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【Patricle-PLUS解析事例】DCマグネトロンスパッタリング解析

事例紹介
株式会社ウェーブフロント
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粒子法プラズマ解析ソフトウェア『Particle-PLUS』

粒子法プラズマ解析ソフトウェア『Particle-PLUS』は
プラズマを用いた装置・材料・デバイス研究・開発・製造に適した
シミュレーションソフトウェアです。

・低圧プラズマ解析を得意とします
・軸対称モデルと鏡面対称境界条件を組み合わせで
装置全体のシミュレーションを行う必要なく、 高速に結果を得ることができます。
・流体モデルでの計算が難しい低圧ガスでのプラズマシミュレーションを得意とします
・2D(2次元),3D(3次元)対応し、複雑なモデルでも効率良く解析できます
・自社開発ソフトの強みとして
お客様の装置に合わせたカスタマイズも可能です
また、ソフト販売だけではなく、受託解析も実施しております

◆さまざまな事例に対応◆
・マグネトロンスパッタ
・PVD、プラズマCVD
・容量結合プラズマ (CCP)
・誘電体バリア放電 (DBD)
・電気泳動　など

◆さまざまな計算結果を出力◆
・ポテンシャル分布
・電子・イオンの密度分布/温度分布/発生分布
・壁への粒子フラックスとエネルギーフラックス
・壁への電子・イオンのエネルギースペクトル
・中性ガスの密度分布/温度分布/速度分布
など

※詳しくはお気軽お問い合わせください
HPhttp://www.wavefront.co.jp
MAIL:information@wavefront.co.jp

このカタログについて

ドキュメント名 【Patricle-PLUS解析事例】DCマグネトロンスパッタリング解析
ドキュメント種別 事例紹介
ファイルサイズ 2.1Mb
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このカタログの内容

