Qu'est-ce que la pulvérisation CC ? Qu'est-ce que la pulvérisation RF ?
Différence entre la pulvérisation CC et la pulvérisation RF ?
Introduction
La pulvérisation cathodique est le mécanisme utilisé pour déposer des couches minces de matériau cible sur un substrat. Ce processus consiste à éjecter des ions gazeux dans le matériau source, pulvérisant ainsi des atomes de gaz, des ions et des molécules hors de la surface cible. Ces particules émises contiennent une certaine énergie cinétique, permettant aux ions métalliques d'augmenter la mobilité de surface.
Ce guide ci-dessous fournira un aperçu complet de la pulvérisation CC, de la pulvérisation RF, de la différence entre la pulvérisation CC et la pulvérisation RF ; Comment fonctionnent ces crépitements etc...
Qu'est-ce que la pulvérisation c.c.
La pulvérisation c.c. (ou pulvérisation cathodique à courant continu) est une technique de revêtement par dépôt physique en phase vapeur à couche mince qui utilise un courant continu comme source d'alimentation. La pulvérisation cathodique à courant continu offre de nombreux avantages pour le dépôt de métal. Il est populaire dans de nombreux processus de fabrication, tels que la création de plastiques d'emballage métallisés et de revêtements métalliques sur les montres et les bijoux.
La pulvérisation à courant continu ou à courant continu est une technique de revêtement par dépôt physique en phase vapeur (PVD) dans laquelle un matériau cible à utiliser comme revêtement est bombardé de molécules de gaz ionisé provoquant la « pulvérisation » des atomes dans le plasma. Ces atomes vaporisés se déposent ensuite lorsqu'ils se condensent en un film mince sur le substrat à revêtir.
La pulvérisation cathodique à courant continu (CC) est une technique de dépôt de couches minces qui utilise des molécules de gaz ionisé pour vaporiser (pulvériser) des molécules du matériau cible dans le plasma. La pulvérisation CC est la technique préférée pour les matériaux cibles électriquement conducteurs en raison de son faible coût et de son haut niveau de contrôle à l'échelle mondiale.
Qu'est-ce que la pulvérisation à courant continu
Le processus de pulvérisation magnétron DC implique une chambre à vide contenant le matériau cible parallèle au substrat cible. La chambre à vide contient un gaz inerte de haute pureté tel que l'argon qui se charge lorsqu'il est exposé à un courant continu pulsé.
Le matériau cible métallique agit comme le nœud négatif (cathode) tandis que le substrat agit comme le pôle positif (anode). Un courant continu traverse le système, ce qui provoque l'ionisation du gaz argon et entraîne une collision violente des ions avec le métal source chargé négativement.
Ces collisions font tomber les ions métalliques de la surface de la cible dans le plasma (un mélange d'ions de gaz ionisés et d'électrons). Le substrat chargé positivement attire le plasma chargé négativement, qui se condense sur la surface du substrat, formant un revêtement en film mince de la source neutre.
Bien que la pulvérisation CC soit un processus courant pour les métaux conducteurs, elle ne fonctionne pas aussi bien pour les matériaux cibles diélectriques. Ces atomes cibles peuvent prendre une charge, entraînant des arcs et d'autres perturbations des densités d'électrons, entraînant un taux de dépôt irrégulier. L'accumulation de ces ions positifs peut même entraîner l'arrêt complet du fonctionnement de la voie de pulvérisation, ce qui nécessite une réinitialisation.
Processus de pulvérisation c.c.
La pulvérisation CC est le type de pulvérisation le plus basique et le moins coûteux pour le dépôt de métal PVD et les matériaux de revêtement cibles électriquement conducteurs. Deux avantages majeurs du courant continu en tant que source d'alimentation pour ce processus sont qu'il est facile à contrôler et qu'il s'agit d'une option peu coûteuse si vous effectuez un dépôt de métal pour le revêtement.
La pulvérisation CC est largement utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs pour créer des circuits de micropuces au niveau moléculaire. Il est utilisé pour les revêtements de pulvérisation d'or de bijoux, de montres et d'autres finitions décoratives, pour les revêtements non réfléchissants sur le verre et les composants optiques, ainsi que pour les plastiques d'emballage métallisés.
