ضلعی (تکنیک شتاب دیسک) ساخته شده از تیتانیوم اجرا می شود._نوری= 160 میلی متر و شعاع انحنای r_نوری= 400 میلی متر. یون ها از پلاسما استخراج می شوند و توسط 847 پرتو توزیع شده در یک الگوی شبه هگزاژیکی شتاب می گیرند. تمام پرتوهای در کنار هم شفافیت نوری یون 56. 6 ٪ را ایجاد می کنند. شکل 1 پرتو یون گسترده را نشان می دهد. برای جبران هزینه فضا ، یک خنثی کننده رادیویی فرکانس (RFN) به طور همزمان با RIM-20 به عنوان یک منبع الکترون کم رشته عمل می کند (در شکل 1 نشان داده نشده است).

شکل. 1. فرآیند IBSD در CEC در مقیاس صنعتی پوشش ماشین Navigator 1100. (الف) نمای جلوی عملکرد نوری چند آرامی عملکردی از منبع یونی RIM-20 و (B) نمای جانبی پرتوی یون گسترده در طول چرخش اسپاتراز یک هدفطول هدف از پایین به بالا 250 میلی متر است.

طغیان اهداف در ابتدا مسطح در طی چندین فرآیند تولید مستقل از فیلم های نازک نوری صورت گرفت و بنابراین ، همیشه در حضور یک O₂جوبرای تنظیم انرژی یون ، فقط ولتاژ پرتو متنوع بود (ولتاژ شبکه شتاب دهنده 600 ولت و ولتاژ شبکه Decelerator از 0 ولت متنوع نبود). هدف SI با یک مجموعه ثابت از پارامترها پاشیده شد: یونهای 1. 4 کیلو ولت Xenon (XE) ، من_پرتو= 200 کارشناسی ارشد ، ای₂سرعت جریان 90 SCCM ، و فشار کار در محدوده 5. 3-8. 5 × 10 - 2 PA (بسته به موقعیت موجود در محفظه فرآیند). هدف TA تحت دو مجموعه شرایط ریخته شد: (1) با یونهای 1. 8 کیلو ولت آرگون (AR) و با من_پرتو= 310 میلی آمپر و (2) با یونهای 1. 45 کیلو ولت XE و با i_پرتو= 230 کارشناسی ارشد. در هر دو مورد (1) و (2) ، o₂نرخ جریان روی 90 SCCM تنظیم شد. برای کندوپاش SiO₂هدف، یون های Ar 1. 9 کو و 20 SCCM O₂نرخ جریان انتخاب شدند. در همه موارد، نرخ جریان Ar 20 SCCM یا نرخ جریان Xe 15 SCCM برای کار با RIM-20 استفاده شد. توجه به این نکته مهم است که تنظیم انرژی یونی معمولاً منجر به تغییر مشخصات پرتو می شود. 30, 31 30. J. Freisinger, J. Heland, D. Krämer, H. Löb, and A. Scharmann, Rev. ساز. 63، 2571 (1992). https://doi.org/10. 1063/1. 1142892 31. M. Zeuner, F. Scholze, H. J. Leiter, R. Kukies, D. Feili, M. Tartz, and H. Neumann, در 39th AIAA/ASME/SAE/ASEEنمایشگاه کنفرانس مشترک محرکه (AIAA، 2003)، ص. 5009. پارامترهای فرآیند ذکر شده - گونه های یون، انرژی یون و جریان پرتو - نتیجه بهینه سازی فرآیند با هدف دستیابی به ویژگی های فرآیند خاص (یکنواختی لایه جانبی، نرخ پوشش) و پارامترهای کیفیت لایه در تولید لایه نازک است.

در تمام فرآیندها، اهداف 55 درجه شیب داشتند. در IBSD معمولاً از زوایای شیب هدف (TTA) در محدوده 45-65 درجه استفاده می شود. در زوایای کوچکتر، شار ذرات ذرات ثانویه در جهت عقب به سمت نور یونی افزایش می یابد (تخریب نوری یونی)، و بازده کندوپاش کاهش می یابد (کاهش بهره وری). با زوایای بزرگتر، نسبت ذرات اولیه که از کنار هدف عبور می کنند افزایش می یابد (کاهش بهره وری، کندوپاش انگلی نامطلوب قطعات محفظه فرآیند در پشت هدف). علاوه بر این، در زوایای زیاد، بازده کندوپاش به سرعت کاهش می یابد (کاهش بهره وری). زاویه شیب هدف بین سطح هدف نرمال و محور تقارن n⃗ b e a m پرتو یون اندازه گیری می شود. n ⃗ b e a m نیز با جهت انتشار پرتو یون گسترده مطابقت دارد و از این پس به عنوان بردار پرتو نیز نامیده می شود. در موارد Ta و Si، فاصله هدف - یون نوری تا سطح هدف - اندازه گیری شده در امتداد n⃗ b e a m روی d تنظیم شد._هدف= 370 میلی متر (تنظیم مربوطه در شکل 1 نشان داده شده است). برای فرسایش SiO₂هدف، فاصله d_هدف= 550 میلی متر اعمال شد. بنابراین، هدف دی الکتریک در پشت نقطه کانونی هندسی نوری یونی قرار گرفت (d_هدف>آر_نوری)، در حالی که اهداف Ta و Si قبل از نقطه کانونی هندسی قرار داشتند. نگهدارنده هدف به صورت الکتریکی زمین شده بود (با مقاومت تماس از هدف به زمین

