DC Sputtering คืออะไร RF Sputtering คืออะไร
ความแตกต่างระหว่าง DC Sputtering และ RF Sputtering?
บทนำ
การสปัตเตอร์เป็นกลไกที่ใช้ในการเคลือบฟิล์มบางของวัสดุเป้าหมายลงบนพื้นผิว กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการปล่อยไอออนของก๊าซเข้าไปในวัสดุต้นทาง ดังนั้นการสปัตเตอร์อะตอมของก๊าซ ไอออน และโมเลกุลออกจากพื้นผิวเป้าหมาย อนุภาคที่ปล่อยออกมาเหล่านี้มีพลังงานจลน์บางอย่าง ทำให้ไอออนของโลหะสามารถเพิ่มการเคลื่อนที่ของพื้นผิวได้
คู่มือด้านล่างนี้จะให้ภาพรวมที่ครอบคลุมของการสปัตเตอร์ DC, การสปัตเตอร์ RF, ความแตกต่างระหว่าง DC Sputtering และ RF Sputtering; การสปัตเตอร์เหล่านี้ทำงานอย่างไร ฯลฯ ...
DC สปัตเตอร์คืออะไร
DC Sputtering (หรือ Direct-Current Sputtering) เป็นเทคนิคการเคลือบฟิล์มบางด้วยไอทางกายภาพที่ใช้ไฟฟ้ากระแสตรงเป็นแหล่งพลังงาน การสปัตเตอร์แบบกระแสตรงมีข้อดีมากมายสำหรับการทับถมของโลหะ เป็นที่นิยมในกระบวนการผลิตหลายประเภท เช่น การสร้างบรรจุภัณฑ์พลาสติกเคลือบโลหะและการเคลือบโลหะบนนาฬิกาและเครื่องประดับ
DC หรือ Direct Current Sputtering เป็นเทคนิคการเคลือบฟิล์มบางด้วยไอระเหยทางกายภาพ (PVD) ซึ่งวัสดุเป้าหมายที่จะใช้เป็นสารเคลือบถูกระดมยิงด้วยโมเลกุลของก๊าซไอออไนซ์ทำให้อะตอมถูก "สปัตเตอร์" ออกไปในพลาสมา จากนั้นอะตอมที่ระเหยกลายเป็นไอเหล่านี้จะถูกสะสมเมื่อควบแน่นเป็นฟิล์มบาง ๆ บนพื้นผิวที่จะเคลือบ
การสปัตเตอร์แบบกระแสตรง (DC) เป็นเทคนิคการสะสมฟิล์มบางที่ใช้โมเลกุลของก๊าซไอออไนซ์เพื่อทำให้โมเลกุล (สปัตเตอร์) ระเหยออกจากวัสดุเป้าหมายเป็นพลาสมา การสปัตเตอร์แบบดีซีเป็นเทคนิคที่ต้องการสำหรับวัสดุเป้าหมายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า เนื่องจากมีต้นทุนต่ำและมีการควบคุมในระดับสูงทั่วโลก
การสปัตเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงคืออะไร
กระบวนการสปัตเตอริงแมกนีตรอนกระแสตรงเกี่ยวข้องกับห้องสุญญากาศที่มีวัสดุเป้าหมายขนานกับซับสเตรตเป้าหมาย ห้องสุญญากาศประกอบด้วยก๊าซเฉื่อยที่มีความบริสุทธิ์สูง เช่น อาร์กอน ซึ่งจะกลายเป็นประจุไฟฟ้าเมื่อสัมผัสกับกระแสไฟตรงแบบพัลซิ่ง
วัสดุเป้าหมายที่เป็นโลหะทำหน้าที่เป็นโหนดลบ (แคโทด) ในขณะที่วัสดุพิมพ์ทำหน้าที่เป็นขั้วบวก (แอโนด) กระแสไฟตรงไหลผ่านระบบ ซึ่งทำให้ก๊าซอาร์กอนแตกตัวเป็นไอออนและส่งผลให้เกิดการชนกันอย่างรุนแรงของไอออนกับโลหะต้นทางที่มีประจุลบ
