PL EN


Preferencje help
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników
Tytuł artykułu

Multi-scale modeling of deposition and re-sputtering of NixTi1-x thin film in a magnetron sputtering chamber

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma
Identyfikatory
Warianty tytułu
Wieloskalowe modelowanie osadzania i ponownego rozpylania cienkiej warstwy NixTi1-x, w magnetronowej komorze napylającej
Języki publikacji
EN
Abstrakty
EN
Deposition and re-sputtering of Ni-Ti thin films by magnetron sputtering was simulated using a multi-scale modeling approach. The sputtering of Ni and Ti targets and the transport of sputtered Ni and Ti atoms through the background gas were simulated using a Monte-Carlo approach, while the deposition of the sputtered atom onto the film surface was analyzed using molecular dynamics. The interaction of Ar+ ions with the deposited film under the influence of substrate bias was also simulated using a Monte-Carlo approach. The distribution of sputtered atoms over the substrate and the fraction of total sputtered atoms from Ni and Ti targets that reached the substrate were calculated for an off centred target which made an angle of 30° with the substrate. The effects of target voltage and gas temperature on the distribution of sputtered atom over substrate were studied with the help of the aforesaid simulations. It was observed that with increasing target voltage, the fraction of sputtered atoms reaching the substrate was increased slightly for a pure Ni target, while it showed very little change for a pure Ti target. With increasing gas temperature, the value for the same decreased initially, but increased beyond a critical temperature. The velocities of incident Ni and Ti atoms on the substrate were calculated and it was found that no intrinsic re-sputtering could take place for a Ni0.5Ti0.5 thin film under the simulated conditions. The fraction of deposited atoms that were re-sputtered by Ar+ ions under varying substrate bias was also calculated and was found to increase substantially with the increase in the magnitude of the substrate bias voltage. Finally, the stability of crystalline and amorphous Ni and Ti were estimated on the basis of fraction of atoms re-sputtered using a classical molecular dynamics approach.
PL
Osadzanie i ponowne rozpylania cienkiej warstwy NixTi|.x w magnetronowej komorze napylającej było symulowane z zastosowaniem modelowania wieloskalowego. Rozpylanie Ni i T oraz transport rozpylanych atomów przez gaz w komorze symulowano metodą Monte Carlo, a osadzanie rozpylanych atomów na powierzchni cienkiej warstwy analizowano za pomocą metody dynamiki molekularnej. Oddziaływanie jonów Ar z osadzoną warstwą z uwzględnieniem wpływu nachylenia podłoża symulowano również metodą Monte Carlo. Rozkład osadzanych atomów na podłożu i ułamek osadzonych atomów Ni i Ti które osiągnęły podłoże dla przesuniętego celu nachylonego pod kątem 30° do podłoża. Na podstawie wykonanych symulacji oceniono wpływ napięcia w komorze i temperatury gazu na rozkład osadzonych atomów. Zaobserwowano, że wraz ze wzrostem napięcia dla celu z czystego Ni wzrasta nieznacznie ułamek rozproszonych atomów, które osiągnęły cel. Ten wpływ jest pomijalny dla czystego Ti. Wraz ze wzrostem temperatury wspomniany ułamek początkowo maleje a następnie powyżej temperatury krytycznej zaczyna wzrastać. Obliczone zostały prędkości atomów Ni i Ti osiągających podłoże i zauważono, że ponowne rozpylanie w warunkach symulacji dla cienkiego filmu Ni0.5Ti0.5 nie jest możliwe. W dalszej kolejności obliczono ułamek osadzonych atomów, które zostały ponownie rozpylone przez jony Ar1 dla różnego nachylenia podłoża. Zaobserwowano, że wzrost wielkości napięcia podłoża znacznie zwiększa ten ułamek. W końcowej części pracy na podstawie oceny ułamka atomów ponownie rozpylonych określono stabilność krystalicznego i amorficznego Ni i Ti wykorzystując do tego celu metodę dynamiki molekularnej.
Słowa kluczowe
Wydawca
Rocznik
Strony
153--165
Opis fizyczny
Bibliogr. 34 poz., rys.
