Apa itu DC Sputtering? Apa itu RF Sputtering?
Perbedaan antara DC Sputtering dan RF Sputtering?
pengantar
Sputtering adalah mekanisme yang digunakan untuk menyimpan film tipis dari bahan target ke substrat. Proses ini melibatkan pelepasan ion gas ke dalam bahan sumber, sehingga mengeluarkan atom, ion, dan molekul gas dari permukaan target. Partikel yang dipancarkan ini mengandung energi kinetik tertentu, memungkinkan ion logam meningkatkan mobilitas permukaan.
Panduan di bawah ini akan memberikan gambaran menyeluruh tentang DC sputtering, RF sputtering, Perbedaan antara DC Sputtering dan RF Sputtering; Bagaimana sputtering ini bekerja dll ...
Apa itu DC Sputtering
DC Sputtering (atau Direct-Current Sputtering) adalah teknik pelapisan deposisi uap fisik film tipis yang menggunakan arus searah sebagai sumber daya. DC sputtering menawarkan banyak keuntungan untuk pengendapan logam. Ini populer di banyak proses pembuatan, seperti membuat plastik kemasan metalisasi dan pelapis logam pada jam tangan dan perhiasan.
DC atau Direct Current Sputtering adalah teknik Pelapisan Deposisi Uap Fisik Film Tipis (PVD) di mana bahan target yang akan digunakan sebagai pelapis dibombardir dengan molekul gas terionisasi yang menyebabkan atom-atom “Sputtered” ke dalam plasma. Atom-atom yang menguap ini kemudian disimpan ketika mengembun sebagai film tipis pada substrat yang akan dilapisi.
Sputtering arus searah (DC) adalah teknik deposisi film tipis yang menggunakan molekul gas terionisasi untuk menguapkan (sputter) molekul dari bahan target menjadi plasma. DC sputtering adalah teknik yang lebih disukai untuk bahan target konduktif listrik karena biaya rendah dan tingkat kontrol yang tinggi secara global.
Apa itu Sputtering Arus Langsung
Proses sputtering magnetron DC melibatkan ruang vakum yang berisi bahan target sejajar dengan substrat target. Ruang vakum berisi gas lembam dengan kemurnian tinggi seperti argon yang menjadi bermuatan saat terkena arus DC yang berdenyut.
Bahan target logam bertindak sebagai simpul negatif (katoda) sedangkan substrat bertindak sebagai kutub positif (anoda). Arus DC melewati sistem, yang menyebabkan gas argon terionisasi dan menghasilkan tumbukan kuat antara ion dengan logam sumber bermuatan negatif.
Tabrakan ini menjatuhkan ion logam dari permukaan target ke dalam plasma (campuran ion gas terionisasi dan elektron). Substrat bermuatan positif menarik plasma bermuatan negatif, yang mengembun pada permukaan substrat, membentuk lapisan film tipis dari sumber netral.
Sementara DC sputtering adalah proses umum untuk logam konduktif, itu tidak bekerja dengan baik untuk bahan target dielektrik. Atom target ini dapat mengambil muatan, yang menyebabkan busur dan gangguan lain pada kerapatan elektron, menghasilkan laju pengendapan yang tidak merata. Akumulasi ion positif ini bahkan dapat menyebabkan seluruh jalur sputtering berhenti berfungsi, mengakibatkan perlunya pengaturan ulang.
Proses DC Sputtering
DC Sputtering adalah jenis sputtering paling dasar dan murah untuk pengendapan logam PVD dan bahan pelapis target konduktif secara elektrik. Dua keuntungan utama DC sebagai sumber daya untuk proses ini adalah mudah dikontrol dan merupakan opsi berbiaya rendah jika Anda melakukan pengendapan logam untuk pelapisan.
DC Sputtering digunakan secara luas dalam industri semikonduktor yang menciptakan sirkuit microchip pada tingkat molekuler. Ini digunakan untuk pelapis emas pada perhiasan, jam tangan dan pelapis dekoratif lainnya, untuk pelapis non-reflektif pada kaca dan komponen optik, serta untuk plastik kemasan metalisasi.
