Wat is DC-sputtering? Wat is RF-sputtering?
Verskil tussen DC-sputtering en RF-sputtering?
Inleiding
Sputtering is die meganisme wat gebruik word om dun films van teikenmateriaal op 'n substraat neer te sit. Hierdie proses behels die uitstoot van gasvormige ione in die bronmateriaal, en sodoende gasatome, -ione en molekules uit die teikenoppervlak verstuiwe. Hierdie vrygestelde deeltjies bevat sekere kinetiese energie, wat metaalione toelaat om oppervlakmobiliteit te verhoog.
Hierdie gids hieronder sal 'n omvattende oorsig gee van GS-sputtering, RF-sputtering, Verskil tussen DC-sputtering en RF-sputtering; Hoe hierdie sputtering werk ens...
Wat is DC Sputtering
DC Sputtering (of Direct-Current Sputtering) is 'n dunfilm fisiese dampneerslagbedekkingstegniek wat 'n gelykstroom as 'n kragbron gebruik. GS-sputtering bied talle voordele vir metaalneerlegging. Dit is gewild in baie vervaardigingsprosesse, soos die skep van gemetalliseerde verpakkingsplastiek en metaalbedekkings op horlosies en juweliersware.
DC of Direct Current Sputtering is 'n Thin Film Physical Vapor Deposition (PVD) Coating-tegniek waar 'n teikenmateriaal wat as die deklaag gebruik moet word, gebombardeer word met geïoniseerde gasmolekules wat veroorsaak dat atome in die plasma "gesputter" word. Hierdie verdampte atome word dan neergelê wanneer hulle kondenseer as 'n dun film op die substraat wat bedek moet word.
Gelykstroom (DC) sputtering is 'n dunfilm-afsettingstegniek wat geïoniseerde gasmolekules gebruik om molekules van die teikenmateriaal af in plasma te verdamp (sputter). GS-sputtering is die voorkeurtegniek vir elektries geleidende teikenmateriale vanweë die lae koste en hoë vlak van beheer wêreldwyd.
Wat is gelykstroom sputtering
Die GS-magnetron-sputterproses behels 'n vakuumkamer wat die teikenmateriaal parallel met die teikensubstraat bevat. Die vakuumkamer bevat 'n hoë suiwer inerte gas soos argon wat gelaai word wanneer dit aan 'n gepulseerde GS-stroom blootgestel word.
Die metaalteikenmateriaal dien as die negatiewe knoop (katode) terwyl die substraat as die positiewe pool (anode) optree. 'n GS-stroom gaan deur die stelsel, wat veroorsaak dat die argongas ioniseer en 'n kragtige botsing van die ione met die negatief-gelaaide bronmetaal tot gevolg het.
Hierdie botsings slaan metaalione van die oppervlak van die teiken af in die plasma ('n mengsel van geïoniseerde gasione en elektrone). Die positief-gelaaide substraat trek die negatief-gelaaide plasma aan, wat op die oppervlak van die substraat kondenseer, wat 'n dun filmbedekking van die neutrale bron vorm.
Terwyl GS-sputtering 'n algemene proses vir geleidende metale is, werk dit nie so goed vir diëlektriese teikenmateriale nie. Hierdie teikenatome kan 'n lading aanneem, wat lei tot boogvorming en ander ontwrigting van elektrondigthede, wat lei tot 'n ongelyke neerslagtempo. Die ophoping van hierdie positiewe ione kan selfs veroorsaak dat die hele sputterpad ophou funksioneer, wat lei tot die behoefte aan 'n reset.
DC Sputtering Proses
DC Sputtering is die mees basiese en goedkoopste soort sputtering vir PVD-metaalafsetting en elektries geleidende teikenbedekkingsmateriale. Twee groot voordele van GS as 'n kragbron vir hierdie proses is dat dit maklik is om te beheer en 'n laekoste-opsie is as jy metaalafsetting vir coating doen.
DC Sputtering word wyd gebruik in die halfgeleierbedryf wat mikroskyfiekringe op molekulêre vlak skep. Dit word gebruik vir goue sputterbedekkings van juweliersware, horlosies en ander dekoratiewe afwerkings, vir nie-reflektiewe bedekkings op glas en optiese komponente, sowel as vir gemetalliseerde verpakkingsplastiek.