การชนกันเหล่านี้ทำให้ไอออนของโลหะหลุดออกจากพื้นผิวของเป้าหมายไปสู่พลาสมา (ส่วนผสมของไอออนของก๊าซและอิเล็กตรอนที่เป็นไอออน) สารตั้งต้นที่มีประจุบวกจะดึงดูดพลาสมาที่มีประจุลบ ซึ่งควบแน่นบนพื้นผิวของสารตั้งต้น ก่อตัวเป็นฟิล์มบาง ๆ เคลือบแหล่งกำเนิดที่เป็นกลาง
แม้ว่าการสปัตเตอริง DC เป็นกระบวนการทั่วไปสำหรับโลหะนำไฟฟ้า แต่ก็ใช้งานไม่ได้เช่นกันสำหรับวัสดุเป้าหมายที่เป็นฉนวน อะตอมเป้าหมายเหล่านี้สามารถรับประจุได้ ซึ่งนำไปสู่การเกิดอาร์คและการหยุดชะงักอื่นๆ ต่อความหนาแน่นของอิเล็กตรอน ส่งผลให้เกิดอัตราการสะสมที่ไม่สม่ำเสมอ การสะสมของไอออนบวกเหล่านี้อาจทำให้เส้นทางการสปัตเตอร์ทั้งหมดหยุดทำงาน ส่งผลให้ต้องมีการรีเซ็ต
กระบวนการดีซีสปัตเตอร์
DC Sputtering เป็นการสปัตเตอร์ประเภทพื้นฐานและราคาไม่แพงที่สุดสำหรับการเคลือบโลหะ PVD และวัสดุเคลือบผิวชิ้นงานที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ข้อดีหลักสองประการของ DC ในฐานะแหล่งพลังงานสำหรับกระบวนการนี้คือ ง่ายต่อการควบคุมและเป็นตัวเลือกที่มีต้นทุนต่ำ หากคุณกำลังทำการเคลือบผิวโลหะ
DC Sputtering ถูกใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างวงจรไมโครชิปในระดับโมเลกุล ใช้สำหรับการเคลือบสปัตเตอร์สีทองของเครื่องประดับ นาฬิกา และการตกแต่งอื่นๆ สำหรับการเคลือบแบบไม่สะท้อนแสงบนกระจกและส่วนประกอบออปติคัล เช่นเดียวกับพลาสติกบรรจุภัณฑ์ที่เป็นโลหะ
การกำหนดค่าพื้นฐานของระบบการเคลือบ DC Sputtering คือวัสดุเป้าหมายที่จะใช้เป็นการเคลือบจะถูกวางไว้ในห้องสุญญากาศที่ขนานกับวัสดุพิมพ์ที่จะเคลือบ
ห้องสุญญากาศถูกอพยพไปยังความดันฐานเพื่อกำจัด H2O, อากาศ, H2, Ar แล้วเติมกลับด้วยก๊าซเฉื่อยที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งปกติแล้วจะเป็นอาร์กอน เนื่องจากมวลสัมพัทธ์และความสามารถในการถ่ายทอดพลังงานจลน์เมื่อเกิดการชนระหว่างการชนกันของโมเลกุลพลังงานสูงใน พลาสมาที่สร้างไอออนของก๊าซซึ่งเป็นแรงผลักดันหลักของการสะสมฟิล์มบางแบบสปัตเตอร์ แรงดันสปัตเตอร์โดยทั่วไปมีตั้งแต่ 0.5mTorr ถึง 100mTorr
จากนั้นกระแสไฟฟ้ากระแสตรงจะถูกนำไปใช้กับวัสดุเคลือบผิวเป้าหมายที่เป็นแคโทดหรือจุดที่อิเล็กตรอนเข้าสู่ระบบซึ่งเรียกว่าอคติเชิงลบ ประจุบวกยังใช้กับพื้นผิวที่จะเคลือบซึ่งกลายเป็นขั้วบวก