Konfigurasi dasar dari sistem pelapisan DC Sputtering adalah bahan target yang akan digunakan sebagai pelapis ditempatkan dalam ruang vakum sejajar dengan substrat yang akan dilapisi.
Ruang vakum dievakuasi ke tekanan dasar menghilangkan H2O, Udara, H2, Ar dan kemudian diisi ulang dengan gas proses inert dengan kemurnian tinggi – biasanya Argon karena massa relatifnya dan kemampuannya untuk menyampaikan energi kinetik saat tumbukan selama tumbukan molekul energi tinggi di plasma yang menciptakan ion gas yang merupakan kekuatan pendorong utama pengendapan film tipis sputter. Tekanan sputter tipikal berkisar dari 0,5mTorr hingga 100mTorr.
Arus listrik DC kemudian diterapkan pada bahan pelapis target yaitu katoda atau titik di mana elektron memasuki sistem yang dikenal sebagai bias negatif. Muatan positif juga diterapkan pada substrat yang akan dilapisi yang menjadi anoda.
Atom gas argon yang bermuatan listrik netral pertama kali terionisasi sebagai akibat dari tumbukan kuat atom gas ini ke permukaan target bermuatan negatif yang mengeluarkan atom ke dalam plasma – keadaan seperti gas panas yang terdiri dari kira-kira setengah ion gas dan setengah elektron yang memancarkan cahaya plasma yang terlihat.
Atom gas argon terionisasi kemudian didorong ke substrat yang merupakan anoda atau bias bermuatan positif yang menarik ion gas terionisasi, elektron dan atom pelapis target yang menguap yang mengembun dan membentuk lapisan film tipis pada substrat yang akan dilapisi. DC Magnetron sputtering menggunakan magnet di belakang katoda negatif untuk menjebak elektron di atas bahan target yang bermuatan negatif sehingga mereka tidak bebas membombardir substrat, memungkinkan laju pengendapan lebih cepat dari sebelumnya.
Medan magnet membentuk "terowongan" batas yang menjebak elektron di dekat permukaan target yang meningkatkan efisiensi pembentukan ion gas. DC Magnetron Sputtering memungkinkan arus yang lebih tinggi pada tekanan gas yang lebih rendah yang mencapai tingkat deposisi film tipis yang lebih tinggi.
Sementara DC Sputtering adalah solusi ekonomis pilihan untuk banyak jenis pelapis logam, batasan utamanya adalah bahwa bahan isolasi dielektrik nonkonduktor mengambil muatan dari waktu ke waktu yang dapat mengakibatkan masalah kualitas seperti busur api, atau keracunan bahan target dengan biaya yang dapat mengakibatkan penghentian lengkap sputtering.
Untuk mengatasi keterbatasan DC Sputtering ini, beberapa teknologi yang lebih rumit telah dikembangkan seperti RF atau Radio Frequency Sputtering, dan HIPIMS atau High Power Impulse Magnetron Sputtering. RF Sputtering mengganti muatan listrik pada Frekuensi Radio untuk mencegah penumpukan muatan pada target atau bahan pelapis. HIPIMS menggunakan ledakan energi bertegangan sangat tinggi dan durasi pendek yang difokuskan pada bahan pelapis target untuk menghasilkan plasma dengan kepadatan tinggi yang menghasilkan ionisasi tingkat tinggi dari bahan pelapis dalam plasma.
Terlepas dari kesederhanaan relatif DC Sputtering, biasanya memiliki tingkat pengendapan yang rendah dibandingkan dengan HIPIMS yang lebih rumit yang merupakan hasil dari kerapatan plasma yang lebih rendah dan kerapatan gas yang lebih tinggi.
Namun, kesederhanaan relatif sumber Daya DC dibandingkan dengan sumber Daya RF atau HIPMIS yang memerlukan konfigurasi yang jauh lebih rumit, pemasangan kabel, dan biaya energi yang lebih tinggi terus menjadikan DC Sputtering sebagai solusi berbiaya rendah untuk banyak jenis pengendapan logam vakum seperti sputtering emas dan pelapis konduktif listrik lainnya.
Bagaimana Cara Kerja DC Sputtering
Seperti semua jenis efek pengendapan sputtering, sputtering magnetron DC membutuhkan ruang vakum. Ini juga membutuhkan daya DC, atom gas sputtering bermuatan positif, bahan target, dan substrat.