برای تعیین مشخصات فرسایش ، هدف مربوطه از نگهدارنده هدف آب خنک شده از بین رفت و فرسایش آن با یک پروفیلومتر مکانیکی خود ساخته اندازه گیری شد. برای هر ضبط داده z i x i ، y i ، عمق فرسایش z_منبا دقت 0. 03 میلی متر پوند در حداکثر 315 موقعیت x i ، y i ، تقریباً به طور مساوی در ناحیه هدف مربوطه از 250 mm 200 mm 2 توزیع شد [به تفصیل در شکل 3 (a) نشان داده شده است. دقت موقعیت یابی پروفیلومتر در جهت شعاعی در اطراف هر موقعیت x i ، y i 0. 2 میلی متر است. برای توصیف فرآیندهای فرسایش ، مقادیر z_منبه عنوان مقادیر منفی درمان می شوند (z = 0 مطابق با سطح صاف اولیه است). ایکس_منو y_منهمانطور که در شکل 2 (a) نشان داده شده در سیستم مختصات انتخاب شده یک هدف اندازه گیری می شود. در موارد TA و SI ، ضخامت صفحه هدف به میزان 6 میلی متر است. ضخامت صفحه هدف SIO₂مقدار هدف 8 میلی متر است. در مورد SI ، شش اندازه گیری برای بررسی تکامل خصوصیات فرسایش به عنوان تابعی از زمان فرسایش t انجام شد. TA و Sio₂اهداف یک بار اندازه گیری شد. همانطور که در بالا توضیح داده شد ، مشخصات فرسایش TA (شکل 4 و 7) از فرآیندهای فرسایش با پارامترهای پرتو یون مختلف ناشی می شود.

شکل. 2. یک هدف SI با استفاده از لکه دار با ابعاد 200 × 250 × 6 میلی متر 3 ، که توسط پرتوی یونهای 1. 4 کیلوولت XE پراکنده شده است ، با I_پرتو= 200 میلی آمپر ، TTA = 55 درجه ، و D_هدف= 370 میلی متر.(الف) نمای بالا و (ب) بزرگ شدن نمای بالا در t = 135 ، 092 ثانیه و Z_حداقل= . 14. 17 میلی متر.(ج) بزرگ شدن در t = 76 ، 058 ثانیه و Z_حداقل= 22. 48 میلی متر. اعداد دایره ای 1-4 و شکستگی در متن اصلی توضیح داده شده است.

قابل قبول است که فرض کنیم فرآیند تعامل بین یک پرتوی یون گسترده ای تقریباً متقارن با مشخصات پرتوهای ناهمگن جانبی و یک سطح هدف کج شده مسطح منجر به (1) مشخصات فرسایش آینه و (2) شرایط لکه دار نامنظم بسته به نوع آن می شود. موقعیت پراکندهبه عبارت دیگر ، فرض بر این است که تعداد یونها در هر واحد منطقه (و در هر واحد زمان) و زاویه بروز یونها برای هر نقطه در سطح هدف متفاوت است (به جز نقاط تقارن مربوطه). شکل 2 (الف) - 2 (ج) هر دو فرض (1) و (2) را پشتیبانی می کند. در انجیر2 (a) و 2 (b) ، هدف SI مورد بررسی پس از زمان فرسایش انباشته شده از t = 135 ، 092 ثانیه (37. 5 ساعت) نشان داده شده است. یک مشاهده کلی یک منطقه فرسایش شبه بیضوی شکل و آینه متقارن است (در واقع ، این مشاهدات صرف نظر از یک ماده هدف خاص است ، همچنین به شکل 7 در پیوست مراجعه کنید). حداکثر عمق فرسایش Z است_حداقل= . 14. 17 میلی متر (در شکل 3 به تفصیل نشان داده شده است). در مقادیر z_حداقل≤ 6 میلی متر ، همانطور که در بالا ذکر شد ، ضخامت صفحه هدف از آن فراتر می رود.