La configuration de base d'un système de revêtement par pulvérisation cathodique à courant continu est que le matériau cible à utiliser en tant que revêtement est placé dans une chambre à vide parallèle au substrat à revêtir.
La chambre à vide est évacuée vers une pression de base éliminant H2O, Air, H2, Ar, puis remblayée avec un gaz de procédé inerte de haute pureté - généralement de l'argon en raison de sa masse relative et de sa capacité à transmettre l'énergie cinétique lors de l'impact lors de collisions moléculaires à haute énergie dans le plasma qui crée les ions de gaz qui sont la principale force motrice du dépôt de couches minces par pulvérisation. Les pressions de pulvérisation typiques vont de 0,5 mTorr à 100 mTorr.
Un courant électrique continu est ensuite appliqué au matériau de revêtement cible qui est la cathode ou le point auquel les électrons pénètrent dans le système connu sous le nom de polarisation négative. Une charge positive est également appliquée sur le substrat à revêtir qui devient l'anode.
Les atomes de gaz d'argon électriquement neutres sont d'abord ionisés à la suite de la collision violente de ces atomes de gaz sur la surface de la cible chargée négativement qui éjecte les atomes dans le plasma - un état semblable à un gaz chaud composé d'environ la moitié des ions de gaz et la moitié électrons qui émettent la lueur visible du plasma.
Les atomes de gaz d'argon ionisé sont ensuite entraînés vers le substrat qui est l'anode ou la polarisation chargée positive attirant les ions de gaz ionisés, les électrons et les atomes de revêtement cible vaporisés qui se condensent et forment un revêtement en film mince sur le substrat à revêtir. La pulvérisation DC Magnetron utilise des aimants derrière la cathode négative pour piéger les électrons sur le matériau cible chargé négativement afin qu'ils ne soient pas libres de bombarder le substrat, permettant des taux de dépôt plus rapides qu'auparavant.
Le champ magnétique forme un "tunnel" limite qui piège les électrons près de la surface de la cible, ce qui améliore l'efficacité de la formation d'ions gazeux. La pulvérisation magnétron CC permet un courant plus élevé à une pression de gaz plus faible, ce qui permet d'obtenir un taux de dépôt de couche mince encore plus élevé.
Bien que la pulvérisation CC soit la solution économique de choix pour de nombreux types de revêtements métalliques, sa principale limitation est que les matériaux isolants diélectriques non conducteurs se chargent avec le temps, ce qui peut entraîner des problèmes de qualité tels que la formation d'arcs ou l'empoisonnement du matériau cible avec une charge qui peut entraîner l'arrêt complet de la pulvérisation.
Pour surmonter ces limitations de la pulvérisation cathodique CC, plusieurs technologies plus compliquées ont été développées telles que la pulvérisation RF ou radiofréquence et la pulvérisation HIPIMS ou magnétron impulsionnel à haute puissance. La pulvérisation RF alterne la charge électrique à la radiofréquence afin d'empêcher une accumulation de charge sur la cible ou le matériau de revêtement. HIPIMS utilise une rafale d'énergie à très haute tension et de courte durée concentrée sur le matériau de revêtement cible pour générer un plasma haute densité qui entraîne un degré élevé d'ionisation du matériau de revêtement dans le plasma.
Malgré la simplicité relative de la pulvérisation cathodique CC, elle a généralement de faibles taux de dépôt par rapport à HIPIMS plus compliqué, résultat de densités de plasma plus faibles et de densités de gaz plus élevées.
Cependant, la simplicité relative de la source d'alimentation CC par rapport aux sources d'alimentation RF ou HIPMIS qui nécessitent une configuration beaucoup plus compliquée, un câblage et des coûts énergétiques plus élevés continue de faire de la pulvérisation CC la solution à faible coût pour de nombreux types de dépôt de métal sous vide comme la pulvérisation d'or et autres revêtements conducteurs d'électricité.
Comment fonctionne la pulvérisation c.c.