Ini adalah proses yang digunakan sistem sputtering magnetron DC untuk menyimpan bahan pelapis logam ke substrat:
1, Bahan target atau pelapis yang akan digunakan sebagai film tipis ditempatkan di ruang vakum.
2, Ruang vakum diposisikan sejajar dengan substrat yang diinginkan.
3, Ruang vakum menghilangkan air, udara, hidrogen, dan argon dengan tekanan ruang antara 1 dan 100 mTorr.
4, Ruang kemudian diisi dengan ion gas proses inert, seperti ion argon.
5, Sistem menerapkan tegangan DC ke permukaan target.
6, Bahan pelapis target menjadi katoda, dan substrat menjadi anoda.
7, Atom argon netral menjadi terionisasi ketika mereka bertabrakan dengan target bermuatan negatif dan kemudian keluar ke dalam plasma kepadatan tinggi, yang dihasilkan melalui netralisasi.
8, Ion gas yang sekarang terionisasi tetap berada dalam ruang hampa dan melepaskan atom target.
9, Molekul gas terionisasi masuk ke substrat.
10, Ion positif mengembun dan membentuk film tipis pada substrat.
Medan magnet menjebak elektron di atas target yang tergagap, mencegah pemboman ion dan meningkatkan laju pengendapan.
Secara keseluruhan, sputtering magnetron DC adalah teknik yang relatif sederhana dengan tingkat deposisi yang tinggi, memungkinkan produsen untuk menyimpan material permukaan dalam jumlah besar ke substrat dengan cepat, ekonomis, dan efektif. Proses ini sangat penting dalam berbagai aplikasi komersial, seperti mendepositkan film ZnO pada substrat kaca.
Apa itu RF Sputtering
RF atau Radio Frequency Sputtering adalah teknik yang terlibat dalam bolak-balik potensi listrik dari arus di lingkungan vakum pada frekuensi radio untuk menghindari penumpukan muatan pada jenis bahan target sputtering tertentu, yang seiring waktu dapat mengakibatkan busur ke dalam plasma yang memuntahkan tetesan menciptakan masalah kontrol kualitas pada film tipis – dan bahkan dapat menyebabkan penghentian total sputtering atom yang menghentikan proses.
DC Sputtering Tradisional adalah cara hemat biaya untuk menerapkan pelapis target logam yang merupakan konduktor listrik seperti emas. Namun, DC Sputtering terbatas pada bahan target dielektrik – pelapis yang merupakan bahan isolasi nonkonduktor yang dapat mengambil muatan terpolarisasi. Contoh bahan pelapis dielektrik yang umum digunakan dalam industri semikonduktor meliputi Aluminium Oxide, Silicon Oxide dan Tantalum Oxide.
RF Magnetron sputtering menggunakan magnet di belakang katoda negatif untuk menjebak elektron di atas bahan target yang bermuatan negatif sehingga tidak bebas membombardir substrat, memungkinkan laju deposisi lebih cepat.
Seiring waktu, ion positif diproduksi yang menumpuk di permukaan permukaan target sehingga memberikan muatan positif. Pada titik tertentu, muatan ini dapat menumpuk dan menyebabkan pemisahan total atom-atom yang tergagap yang dibuang untuk pelapisan.
Dengan mengganti potensial listrik dengan RF Sputtering, permukaan bahan target dapat “dibersihkan” dari penumpukan muatan di setiap siklus. Pada elektron siklus positif tertarik ke bahan target atau katoda memberikan bias negatif. Pada bagian negatif dari siklus – yang terjadi pada frekuensi radio 13,56 MHz yang digunakan secara internasional untuk peralatan catu daya RF – pengeboman ion terhadap target yang akan dilontarkan terus berlanjut.
RF Sputtering menawarkan beberapa keuntungan tergantung pada aplikasi spesifik Anda. Plasma RF cenderung mereda di seluruh ruangan daripada berkonsentrasi di sekitar katoda atau bahan target seperti DC Sputtering.
RF Sputtering dapat mempertahankan plasma di seluruh ruangan pada tekanan rendah (1-15 mTorr). Hasilnya adalah lebih sedikit tumbukan gas terionisasi yang setara dengan pengendapan line-of-site bahan pelapis yang lebih efisien.