شکل. 3. تقریب منطقه فرسایش هدف SI در t = 135 ، 092 ثانیه همانطور که در شکل نشان داده شده است. 2 (الف) و 2 (ب).(الف) توزیع 2D Z A P P R O X X ، y. 285 موقعیت x i ، y i از عمق فرسایش اندازه گیری z_منبا نقاط آبی مشخص شده اند. پارامترهای مناسب در جدول II ذکر شده است ، و مقادیر مشخصه در جدول III (خط 7) خلاصه شده است.(ب) توزیع 1D z a p p r o x x ، y i در جهت x در y_منموقعیت های 125 ، 147 و 180. (ج) توزیع 1D z a p p r o x x i ، y در جهت y در x_منموقعیت های 100 ، 111 و 122. فلش در (الف) مطابق با مختصات مورد علاقه (ب) و (ج) است. نقاط داده نشانگر عمق فرسایش تجربی z است_من.

برای مقایسه، شکل 2 (c) همان هدف را پس از یک زمان فرسایش کوتاه تر T = 76، 058 ثانیه (21. 2 ساعت) نشان می دهد. بدون تعمیم، به خصوص در مورد Si، دو بخش را می توان مشاهده کرد - یک بخش داخلی صاف (به طور ذهنی صاف تر از سطح اولیه) و یک بخش بیرونی ناهموار (به طور ذهنی ناهموارتر از سطح اولیه)، که توسط یک لبه کم و بیش تیز از هم جدا شده اند.[در شکل 2(c) با شماره 1 مشخص شده است]. در جریان فرسایش پاششی، بخش داخلی ظاهر لکه ای خشن را نشان می دهد که در شکل 2(b) دیده می شود. از یک طرف، این ساختار نامنظم و پویا سطح هدف را می توان بیان شرایط کندوپاش وابسته به موقعیت همانطور که در بالا توضیح داد، فرض کرد. از سوی دیگر، انتقال بین بخش های صاف و ناهموار ممکن است سطوح مختلف مسمومیت هدف را نشان دهد. با Ta، این اثرات از نظر بصری قابل تشخیص نیستند (شکل 7 در پیوست).

خارج از منطقه فرسایش اصلی، منطقه وسیع تری از تعامل بین پرتو ذرات باردار و هدف را می توان مشاهده کرد. این ناحیه از نظر بصری تا لبه گسترش می یابد، که در شکل 2(a) با شماره 4 مشخص شده است، اما حتی در مقادیر z._حداقل≤ -6 میلی متر، هیچ فرسایشی را نمی توان با پروفیلومتر اعمال شده در این ناحیه اندازه گیری کرد. بنابراین، منطقه برهمکنش گسترده خود را تنها به صورت تغییر رنگ سطح هدف نشان می دهد، و فرض می شود که ناشی از ذرات پراکنده در طول انتشار پرتو به دلیل یک مسیر آزاد متوسط محدود است. علاوه بر تشکیل ترکیب بالقوه، پوشش اکسید اضافی ممکن است به شکل یک پوشش نامطلوب در هنگام پراکندگی هدف همسایه رخ دهد. حلقه های رنگی در لبه این منطقه وسیع تر نشان دهنده لایه های دی الکتریک با ضخامت لایه های مختلف است.

اگرچه هدف Si در ابتدا شکسته شد (بر اثر اشتباه در دست زدن)، تصمیم گرفته شد که به هر حال باید برای تحقیق حاضر استفاده شود. واضح است که شکستگی در حین کندوپاش به یک تپه با یک سمت ناهموار [که در شکل 2(c) شماره 2 مشخص شده است] و یک طرف صاف [در شکل 2(c) شماره 3 مشخص شده است] تکامل یافته است، به احتمال زیادنتیجه رسوب مجدد همزمان و اصلاح سطح ناشی از یون در شرایط مختلف است. هیچ تاثیری از شکست بر روی پارامترهای فرآیند یا پارامترهای کیفی فیلم های تولید شده مشاهده نشد، بنابراین شکستگی در تحلیل های زیر نادیده گرفته می شود.

برای تخمین دقیق ویژگی های یک پروفیل فرسایش، هر رکورد داده گسسته z i x i, y i با استفاده از تابع تجربی زیر تقریب می شود:

