Che cos'è lo sputtering CC? Che cos'è lo sputtering RF?
Differenza tra DC Sputtering e RF Sputtering?
introduzione
Lo sputtering è il meccanismo utilizzato per depositare film sottili di materiale bersaglio su un substrato. Questo processo comporta l'espulsione di ioni gassosi nel materiale sorgente, spruzzando così atomi di gas, ioni e molecole fuori dalla superficie bersaglio. Queste particelle emesse contengono una certa energia cinetica, che consente agli ioni metallici di aumentare la mobilità superficiale.
Questa guida di seguito fornirà una panoramica completa di sputtering CC, sputtering RF, differenza tra sputtering CC e sputtering RF; Come funzionano questi sputtering ecc...
Che cos'è lo sputtering DC
DC Sputtering (o Direct-Current Sputtering) è una tecnica di rivestimento di deposizione fisica da vapore su film sottile che utilizza una corrente continua come fonte di alimentazione. Lo sputtering DC offre numerosi vantaggi per la deposizione di metalli. È popolare in molti processi di produzione, come la creazione di imballaggi in plastica metallizzati e rivestimenti metallici su orologi e gioielli.
Lo sputtering a corrente continua o CC è una tecnica di rivestimento PVD (Physical Vapour Deposition) a film sottile in cui un materiale target da utilizzare come rivestimento viene bombardato con molecole di gas ionizzato che provocano la "sputtering" degli atomi nel plasma. Questi atomi vaporizzati vengono quindi depositati quando si condensano come una pellicola sottile sul substrato da rivestire.
Lo sputtering a corrente continua (DC) è una tecnica di deposizione di film sottili che utilizza molecole di gas ionizzato per vaporizzare (sputter) le molecole dal materiale bersaglio nel plasma. Lo sputtering DC è la tecnica preferita per i materiali target elettricamente conduttivi a causa del suo basso costo e dell'elevato livello di controllo a livello globale.
Che cos'è lo sputtering a corrente continua
Il processo di sputtering del magnetron DC prevede una camera a vuoto contenente il materiale target parallelo al substrato target. La camera a vuoto contiene un gas inerte di elevata purezza come l'argon che si carica se esposto a una corrente CC pulsata.
Il materiale del target metallico funge da nodo negativo (catodo) mentre il substrato funge da polo positivo (anodo). Una corrente CC passa attraverso il sistema, provocando la ionizzazione del gas argon e provocando una violenta collisione degli ioni con il metallo sorgente caricato negativamente.
Queste collisioni fanno cadere gli ioni metallici dalla superficie del bersaglio nel plasma (una miscela di ioni di gas ionizzati ed elettroni). Il substrato caricato positivamente attrae il plasma caricato negativamente, che si condensa sulla superficie del substrato, formando un sottile film di rivestimento della sorgente neutra.
Sebbene lo sputtering CC sia un processo comune per i metalli conduttivi, non funziona altrettanto bene per i materiali target dielettrici. Questi atomi bersaglio possono assumere una carica, portando ad archi e altre interruzioni delle densità elettroniche, con conseguente velocità di deposizione irregolare. L'accumulo di questi ioni positivi può persino causare l'interruzione del funzionamento dell'intero percorso di sputtering, con conseguente necessità di un ripristino.
Processo di sputtering CC
Lo sputtering DC è il tipo più semplice ed economico di sputtering per la deposizione di metallo PVD e materiali di rivestimento target elettricamente conduttivi. Due dei principali vantaggi della corrente continua come fonte di alimentazione per questo processo è che è facile da controllare ed è un'opzione a basso costo se si esegue la deposizione di metallo per il rivestimento.
Il DC Sputtering è ampiamente utilizzato nell'industria dei semiconduttori creando circuiti di microchip a livello molecolare. Viene utilizzato per rivestimenti a spruzzo d'oro di gioielli, orologi e altre finiture decorative, per rivestimenti antiriflesso su vetro e componenti ottici, nonché per imballaggi in plastica metallizzati.