Twórcy
autor
  • Tata steel, Jamshedpur-83I00I, India
autor
  • Department of Metallurgical and Materials Engineering, Indian Institute of Technology, Kharagpur-721302, India
autor
  • Tata steel, Jamshedpur-83I00I, India
  • Department of Metallurgical and Materials Engineering, Indian Institute of Technology, Kharagpur-721302, India
  • Department of Chemical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela-769008, India
autor
  • Department of Chemical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela-769008, India
  • Department of Chemical Engineering, Indian institute of technology, Dhanbad-826004, India
autor
  • Department of Metallurgical and Materials Engineering, National Institute of Technology, Rourkela-769008, India
Bibliografia
  • Abhilash, V., Sumesh, M. A., Mohan, S., 2005, Composition analysis of NiTi thin films sputtered from a mosaic target: synthesis and simulation. Smart Mat. Struct., 14, 323-328.
  • Barry, P. R.. Philipp. P.. Wirtza, T., Kieffer, J„ 2014. Mechanisms of silicon sputtering and cluster formation ex¬plained by atomic level simulations. J. Mass Spectrom, 49, 185-194.
  • Biersack, J. P., Eckstein. W., 1984, Sputtering studies with the Monte Carlo Program TRIM.SP. .J. Appl. Phys. A. 34, 73-94.
  • Britun, N., Han, J. G., Oh. S. G., 2008, Velocity distribution of neutral species during magnetron sputtering by Fabry- Pcrot interferometry, Appl. Phys. Lett., 92, 141503, DOI: 10.1063/1.2907505.
  • Britun, N., Palmucci, M., Snyders, R., 2011, Fast relaxation of the velocity distribution function of neutral and ionized species in high-power impulse magnetron sputtering, Appl. Phys. Lett., 99, 131504.
  • Britun, N„ Palmucci, M., Snyders, R., 2011. Fast relaxation of the velocity distribution function of neutral and ionized species in high-power impulse magnetron sputtering, Appl. Phys. Lett., 99,131504. DOI: 10.1063/1.3644989.
  • Burow, J., Prokofiev, E., Somsen, C., Frenzel, J., Valiev. R. Z., Eggeler, G., 2008, Martensitic transformations and func-tional stability in ultra-fine grained NiTi shape memory alloys, Materials Science Forum, 584, 852.
  • Burow, J., Prokofiev, E., Somsen, C„ Frenzel, J.,. Valiev, R. Z, Eggeler, G., 2008, Martensitic Transformations and Functional Stability in Ultra-Fine Grained NiTi Shape Memory Alloys, Materials Science Forum, 584-586. 852-857.
  • Eckstein. W., Hackel, S., Heinemann. D.. Fricke. B., 1992, Influence of the interaction potential on simulated sput-tering and reflection data, Z Phys. D, Atoms, Molecules and Clusters, 24. 171-176.
  • Eisenmenger-Sittner, C., Beyer Knecht, R., Bergauer, A., Bauer. W.. Betz, G.. 1995, Angular distribution of sputtered neutrals in a post magnetron geometry: Measurement and Monte Carlo simulation. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum. Surfaces, and Films, 13, 2435-2443.
  • Eswar Raju. K. S.. Bysakh, S., Sumesh, M. A., Kamat. S. V., Mohan, S., 2008. The effect of ageing on microstructure ind nanoindentation behaviour of dc magnetron sputter deposited nickel rich NiTi films. Mat. Sci. Eng. A. 476, 267-273.
  • Fu, Y. Q.. Huang, W. M.. Du. H. J.. Huang. X., Tan, J. P.. Gao. X. Y.. 2001, Characterization of TiNi shape-memory al¬loy thin films for MEMS applications. Surf. Coat. Technol., 145, 107-112.
  • Fua, Y„ Du. H„ Huang. W„ Zhang. S., Hu, M.. 2004, TiNi- based thin films in MEMS applications: a review. Sens. Actua. A, 112, 395-408.
  • Goldstein, H., 1950. Classical Mechanics, Addison Wesley Publishing Co, 3rd ed.
  • Gregoire, J. M.. Lobovsky, M. B.. Heinz, M. F.. DiSalvo. F. J., van Dover, R. B., 2007, Resputtering phenomena and determination of composition in codeposited films, Phy. Rev. B. 76,195437, DOI:10.1103/Phys Rev B.76.195437.