Die basiese konfigurasie van 'n DC Sputtering-bedekkingstelsel is die teikenmateriaal wat gebruik moet word aangesien 'n bedekking in 'n vakuumkamer parallel met die substraat wat bedek moet word geplaas word.
Die vakuumkamer word ontruim na 'n basisdruk wat H2O, Lug, H2, Ar verwyder en dan met 'n hoë suiwerheid inerte prosesgas gevul word - gewoonlik Argon as gevolg van sy relatiewe massa en vermoë om kinetiese energie oor te dra by impak tydens hoë-energie molekulêre botsings in die plasma wat die gasione skep wat die primêre dryfkrag van sputter dunfilmneerlegging is. Tipiese sputterdruk wissel van 0.5mTorr tot 100mTorr.
'n GS elektriese stroom word dan toegepas op die teikenbedekkingsmateriaal wat die katode of punt is waar elektrone die sisteem binnegaan wat bekend staan as die negatiewe voorspanning. 'n Positiewe lading word ook toegepas op die substraat wat bedek moet word wat die anode word.
Die elektries neutrale argongasatome word eers geïoniseer as gevolg van die kragtige botsing van hierdie gasatome op die oppervlak van die negatief gelaaide teiken wat atome in die plasma uitstoot – 'n warm gasagtige toestand wat ongeveer uit die helfte gasione en die helfte bestaan. elektrone wat die sigbare plasmagloed uitstraal.
Die geïoniseerde argongasatome word dan na die substraat gedryf wat die anode of positief gelaaide voorspanning is wat geïoniseerde gasione, elektrone en die verdampte teikenbedekkingsatome aantrek wat kondenseer en 'n dun filmbedekking op die substraat vorm wat bedek moet word. DC Magnetron sputtering gebruik magnete agter die negatiewe katode om elektrone oor die negatief gelaaide teikenmateriaal vas te vang sodat hulle nie vry is om die substraat te bombardeer nie, wat vinniger neerslagtempo's as voorheen moontlik maak.
Die magnetiese veld vorm 'n grens "tonnel" wat elektrone vasvang naby die oppervlak van die teiken wat die doeltreffendheid van die gasioonvorming verbeter. DC Magnetron Sputtering maak voorsiening vir hoër stroom teen laer gasdruk wat 'n selfs hoër dunfilmneerslagtempo behaal.
Terwyl DC Sputtering die ekonomiese oplossing van keuse vir baie soorte metaalbedekkings is, is die primêre beperking daarvan dat nie-geleidende diëlektriese isoleringsmateriale mettertyd 'n lading aanneem wat kan lei tot kwaliteitskwessies soos boogvorming, of die vergiftiging van die teikenmateriaal met 'n lading wat kan lei tot die volledige staking van sputtering.
Om hierdie beperkings van DC-sputtering te oorkom, is verskeie meer ingewikkelde tegnologieë ontwikkel soos RF- of Radiofrekwensie-sputtering, en HIPIMS of High Power Impulse Magnetron Sputtering. RF-sputtering wissel die elektriese lading by radiofrekwensie af om te verhoed dat 'n lading op die teiken of bedekkingsmateriaal opbou. HIPIMS gebruik 'n baie hoë spanning, kort tydsduur energie wat gefokus is op die teikenbedekkingsmateriaal om 'n hoëdigtheid plasma te genereer wat 'n hoë mate van ionisasie van die bedekkingsmateriaal in die plasma tot gevolg het.
Ten spyte van die relatiewe eenvoud van DC Sputtering, het dit gewoonlik lae neerslagtempo's in vergelyking met meer ingewikkelde HIPIMS wat die gevolg is van laer plasmadigthede en hoër gasdigthede.
Die relatiewe eenvoud van die GS-kragbron in vergelyking met RF- of HIPMIS-kragbronne wat baie meer ingewikkelde konfigurasie, bekabeling en hoër energiekoste vereis, maak egter steeds DC-sputtering die laekoste-oplossing vir baie soorte vakuummetaalafsettings soos goudsputtering en ander elektries geleidende bedekkings.
Hoe werk DC-sputtering
Soos enige soort sputterende afsettingseffek, vereis DC-magnetronsputtering 'n vakuumkamer. Dit vereis ook GS-krag, positief gelaaide sputterende gasatome, 'n teikenmateriaal en 'n substraat.