Karena dengan RF Sputtering, bahan target sedang "dibersihkan" dengan setiap siklus dari penumpukan muatan, ini membantu mengurangi busur. Arcing adalah di mana ada pelepasan yang sangat terfokus dan terlokalisasi yang berasal dari bahan target atau katoda ke dalam plasma yang menciptakan tetesan dan masalah dengan deposisi film yang tidak seragam. RF Sputtering sangat mengurangi penumpukan muatan di lokasi tertentu pada permukaan bahan target yang mengarah ke percikan api yang menciptakan busur yang menyebabkan banyak masalah kontrol kualitas.
RF Sputtering juga mengurangi terciptanya "Erosi lintasan balap" pada permukaan material target. Dengan Magnetron Sputtering, pola lingkaran terukir di permukaan bahan target sebagai akibat dari medan magnet melingkar magnetron yang memfokuskan partikel plasma bermuatan di dekat permukaan target sputter. Diameter pola lingkaran adalah hasil dari medan magnet.
Dengan RF Sputtering lebar dan kedalaman trek balap jauh lebih sedikit karena sifat AC dari pelepasan RF dengan elektron yang lebih sedikit dibatasi oleh medan magnet. Plasma menyebar lebih banyak menghasilkan arena pacuan kuda yang lebih besar, lebih luas, dan lebih dangkal. Hal ini membuat pemanfaatan bahan pelapis target lebih baik, lebih seragam dan efisien tanpa etsa yang dalam dari "erosi trek balap".
Keuntungan lain dari RF Sputtering adalah bahwa tidak ada efek anoda menghilang ketika substrat yang akan dilapisi menjadi terisolasi dan memperoleh muatan seperti pada DC Sputtering. Semua permukaan mengembangkan muatan dalam plasma sebagai akibat dari elektron yang bergerak lebih cepat daripada ion karena ukurannya yang lebih kecil dan energi kinetiknya.
Namun, sebagai hasil dari modulasi daya AC pada frekuensi radio, bahan yang akan dilapisi dengan RF Sputtering tidak memperoleh penumpukan muatan yang besar karena bahan tersebut dilepaskan setiap setengah siklus dan menjadi terisolasi – yang seiring waktu pada akhirnya dapat menyebabkan untuk penghentian pengendapan film tipis. Dengan RF Magnetron Sputtering medan magnet membentuk "terowongan" batas yang menjebak elektron di dekat permukaan target meningkatkan efisiensi pembentukan ion gas dan membatasi pelepasan plasma. Dengan cara ini, RF Magnetron Sputtering memungkinkan arus yang lebih tinggi pada tekanan gas yang lebih rendah yang mencapai tingkat pengendapan yang lebih tinggi.
Apa itu Sputtering Frekuensi Radio
Sementara RF Sputtering menawarkan banyak manfaat yang sangat menarik tergantung pada jenis bahan yang akan dilapisi, ada beberapa biaya penting yang harus dipertimbangkan. Karena RF Sputtering menggunakan gelombang radio alih-alih arus DC, laju deposisi jauh lebih lambat dengan RF Sputtering dan membutuhkan voltase yang jauh lebih tinggi.
Gelombang radio membutuhkan voltase yang jauh lebih tinggi untuk mencapai hasil pengendapan yang sama dengan arus searah, sehingga panas berlebih menjadi masalah. Menerapkan daya RF rumit membutuhkan catu daya tegangan tinggi yang mahal. Diperlukan sirkuit lanjutan yang dapat menimbulkan masalah panas berlebih tambahan.
Masalah lain adalah bahwa arus RF berjalan pada "kulit" atau permukaan konduktor dan tidak melewatinya. Ini berarti kabel / konektor khusus sangat penting.
Pertimbangan utama lainnya yang perlu diperhitungkan dengan laju RF Sputtering adalah penurunan laju deposisi karena kurangnya elektron sekunder yang terperangkap di atas target seperti pada Magnetron Sputtering konvensional untuk ionisasi gas. Dengan semua jenis sputtering, plasma ditopang oleh penguraian dan ionisasi gas lembam seperti argon – yang paling banyak digunakan karena massanya lebih besar dibandingkan gas lembam lainnya, helium dan neon.