La configurazione di base di un sistema di rivestimento DC Sputtering è il materiale target da utilizzare poiché un rivestimento viene posizionato in una camera a vuoto parallela al substrato da rivestire.
La camera a vuoto viene evacuata a una pressione di base rimuovendo H2O, aria, H2, Ar e quindi riempita con un gas di processo inerte di elevata purezza, solitamente argon a causa della sua massa relativa e della capacità di trasmettere energia cinetica all'impatto durante le collisioni molecolari ad alta energia nel plasma che crea gli ioni gas che sono la principale forza motrice della deposizione di film sottili per sputtering. Le pressioni tipiche dello sputter vanno da 0,5 mTorr a 100 mTorr.
Una corrente elettrica CC viene quindi applicata al materiale di rivestimento bersaglio che è il catodo o il punto in cui gli elettroni entrano nel sistema noto come polarizzazione negativa. Una carica positiva viene applicata anche al substrato da rivestire che diventa l'anodo.
Gli atomi di gas argon elettricamente neutri vengono prima ionizzati come risultato della forte collisione di questi atomi di gas sulla superficie del bersaglio caricato negativamente che espelle gli atomi nel plasma - uno stato simile a un gas caldo costituito da circa metà ioni gas e metà elettroni che emettono il bagliore del plasma visibile.
Gli atomi di gas argon ionizzato vengono quindi portati al substrato che è l'anodo o la polarizzazione carica positiva che attrae gli ioni di gas ionizzato, gli elettroni e gli atomi di rivestimento target vaporizzati che condensano e formano un rivestimento a pellicola sottile sul substrato da rivestire. Lo sputtering DC Magnetron utilizza magneti dietro il catodo negativo per intrappolare gli elettroni sul materiale bersaglio caricato negativamente in modo che non siano liberi di bombardare il substrato, consentendo tassi di deposizione più rapidi rispetto a prima.
Il campo magnetico forma un "tunnel" di confine che intrappola gli elettroni vicino alla superficie del bersaglio che migliora l'efficienza della formazione di ioni gas. DC Magnetron Sputtering consente una corrente più elevata a una pressione del gas inferiore che raggiunge una velocità di deposizione di film sottile ancora più elevata.
Sebbene il DC Sputtering sia la soluzione economica di scelta per molti tipi di rivestimenti metallici, il suo limite principale è che i materiali isolanti dielettrici non conduttivi assumono una carica nel tempo che può causare problemi di qualità come la formazione di archi o l'avvelenamento del materiale target con una carica che può comportare la completa cessazione dello sputtering.
Per superare queste limitazioni del DC Sputtering, sono state sviluppate diverse tecnologie più complicate come RF o Radio Frequency Sputtering e HIPIMS o High Power Impulse Magnetron Sputtering. RF Sputtering alterna la carica elettrica alla radiofrequenza in modo da prevenire un accumulo di carica sul bersaglio o sul materiale di rivestimento. HIPIMS utilizza un'esplosione di energia ad altissima tensione e di breve durata focalizzata sul materiale di rivestimento target per generare un plasma ad alta densità che si traduce in un elevato grado di ionizzazione del materiale di rivestimento nel plasma.
Nonostante la relativa semplicità del DC Sputtering, di solito ha bassi tassi di deposizione rispetto a HIPIMS più complicati che è il risultato di densità di plasma inferiori e densità di gas più elevate.
Tuttavia, la relativa semplicità della fonte di alimentazione CC rispetto alle fonti di alimentazione RF o HIPMIS che richiedono una configurazione molto più complicata, cavi e costi energetici più elevati continua a rendere DC Sputtering la soluzione a basso costo per molti tipi di deposizione di metalli sottovuoto come lo sputtering dell'oro e altri rivestimenti elettricamente conduttivi.
Come funziona lo sputtering DC
Come ogni tipo di effetto di deposizione sputtering, lo sputtering DC magnetron richiede una camera a vuoto. Richiede anche alimentazione CC, atomi di gas sputtering caricati positivamente, un materiale target e un substrato.