Dit is die proses wat DC-magnetron-sputteringstelsels gebruik om metaalbedekkingsmateriaal op substrate neer te sit:
1, Die teiken of deklaagmateriaal wat as die dun film gebruik moet word, word in 'n vakuumkamer geplaas.
2, Die vakuumkamer is parallel aan die verlangde substraat geposisioneer.
3, Die vakuumkamer verwyder water, lug, waterstof en argon met 'n kamerdruk tussen 1 en 100 mTorr.
4, Die kamer word dan gevul met inerte prosesgas-ione, soos argon-ione.
5, Die stelsel plaas 'n GS-spanning op die teikenoppervlak.
6, Die teikenbedekkingsmateriaal word die katode, en die substraat word die anode.
7, Die neutrale argon-atome word geïoniseer wanneer hulle met die negatief gelaaide teiken bots en dan uitstoot in hoëdigtheid plasma, wat deur neutralisasie gegenereer word.
8, Die nou-geïoniseerde gasione bly in die vakuum en breek die teikenatome uit.
9, Die geïoniseerde gasmolekules dryf die substraat binne.
10, Die positiewe ione kondenseer en vorm dun films op die substraat.
Die magnetiese veld vang elektrone oor die sputterende teikens vas, wat ioonbombardement voorkom en die afsettingtempo verhoog.
Altesaam is GS-magnetron-sputtering 'n relatief eenvoudige tegniek met 'n hoë afsettingtempo, wat vervaardigers in staat stel om groot hoeveelhede oppervlakmateriaal vinnig, ekonomies en effektief op substrate te deponeer. Hierdie proses is noodsaaklik in 'n reeks kommersiële toepassings, soos die afsetting van films van ZnO op glassubstrate.
Wat is RF-sputtering
RF of Radio Frequency Sputtering is die tegniek wat betrokke is by die afwisseling van die elektriese potensiaal van die stroom in die vakuumomgewing by radiofrekwensies om te verhoed dat 'n lading op sekere soorte sputterende teikenmateriale opbou, wat met verloop van tyd kan lei tot boog in die plasma wat spuit. druppels wat kwaliteitsbeheerkwessies op die dun films skep – en kan selfs daartoe lei dat die sputtering van atome heeltemal gestaak word wat die proses beëindig.
Tradisionele DC-sputtering is 'n koste-effektiewe manier om metaalteikenbedekkings aan te wend wat elektriese geleiers soos goud is. DC-sputtering is egter beperk wanneer dit kom by diëlektriese teikenmateriale - bedekkings wat nie-geleidende isolerende materiale is wat 'n gepolariseerde lading kan opneem. Voorbeelde van algemene diëlektriese deklaagmateriaal wat in die halfgeleierbedryf gebruik word, sluit in aluminiumoksied, silikonoksied en tantaaloksied.
RF Magnetron sputtering gebruik magnete agter die negatiewe katode om elektrone oor die negatief gelaaide teikenmateriaal vas te vang sodat hulle nie vry is om die substraat te bombardeer nie, wat vinniger neerslagtempo's moontlik maak.
Met verloop van tyd word positiewe ione geproduseer wat op die oppervlak van die teikenvlak ophoop wat dit 'n positiewe lading gee. Op 'n sekere punt kan hierdie lading opbou en daartoe lei dat 'n volledige afskeiding van sputterende atome vir bedekking ontslaan word.
Deur die elektriese potensiaal af te wissel met RF-sputtering, kan die oppervlak van die teikenmateriaal met elke siklus "skoongemaak" word van 'n ladingopbou. In die positiewe siklus word elektrone na die teikenmateriaal of katode aangetrek, wat dit 'n negatiewe voorspanning gee. Op die negatiewe gedeelte van die siklus – wat plaasvind teen die radiofrekwensie van 13,56 MHz wat internasionaal gebruik word vir RF-kragtoerusting – gaan ioonbombardement van die teiken wat gesputter word voort.
RF Sputtering bied verskeie voordele, afhangende van jou spesifieke toepassing. RF-plasma's is geneig om deur die hele kamer te ontlont eerder as om rondom die katode of teikenmateriaal te konsentreer soos met DC Sputtering.