อะตอมของก๊าซอาร์กอนที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะถูกทำให้แตกตัวเป็นไอออนเป็นครั้งแรกอันเป็นผลมาจากการชนกันอย่างรุนแรงของอะตอมของก๊าซเหล่านี้ลงบนพื้นผิวของเป้าหมายที่มีประจุลบซึ่งผลักอะตอมออกสู่พลาสมา ซึ่งเป็นสถานะคล้ายก๊าซร้อนซึ่งประกอบด้วยไอออนของก๊าซประมาณครึ่งหนึ่งและอีกครึ่งหนึ่ง อิเล็กตรอนที่เปล่งแสงพลาสมาที่มองเห็นได้
จากนั้นอะตอมของก๊าซอาร์กอนที่แตกตัวเป็นไอออนจะถูกขับไปยังสารตั้งต้นซึ่งเป็นขั้วบวกหรือประจุไฟฟ้าที่มีประจุบวกซึ่งดึงดูดไอออนของก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออน อิเล็กตรอน และอะตอมเคลือบเป้าหมายที่ระเหยกลายเป็นไอ ซึ่งจะควบแน่นและก่อตัวเป็นฟิล์มบางๆ เคลือบบนพื้นผิวที่จะเคลือบ การสปัตเตอร์ของ DC Magnetron ใช้แม่เหล็กที่อยู่ด้านหลังขั้วลบเพื่อดักจับอิเล็กตรอนเหนือวัสดุเป้าหมายที่มีประจุลบ ดังนั้นพวกมันจึงไม่สามารถโจมตีวัสดุพิมพ์ได้ ทำให้อัตราการสะสมตัวเร็วขึ้นกว่าเดิม
สนามแม่เหล็กก่อตัวเป็น "อุโมงค์" ขอบเขตซึ่งจะดักจับอิเล็กตรอนใกล้กับพื้นผิวของเป้าหมาย ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของการก่อตัวของไอออนของก๊าซ DC Magnetron Sputtering ช่วยให้กระแสไฟสูงขึ้นที่ความดันก๊าซต่ำ ซึ่งได้อัตราการสะสมของฟิล์มบางที่สูงขึ้น
ในขณะที่ DC Sputtering เป็นทางเลือกที่ประหยัดสำหรับการเคลือบโลหะหลายประเภท ข้อจำกัดหลักคือวัสดุฉนวนไดอิเล็กทริกที่ไม่นำไฟฟ้าจะมีประจุเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดปัญหาด้านคุณภาพ เช่น การเกิดประกายไฟ หรือการเป็นพิษของวัสดุเป้าหมายด้วย ประจุที่สามารถส่งผลให้หยุดการสปัตเตอร์โดยสิ้นเชิง
เพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ของ DC Sputtering จึงได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีที่ซับซ้อนขึ้นอีกหลายอย่าง เช่น RF หรือ Radio Frequency Sputtering และ HIPIMS หรือ High Power Impulse Magnetron Sputtering RF Sputtering สลับประจุไฟฟ้าที่ความถี่วิทยุ เพื่อป้องกันการสะสมประจุบนชิ้นงานหรือวัสดุเคลือบผิว HIPIMS ใช้ไฟฟ้าแรงสูงที่ระเบิดในช่วงเวลาสั้น ๆ โดยเน้นที่วัสดุเคลือบผิวเป้าหมายเพื่อสร้างพลาสมาที่มีความหนาแน่นสูงซึ่งส่งผลให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของวัสดุเคลือบผิวในพลาสมาในระดับสูง
แม้จะมีความเรียบง่ายสัมพัทธ์ของ DC Sputtering แต่ก็มักจะมีอัตราการสะสมต่ำเมื่อเทียบกับ HIPIMS ที่ซับซ้อนกว่า ซึ่งเป็นผลมาจากความหนาแน่นของพลาสมาที่ต่ำกว่าและความหนาแน่นของก๊าซที่สูงขึ้น
