Projekti / Programi
Razumevanje plazemskih procesov in rasti tankih plasti v magnetronskem naprševanju pri visoki pulzni moči
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.05 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Vakuumistika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P240 |
Naravoslovno-matematične vede |
Plini, dinamika tekočin, plazma |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
naprševanje pri visoki pulzni moči, HiPIMS, magnetronsko naprševanje, diagnostika plazme
Raziskovalci (11)
Organizacije (2)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.957 |
| 2. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.682 |
Povzetek
V prvem delu predlaganega projekta bomo študirali plazemske strukture (t. i. ionizacijske cone), ki so bile nedavno odkrite v magnetronskem naprševanju. V drugi delu projekta pa se bomo osredotočili na lastnosti tankih plasti s ciljem povezati lastnosti magnetronske plazme s strukturnimi lastnostmi plasti. Glavne cilje projekta lahko razdelimo na naslednje znanstveno specifične dele:
A: Razumeti procese, ki se dogajajo v plazmi magnetronskega naprševanja pri visoki pulzni moči (HiPMS) in pri enosmernem magnetronskem naprševanju (DCMS). V preiskavah se bomo osredotočili na vpliv, ki ga imajo ionizacijske cone na proces ionizacije, ter na transport ionov od magnetrona do podlage. Ionizacijske cone bomo preučevali s pomočjo različnih diagnostičnih tehnik plazme, ki vključujejo: visokohitrostne kamere, masno spektrometrijo, optično emisijsko spektroskopijo, Langmuirjevimi, emisijskimi in tokovnimi sondami. Lastnosti ionizacijskih con ter njihovo dinamiko bomo analizirali za različne pogoje razelektritve v HiPIMS in DCMS režimu. Spreminjali bomo delovni tlak plina, tok razelektritve, jakost magnetnega polja, tarče materiala ter pulzne parametre.
B: Razviti model, ki pojasnjuje organizacijo plazme v magnetronski razelektritvi. Na podlagi eksperimentalnih podatkov, zbranih iz prvega cilja, bomo poskušali zgraditi model, ki opisuje pogoje za nastanek, vzdrževanje ter dinamiko ionizacijskih con v pulznem in DC-načinu delovanja magnetronske razelektritve. V ta namen bomo razvili računalniško kodo, ki bo s pomočjo Lorentzovih enačb gibanja rešila trajektorije elektronov in ionov v nehomogenem električnem in magnetnem polju planarnega magnetrona. Iz tako dobljenih trajektorij želimo izvedeti več o samovzdrževanju, obliki, dinamiki ter razporeditvi ionizacijskih con. Računalniški program bo tudi simuliral transport ionov ter porazdelitveno funkcijo energije ionov.
C: Nanesti kovinske tanke plasti in povezati lastnosti plazme s strukturnimi lastnostmi plasti. Preučevali bomo vpliv gostote ionskega toka, njegove energije in prostorske porazdelitve na nastajanje morfologije tankih plasti, mikrostrukture, teksture, gostote in rasti kristalnih faz. Strukturne lastnosti kovinskih tankih plasti bomo analizirali z različnimi analitskimi tehnikami, ki so na voljo na Institutu "Jožef Stefan" ter na Kemijskem inštitutu. Raziskave bomo opravili na preprostih kovinskih plasteh, kot so titan, aluminij in baker. Poskušali bomo sestaviti strukturni diagram, ki povezuje parametre plazemske razelektritve s strukturo tankih plasti. Strukturne lastnosti tankih plasti bomo primerjali za nanašanje v HiPIMS- in DCMS-režimu
Pomen za razvoj znanosti
Raziskave predlaganega projekta bodo imele velik doprinos k bazični znanosti, posredno pa tudi k aplikativni znanosti. Glavni doprinos k bazični znanosti bo razumevanje plazemskih procesov, ki potekajo v magnetronski razelektritvi, in to tako v kontinuirnem kot v pulznem načinu. Prav razumevanje magnetronskih razelektritev, še posebej nastanek in lastnosti vrtečih se ionizacijskih con, bo pomagalo k boljšemu nadzoru postopkov nanašanja, posledično pa tudi k boljšim lastnostim tako nanesenih tankih plasti. Na ta način pa bodo rezultati imeli tudi posreden doprinos k aplikativni znanosti, saj je magnetronsko nanašanje eno najbolj razširjenih v tehnologiji nanašanja tankih plasti. Torej bo razumevanje samoorganiziranih struktur v plazmi omogočilo nov preboj v razumevanju in aplikaciji plazme.
Rezultati predlaganega projekta bodo prispevali tudi k drugim področjem plazemske znanosti. Magnetronsko naprševanje sodi v skupino razelektritev tipa E×B, katerih skupna značilnost je podobna orientacija električnih in magnetnih polj, zato je tudi fizika plazme v teh okoljih podobna. Druga pomembna skupina razelektritev tipa E×B so tudi Hallovi ionski pogoni (imenovani tudi ionski motorji), ki se jih uporablja za pogon vesoljskih sond. V teh napravah potisno silo dosežemo s pospeševanjem težkih ionov (tipično ksenonovih ionov). Čeprav je potisna sila zelo šibka, se sešteva čez daljše časovno obdobje in lahko pospeši vesoljsko sondo do velikih hitrosti, kar ni izvedljivo s klasičnim pogonom, kjer potisno silo zagotavljajo kemijske reakcije. Pri Hallovih ionskih pogonov je pojav ionizacijskih con poznan že dolgo časa. Bil je predmet mnogih raziskav, saj gre za neželen pojav – od ionskih izvirov namreč pričakujemo dolgotrajno stabilno delovanje na satelitih v zemeljski krožnici, še posebej pa za misije v druge dele Osončja. Modeliranje in razumevanje ionizacijskih con za različne pogoje razelektritve ima torej velik potencialni doprinos k znanstvenemu okolju, ki raziskuje Hallove ionske pogone in druge izvedbe razelektrirev tipa E×B.
Pomen za razvoj Slovenije
Magnetronsko naprševanje je široko uporabljena metoda za nanašanje tankih plasti v različnih industrijskih aplikacijah. Veliko sodobnih tehnologij neposredno uporablja tehniko magnetronskega naprševanja, kot so: mikroelektronika, predelovalna industrija, medicina, fotovoltaika, optika, informacijske tehnologije in druge. Predlagani projekt, ki je sicer osredotočen na bazične študije magnetronskih razelektritev, ima tako posreden vpliv na ekonomijo in na družbo.
Magnetronsko naprševanje je doživelo velik napredek od preproste metalizacije v enosmernem režimu do naprednih multuifunkcionalnih prevlek v letalski industriji, predelovalni industriji, medicini in fotovoltaiki. Takšne napredne aplikacije pa zahtevajo magnetronske razelektritve v širšem območju plazemskih lastnosti (gostota plazme in energija ionov). Magnetronsko naprševanje pri visoki pulzni moči zadošča tem zahtevam, pač pa ustrezna povezava med procesnimi parametri in lastnostmi plasti še ni dovolj dobro raziskana. Rezultati predlaganega projekta imajo torej velik potencial pri razvoju tankih plasti za širok razpon industrijskih aplikacij.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