RF Sputtering kan 'n plasma regdeur die kamer onderhou teen 'n laer druk (1-15 mTorr). Die resultaat is minder geïoniseerde gasbotsings wat gelyk is aan meer doeltreffende lyn-van-terrein-afsetting van die bedekkingsmateriaal.
Omdat met RF Sputtering die teikenmateriaal "skoongemaak" word met elke siklus vanaf die opbou van 'n lading, help dit om boogvorming te verminder. Boogvorming is waar daar 'n intens gefokusde en gelokaliseerde ontlading is wat van die teikenmateriaal of katode in die plasma uitgaan wat druppels en probleme met nie-eenvormige filmneerlegging skep. RF Sputtering verminder grootliks die opbou van 'n lading op 'n spesifieke plek op die oppervlak van die teikenmateriaal wat lei tot die vonke wat die boog skep wat talle kwaliteitbeheerprobleme veroorsaak.
RF Sputtering verminder ook die skepping van "Race track erosie" op die oppervlak van die teikenmateriaal. Met Magnetron Sputtering word 'n sirkelvormige patroon in die oppervlak van die teikenmateriaal geëts as gevolg van die sirkelvormige magnetiese veld van die magnetron wat die gelaaide plasmadeeltjies naby die oppervlak van die sputter-teiken fokus. Die deursnee van die sirkelpatroon is die resultaat van die magneetveld.
Met RF Sputtering is die breedte en diepte van die renbaan baie minder as gevolg van die WS-aard van die RF-ontlading met elektrone wat minder deur die magnetiese veld beperk word. Die plasma versprei meer en produseer 'n groter, breër en vlakker renbaan. Dit sorg vir 'n beter, meer eenvormige en doeltreffende benutting van teikenbedekkingsmateriaal sonder die diep ets van "Race track erosie".
Nog 'n voordeel van RF-sputtering is dat daar geen verdwynende anode-effek is wanneer die substraat wat bedek moet word geïsoleer word en 'n lading verkry soos met DC-sputtering. Alle oppervlaktes ontwikkel 'n lading in 'n plasma as gevolg van elektrone wat baie vinniger as ione beweeg as gevolg van hul kleiner grootte en kinetiese energie.
As gevolg van die AC-modulasie van die krag by radiofrekwensies, kry die materiaal wat met RF Sputtering bedek moet word egter nie so 'n groot ladingopbou nie omdat dit elke halfsiklus ontlaai word en geïsoleer word - wat mettertyd uiteindelik kan lei tot 'n staking van die dunfilmafsetting. Met RF Magnetron Sputtering vorm die magnetiese veld 'n grens "tonnel" wat elektrone naby die oppervlak van die teiken vasvang wat die doeltreffendheid van gasioonvorming verbeter en die ontlading van die plasma beperk. Op hierdie manier maak RF Magnetron Sputtering voorsiening vir hoër stroom teen laer gasdruk wat 'n selfs hoër neerslagtempo behaal.
Wat is radiofrekwensie-sputtering
Alhoewel RF Sputtering baie baie aantreklike voordele bied, afhangende van die tipe materiaal wat bedek moet word, is daar verskeie belangrike kostes wat in ag geneem moet word. Omdat RF-sputtering radiogolwe in plaas van GS-stroom gebruik, is afsettingtempo's aansienlik stadiger met RF-sputtering en vereis dit aansienlik hoër spannings.
Radiogolwe vereis baie hoër spanning om dieselfde afsettingsresultate te behaal as met gelykstroom, en so oorverhitting word 'n probleem. Die toepassing van RF-krag is ingewikkeld en vereis hoëspanningskragbronne wat duur is. Gevorderde stroombane word vereis wat bykomende oorverhittingsprobleme kan veroorsaak.
Nog 'n probleem is dat die RF-strome op die "vel" of oppervlak van geleiers beweeg en nie deur hulle nie. Dit beteken dat spesiale bekabeling / verbindings krities is.
Nog 'n belangrike oorweging wat met RF-sputtertempo in berekening gebring moet word, is die afname in neerslagtempo's as gevolg van die gebrek aan sekondêre elektrone wat bo die teiken vasgevang word, soos met konvensionele Magnetron Sputtering vir gasionisasie. Met alle soorte sputtering word die plasma onderhou deur die afbreek en ionisasie van 'n inerte gas soos argon - wat die meeste gebruik word as gevolg van sy groter massa in vergelyking met die ander inerte gasse, helium en neon.