معادله فوق از عملکرد R x ، y ارائه شده در Ref تهیه شده است. 20 20. W. Sakiew ، S. Schrameyer ، M. Jupé ، P. Schwerdtner ، N. Erhart ، K. Starke ، and D. Ristau ، Thin Solid Films 682 ، 109 (2019). https://doi.org/10. 1016/j. tsf. 2019. 05. 027. به جز فاکتور - z b y ، معادلات z a p p r o x x ، y و r x ، y یکسان هستند. علامت منفی در Eq.(1) یک فرآیند فرسایش (حذف ذرات) به جای یک فرآیند پوشش (تجمع ذرات) را نشان می دهد. تقارن آینه برای جهت X به دلیل G x ، y تحمیل می شود. جزئیات بیشتر در مورد پارامترهای موجود در Eq.(1) در Ref. 20 20. W. Sakiew ، S. Schrameyer ، M. Jupé ، P. Schwerdtner ، N. Erhart ، K. Starke ، and D. Ristau ، Thin Solid Films 682 ، 109 (2019). https://doi.org/10. 1016/j. tsf. 2019. 05. 027. در کل ، 14 پارامتر مناسب در عملکرد 2D Z A P R O X X ، Y بدون پیوند مستقیم به یک مدل فیزیکی یا مشخصات پرتو گنجانده شده است. به عنوان یک مقایسه ، برای تقریب یک منطقه فرسایش متقارن چرخشی در یک مگنترون مسطح ، یک عملکرد یک بعدی (1D) با شش پارامتر مناسب در Ref پیشنهاد شد. 32 32. A. V. Rogov و Y. V. Kapustin ، Tech. فیزیک62 ، 1437 (2017). https://doi.org/10. 1134/S1063784217090213. اتصالات z a p p r o x x ، y به یک مجموعه داده تعیین شده از اعماق فرسایش z i x i ، y i توسط بسته نرم افزاری لایه بندی-ضخامت بهینه سازی انجام می شود (LTO ، که توسط wjatscheslaw sakiew تهیه شده است). پارامترهای اتصالی و میانگین خطاهای مربع مربوطه (MSE) در جدول II خلاصه شده است.

در نتیجه روش اتصالات ، مقادیر مشخصه زیر یک پروفایل فرسایش 2D تقریبی Z A P R O X X ، Y در LTO محاسبه می شود: X₀و y₀(مختصات حداکثر عمق فرسایش) ، z_حداقل≤ 0 (حداکثر عمق فرسایش) ، Δ x_fwhmو δ y_fwhm(عرض کامل در نیمی از حداکثر (fwhm) در جهت x در موقعیت y y₀و در جهت y در موقعیت x₀) ، و V (حجم فرسایش یافته). یکی دیگر از مزایای تقریب میانگین خطاهای اندازه گیری عمق فرسایش پراکنده است.

در کار حاضر ، پروفایل های فرسایش از نظر کیفی با یکدیگر مقایسه می شوند. برای این منظور ، پروفایل ها با Eq تقریب می شوند.(1) توسط z نرمال می شوند_حداقلمانند

Figure 3 shows the approximated sputter-eroded Si target after an erosion time of T = 135, 092 s. The 1D distributions z A P P R O X x , y i in the x-direction [ Fig. 3(b) ] and z A P P R O X x i , y in the y-direction [ Fig. 3(c) ] indicate that the accuracy of the approximation for the x-direction is higher than that for the y-direction. It is important to point out that the erosion profile appears symmetrical in the x-direction and asymmetrical in the y-direction as a consequence of the target tilt angle TTA>0. به طور دقیق تر ، تحت شرایط در نظر گرفته شده ، مشخصات به سمت لبه هدف پایین (پایین) کشیده می شود و به سمت لبه هدف فوقانی (بالا) فشرده می شود.

مشاهده می شود که ، در شکل 3 ، موقعیت حداکثر فرسایش در جهت x x است₀= 96 میلی متر ، که دقیقاً مرکز هدف در x = 100 میلی متر نیست. نتیجه نادرست مشاهده شده از موقعیت نگهدارنده هدف انتخاب شده است و بنابراین می تواند با تعریف موقعیت جدید نگهدارنده هدف جبران شود. بنابراین ، در ادامه ، پروفایل های فرسایش انتخاب شده به صورت عددی در جهت X به مرکز هدف منتقل می شوند (x₀= 100 میلی متر) برای یک تصویر واضح تر.

در این زمینه ، جهت Y برای تحقیقات حاضر مهمتر است. در شکل 3 ، موقعیت حداکثر فرسایش در جهت y در y است₀= 148 میلی متر. با اندازه گیری جهت گیری هدف نسبت به منبع یون ، مختصات تقاطع y_حرفاز وکتور پرتو (n ⃗ b e a m طولانی تر) با سطح هدف با دقت بهتر از آنچه در جدول I نشان داده شده است ، نمی توان تخمین زد ، اگر تحمل تولید محفظه خلاء و پیچ و تاب آن به دلیل خلاء زیاد در نظر گرفته شود. توجه به این نکته مهم است که y₀و y_حرفلزوماً یکسان نیستند.

جدول I. مختصات تخمین زده شده از تقاطع y_حرفبین صفحه هدف و بردار پرتو طولانی N ⃗ B E A m. سیستم مختصات در شکل 2 (a) نشان داده شده است.