Dengan arus bolak-balik pada frekuensi radio tinggi, plasma dapat dipertahankan dengan tekanan yang jauh lebih rendah karena energi kinetik yang dihasilkan dari percepatan dan pembalikan elektron untuk jarak yang cukup dalam plasma. Perbedaan massa antara partikel gas terionisasi dan elektron memungkinkan plasma dipertahankan tanpa tergantung pada perangkap ion sekunder di atas bahan target seperti Magnetron Sputtering konvensional.
Namun, ini juga menghasilkan laju deposisi yang lebih lambat dibandingkan dengan DC Sputtering karena kurangnya elektron sekunder di atas target. Karena tingkat deposisi RF Sputtering lebih lambat daripada tingkat DC Sputtering dan memiliki biaya daya yang jauh lebih tinggi, pada tingkat praktis ini diterjemahkan menjadi RF Sputtering biasanya digunakan pada substrat yang lebih kecil untuk dilapisi.
Sementara RF Sputtering dapat digunakan untuk sebagian besar jenis lapisan deposisi film tipis, itu telah menjadi teknik deposisi film tipis pilihan untuk banyak jenis lapisan dielektrik - lapisan isolasi yang non-konduktor yang dapat mengambil muatan terpolarisasi. RF Sputtering berada di jantung industri semikonduktor yang memproduksi film oksida berinsulasi tinggi di antara lapisan film tipis sirkuit microchip termasuk Aluminium Oxide, Silicon Oxide, dan Tantalum Oxide.
Jadi seperti yang kita lihat sekarang, pengendapan sputter bahan isolasi tidak dapat dilakukan dengan daya DC. Bahan-bahan seperti oksida, nitrida, dan keramik memiliki impedansi DC yang sangat besar dan membutuhkan voltase yang sangat tinggi untuk menyalakan dan mempertahankan plasma. Untungnya, impedansi material ini berubah dengan frekuensi daya yang diberikan. Menggunakan daya yang dikirimkan pada frekuensi radio (RF) dan jaringan pencocokan impedansi otomatis, total impedansi rangkaian dapat diatur hingga 50 Ω yang sesuai untuk penyalaan plasma di lingkungan sputtering biasa.
Proses sputtering frekuensi radio (RF) adalah evolusi dari sputtering DC yang bertujuan untuk mengatasi penumpukan muatan yang tidak diinginkan yang terjadi dengan beberapa bahan target sputtering. Penumpukan muatan ini bisa sangat mengganggu dan dapat mengakibatkan masalah kontrol kualitas selama pembentukan film.
RF sputtering mengubah potensi arus di lingkungan vakum dengan menggunakan sumber RF tegangan tinggi. Arus bolak-balik ini menghindari penumpukan partikel plasma bermuatan dan ionisasi gas, yang pada dasarnya “membersihkan” penumpukan muatan setelah setiap siklus. Jika siklus pertama menggunakan bahan target bermuatan negatif, ion gas terionisasi tetap berada di anoda pada akhir siklus.
Siklus berikutnya menggunakan polarisasi terbalik untuk mengubah muatan pada target dan substrat, menghasilkan atom gas sputtering bermuatan positif yang bergerak menuju substrat bermuatan negatif.
Kelemahan utama RF sputtering dibandingkan dengan pulsed DC sputtering adalah tingkat deposisi yang jauh lebih rendah dan kebutuhan daya yang jauh lebih tinggi. Laju pengendapan dapat ditingkatkan dengan medan magnet yang kuat di sepanjang sumber daya untuk menjaga pelepasan muatan plasma lebih dekat ke permukaan target logam. Teknik ini juga menghabiskan banyak daya, itulah sebabnya sebagian besar catu daya RF dapat menyediakan hingga 1.000V untuk menghasilkan sinyal yang benar.
Kelemahan lain adalah bahwa setiap sumber sputtering RF memerlukan jaringan pencocokan impedansi antara ruang vakum dan peralatan catu daya RF. Jaringan ini mencegah interferensi dari pelepasan RF yang dapat mengurangi laju sputtering secara keseluruhan.