Comme tout type d'effet de dépôt par pulvérisation cathodique, la pulvérisation magnétron à courant continu nécessite une chambre à vide. Il nécessite également une alimentation CC, des atomes de gaz de pulvérisation chargés positivement, un matériau cible et un substrat.
Il s'agit du processus utilisé par les systèmes de pulvérisation cathodique à magnétron CC pour déposer des matériaux de revêtement métallique sur des substrats :
1, la cible ou le matériau de revêtement à utiliser comme film mince est placé dans une chambre à vide.
2, la chambre à vide est positionnée parallèlement au substrat souhaité.
3, la chambre à vide élimine l'eau, l'air, l'hydrogène et l'argon avec une pression de chambre comprise entre 1 et 100 mTorr.
4, la chambre se remplit ensuite d'ions de gaz de traitement inertes, tels que des ions d'argon.
5, le système applique une tension continue à la surface cible.
6, le matériau de revêtement cible devient la cathode et le substrat devient l'anode.
7, les atomes d'argon neutres deviennent ionisés lorsqu'ils entrent en collision avec la cible chargée négativement, puis s'éjectent dans un plasma à haute densité, qui est généré par neutralisation.
8, les ions de gaz maintenant ionisés restent dans le vide et éclatent les atomes cibles.
9, les molécules de gaz ionisées pénètrent dans le substrat.
10, les ions positifs se condensent et forment des films minces sur le substrat.
Le champ magnétique piège les électrons sur les cibles de pulvérisation, empêchant le bombardement ionique et augmentant le taux de dépôt.
Dans l'ensemble, la pulvérisation magnétron CC est une technique relativement simple avec un taux de dépôt élevé, permettant aux fabricants de déposer rapidement, économiquement et efficacement de grandes quantités de matériaux de surface sur des substrats. Ce processus est essentiel dans une gamme d'applications commerciales, telles que le dépôt de films de ZnO sur des substrats en verre.
Qu'est-ce que la pulvérisation RF
La pulvérisation RF ou radiofréquence est la technique impliquée dans l'alternance du potentiel électrique du courant dans l'environnement de vide à des fréquences radio pour éviter une accumulation de charge sur certains types de matériaux cibles de pulvérisation, ce qui, avec le temps, peut entraîner un arc dans le plasma qui crache gouttelettes créant des problèmes de contrôle de qualité sur les films minces - et peuvent même conduire à l'arrêt complet de la pulvérisation d'atomes mettant fin au processus.
La pulvérisation CC traditionnelle est un moyen rentable d'appliquer des revêtements cibles métalliques qui sont des conducteurs électriques comme l'or. Cependant, la pulvérisation CC est limitée en ce qui concerne les matériaux cibles diélectriques - des revêtements qui sont des matériaux isolants non conducteurs qui peuvent prendre une charge polarisée. Des exemples de matériaux de revêtement diélectriques couramment utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs comprennent l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de silicium et l'oxyde de tantale.
La pulvérisation RF magnétron utilise des aimants derrière la cathode négative pour piéger les électrons sur le matériau cible chargé négativement afin qu'ils ne soient pas libres de bombarder le substrat, permettant des taux de dépôt plus rapides.
Au fil du temps, des ions positifs sont produits qui s'accumulent sur la surface de la face cible en lui donnant une charge positive. À un certain point, cette charge peut s'accumuler et conduire à une sécession complète des atomes de pulvérisation qui sont déchargés pour le revêtement.
En alternant le potentiel électrique avec la pulvérisation RF, la surface du matériau cible peut être "nettoyée" d'une accumulation de charge à chaque cycle. Sur le cycle positif, les électrons sont attirés par le matériau cible ou la cathode, ce qui lui donne une polarisation négative. Sur la partie négative du cycle - qui se produit à la fréquence radio de 13,56 MHz utilisée internationalement pour les équipements d'alimentation RF - le bombardement ionique de la cible à pulvériser se poursuit.
La pulvérisation RF offre plusieurs avantages en fonction de votre application spécifique. Les plasmas RF ont tendance à se désamorcer dans toute la chambre plutôt que de se concentrer autour de la cathode ou du matériau cible comme avec la pulvérisation CC.