Questo è il processo utilizzato dai sistemi di sputtering magnetron CC per depositare materiali di rivestimento metallico su substrati:
1, il target o il materiale di rivestimento da utilizzare come film sottile viene posto in una camera a vuoto.
2, la camera a vuoto è posizionata parallelamente al substrato desiderato.
3, la camera a vuoto rimuove acqua, aria, idrogeno e argon con una pressione della camera compresa tra 1 e 100 mTorr.
4, la camera si riempie quindi di ioni di gas di processo inerte, come gli ioni di argon.
5, il sistema applica una tensione CC alla superficie del bersaglio.
6, il materiale di rivestimento target diventa il catodo e il substrato diventa l'anodo.
7, Gli atomi neutri di argon si ionizzano quando entrano in collisione con il bersaglio caricato negativamente e quindi vengono espulsi nel plasma ad alta densità, che viene generato attraverso la neutralizzazione.
8, gli ioni di gas ora ionizzati rimangono nel vuoto e rompono gli atomi bersaglio.
9, le molecole di gas ionizzato penetrano nel substrato.
10, Gli ioni positivi condensano e formano film sottili sul substrato.
Il campo magnetico intrappola gli elettroni sui bersagli sputtering, prevenendo il bombardamento ionico e aumentando la velocità di deposizione.
Complessivamente, lo sputtering di magnetron DC è una tecnica relativamente semplice con un alto tasso di deposizione, che consente ai produttori di depositare grandi quantità di materiali superficiali su substrati in modo rapido, economico ed efficace. Questo processo è essenziale in una gamma di applicazioni commerciali, come la deposizione di pellicole di ZnO su substrati di vetro.
Che cos'è lo sputtering RF
RF o Radio Frequency Sputtering è la tecnica coinvolta nell'alternare il potenziale elettrico della corrente nell'ambiente del vuoto alle radiofrequenze per evitare un accumulo di carica su alcuni tipi di materiali bersaglio sputtering, che nel tempo può provocare archi nel plasma che vomita goccioline che creano problemi di controllo della qualità sui film sottili e possono persino portare alla completa cessazione dello sputtering degli atomi che terminano il processo.
Lo sputtering DC tradizionale è un modo conveniente per applicare rivestimenti di bersagli metallici che sono conduttori elettrici come l'oro. Tuttavia, lo sputtering CC è limitato quando si tratta di materiali target dielettrici: rivestimenti che sono materiali isolanti non conduttivi che possono assumere una carica polarizzata. Esempi di materiali di rivestimento dielettrici comuni utilizzati nell'industria dei semiconduttori includono ossido di alluminio, ossido di silicio e ossido di tantalio.
RF Magnetron sputtering utilizza magneti dietro il catodo negativo per intrappolare gli elettroni sul materiale bersaglio caricato negativamente in modo che non siano liberi di bombardare il substrato, consentendo tassi di deposizione più rapidi.
Nel corso del tempo, vengono prodotti ioni positivi che si accumulano sulla superficie della faccia del bersaglio conferendogli una carica positiva. Ad un certo punto questa carica può accumularsi e portare a una completa secessione degli atomi sputtering che vengono scaricati per il rivestimento.
Alternando il potenziale elettrico con RF Sputtering, la superficie del materiale target può essere "ripulita" da un accumulo di carica ad ogni ciclo. Sul ciclo positivo gli elettroni sono attratti dal materiale bersaglio o dal catodo dandogli una polarizzazione negativa. Nella parte negativa del ciclo - che si verifica alla frequenza radio di 13,56 MHz utilizzata a livello internazionale per le apparecchiature di alimentazione RF - continua il bombardamento ionico del bersaglio da spruzzare.
Lo sputtering RF offre diversi vantaggi a seconda dell'applicazione specifica. I plasmi RF tendono a disinnescarsi in tutta la camera invece di concentrarsi attorno al catodo o al materiale target come con DC Sputtering.
RF Sputtering può sostenere un plasma in tutta la camera a una pressione inferiore (1-15 mTorr). Il risultato è un minor numero di collisioni di gas ionizzato che equivale a una deposizione line-of-site più efficiente del materiale di rivestimento.
