Analysis and simulations of cold plasmas generated by Magnetron Sputtering

Abstract

Esta tesis doctoral investiga un análisis y simulaciones de plasma frío generado por la técnica de Magnetron Sputtering. Se realiza un estudio diagnóstico del plasma en el laboratorio MatER PUCP utilizando una combinación de Método de Elementos Finitos (FEM), Función de Probabilidad de Energía Electrónica (EEPF), sonda de Langmuir y Espectroscopía de Emisión Óptica (OES). La investigación implica variaciones en la potencia de radiofrecuencia (RF) desde 20 W hasta 90 W, con cambios en la presión desde 6:00 10􀀀3 mbar hasta 9:00 10􀀀2 mbar. Notablemente, los datos muestran cambios en este rango de parámetros. Este trabajo explica los parámetros del plasma para cada técnica. Los resultados del FEM muestran que los valores máximos de densidad de iones y electrones son 1:24 1016 m􀀀3, y la temperatura electrónica es 4:09 eV a 90 W con 1:00 10􀀀2 mbar. Los resultados de la sonda de Langmuir muestran 1:17 1016 m􀀀3 para la densidad de electrones, 1:67 1016 m􀀀3 para la densidad de iones, y Te de 2:72 eV. Los resultados de EEPF muestran 1:17 1016 m􀀀3 y Te de 3:42 eV. OES demostró valores de Te de 2:99 eV obtenidos con el target de Al. Los resultados con variaciones de presión muestran que para RF magnetron sputtering del laboratorio de MatER PUCP puede lograr estabilidad del plasma desde 7:00 10􀀀3 mbar hasta 5:00 10􀀀2 mbar. Un aspecto crucial de este estudio es la correlación de los parámetros del plasma con las variaciones de potencia y presión para targets de Ti, Al y C. Los resultados con rman la reproducibilidad de los datos y proporcionan una comprensión de los mecanismos que in uyen en el comportamiento del plasma. Este conocimiento es indispensable para lograr un control preciso sobre el proceso de deposición en el sistema de sputtering del laboratorio. La importancia práctica de esta investigación se extiende más allá de los límites del laboratorio. La comprensión adquirida de los parámetros del plasma es una base para reproducir películas delgadas con propiedades idénticas en diferentes sistemas de sputtering. Al documentar de manera detallada las características del plasma, este trabajo facilita la transferencia de conocimientos a otros sistemas de sputtering, facilitando el proceso de obtención de películas con propiedades deseadas. Esta tesis avanza en el diagnóstico del plasma y sienta las bases para una deposici ón de películas delgadas controlada. Los conocimientos adquiridos profundizan nuestra comprensión del comportamiento del plasma y tienen implicaciones para mejorar la reproducibilidad de películas delgadas en diversos entornos de sputtering.This doctoral thesis investigates an analysis and simulations of cold plasma generated by Magnetron Sputtering. Comprehensive diagnostic study of the plasma at MatER PUCP laboratory employing a combination of Finite Element Method (FEM), Electron Energy Probability Function (EEPF), Langmuir probe, and Optical Emission Spectroscopy (OES). The investigation involves systematic variations in RF power from 20 W to 90 W, accompanied by incremental adjustments in pressure from 6:00 10􀀀3 mbar to 9:00 10􀀀2 mbar. Remarkably, the data consistently exhibit analogous behaviors throughout this range of parameters. This work explains the plasma parameters for each technique. FEM results show that the maximum values of ion and electron density are 1:24 1016 m􀀀3, and electron temperature 4:09 eV at 90 W with 1:00 10􀀀2 mbar. Langmuir probe results show 1:17 1016 m􀀀3 for electron density, 1:67 1016 m􀀀3 ion density, and an Te of 2:72 eV. EEPF results show 1:17 1016 m􀀀3 and an Te of 3:42 eV. OES demonstrated Te values of 2:99 eV obtained with the Aluminum target. The results with pressure variations show that RF magnetron sputtering in MatER PUCP laboratory can obtain plasma stability from 7:00 10􀀀3 mbar to 5:00 10􀀀2 mbar. A crucial aspect of this study is the correlation of plasma parameters with variations in power and pressure for Ti, Al and C targets. The results con rm the reproducibility of the data and provide an understanding of the underlying mechanisms governing the plasma behavior. This knowledge is indispensable for achieving precise control over the deposition process in the laboratory's sputtering system. The practical signi cance of this research extends outside the con nes of the laboratory. The acquired understanding of plasma parameters is a foundation for reproducing thin lms with identical properties in di erent sputtering systems. By comprehensively documenting the plasma characteristics, this work facilitates the transfer of knowledge to other sputtering systems, facilitating the process of obtaining lms with desired properties. This thesis advances plasma diagnostics and applies the groundwork for controlled thin lm deposition. The understandings gained deepen our understanding of plasma behavior and hold implications for enhancing the reproducibility of thin lms in diverse sputtering environments.