Mechanismen und Modellierung der Targetvergiftung beim reaktiven Magnetron- Sputtern

Ein globales Modell eines Ar/N2-Magnetron-Plasmas wird mit einer dynamischen kollisionären Computersimulation der Plasma-Oberflächen-Wechselwirkung (TRIDYN) kombiniert, um die Verbindungs-Bildung an der Oberfläche eines Ti-Sputtertargets (die sog. Target-Vergiftung) zu modellieren. Der Beschuss mit energetischen Ionen und die damit verbundene Implantation von Reaktivgas-Atomen resultiert in einer modifizierten Oberflächenschicht, deren Dicke die einer Monolage weit übersteigt. Bei steigendem Reaktivgas-Partialdruck bleibt diese Dicke etwa konstant, während die Stickstoff-Konzentration bis zur stöchiometrischen Sättigung ansteigt. Wesentliche Mechanismen sind die direkte Implantation der Reaktivgasionen und die Rückstoßimplantation adsorbierter Reaktivgasatome durch Inertionen-Beschuss.
Experimentell wurde das Stickstoffinventar in der Target-Oberfläche eines unbalancierten 2''-Magnetrons in verschiedenen Ar/N2-Gasmischungen und bei einem Totaldruck von ca. 0.3 Pa in einer Echtzeit-in-situ-Anordnung mit Hilfe der 14N(d,)12C-Kernreaktion vermessen. Das gemessene Sättigungsinventar stimmt mit den Ergebnissen der Modellierung sehr gut überein. Aus dem Vergleich der Abhängigkeiten vom Reaktivgas-Partialdruck kann geschlossen werden, dass (i) die Ionenimplantation allein die Resultate nicht zu beschreiben vermag und dass (ii) die Adsorption und nachfolgende Rückstoß-Implantation von Reaktivgas-Molekülen einen bedeutenden Beitrag liefert, während Reaktivgas-Radikale aus dem Plasma eine eher vernachlässigbare Rolle spielen.
Es wird weiterhin bei ausreichend niedrigem Stickstoff-Partialdruck eine signifikante laterale Variation des Stickstoff-Inventars über die Targetoberfläche beobachtet, die sich durch den gegenüber dem Neutralgasfluss deutlich erhöhten Ionenfluss in der race-track-Region des Magnetrons und die daraus resultierende Verschiebung der Depositions/Erosions-Balance erklärt.