Poiché con lo sputtering RF il materiale target viene "pulito" ad ogni ciclo dall'accumulo di una carica, aiuta a ridurre la formazione di archi. L'arco è dove c'è una scarica intensamente focalizzata e localizzata emanata dal materiale target o dal catodo nel plasma che crea goccioline e problemi con la deposizione di pellicola non uniforme. Lo sputtering RF riduce notevolmente l'accumulo di una carica in una posizione specifica sulla superficie del materiale bersaglio che porta alle scintille che creano l'arco che causa numerosi problemi di controllo della qualità.
RF Sputtering riduce anche la creazione di "erosione della pista da corsa" sulla superficie del materiale target. Con Magnetron Sputtering, un modello circolare viene inciso sulla superficie del materiale target come risultato del campo magnetico circolare del magnetron che focalizza le particelle di plasma cariche vicino alla superficie del target sputter. Il diametro del modello circolare è il risultato del campo magnetico.
Con RF Sputtering la larghezza e la profondità della pista sono molto inferiori a causa della natura AC della scarica RF con elettroni meno confinati dal campo magnetico. Il plasma si diffonde maggiormente producendo una pista più grande, più ampia e meno profonda. Ciò consente un utilizzo migliore, più uniforme ed efficiente dei materiali di rivestimento target senza l'incisione profonda dell'erosione della pista da corsa.
Un altro vantaggio dello sputtering RF è che non vi è alcun effetto di scomparsa dell'anodo quando il substrato da rivestire viene isolato e acquisisce una carica come con lo sputtering DC. Tutte le superfici sviluppano una carica in un plasma come risultato degli elettroni che si muovono molto più velocemente degli ioni a causa delle loro dimensioni più piccole e dell'energia cinetica.
Tuttavia, come risultato della modulazione AC della potenza alle radiofrequenze, il materiale da rivestire con RF Sputtering non acquisisce un accumulo di carica così grande perché si scarica ogni mezzo ciclo e si isola, cosa che nel tempo può portare ad una cessazione della deposizione del film sottile. Con RF Magnetron Sputtering il campo magnetico forma un "tunnel" di confine che intrappola gli elettroni vicino alla superficie del bersaglio migliorando l'efficienza della formazione di ioni gassosi e limitando la scarica del plasma. In questo modo, RF Magnetron Sputtering consente una corrente più elevata a una pressione del gas inferiore che raggiunge un tasso di deposizione ancora più elevato.
Che cos'è lo sputtering a radiofrequenza
Mentre RF Sputtering offre molti vantaggi molto interessanti a seconda del tipo di materiale da rivestire, ci sono diversi costi importanti che devono essere considerati. Poiché lo sputtering RF utilizza le onde radio anziché la corrente CC, i tassi di deposizione sono notevolmente più lenti con lo sputtering RF e richiedono tensioni significativamente più elevate.
Le onde radio richiedono una tensione molto più elevata per ottenere gli stessi risultati di deposizione della corrente continua, quindi il surriscaldamento diventa un problema. L'applicazione dell'alimentazione RF è complicata e richiede alimentatori ad alta tensione costosi. È richiesto un circuito avanzato che può porre ulteriori problemi di surriscaldamento.
Un altro problema è che le correnti RF viaggiano sulla "pelle" o sulla superficie dei conduttori e non attraverso di essi. Ciò significa che i cavi/connettori speciali sono fondamentali.
Un'altra considerazione importante che deve essere presa in considerazione con i tassi di RF Sputtering è la diminuzione dei tassi di deposizione dovuta alla mancanza di elettroni secondari intrappolati sopra il bersaglio come con il Magnetron Sputtering convenzionale per la ionizzazione del gas. Con tutti i tipi di sputtering, il plasma è sostenuto dalla scomposizione e dalla ionizzazione di un gas inerte come l'argon, che è il più utilizzato per la sua massa maggiore rispetto agli altri gas inerti, elio e neon.