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Particle-PLUS計算事例 DCマグネトロンスパッタリング
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お問い合わせ先 Particle-PLUS 開発元 : 株式会社ウェーブフロント 神奈川県横浜市西区みなとみらい 2-3-3 クイーンズタワーB 12階 TEL : 045-682-7070 (代) E-mail: sales@wavefront.co.jp Web : http://www.wavefront.co.jp/ 弊社取り扱いの製品に関するお問い合わせや、 受託業務に関するご相談などは、上記の連絡先へ お気軽にお問い合わせください。 Copyright © 2019 Wave Fr2ont Co.,Ltd All Rights Reserved.
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モデル概要 DCマグネトロンスパッタリング 対称軸 軸対称モデル 基板 ガス流入 ガス流入 Ar 10 sccm ガス流出 0.5 Pa 永久磁石 AlNiCo プラズマ 磁気ヨーク Fe 標的 材質 Ti 電圧 DC －500 V 永久磁石 2次電子放出 係数 0.1 ガス流出 N S 金属標的 標的-基板間距離 30 mm S N 磁気ヨーク Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 3
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cf. マグネトロンスパッタの物理 DCマグネトロンスパッタリング ✓ 正イオンは電場により加速されて標的 に衝突し、材料原子や二次電子を放出 させる (スパッタリング) 磁場方向 ✓ 電子は磁場により回転運動 (サイクロ トロン) し、その回転中心は画面手前 電場方向 方向へ移動する (EBドリフト) 標的 ✓ 高エネルギーの電子が原料ガスに衝突 し、電子とイオンを発生させる (電離) ✓ 以上のようにプラズマを定常的に発生 させながら、削られた材料原子を基板 に堆積させる (デポジション) Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 4
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中性ガス密度 DCマグネトロンスパッタリング 流入：Ar 10 sccm [/m3] 数密度 n [/m3] の定義 流出：0.5 Pa N : ある空間領域 (ここではセル1つ) 内に含まれる数 V : その領域の体積 [m3] 0.5 [Pa] ≒ 数密度1.2E20 [/m3] (300K) Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 5
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静磁場 DCマグネトロンスパッタリング 色 : 磁束密度ベクトルの大きさ 黒線 : 磁束密度ベクトルの流線 [T] (=[Wb/m2]) N S S N Fe Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 6
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プラズマ密度① DCマグネトロンスパッタリング 電子数密度 Ar+イオン数密度 [/m3] [/m3] ✓ 電子が磁場に補足されている様子が伺える ✓ Ar+イオンは電子に似た分布をとる Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 7
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プラズマ密度② DCマグネトロンスパッタリング [ 拡大図 ] 電子数密度 Ar+イオン数密度 標的 ✓ 表面付近では電子よりもAr+イオンが多い (イオンシース) Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 8
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電位と電場① DCマグネトロンスパッタリング 電位 電場 (色:大きさ, 矢印:向き) 接地 カソード [V] [V/m] 強いシース電場 Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 9 接地
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電位と電場② DCマグネトロンスパッタリング 電位 プラズマ [V] シース 標的(－500V) ✓ プラズマの電位はほぼゼロ（若干正） ✓ もしプラズマ中のAr+イオンがシースで加速されて標的に衝突する場合、 最大で 500 eV のエネルギーを持つことが期待される Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 10
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電子流速 DCマグネトロンスパッタリング 拡大 色 : 大きさ 矢印 : 向き [ 座標軸を傾けて表示 ] ✓ 電子の流速はEBドリフト(Z+方向) の成分が大半を占める 標的 [m/s] 【参考】近似式から大雑把に見積もられるドリフトの大きさ E/B ≒(2.0×105[V/m])/(0.07[T]) =2.8×106[m/s] Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 11
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イオン流速 DCマグネトロンスパッタリング + ✓ Ar イオンは重いため速度が 小さく、ほぼ電場の向きに 沿って移動する 粒子の運動方程式 小 色 : 大きさ 矢印 : 向き [m/s] Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 12
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プラズマの温度* * ここではMaxwell速度の分散と同義 DCマグネトロンスパッタリング 電子温度 Ar +イオン温度 (kT) (kT) [eV] [eV] 標的に入射するAr+イオンの温度は低い 1 [eV] ≒ 11600 [K] (速度が揃っている) Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 13
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プラズマのエネルギー DCマグネトロンスパッタリング 電子エネルギー(1個あたり) Ar+イオンエネルギー(1個あたり) [eV] [eV] ✓ エネルギーの高い電子は原料ガスを電離させることができる + 1 [eV] =1.602×10 -19 [J] ✓ Ar イオンは高いエネルギーで標的に衝突している Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 14
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表面入射エネルギー DCマグネトロンスパッタリング [ 値の押し上げ表示 ] 電子入射エネルギーフラックス [W/m2] Ar+イオン入射エネルギーフラックス [W/m2] + ✓ Ar イオンの入射エネルギーにより 標的が激しくスパッタされる Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 15
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表面入射イオンの頻度分布 DCマグネトロンスパッタリング 入射エネルギー頻度分布 入射角θと方位角Φの定義 (表面法線) z y + ✓ Ar イオンの多くは 垂直に入射 θ Φ x 入射角(θ)頻度分布 方位角(Φ)頻度分布 Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 16 入射イオン数頻度(立体角あたり) 入射イオン数頻度 入射イオン数頻度
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Tiのエロージョンと数密度 DCマグネトロンスパッタリング Ti数密度 標的表面のTiエロージョンレート 中心軸からの距離 [m] [/m3] エロージョンやデポジションのレート R [m/s] の定義 Γ : 表面での原子フラックス [/(m2 s)] ns : 固体中の原子濃度 [/m3] Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 17 エロージョンレート [m/s]
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Tiデポジションレート DCマグネトロンスパッタリング 基板表面のTiデポジションレート Ti数密度 中心軸からの距離 [m] ✓ 標的から飛び出したTi原子は、原料ガスのArと衝突して拡散する ✓ 基板に到達したTi原子が堆積することで膜を形成する Copyright © 2020 Wave Front Co., Ltd. All Rights Reserved. 18 デポジションレート [m/s]