¿Qué es la pulverización catódica de CC? ¿Qué es la pulverización catódica de RF?
¿Diferencia entre la pulverización catódica de CC y la pulverización catódica de RF?
Introducción
La pulverización catódica es el mecanismo utilizado para depositar películas delgadas de material objetivo sobre un sustrato. Este proceso implica la expulsión de iones gaseosos en el material de origen, lo que arroja átomos, iones y moléculas de gas fuera de la superficie objetivo. Estas partículas emitidas contienen cierta energía cinética, lo que permite que los iones metálicos aumenten la movilidad superficial.
Esta guía a continuación proporcionará una descripción general completa de la pulverización catódica de CC, la pulverización catódica de RF, la diferencia entre la pulverización catódica de CC y la pulverización catódica de RF; Cómo funcionan estos chisporroteos, etc.
¿Qué es la pulverización catódica de CC?
La pulverización catódica de CC (o pulverización catódica de corriente directa) es una técnica de recubrimiento de deposición física de vapor de película delgada que utiliza una corriente continua como fuente de energía. La pulverización catódica DC ofrece numerosas ventajas para la deposición de metales. Es popular en muchos procesos de fabricación, como la creación de plásticos de embalaje metalizados y revestimientos metálicos en relojes y joyas.
La pulverización catódica de corriente directa o CC es una técnica de recubrimiento de deposición física de vapor (PVD) de película delgada en la que un material objetivo que se utilizará como recubrimiento se bombardea con moléculas de gas ionizado que hacen que los átomos se "pulvericen" en el plasma. Estos átomos vaporizados se depositan luego cuando se condensan como una película delgada sobre el sustrato a recubrir.
La pulverización de corriente continua (CC) es una técnica de deposición de película delgada que utiliza moléculas de gas ionizado para vaporizar (pulverizar) moléculas del material objetivo en plasma. La pulverización catódica de CC es la técnica preferida para materiales objetivo eléctricamente conductores debido a su bajo costo y alto nivel de control a nivel mundial.
¿Qué es la pulverización catódica de corriente continua?
El proceso de pulverización catódica con magnetrón de CC implica una cámara de vacío que contiene el material objetivo paralelo al sustrato objetivo. La cámara de vacío contiene un gas inerte de alta pureza, como el argón, que se carga cuando se expone a una corriente continua pulsada.
El material de destino de metal actúa como el nodo negativo (cátodo) mientras que el sustrato actúa como el polo positivo (ánodo). Una corriente continua pasa a través del sistema, lo que hace que el gas argón se ionice y da como resultado una fuerte colisión de los iones con la fuente de metal cargada negativamente.
Estas colisiones eliminan iones metálicos de la superficie del objetivo hacia el plasma (una mezcla de iones de gas ionizado y electrones). El sustrato con carga positiva atrae el plasma con carga negativa, que se condensa en la superficie del sustrato, formando una película delgada que recubre la fuente neutra.
Si bien la pulverización catódica de CC es un proceso común para los metales conductores, no funciona tan bien para los materiales dieléctricos. Estos átomos objetivo pueden adquirir una carga, lo que provoca la formación de arcos y otras alteraciones en las densidades de los electrones, lo que da como resultado una tasa de deposición desigual. La acumulación de estos iones positivos puede incluso hacer que toda la ruta de pulverización deje de funcionar, lo que resulta en la necesidad de un reinicio.
Proceso de pulverización catódica de CC
La pulverización catódica de CC es el tipo de pulverización catódica más básico y económico para la deposición de metal PVD y materiales de revestimiento objetivo eléctricamente conductores. Dos ventajas principales de la CC como fuente de energía para este proceso es que es fácil de controlar y es una opción de bajo costo si está realizando una deposición de metal para el recubrimiento.
La pulverización catódica de CC se utiliza ampliamente en la industria de los semiconductores para crear circuitos de microchip a nivel molecular. Se utiliza para recubrimientos por pulverización catódica de oro de joyas, relojes y otros acabados decorativos, para recubrimientos no reflectantes sobre vidrio y componentes ópticos, así como para envases de plástico metalizados.