Alternando la corrente a un'alta frequenza radio, un plasma può essere sostenuto con una pressione molto più bassa a causa dell'energia cinetica risultante dall'accelerazione e dall'inversione degli elettroni per una distanza sufficiente nel plasma. La differenza nella massa tra le particelle di gas ionizzato e gli elettroni consente di sostenere un plasma senza dipendere dall'intrappolamento di ioni secondari sopra il materiale bersaglio come con il Magnetron Sputtering convenzionale.
Tuttavia, ciò si traduce anche in un tasso di deposizione più lento rispetto allo sputtering DC a causa della mancanza di elettroni secondari sopra il bersaglio. Poiché i tassi di deposizione RF Sputtering sono più lenti dei tassi DC Sputtering e hanno costi energetici molto più elevati, a livello pratico ciò si traduce in RF Sputtering solitamente utilizzato su substrati più piccoli da rivestire.
Mentre RF Sputtering può essere utilizzato per la maggior parte dei tipi di rivestimenti di deposizione di film sottili, è diventata la tecnica di deposizione di film sottile scelta per molti tipi di rivestimenti dielettrici: rivestimenti isolanti non conduttivi che possono assumere una carica polarizzata. Lo sputtering RF è al centro dell'industria dei semiconduttori producendo pellicole di ossido altamente isolanti tra gli strati di pellicola sottile dei circuiti di microchip tra cui ossido di alluminio, ossido di silicio e ossido di tantalio.
Quindi, come possiamo vedere ora, la deposizione sputter di materiali isolanti non può essere eseguita con alimentazione CC. Materiali come ossidi, nitruri e ceramiche hanno un'impedenza CC molto elevata e richiedono tensioni proibitive per accendere e mantenere un plasma. Fortunatamente, l'impedenza di questi materiali cambia con la frequenza della potenza applicata. Utilizzando la potenza erogata alle radiofrequenze (RF) e una rete di adattamento automatico dell'impedenza, l'impedenza totale del circuito può essere regolata a 50 Ω, che è adatta per l'accensione del plasma in ambienti tipici di sputtering.
Il processo di sputtering a radiofrequenza (RF) è un'evoluzione dello sputtering DC che mira a risolvere l'accumulo di carica indesiderato che si verifica con alcuni materiali target di sputtering. Questo accumulo di carica può essere molto dirompente e può comportare problemi di controllo della qualità durante la formazione del film.
Lo sputtering RF alterna il potenziale della corrente nell'ambiente del vuoto utilizzando una sorgente RF ad alta tensione. Questa corrente alternata evita l'accumulo di particelle di plasma cariche e la ionizzazione del gas, essenzialmente "ripulendo" l'accumulo di carica dopo ogni ciclo. Se il primo ciclo utilizza un materiale bersaglio caricato negativamente, gli ioni di gas ionizzati rimangono all'anodo alla fine del ciclo.
Il ciclo successivo utilizza la polarizzazione inversa per modificare la carica sul bersaglio e sul substrato, risultando in atomi di gas sputtering caricati positivamente che si muovono verso il substrato caricato negativamente.
Il principale svantaggio dello sputtering RF rispetto allo sputtering DC pulsato è un tasso di deposizione significativamente inferiore e un fabbisogno energetico molto più elevato. La velocità di deposizione è migliorabile con un forte campo magnetico lungo la fonte di alimentazione per mantenere la scarica di plasma carica più vicino alla superficie del bersaglio metallico. La tecnica assorbe anche molta energia, motivo per cui la maggior parte degli alimentatori RF può fornire fino a 1.000 V per generare il segnale corretto.
Un altro inconveniente è che qualsiasi sorgente di sputtering RF necessita di una rete di adattamento dell'impedenza tra la camera a vuoto e l'apparecchiatura di alimentazione RF. Questa rete impedisce l'interferenza della scarica RF che potrebbe ridurre la velocità complessiva di sputtering.
Sputtering CC vs RF
Lo sputtering a corrente continua è uno dei numerosi metodi di sputtering del magnetron. Un altro è lo sputtering a radiofrequenza o sputtering RF.
