Semi-empirical modeling and optimization of metal sputtering processes

Abstract

Özellikle askeri ve havacılık uygulamalarında ince film tabanlı elektronik aygıtların sürekli küçülmesi, fiziksel buhar biriktirme (PVD) araştırmaları için önemli bir motivasyon olmuştur. İyi kalitede ince filmler üretebilmenin zorlukları üretilen filmin iyi mekanik, optik, elektriksel özelliklere ve kalınlık dağılımına sahip olması gerekliliğidir. Bu çalışma, ince film üretmek için yaygın olarak kullanılan bir teknik olan magnetron saçtırma sistemi üzerinedir. Bu çalışmanın ana hedefi olan sistemin biriktirme ve ısı aktarım mekanizmalarının anlaşılmasında, modelleme ve deneysel yaklaşımlar kullanılmıştır.Bu çalışmada, PVD sisteminin çalışma koşullarını anlamak ve tanımlamak için modelleme yaklaşımı kullanılmıştır. Bu nedenle, modelleme deneylerinin sayısını azaltmak, böylece geometrik faktörleri ortadan kaldırmak için uygulanmaktadır. Teorik bilgi ve modelin bulguları kullanarak deneyler güç, argon akışı ve sistem basıncı etkileşimlerini içeren çalışma koşulları için tasarlanmıştır. Üretilen filmler kalınlık, biriktirme hızı, direnç ve kalınlık homojenliği açısından değerlendirilmiştir. Daha sonra, bir ısıl model, biriktirme ve ısıtma işlemleri esnasında alt-taş sıcaklığını tahmin etmek için tasarlanmıştır. Plazma etkileşimleri modelleme açısından zor olması nedeniyle modelleme çalışmalarını tamamlamak üzere deneysel planlar tasarlanmıştır. Isıtıcı modeli iletim ve radyasyon mekanizmalarının detaylı enerji denkliklerini içermektedir. Biriktirme işlemi esnası için tanımlanan termal model enerji denkliklerinde iletim mekanizması ve deneylerden elde edilen ısı akışı bilgileri kullanılmıştır. Veri analizi ve deney tasarımı (DOE) çalışmaları için JMP yazılımı ve modelleme çalışmaları için MATLAB ve ANSYS programları kullanılmıştır.

Continuous miniaturization of thin film based electronic devices is the major motivator for research in physical vapor deposition (PVD) applications especially in military and aerospace applications. The challenges in the good quality thin film is the requirement for good mechanical, optical and electrical properties and high thickness uniformity across wafer. In this study, the magnetron sputtering system was investigated which is a commonly used technique to deposit thin films. Deposition and heat transfer mechanism of this deposition system is the main focus of this thesis in which both modeling and experimental approaches were used.In this study, a modeling approach was used to understand and characterize the operation conditions of the PVD system. A model was implemented to eliminate the geometrical factor to decrease the number of experiments. Using the theoretical knowledge and the findings from the model, experiments were designed for the operational conditions including sputtering power, argon flow and system pressure interactions. Produced thin films were evaluated by means of thickness, deposition rate, resistivity and thickness uniformity. Then, a thermal model was described to estimate the substrate temperature during the sputtering and heating processes. Since plasma interactions create significant complexity in the model, experiments were designed to complete the modeling studies. The heater model includes detailed energy balances for conduction and radiation mechanisms. Thermal model for the sputtering process uses the energy balances for conduction mechanism and heat flux input obtained from the experiments. For the data analysis and design of experiments (DOE) study JMP software and for the modeling studies MATLAB and ANSYS tools were used.