La configuración básica de un sistema de recubrimiento por pulverización catódica de CC es que el material objetivo que se utilizará como recubrimiento se coloca en una cámara de vacío paralela al sustrato que se va a recubrir.
La cámara de vacío se evacua a una presión base eliminando H2O, aire, H2, Ar y luego se rellena con un gas de proceso inerte de alta pureza, generalmente argón debido a su masa relativa y capacidad para transmitir energía cinética al impactar durante colisiones moleculares de alta energía en el plasma que crea los iones de gas que son la principal fuerza impulsora de la deposición de película delgada por pulverización catódica. Las presiones de pulverización típicas oscilan entre 0,5 mTorr y 100 mTorr.
Luego se aplica una corriente eléctrica de CC al material de recubrimiento objetivo que es el cátodo o el punto en el que los electrones ingresan al sistema conocido como polarización negativa. También se aplica una carga positiva al sustrato a recubrir, que se convierte en el ánodo.
Los átomos de gas argón eléctricamente neutros se ionizan primero como resultado de la colisión forzada de estos átomos de gas en la superficie del objetivo cargado negativamente que expulsa átomos al plasma, un estado similar a un gas caliente que consta aproximadamente de la mitad de iones de gas y la mitad de electrones que emite el resplandor de plasma visible.
Los átomos de gas argón ionizado luego se conducen al sustrato que es el ánodo o polarización cargada positiva que atrae iones de gas ionizado, electrones y los átomos de recubrimiento objetivo vaporizados que se condensan y forman una película delgada que recubre el sustrato que se va a recubrir. La pulverización catódica con magnetrón de CC utiliza imanes detrás del cátodo negativo para atrapar electrones sobre el material objetivo con carga negativa para que no puedan bombardear el sustrato, lo que permite tasas de deposición más rápidas que antes.
El campo magnético forma un "túnel" de límite que atrapa electrones cerca de la superficie del objetivo que mejora la eficiencia de la formación de iones de gas. La pulverización catódica con magnetrón de CC permite una corriente más alta a una presión de gas más baja que logra una tasa de deposición de película delgada aún más alta.
Si bien la pulverización catódica de CC es la solución económica de elección para muchos tipos de recubrimientos metálicos, su principal limitación es que los materiales aislantes dieléctricos no conductores se cargan con el tiempo, lo que puede provocar problemas de calidad como la formación de arcos o el envenenamiento del material objetivo con una carga que puede resultar en el cese completo de la pulverización catódica.
Para superar estas limitaciones de la pulverización catódica de CC, se han desarrollado varias tecnologías más complicadas, como la pulverización catódica de radiofrecuencia o RF, y la pulverización catódica con magnetrón de impulso de alta potencia o HIPIMS. La pulverización de RF alterna la carga eléctrica en radiofrecuencia para evitar la acumulación de carga en el objetivo o el material de recubrimiento. HIPIMS utiliza un estallido de energía de muy alto voltaje y corta duración enfocado en el material de recubrimiento objetivo para generar un plasma de alta densidad que da como resultado un alto grado de ionización del material de recubrimiento en el plasma.
A pesar de la relativa simplicidad de la pulverización catódica de CC, por lo general tiene bajas tasas de deposición en comparación con los HIPIMS más complicados, que es el resultado de densidades de plasma más bajas y densidades de gas más altas.
Sin embargo, la relativa simplicidad de la fuente de alimentación de CC en comparación con las fuentes de alimentación de RF o HIPMIS, que requieren una configuración y un cableado mucho más complicados y costos de energía más altos, hace que la pulverización catódica de CC sea la solución de bajo costo para muchos tipos de deposición de metal al vacío, como la pulverización catódica de oro y otros revestimientos eléctricamente conductores.
¿Cómo funciona la pulverización catódica de CC?
Como cualquier tipo de efecto de deposición por pulverización catódica, la pulverización catódica con magnetrón de CC requiere una cámara de vacío. También requiere alimentación de CC, átomos de gas de pulverización catódica con carga positiva, un material objetivo y un sustrato.