Il principale elemento di distinzione tra questi due processi è nelle loro applicazioni. Lo sputtering DC è adatto per materiali conduttivi e materiali magnetici. Tuttavia, lo sputtering RF può depositare materiali conduttivi e non conduttivi, come pellicole di ossido.
Anche l'alimentazione CC è distinta dall'alimentazione RF, che influisce sulla tensione dietro gli atomi spruzzati. Mentre lo sputtering CC utilizza una tensione di carica diretta, lo sputtering RF alterna le cariche, richiedendo un processo di produzione più complesso e costoso.
Sebbene lo sputtering DC e RF siano entrambi tecniche di deposizione sputtering, questi processi hanno un impatto diverso sulla morfologia del materiale dei loro bersagli sputtering.
Una delle principali differenze tra lo sputtering CC e RF è la loro fonte di alimentazione. Come suggerisce il nome, lo sputtering CC utilizza una corrente continua come fonte di alimentazione. Nel frattempo, lo sputtering RF alterna la sua carica elettrica per evitare che la carica si accumuli sul materiale bersaglio.
Lo sputtering RF è talvolta noto come sputtering CA a causa della corrente alternata all'interno degli alimentatori RF.
Lo sputtering DC ha anche un tasso di deposizione più elevato rispetto allo sputtering RF. Mentre lo sputtering DC è adatto per depositare grandi quantità su grandi substrati, RF è più efficace all'interno di substrati più piccoli.
Lo sputtering DC e RF può depositare diversi tipi di materiali target. Mentre lo sputtering CC può depositare materiali target elettricamente conduttivi, un metodo di sputtering RF è adatto a vari target di sputtering, inclusi materiali conduttivi e non conduttivi.
Infine, lo sputtering DC e RF varia per complessità e fascia di prezzo. Lo sputtering DC è complessivamente più conveniente, poiché utilizza processi meno specializzati. Lo sputtering RF comporta un processo più complesso, ma la sua versatilità e l'eccellente durata della campagna compensano il suo prezzo elevato.
Recensione di sputtering DC
• La fonte di alimentazione è del tipo a corrente continua (DC).
• La pressione della camera è generalmente compresa tra 1 e 100 mTorr.
• L'alimentazione CC è solitamente preferita per i materiali target elettricamente conduttivi in quanto è efficace ed economica. Come obiettivi di sputtering di metallo puro, ferro (Fe), rame (Cu), nichel (Ni).
• È una tecnica semplice quando si lavorano grandi quantità di grandi substrati.
• Il tasso di deposizione è alto per alcuni obiettivi di sputtering di metallo puro.
• Il gas di sputtering caricato positivamente viene accelerato verso il bersaglio nello sputtering DC e l'espulsione degli atomi viene depositata sui substrati.
Sputtering RF Rvista
• La fonte di alimentazione è CA (corrente alternata). L'alimentatore è una sorgente RF ad alta tensione spesso fissata a 13,56 MHz.
• La tensione RF da picco a picco è di 1000 V e la pressione della camera è compresa tra 0,5 e 10 mTorr.
• Lo sputtering RF ha una gamma più ampia di applicazioni ed è adatto a tutti i materiali per materiali conduttivi e non conduttivi. Tuttavia, è più comunemente utilizzato per depositare materiali target per sputtering dielettrico.
• Il tasso di deposizione è inferiore rispetto allo sputtering DC.
• Viene utilizzato per supporti di dimensioni inferiori a causa del costo elevato.
• Lo sputtering RF coinvolge due processi. Nel primo ciclo, il materiale target viene caricato negativamente. Ciò si traduce nella polarizzazione degli atomi e gli atomi del gas sputtering sono attratti dalla sorgente, dove eliminano gli atomi.
A causa della polarizzazione, gli atomi sorgente e gli ioni gas ionizzati rimangono sulla superficie target.
• Nel secondo ciclo, il bersaglio viene caricato positivamente. A causa della polarizzazione inversa, ciò provoca l'espulsione di ioni gas e atomi sorgente. Questi ioni e atomi hanno accelerato verso il substrato per formare la deposizione.