Percikan DC vs RF
Sputtering arus searah adalah salah satu dari beberapa metode sputtering magnetron. Lainnya adalah sputtering frekuensi radio atau RF sputtering.
Pembeda utama antara kedua proses ini ada pada aplikasinya. Sputtering DC cocok untuk bahan konduktif dan bahan magnetik. Namun, sputtering RF dapat menyimpan bahan konduktif dan non-konduktif, seperti film oksida.
Daya DC juga berbeda dari daya RF, yang memengaruhi voltase di belakang atom yang tergagap. Sementara DC sputtering menggunakan tegangan muatan langsung, RF sputtering mengganti muatan, memerlukan proses pembuatan yang lebih rumit dan mahal.
Meskipun DC dan RF sputtering keduanya merupakan teknik pengendapan sputtering, proses ini memengaruhi morfologi material target sputtering mereka secara berbeda.
Salah satu perbedaan utama antara sputtering DC dan RF adalah sumber dayanya. Seperti namanya, DC sputtering menggunakan arus searah sebagai sumber listrik. Sementara itu, RF sputtering mengganti muatan listriknya untuk mencegah muatan menumpuk di bahan target.
RF sputtering kadang-kadang dikenal sebagai AC sputtering karena arus bolak-balik dalam catu daya RF.
Sputtering DC juga memiliki tingkat deposisi yang lebih tinggi daripada sputtering RF. Sementara DC sputtering cocok untuk menyimpan jumlah besar ke substrat besar, RF lebih efektif dalam substrat yang lebih kecil.
DC dan RF sputtering dapat menyimpan berbagai jenis bahan target. Sementara sputtering DC dapat menyimpan bahan target yang konduktif secara elektrik, metode sputtering RF cocok untuk berbagai target sputtering, termasuk bahan konduktif dan non-konduktif.
Akhirnya, sputtering DC dan RF bervariasi dalam kompleksitas dan titik harganya. DC sputtering secara keseluruhan lebih terjangkau, karena menggunakan proses yang kurang terspesialisasi. RF sputtering melibatkan proses yang lebih kompleks, namun keserbagunaan dan panjang kampanyenya yang luar biasa menutupi titik harganya yang tinggi.
Tinjauan DC Sputtering
• Sumber listrik jenis Direct Current (DC).
• Tekanan chamber biasanya dari 1 sampai 100 mTorr.
• Daya DC biasanya lebih disukai untuk bahan target yang konduktif secara elektrik karena efektif dan ekonomis. Seperti target sputtering logam murni, Besi (Fe), Tembaga (Cu), Nikel (Ni).
• Ini adalah teknik sederhana saat memproses media besar dalam jumlah besar.
• Tingkat deposisi tinggi untuk beberapa target sputtering logam murni.
• Gas sputtering bermuatan positif dipercepat menuju target dalam sputtering DC, dan pelepasan atom akan terendapkan pada substrat.
RF Sputtering Review
• Sumber listrik AC (Alternating Current). Catu daya adalah sumber RF tegangan tinggi yang sering ditetapkan pada 13,56 MHz.
• Tegangan puncak ke puncak RF adalah 1000V dan tekanan ruangan adalah dari 0,5 hingga 10 mTorr.
• RF sputtering memiliki jangkauan aplikasi yang lebih luas dan cocok untuk semua bahan untuk bahan konduktif dan non-konduktif. Namun, ini paling sering digunakan untuk menyimpan bahan target sputtering dielektrik.
• Tingkat deposisi lebih rendah dibandingkan dengan DC sputtering.
• Digunakan untuk ukuran media yang lebih kecil karena biayanya yang tinggi.
• RF sputtering melibatkan dua proses. Pada siklus pertama, bahan target bermuatan negatif. Hal ini menghasilkan polarisasi atom, dan atom gas yang menyembur tertarik ke sumbernya, di mana mereka melumpuhkan atom sumber.
Karena polarisasi, atom sumber dan ion gas terionisasi tetap berada di permukaan target.
• Pada siklus kedua, target bermuatan positif. Karena polarisasi terbalik, ini menyebabkan pelepasan ion gas dan atom sumber. Ion dan atom ini dipercepat menuju substrat untuk membentuk pengendapan.