Este es el proceso que utilizan los sistemas de pulverización catódica con magnetrón de CC para depositar materiales de recubrimiento de metal en sustratos:
1. El material objetivo o de revestimiento que se utilizará como película delgada se coloca en una cámara de vacío.
2. La cámara de vacío se coloca paralela al sustrato deseado.
3. La cámara de vacío elimina agua, aire, hidrógeno y argón con una presión de cámara entre 1 y 100 mTorr.
4. Luego, la cámara se llena con iones de gas de proceso inerte, como iones de argón.
5, el sistema aplica un voltaje de CC a la superficie objetivo.
6, el material de recubrimiento objetivo se convierte en el cátodo y el sustrato se convierte en el ánodo.
7, los átomos de argón neutro se ionizan cuando chocan con el objetivo cargado negativamente y luego se expulsan en plasma de alta densidad, que se genera a través de la neutralización.
8, los iones de gas ahora ionizados permanecen en el vacío y rompen los átomos objetivo.
9, las moléculas de gas ionizado se introducen en el sustrato.
10, los iones positivos se condensan y forman películas delgadas sobre el sustrato.
El campo magnético atrapa electrones sobre los objetivos de pulverización, evitando el bombardeo de iones y aumentando la tasa de deposición.
En conjunto, la pulverización catódica con magnetrón de CC es una técnica relativamente sencilla con una alta tasa de deposición, lo que permite a los fabricantes depositar grandes cantidades de materiales superficiales sobre sustratos de forma rápida, económica y eficaz. Este proceso es esencial en una variedad de aplicaciones comerciales, como el depósito de películas de ZnO sobre sustratos de vidrio.
¿Qué es la pulverización catódica de RF?
La pulverización catódica de RF o radiofrecuencia es la técnica involucrada en alternar el potencial eléctrico de la corriente en el entorno de vacío en frecuencias de radio para evitar que se acumule una carga en ciertos tipos de materiales objetivo de pulverización catódica, lo que con el tiempo puede provocar la formación de arcos en el plasma que arroja. gotitas que crean problemas de control de calidad en las películas delgadas, e incluso pueden conducir al cese completo de la pulverización de átomos que terminan el proceso.
La pulverización catódica de CC tradicional es una forma rentable de aplicar recubrimientos de objetivos metálicos que son conductores eléctricos como el oro. Sin embargo, la pulverización catódica de CC está limitada cuando se trata de materiales de destino dieléctricos: recubrimientos que son materiales aislantes no conductores que pueden adquirir una carga polarizada. Los ejemplos de materiales de revestimiento dieléctricos comunes utilizados en la industria de semiconductores incluyen óxido de aluminio, óxido de silicio y óxido de tantalio.
La pulverización catódica RF Magnetron utiliza imanes detrás del cátodo negativo para atrapar electrones sobre el material objetivo con carga negativa para que no puedan bombardear el sustrato, lo que permite tasas de deposición más rápidas.
Con el tiempo, se producen iones positivos que se acumulan en la superficie de la cara del objetivo dándole una carga positiva. En cierto punto, esta carga puede acumularse y conducir a una secesión completa de átomos que se descargan para el recubrimiento.
Al alternar el potencial eléctrico con la pulverización catódica de RF, la superficie del material objetivo se puede "limpiar" de una acumulación de carga con cada ciclo. En el ciclo positivo, los electrones son atraídos por el material objetivo o el cátodo, lo que le da una polarización negativa. En la parte negativa del ciclo, que se produce en la frecuencia de radio de 13,56 MHz utilizada internacionalmente para equipos de suministro de energía de RF, continúa el bombardeo de iones del objetivo que se va a pulverizar.
RF Sputtering ofrece varias ventajas dependiendo de su aplicación específica. Los plasmas de RF tienden a desactivarse en toda la cámara en lugar de concentrarse alrededor del cátodo o del material objetivo como ocurre con la pulverización catódica de CC.
La pulverización de RF puede mantener un plasma en toda la cámara a una presión más baja (1-15 mTorr). El resultado es menos colisiones de gas ionizado, lo que equivale a una deposición en línea del sitio más eficiente del material de recubrimiento.