อย่างไรก็ตาม ความเรียบง่ายสัมพัทธ์ของแหล่งพลังงาน DC เมื่อเทียบกับแหล่งพลังงาน RF หรือ HIPMIS ที่ต้องการการกำหนดค่าที่ซับซ้อนมากขึ้น การเดินสาย และต้นทุนด้านพลังงานที่สูงขึ้นยังคงทำให้ DC Sputtering เป็นโซลูชันต้นทุนต่ำสำหรับการสะสมโลหะในสุญญากาศหลายประเภท เช่น การสปัตเตอร์ทองและ สารเคลือบนำไฟฟ้าอื่นๆ
DC Sputtering ทำงานอย่างไร
เช่นเดียวกับเอฟเฟกต์การทับถมของสปัตเตอริงชนิดอื่นๆ การสปัตเตอริง DC แมกนีตรอนต้องใช้ห้องสุญญากาศ นอกจากนี้ยังต้องใช้ไฟฟ้ากระแสตรง อะตอมของก๊าซสปัตเตอริงที่มีประจุบวก วัสดุเป้าหมาย และวัสดุพิมพ์
นี่คือกระบวนการที่ระบบ DC แมกนีตรอนสปัตเตอริงใช้เพื่อฝากวัสดุเคลือบโลหะลงบนพื้นผิว:
1 เป้าหมายหรือวัสดุเคลือบที่จะใช้เป็นฟิล์มบางถูกวางไว้ในห้องสุญญากาศ
2 ห้องสูญญากาศอยู่ในตำแหน่งขนานกับพื้นผิวที่ต้องการ
3 ห้องสุญญากาศจะกำจัดน้ำ อากาศ ไฮโดรเจน และอาร์กอนด้วยความดันห้องระหว่าง 1 ถึง 100 mTorr
4 จากนั้นห้องจะเติมด้วยไอออนของก๊าซเฉื่อย เช่น ไอออนของอาร์กอน
5, ระบบใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงกับพื้นผิวเป้าหมาย
6 วัสดุเคลือบเป้าหมายกลายเป็นแคโทด และพื้นผิวกลายเป็นแอโนด
7, อะตอมของอาร์กอนที่เป็นกลางจะแตกตัวเป็นไอออนเมื่อพวกมันชนกับเป้าหมายที่มีประจุลบแล้วดีดออกเป็นพลาสมาที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งเกิดจากการทำให้เป็นกลาง
8, ไอออนของก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนแล้วยังคงอยู่ในสุญญากาศและแยกอะตอมเป้าหมายออก
9, โมเลกุลของก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนจะขับเข้าไปในพื้นผิว
10, ไอออนบวกควบแน่นและสร้างฟิล์มบาง ๆ บนพื้นผิว
สนามแม่เหล็กจะดักจับอิเล็กตรอนเหนือเป้าหมายที่สปัตเตอร์ ป้องกันการทิ้งระเบิดของไอออนและเพิ่มอัตราการสะสม
โดยรวมแล้ว DC แมกนีตรอนสปัตเตอริงเป็นเทคนิคที่ค่อนข้างง่ายโดยมีอัตราการสะสมสูง ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถเคลือบวัสดุพื้นผิวจำนวนมากลงบนพื้นผิวได้อย่างรวดเร็ว ประหยัด และมีประสิทธิภาพ กระบวนการนี้มีความสำคัญในการใช้งานเชิงพาณิชย์ เช่น การติดฟิล์ม ZnO บนพื้นผิวแก้ว
RF Sputtering คืออะไร