La pulvérisation RF peut maintenir un plasma dans toute la chambre à une pression plus faible (1-15 mTorr). Le résultat est moins de collisions de gaz ionisés, ce qui équivaut à un dépôt en ligne de site plus efficace du matériau de revêtement.
Parce qu'avec la pulvérisation RF, le matériau cible est «nettoyé» à chaque cycle de formation d'une charge, cela aide à réduire la formation d'arcs. L'arc se produit lorsqu'une décharge intensément focalisée et localisée émane du matériau cible ou de la cathode dans le plasma, ce qui crée des gouttelettes et des problèmes de dépôt de film non uniforme. La pulvérisation RF réduit considérablement l'accumulation d'une charge à un endroit spécifique sur la surface du matériau cible qui conduit aux étincelles qui créent l'arc qui cause de nombreux problèmes de contrôle de qualité.
La pulvérisation RF réduit également la création de "l'érosion de la piste de course" sur la surface du matériau cible. Avec la pulvérisation magnétron, un motif circulaire est gravé dans la surface du matériau cible en raison du champ magnétique circulaire du magnétron focalisant les particules de plasma chargées à proximité de la surface de la cible de pulvérisation. Le diamètre du motif circulaire est le résultat du champ magnétique.
Avec la pulvérisation RF, la largeur et la profondeur de la piste de course sont bien moindres en raison de la nature CA de la décharge RF avec des électrons moins confinés par le champ magnétique. Le plasma s'étend davantage, produisant une piste de course plus grande, plus large et moins profonde. Cela permet une utilisation meilleure, plus uniforme et plus efficace des matériaux de revêtement cibles sans la gravure profonde de «l'érosion de la piste de course».
Un autre avantage de la pulvérisation RF est qu'il n'y a pas d'effet d'anode qui disparaît lorsque le substrat à revêtir devient isolé et acquiert une charge comme avec la pulvérisation CC. Toutes les surfaces développent une charge dans un plasma du fait que les électrons se déplacent beaucoup plus rapidement que les ions en raison de leur taille et de leur énergie cinétique plus petites.
Cependant, en raison de la modulation CA de la puissance aux fréquences radio, le matériau à revêtir de pulvérisation RF n'acquiert pas une accumulation de charge aussi importante car il est déchargé à chaque demi-cycle et devient isolé - ce qui, avec le temps, peut éventuellement conduire à un arrêt du dépôt de la couche mince. Avec la pulvérisation magnétron RF, le champ magnétique forme un "tunnel" limite qui piège les électrons près de la surface de la cible, améliorant l'efficacité de la formation d'ions gazeux et limitant la décharge du plasma. De cette manière, la pulvérisation magnétron RF permet un courant plus élevé à une pression de gaz inférieure qui permet d'obtenir un taux de dépôt encore plus élevé.
Qu'est-ce que la pulvérisation par radiofréquence
Bien que la pulvérisation RF offre de nombreux avantages très intéressants en fonction du type de matériau à revêtir, plusieurs coûts importants doivent être pris en compte. Étant donné que la pulvérisation RF utilise des ondes radio au lieu du courant continu, les taux de dépôt sont considérablement plus lents avec la pulvérisation RF et nécessitent des tensions nettement plus élevées.
Les ondes radio nécessitent une tension beaucoup plus élevée pour obtenir les mêmes résultats de dépôt qu'avec le courant continu, et la surchauffe devient donc un problème. L'application de la puissance RF est compliquée et nécessite des alimentations haute tension coûteuses. Des circuits avancés sont nécessaires qui peuvent poser des problèmes de surchauffe supplémentaires.
Un autre problème est que les courants RF se déplacent sur la « peau » ou la surface des conducteurs et non à travers eux. Cela signifie que des câbles/connecteurs spéciaux sont essentiels.
Une autre considération majeure qui doit être prise en compte avec les taux de pulvérisation RF est la diminution des taux de dépôt due au manque d'électrons secondaires piégés au-dessus de la cible comme avec la pulvérisation magnétron conventionnelle pour l'ionisation des gaz. Avec tous les types de pulvérisation, le plasma est alimenté par la décomposition et l'ionisation d'un gaz inerte tel que l'argon - qui est le plus largement utilisé en raison de sa masse plus importante par rapport aux autres gaz inertes, l'hélium et le néon.