Debido a que con la pulverización catódica de RF, el material objetivo se "limpia" con cada ciclo para que no acumule una carga, lo que ayuda a reducir la formación de arcos. La formación de arcos es donde hay una descarga intensamente enfocada y localizada que emana del material objetivo o cátodo hacia el plasma que crea gotas y problemas con la deposición de película no uniforme. La pulverización catódica de RF reduce en gran medida la acumulación de una carga en un lugar específico de la superficie del material objetivo que conduce a las chispas que crean el arco que provoca numerosos problemas de control de calidad.
La pulverización por RF también reduce la creación de "erosión de pista de carrera" en la superficie del material objetivo. Con la pulverización catódica con magnetrón, se graba un patrón circular en la superficie del material objetivo como resultado del campo magnético circular del magnetrón que enfoca las partículas de plasma cargadas cerca de la superficie del objetivo de pulverización catódica. El diámetro del patrón circular es el resultado del campo magnético.
Con RF Sputtering, el ancho y la profundidad de la pista de carrera son mucho menores debido a la naturaleza de CA de la descarga de RF con electrones menos confinados por el campo magnético. El plasma se esparce más produciendo una pista de carreras más grande, más ancha y menos profunda. Esto permite una utilización mejor, más uniforme y eficiente de los materiales de recubrimiento objetivo sin el grabado profundo de la "erosión de la pista de carreras".
Otra ventaja de la pulverización catódica de RF es que no hay un efecto de ánodo que desaparece cuando el sustrato a recubrir se aísla y adquiere una carga como con la pulverización catódica de CC. Todas las superficies desarrollan una carga en un plasma como resultado de que los electrones se mueven mucho más rápido que los iones debido a su menor tamaño y energía cinética.
Sin embargo, como resultado de la modulación de CA de la energía en las frecuencias de radio, el material que se va a recubrir con la pulverización catódica de RF no adquiere una acumulación de carga tan grande debido a que se descarga cada medio ciclo y se aísla, lo que con el tiempo puede provocar a un cese de la deposición de película delgada. Con RF Magnetron Sputtering, el campo magnético forma un "túnel" de límite que atrapa electrones cerca de la superficie del objetivo, lo que mejora la eficiencia de la formación de iones de gas y restringe la descarga del plasma. De esta manera, la pulverización catódica con magnetrón de RF permite una corriente más alta a una presión de gas más baja que logra una tasa de deposición aún más alta.
¿Qué es la pulverización catódica de radiofrecuencia?
Si bien la pulverización catódica por radiofrecuencia ofrece muchos beneficios muy atractivos según el tipo de material que se va a recubrir, existen varios costos importantes involucrados que deben tenerse en cuenta. Debido a que la pulverización catódica de RF utiliza ondas de radio en lugar de corriente continua, las tasas de deposición son considerablemente más lentas con la pulverización catódica de RF y requieren voltajes significativamente más altos.
Las ondas de radio requieren un voltaje mucho más alto para lograr los mismos resultados de deposición que con la corriente continua, por lo que el sobrecalentamiento se convierte en un problema. La aplicación de energía de RF es complicada y requiere suministros de energía de alto voltaje que son costosos. Se requieren circuitos avanzados que pueden plantear problemas adicionales de sobrecalentamiento.
Otro problema es que las corrientes de RF viajan sobre la “piel” o superficie de los conductores y no a través de ellos. Esto significa que los cables/conectores especiales son críticos.
Otra consideración importante que debe tenerse en cuenta con las tasas de pulverización catódica de RF es la disminución de las tasas de deposición debido a la falta de electrones secundarios atrapados sobre el objetivo, como ocurre con la pulverización catódica de magnetrón convencional para la ionización de gases. Con todos los tipos de pulverización catódica, el plasma se mantiene mediante la descomposición e ionización de un gas inerte como el argón, que es el más utilizado debido a su mayor masa en comparación con otros gases inertes, helio y neón.