Deur die stroom teen 'n hoë radiofrekwensie af te wissel, kan 'n plasma volgehou word met baie laer druk as gevolg van die kinetiese energie wat voortspruit uit die versnelling en omkeer van die elektrone vir 'n voldoende afstand in die plasma. Die verskil in die massa tussen die geïoniseerde gasdeeltjies en die elektrone maak dit moontlik om 'n plasma in stand te hou sonder om af te hang van die vasvang van sekondêre ione bo die teikenmateriaal soos met konvensionele Magnetron Sputtering.
Dit lei egter ook tot 'n stadiger neerslagtempo in vergelyking met DC-sputtering as gevolg van die gebrek aan sekondêre elektrone bo die teiken. Omdat RF-sputtering-afsettingtempo's stadiger is as DC-sputtertempo's en baie hoër kragkoste het, beteken dit op 'n praktiese vlak dat RF-sputtering gewoonlik gebruik word op kleiner substrate wat bedek moet word.
Terwyl RF Sputtering gebruik kan word vir die meeste tipes dunfilmafsettingsbedekkings, het dit die dunfilmafsettingstegniek van keuse geword vir baie tipes diëlektriese bedekkings – isolerende bedekkings wat nie-geleidend is wat 'n gepolariseerde lading kan aanneem. RF Sputtering is die kern van die halfgeleier-industrie wat hoogs isolerende oksiedfilms tussen die dun filmlae van mikroskyfiekringe vervaardig, insluitend aluminiumoksied, silikonoksied en tantaaloksied.
Soos ons nou kan sien, kan sputterafsetting van isolasiemateriaal nie met GS-krag gedoen word nie. Materiale soos oksiede, nitriede en keramiek het baie groot GS-impedansie en vereis buitensporige hoë spannings om 'n plasma aan die brand te steek en in stand te hou. Gelukkig verander die impedansie van hierdie materiale met die frekwensie van die toegepaste krag. Deur gebruik te maak van krag gelewer by radiofrekwensies (RF) en 'n outomatiese impedansie-aanpassingsnetwerk, kan die totale impedansie van die stroombaan gereguleer word tot 50 Ω wat geskik is vir plasma-ontsteking in tipiese sputteromgewings.
Die radiofrekwensie (RF) sputterproses is 'n evolusie van DC sputtering wat daarop gemik is om ongewenste ladingopbou wat met sommige sputterende teikenmateriale gebeur, aan te spreek. Hierdie ladingopbou kan baie ontwrigtend wees en kan lei tot kommer oor kwaliteitbeheer tydens filmvorming.
RF-sputtering wissel die potensiaal van die stroom in die vakuumomgewing af deur 'n hoëspanning RF-bron te gebruik. Hierdie wisselstroom vermy die opbou van gelaaide plasmadeeltjies en gasionisasie, wat in wese die ladingopbou na elke siklus "skoonmaak". As die eerste siklus 'n negatief-gelaaide teikenmateriaal gebruik, bly die geïoniseerde gasione by die anode aan die einde van die siklus.
Die volgende siklus gebruik omgekeerde polarisasie om die lading op die teiken en substraat te verander, wat lei tot positief-gelaaide sputterende gasatome wat na die negatief-gelaaide substraat beweeg.
Die grootste nadeel van RF-sputtering in vergelyking met gepulseerde GS-sputtering is 'n aansienlik laer neerslagtempo en 'n baie hoër drywingsvereiste. Die neerslagtempo is verbeterbaar met 'n sterk magnetiese veld langs die kragbron om die gelaaide plasma-ontlading nader aan die metaalteikenoppervlak te hou. Die tegniek trek ook baie krag, en daarom kan die meeste RF-kragbronne tot 1 000V verskaf om die korrekte sein te genereer.
Nog 'n nadeel is dat enige RF-sputterbron 'n impedansie-aanpassingsnetwerk tussen die vakuumkamer en die RF-kragtoerusting benodig. Hierdie netwerk voorkom interferensie van die RF-ontlading wat die algehele sputtertempo kan verminder.