En alternant le courant à une fréquence radio élevée, un plasma peut être maintenu avec une pression beaucoup plus faible en raison de l'énergie cinétique résultant de l'accélération et de l'inversion des électrons sur une distance suffisante dans le plasma. La différence de masse entre les particules de gaz ionisé et les électrons permet d'entretenir un plasma sans dépendre du piégeage d'ions secondaires au-dessus du matériau cible comme avec la pulvérisation magnétron conventionnelle.
Cependant, cela se traduit également par un taux de dépôt plus lent par rapport à la pulvérisation CC en raison du manque d'électrons secondaires au-dessus de la cible. Étant donné que les taux de dépôt par pulvérisation RF sont plus lents que les taux de pulvérisation CC et ont des coûts d'énergie beaucoup plus élevés, sur le plan pratique, cela se traduit par le fait que la pulvérisation RF est généralement utilisée sur des substrats plus petits à revêtir.
Bien que la pulvérisation RF puisse être utilisée pour la plupart des types de revêtements de dépôt de couches minces, elle est devenue la technique de dépôt de couches minces de choix pour de nombreux types de revêtements diélectriques - des revêtements isolants non conducteurs qui peuvent prendre une charge polarisée. La pulvérisation RF est au cœur de l'industrie des semi-conducteurs produisant des films d'oxyde hautement isolants entre les couches minces des circuits de micropuces, notamment l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de silicium et l'oxyde de tantale.
Ainsi, comme nous pouvons le voir maintenant, le dépôt par pulvérisation cathodique de matériaux isolants ne peut pas être effectué avec une alimentation en courant continu. Les matériaux tels que les oxydes, les nitrures et les céramiques ont une très grande impédance CC et nécessitent des tensions excessivement élevées pour allumer et maintenir un plasma. Heureusement, l'impédance de ces matériaux change avec la fréquence de la puissance appliquée. En utilisant la puissance délivrée aux fréquences radio (RF) et un réseau d'adaptation d'impédance automatique, l'impédance totale du circuit peut être régulée à 50 Ω, ce qui convient à l'allumage du plasma dans des environnements de pulvérisation typiques.
Le processus de pulvérisation par radiofréquence (RF) est une évolution de la pulvérisation CC qui vise à traiter l'accumulation de charge indésirable qui se produit avec certains matériaux cibles de pulvérisation. Cette accumulation de charge peut être très perturbatrice et peut entraîner des problèmes de contrôle de la qualité lors de la formation du film.
La pulvérisation RF alterne le potentiel du courant dans l'environnement sous vide en utilisant une source RF haute tension. Ce courant alternatif évite l'accumulation de particules de plasma chargées et l'ionisation des gaz, « nettoyant » essentiellement l'accumulation de charge après chaque cycle. Si le premier cycle utilise un matériau cible chargé négativement, les ions du gaz ionisé restent à l'anode à la fin du cycle.
Le cycle suivant utilise la polarisation inverse pour modifier la charge sur la cible et le substrat, ce qui entraîne des atomes de gaz de pulvérisation chargés positivement qui se déplacent vers le substrat chargé négativement.
Le principal inconvénient de la pulvérisation RF par rapport à la pulvérisation CC pulsée est un taux de dépôt nettement inférieur et une puissance requise beaucoup plus élevée. Le taux de dépôt peut être amélioré avec un champ magnétique puissant le long de la source d'alimentation pour maintenir la décharge de plasma chargée plus près de la surface cible métallique. La technique consomme également beaucoup d'énergie, c'est pourquoi la plupart des alimentations RF peuvent fournir jusqu'à 1 000 V pour générer le signal correct.
Un autre inconvénient est que toute source de pulvérisation RF nécessite un réseau d'adaptation d'impédance entre la chambre à vide et l'équipement d'alimentation RF. Ce réseau empêche les interférences de la décharge RF qui peuvent réduire le taux de pulvérisation global.
Pulvérisation DC vs RF
La pulvérisation à courant continu est l'une des nombreuses méthodes de pulvérisation au magnétron. Un autre est la pulvérisation par radiofréquence ou la pulvérisation RF.