Al alternar la corriente a una radiofrecuencia alta, se puede sostener un plasma con una presión mucho más baja debido a la energía cinética resultante de acelerar e invertir los electrones durante una distancia suficiente en el plasma. La diferencia en la masa entre las partículas de gas ionizado y los electrones permite mantener un plasma sin depender de la captura de iones secundarios sobre el material objetivo como ocurre con la pulverización catódica con magnetrón convencional.
Sin embargo, esto también da como resultado una tasa de deposición más lenta en comparación con la pulverización catódica de CC debido a la falta de electrones secundarios sobre el objetivo. Debido a que las tasas de deposición de la pulverización catódica de RF son más lentas que las tasas de pulverización catódica de CC y tienen costos de energía mucho más altos, en un nivel práctico esto se traduce en que la pulverización catódica de RF generalmente se usa en sustratos más pequeños para recubrir.
Si bien la pulverización catódica de RF se puede utilizar para la mayoría de los tipos de recubrimientos de deposición de película delgada, se ha convertido en la técnica de deposición de película delgada preferida para muchos tipos de recubrimientos dieléctricos: recubrimientos aislantes que no son conductores y pueden adquirir una carga polarizada. La pulverización catódica de RF se encuentra en el corazón de la industria de los semiconductores y produce películas de óxido altamente aislantes entre las capas de película delgada de los circuitos de microchip, incluidos el óxido de aluminio, el óxido de silicio y el óxido de tantalio.
Entonces, como podemos ver ahora, la deposición por pulverización catódica de materiales aislantes no se puede realizar con corriente continua. Los materiales como óxidos, nitruros y cerámicas tienen una impedancia de CC muy grande y requieren voltajes prohibitivamente altos para encender y mantener un plasma. Afortunadamente, la impedancia de estos materiales cambia con la frecuencia de la potencia aplicada. Mediante el uso de energía suministrada en radiofrecuencias (RF) y una red de adaptación de impedancia automática, la impedancia total del circuito se puede regular a 50 Ω, lo cual es adecuado para la ignición de plasma en entornos típicos de pulverización catódica.
El proceso de pulverización catódica de radiofrecuencia (RF) es una evolución de la pulverización catódica de CC que tiene como objetivo abordar la acumulación de carga no deseada que ocurre con algunos materiales objetivo de pulverización catódica. Esta acumulación de carga puede ser muy perjudicial y puede dar lugar a problemas de control de calidad durante la formación de la película.
La pulverización de RF alterna el potencial de la corriente en el entorno de vacío mediante el uso de una fuente de RF de alto voltaje. Esta corriente alterna evita la acumulación de partículas de plasma cargadas y la ionización del gas, esencialmente "limpiando" la acumulación de carga después de cada ciclo. Si el primer ciclo utiliza un material objetivo cargado negativamente, los iones de gas ionizado permanecen en el ánodo al final del ciclo.
El siguiente ciclo utiliza polarización inversa para cambiar la carga en el objetivo y el sustrato, lo que da como resultado átomos de gas pulverizados cargados positivamente que se mueven hacia el sustrato cargado negativamente.
El principal inconveniente de la pulverización catódica de RF en comparación con la pulverización catódica de CC pulsada es una tasa de deposición significativamente menor y un requisito de potencia mucho mayor. La tasa de deposición se puede mejorar con un fuerte campo magnético a lo largo de la fuente de energía para mantener la descarga de plasma cargada más cerca de la superficie metálica del objetivo. La técnica también consume mucha energía, por lo que la mayoría de las fuentes de alimentación de RF pueden proporcionar hasta 1000 V para generar la señal correcta.
Otro inconveniente es que cualquier fuente de pulverización catódica de RF necesita una red de adaptación de impedancia entre la cámara de vacío y el equipo de suministro de energía de RF. Esta red evita la interferencia de la descarga de RF que puede reducir la tasa general de pulverización catódica.
Sputtering DC vs RF
La pulverización catódica con corriente continua es uno de varios métodos de pulverización catódica con magnetrón. Otro es la pulverización catódica de radiofrecuencia o la pulverización catódica de RF.
