Study on the direct current and radio frequency magnetron plasmas by the particle-in-cell/Monte Carlo method

Abstract

The Particle-In-Cell/Monte Carlo (PIC/MC) simulations modeling dc (direct current)- and rf (radio frequency)-planar magnetron discharge were performed. The objective of this study is to clarify the discharge structures in an axisymmetric or three-dimensional magnetic and electric field. The analysis of electron swarm in argon gas was performed to verify an electron-atom collision model. The electron swarm was simulated by use of the test particle Monte Carlo method. Some of main results of analyses are summarized as follows. (1) The derived electron swarm parameters in argon gas such as drift velocity, longitudinal and transverse diffusion coefficients, and ionization coefficient agreed well with experimental and calculated data obtained by other workers. (2) For the three-dimensional dc planar magnetron discharge, effects of magnetic field and secondary electron emission coefficient on the discharge structure were clarified. An axisymmetric sheath was formed in the vicinity of the cathode. (3) Low-frequency plasma turbulence was found to appear in dc magnetron discharge with large racetrack-like magnets in case of low applied voltage or weak magnetic field. (4) For axisymmertic rf plasma magnetron discharge, the formation of time-varying axisymmetric sheath was clarified by the simulation. Even in the bulk of the plasma, electric field varied with time and space. It is concluded that computer aided design of magnetron sputtering apparatus will become practical by the development of PIC/MC simulation reported here.

dc(直流)およびrf(高周波)平面マグネトロン放電をモデル化して、PIC/MC(セル内粒子/モンテカルロ法)シミュレーションを行った。軸対称あるいは3次元磁場および電場における放電構造を明らかにすることを目的とした。アルゴンガスにおける電子の運動の解析を行って、電子と原子の衝突モデルを検証した。電子の運動をテスト粒子モンテカルロ法によってシミュレートした。解析の主要な結果のいくつかを次のようにまとめた。(1)ドリフト速度、縦および横方向の拡散係数、そしてイオン化係数など、導出したアルゴンガス中の電子パラメータは、他の研究者による実験および計算データと一致した。(2)3次元直流平面マグネトロン放電については、放電構造にたいする磁場および2次電子放出係数の影響を明らかにした。陰極近傍には軸対称シースが形成された。(3)大きなレーストラック状の磁石のある直流マグネトロン放電で、付加した電圧が低いか磁場が弱い場合には、低周波のプラズマ擾乱が発生するのを見出した。(4)軸対称高周波平面マグネトロン放電では、シミュレーションにより時間変動する軸対称シースの形成が明らかになった。プラズマ主流中においても、電場は時間および空間的に変化した。本報告に示したPIC/MCシミュレーションの開発によりマグネトロンスパッタリング装置の計算機援用設計が実用となると結論した。