Le principal facteur de distinction entre ces deux processus réside dans leurs applications. La pulvérisation CC convient aux matériaux conducteurs et aux matériaux magnétiques. Cependant, la pulvérisation RF peut déposer des matériaux conducteurs et non conducteurs, tels que des films d'oxyde.
L'alimentation CC est également distincte de l'alimentation RF, ayant un impact sur la tension derrière les atomes pulvérisés. Alors que la pulvérisation CC utilise une tension de charge directe, la pulvérisation RF alterne les charges, ce qui nécessite un processus de fabrication plus complexe et coûteux.
Bien que la pulvérisation CC et RF soient toutes deux des techniques de dépôt par pulvérisation, ces processus ont un impact différent sur la morphologie matérielle de leurs cibles de pulvérisation.
L'une des principales différences entre la pulvérisation CC et RF réside dans leurs sources d'alimentation. Comme son nom l'indique, la pulvérisation CC utilise un courant continu comme source d'alimentation. Pendant ce temps, la pulvérisation RF alterne sa charge électrique pour empêcher la charge de s'accumuler sur le matériau cible.
La pulvérisation RF est parfois connue sous le nom de pulvérisation AC en raison du courant alternatif dans les alimentations RF.
La pulvérisation CC a également un taux de dépôt plus élevé que la pulvérisation RF. Alors que la pulvérisation CC convient au dépôt de grandes quantités sur de grands substrats, la RF est plus efficace dans des substrats plus petits.
La pulvérisation CC et RF peut déposer différents types de matériaux cibles. Alors que la pulvérisation CC peut déposer des matériaux cibles électriquement conducteurs, un procédé de pulvérisation RF convient à diverses cibles de pulvérisation, y compris des matériaux conducteurs et non conducteurs.
Enfin, la pulvérisation CC et RF varient dans leurs complexités et leurs prix. La pulvérisation CC est globalement plus abordable, car elle utilise des processus moins spécialisés. La pulvérisation RF implique un processus plus complexe, mais sa polyvalence et son excellente durée de campagne compensent son prix élevé.
Examen de la pulvérisation c.c.
• La source d'alimentation est du type Courant continu (CC).
• La pression de la chambre est généralement de 1 à 100 mTorr.
• L'alimentation CC est généralement préférée pour les matériaux cibles électriquement conducteurs car elle est efficace et économique. Tels que les cibles de pulvérisation en métal pur, Fer (Fe), Cuivre (Cu), Nickel (Ni).
• C'est une technique simple lors du traitement de grandes quantités de grands substrats.
• Le taux de dépôt est élevé pour certaines cibles de pulvérisation en métal pur.
• Le gaz de pulvérisation chargé positivement est accéléré vers la cible dans la pulvérisation c.c., et l'éjection des atomes se dépose sur les substrats.
Pulvérisation RF Rrevoir
• La source d'alimentation est CA (courant alternatif). L'alimentation est une source RF haute tension souvent fixée à 13,56 MHz.
• La tension RF crête à crête est de 1 000 V et la pression de la chambre est de 0,5 à 10 mTorr.
• La pulvérisation RF a une gamme d'applications plus large et convient à tous les matériaux pour les matériaux conducteurs et non conducteurs. Cependant, il est le plus couramment utilisé pour déposer des matériaux cibles de pulvérisation diélectrique.
• Le taux de dépôt est inférieur à celui de la pulvérisation CC.
• Il est utilisé pour les petites tailles de substrat en raison de son coût élevé.
• La pulvérisation RF implique deux processus. Dans le premier cycle, le matériau cible est chargé négativement. Cela entraîne la polarisation des atomes et les atomes de gaz de pulvérisation sont attirés vers la source, où ils éliminent les atomes de sous-traitance.
En raison de la polarisation, les atomes source et les ions de gaz ionisés restent sur la surface cible.
• Au deuxième cycle, la cible est chargée positivement. En raison de la polarisation inverse, cela provoque l'éjection d'ions de gaz et d'atomes sources. Ces ions et atomes ont accéléré vers le substrat pour former un dépôt.