El principal distintivo entre estos dos procesos está en sus aplicaciones. La pulverización catódica de CC es adecuada para materiales conductores y materiales magnéticos. Sin embargo, la pulverización catódica de RF puede depositar materiales conductores y no conductores, como películas de óxido.
La potencia de CC también es distinta de la potencia de RF, ya que afecta el voltaje detrás de los átomos pulverizados. Mientras que la pulverización catódica de CC utiliza una tensión de carga directa, la pulverización catódica de RF alterna las cargas, lo que requiere un proceso de fabricación más complejo y costoso.
Aunque tanto la pulverización catódica de CC como la de RF son técnicas de deposición por pulverización catódica, estos procesos tienen un impacto diferente en la morfología del material de sus objetivos de pulverización catódica.
Una de las principales diferencias entre la pulverización catódica de CC y RF son sus fuentes de alimentación. Como sugiere el nombre, la pulverización catódica de CC utiliza una corriente continua como fuente de energía. Mientras tanto, la pulverización de RF alterna su carga eléctrica para evitar que la carga se acumule en el material objetivo.
La pulverización catódica de RF a veces se conoce como pulverización catódica de CA debido a la corriente alterna dentro de las fuentes de alimentación de RF.
La pulverización catódica de CC también tiene una tasa de deposición más alta que la pulverización catódica de RF. Si bien la pulverización catódica de CC es adecuada para depositar grandes cantidades en sustratos grandes, la RF es más eficaz en sustratos más pequeños.
La pulverización de CC y RF puede depositar diferentes tipos de materiales objetivo. Si bien la pulverización catódica de CC puede depositar materiales objetivo eléctricamente conductores, un método de pulverización catódica de RF es adecuado para varios objetivos de pulverización catódica, incluidos los materiales conductores y no conductores.
Por último, la pulverización catódica de CC y RF varía en cuanto a su complejidad y precio. La pulverización catódica de CC es más asequible en general, ya que utiliza procesos menos especializados. La pulverización de RF implica un proceso más complejo, pero su versatilidad y la excelente duración de la campaña compensan su alto precio.
Revisión de pulverización catódica de CC
• La fuente de alimentación es del tipo de corriente continua (CC).
• La presión de la cámara suele ser de 1 a 100 mTorr.
• Generalmente, se prefiere la alimentación de CC para materiales objetivo eléctricamente conductores, ya que es eficaz y económica. Tales como objetivos de pulverización catódica de metal puro, hierro (Fe), cobre (Cu), níquel (Ni).
• Es una técnica sencilla cuando se procesan grandes cantidades de sustratos grandes.
• La tasa de deposición es alta para algunos objetivos de pulverización catódica de metal puro.
• El gas de pulverización con carga positiva se acelera hacia el objetivo en la pulverización con CC y la eyección de átomos se deposita en los sustratos.
RF Sputtering Rrepasar
• La fuente de alimentación es AC (Corriente Alterna). La fuente de alimentación es una fuente de RF de alto voltaje que a menudo se fija a 13,56 MHz.
• El voltaje pico a pico de RF es de 1000 V y la presión de la cámara es de 0,5 a 10 mTorr.
• La pulverización de RF tiene una gama más amplia de aplicaciones y es adecuada para todos los materiales para materiales conductores y no conductores. Sin embargo, se usa más comúnmente para depositar materiales de destino de pulverización catódica dieléctrica.
• La tasa de deposición es menor en comparación con la pulverización catódica de CC.
• Se utiliza para tamaños de sustrato más pequeños debido al alto costo.
• La pulverización de RF implica dos procesos. En el primer ciclo, el material objetivo se carga negativamente. Esto da como resultado la polarización de los átomos, y los átomos de gas chisporroteantes son atraídos a la fuente, donde golpean a los átomos externos.
Debido a la polarización, los átomos fuente y los iones de gas ionizado permanecen en la superficie objetivo.
• En el segundo ciclo, el objetivo está cargado positivamente. Debido a la polarización inversa, esto provoca la expulsión de iones de gas y átomos fuente. Estos iones y átomos se aceleraron hacia el sustrato para formar una deposición.