DC vs RF Sputtering
Gelykstroom-sputtering is een van verskeie magnetronsputtermetodes. 'n Ander is radiofrekwensie-sputtering of RF-sputtering.
Die primêre onderskeid tussen hierdie twee prosesse is in hul toepassings. GS-sputtering is geskik vir geleidende materiale en magnetiese materiale. RF-sputtering kan egter geleidende en nie-geleidende materiale, soos oksiedfilms, deponeer.
GS-krag word ook onderskei van RF-krag, wat die spanning agter die gesputterde atome beïnvloed. Terwyl GS-sputtering 'n direkte ladingspanning gebruik, wissel RF-sputtering ladings af, wat 'n meer komplekse, duur vervaardigingsproses noodsaak.
Alhoewel GS- en RF-sputtering albei sputterende afsettingstegnieke is, beïnvloed hierdie prosesse die materiële morfologie van hul sputtering-teikens verskillend.
Een van die primêre verskille tussen DC- en RF-sputtering is hul kragbronne. Soos die naam aandui, gebruik GS-sputtering 'n gelykstroom as 'n kragbron. Intussen wissel RF-sputtering sy elektriese lading af om te verhoed dat die lading op die teikenmateriaal opbou.
RF-sputtering staan soms bekend as AC-sputtering as gevolg van die wisselstroom binne RF-kragbronne.
GS-sputtering het ook 'n hoër afsettingtempo as RF-sputtering. Terwyl GS-sputtering geskik is vir die afsetting van groot hoeveelhede op groot substrate, is RF meer effektief binne kleiner substrate.
GS- en RF-sputtering kan verskillende tipes teikenmateriale deponeer. Terwyl GS-sputtering elektries geleidende teikenmateriale kan deponeer, is 'n RF-sputtermetode geskik vir verskeie sputtering-teikens, insluitend geleidende en nie-geleidende materiale.
Laastens verskil DC- en RF-sputtering in hul kompleksiteit en pryspunte. GS-sputtering is in die algemeen meer bekostigbaar, aangesien dit minder gespesialiseerde prosesse gebruik. RF-sputtering behels 'n meer komplekse proses, maar sy veelsydigheid en uitstekende veldtoglengte maak op vir sy hoë pryspunt.
DC Sputtering Review
• Die kragbron is die tipe gelykstroom (DC).
• Kamerdruk is gewoonlik van 1 tot 100 mTorr.
• GS-krag word gewoonlik verkies vir elektries geleidende teikenmateriale aangesien dit effektief en ekonomies is. Soos suiwer metaal sputtering teikens, Yster (Fe), Koper (Cu), Nikkel (Ni).
• Dit is 'n eenvoudige tegniek wanneer groot hoeveelhede groot substrate verwerk word.
• Die neerslagtempo is hoog vir sommige suiwer metaal sputterteikens.
• Die positief gelaaide sputtergas word na die teiken versnel in GS sputtering, en die uitstoot van atome word op substrate neergelê.
RF Sputtering Roorsig
• Die kragbron is AC (wisselstroom). Die kragtoevoer is 'n hoëspanning RF-bron wat dikwels op 13,56 MHz vasgestel is.
• RF piek tot piek spanning is 1000V en die kamerdruk is van 0.5 tot 10 mTorr.
• RF-sputtering het 'n wyer reeks toepassings en is geskik vir al die materiale vir geleidende en nie-geleidende materiale. Dit word egter die meeste gebruik vir die deponering van diëlektriese sputterende teikenmateriale.
• Die neerslagtempo is laer in vergelyking met DC-sputtering.
• Dit word gebruik vir kleiner substraatgroottes as gevolg van die hoë koste.
• Die RF-sputtering behels twee prosesse. In die eerste siklus is die teikenmateriaal negatief gelaai. Dit lei tot atome se polarisasie, en die sputterende gasatome word na die bron aangetrek, waar hulle atome uitkontrakteer.
As gevolg van polarisasie bly die bronatome en geïoniseerde gasione op die teikenoppervlak.
• In die tweede siklus is die teiken positief gelaai. As gevolg van omgekeerde polarisasie veroorsaak dit die uitstoot van gasione en bronatome. Hierdie ione en atome het na die substraat versnel om afsetting te vorm.