  • Habijan, T., DeMiranda, R. L., Zamponi, C., Quandt, E., Greulich. C. Schildhauer, T. A.. Koller, M., 2012, The bio- compatibility and mechanical properties of cylindrical NiTi thin films produced by magnetron sputtering. Mat. Sci. Eng. C, 32,2523-2528.
  • Kok. M.. Dagdelen. F., Aydogdu, A., Aydogdu. Y„ 2016. The change of transformation temperature on NiTi shape memory alloy by pressure and thermal ageing. Journal of Physics: Conference Series, 9th International Conference on Magnetic and Superconducting Materials (MSMI5), IOP Publishing, 667.012011,DOI: 10.1088/1742-6596/667/1 /012011
  • Laegreid, N.. Wehncr, G. K., 1961, Sputtering Yields of Metals for Ar and Ne* Ions with Energies from 50 to 600 ev, Journal of Applied Physics, 32,365,DOI: http://dx.doi .org/10.1063/1.1736012.
  • LAMMPS Molecular Dynamics Simulator, available online at: http://lammps.sandia.gov., accessed: 23.11.2017.
  • Li, M. Y. H„ Li. L. M.. Meng, F. L„ Zheng, W. T.. Zhao, J., Wang, Y. M., 2006, Effect of substrate temperature on the surface and interface oxidation of NiTi thin films, J. Elect. Sped. Ret. Phenom., 151, 144-148.
  • Matsunami, N., Yamamura, Y., Itikawa, Y., Itoli, N., Kazumata. Y., Miyagawa, S., Morita, K., Shimizu, R., Tawara, H., 1984, Energy dependence of the ion-induced sputtering yields of monatomic solids, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 31, 1-80.
  • McDaniel, E. W., 1964, Collision phenomena in ionized gases, Wiley Seriesin Plasma Physics, Wiley, New York.
  • Priyadarshini, B. G., Gupta, M. K„ Ghosh, S., Chakraborty, M., Aich. S.. 2013. Role of substrate bias during deposition of magnetron sputtered Ni, Ti and Ni-Ti thin films. Surf. Eng.. 29. 689. DOI: 10.1179/1743294413 Y.0000000182
  • Sambandama. S. N., Bhansalia, S., Bhethanabotlab, V. R., Sood, D. K. , 2006, Studies on sputtering process of multicomponent Zr-Ti-Cu-Ni-Be alloy thin films, Vacuum, 80, 406-414.
  • Sanjabi. S., Barber. Z. H., 2010, The effect of film composition on the structure and mechanical properties of NiTi shape memory thin films, Surface and Coatings Technology’, 204. 1299-1304.
  • Sanjabi, S., Cao, Y. Z., Sadrnezhaad, S. K„ Barber. Z. II.. 2005, Binary and ternary NiTi-based shape memory films deposited by simultaneous sputter deposition from elemental targets, / Vac. Sci. Technol. A, 23, 1425-1429.
  • Savi, M. A., Paiva, A., Baeta-Neves, A. P., Pacheco, P. M. C.L., 2002, Phenomenological modeling and numerical simulation of shape memory alloys: a thermo-plastic-phase transformation coupled model. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 13(220), 261-273.
  • Senthilnathan, S., Mohan Rao G., Mohan, S., 1998, Fluid simulation of a pulsed-power inductively coupled argon plasma, J. Vac. Sci. Technol. A, 84, 564-571.
  • Simulation of Metal Transport, available online at: http://www.draft.ugent.be/, accessed: 23.11.2017.
  • SRIM, Stopping and range of ions in materials can be downloaded from, available online at: www.srim.org, accessed: 23.11.2017.
  • Thompson. M. W., 2002, Atomic collision cascades in solids, Vacuum. 66, 99-114.
  • Van Aeken, K., Mahieu, S., 2008, The metal flux from a rotating cylindrical magnetron: a Monte Carlo simulation. Journal of Physics D: Applied Physics, 41, 205307, DOl: 10.1088/0022-3727/41 /20/205307.
  • Wagner, C. D., Davis, L. E„ Riggs, W. M., 1980, The energy dependence of the electron mean free path, Surf. Interface Anal., 2, 53-55.
  • Zhang, Z. L., Zhang, L., 2004, Anisotropic angular distribution of sputtered atoms. Plasma Sci. Plasma Technol., 159, 301, DOI: 10.1080/10420150410001724495.
Uwagi
Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-ffeca39c-19ba-43d1-96d1-cf93d38622ed
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.