RF หรือ Radio Frequency Sputtering เป็นเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการสลับศักย์ไฟฟ้าของกระแสไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมสุญญากาศที่ความถี่วิทยุเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เกิดประจุขึ้นบนวัสดุเป้าหมายบางชนิดของสปัตเตอร์ ซึ่งเมื่อเวลาผ่านไปอาจส่งผลให้เกิดการอาร์คในพลาสมาที่พ่นออกมา หยดทำให้เกิดปัญหาในการควบคุมคุณภาพบนฟิล์มบาง และอาจนำไปสู่การหยุดการสปัตเตอร์ของอะตอมโดยสมบูรณ์ ซึ่งเป็นการยุติกระบวนการ
DC Sputtering แบบดั้งเดิมเป็นวิธีที่ประหยัดต้นทุนในการเคลือบเป้าหมายโลหะที่เป็นตัวนำไฟฟ้า เช่น ทอง อย่างไรก็ตาม DC Sputtering มีข้อ จำกัด เมื่อพูดถึงวัสดุเป้าหมายที่เป็นฉนวน - การเคลือบซึ่งเป็นวัสดุฉนวนที่ไม่นำไฟฟ้าซึ่งสามารถรับประจุโพลาไรซ์ได้ ตัวอย่างของวัสดุเคลือบอิเล็กทริกทั่วไปที่ใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ได้แก่ อะลูมิเนียมออกไซด์ ซิลิคอนออกไซด์ และแทนทาลัมออกไซด์
การสปัตเตอร์ของ RF Magnetron ใช้แม่เหล็กที่อยู่ด้านหลังแคโทดเชิงลบเพื่อดักจับอิเล็กตรอนเหนือวัสดุเป้าหมายที่มีประจุลบ ดังนั้นพวกมันจึงไม่สามารถโจมตีวัสดุพิมพ์ได้ ทำให้อัตราการสะสมตัวเร็วขึ้น
เมื่อเวลาผ่านไป จะเกิดไอออนบวกซึ่งสะสมบนพื้นผิวของใบหน้าเป้าหมาย ทำให้เกิดประจุบวก เมื่อถึงจุดหนึ่ง ประจุนี้อาจก่อตัวขึ้นและนำไปสู่การแยกตัวของอะตอมของสปัตเตอร์ออกจากการเคลือบอย่างสมบูรณ์
ด้วยการสลับศักย์ไฟฟ้าด้วย RF Sputtering พื้นผิวของวัสดุเป้าหมายสามารถ "ทำความสะอาด" การสะสมประจุในแต่ละรอบได้ ในวัฏจักรบวก อิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดไปยังวัสดุเป้าหมายหรือแคโทด ทำให้มีอคติเป็นลบ ในส่วนที่เป็นลบของวงจร – ซึ่งเกิดขึ้นที่ความถี่วิทยุ 13.56 MHz ที่ใช้ในระดับสากลสำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟ RF – การทิ้งระเบิดไอออนของเป้าหมายที่จะสปัตเตอร์ยังคงดำเนินต่อไป
RF Sputtering มีข้อดีหลายอย่างขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะของคุณ พลาสมา RF มีแนวโน้มที่จะกลบเกลื่อนทั่วทั้งห้องเพาะเลี้ยงแทนที่จะมุ่งไปที่แคโทดหรือวัสดุเป้าหมาย เช่นเดียวกับ DC Sputtering
RF Sputtering สามารถคงพลาสมาไว้ทั่วทั้งห้องด้วยความดันที่ต่ำกว่า (1-15 mTorr) ผลที่ได้คือการชนกันของก๊าซไอออไนซ์น้อยลง ซึ่งเท่ากับการทับถมของวัสดุเคลือบตามแนวไซต์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
เนื่องจากด้วย RF Sputtering วัสดุเป้าหมายจะถูก "ทำความสะอาด" ในแต่ละรอบจากการสะสมประจุ จึงช่วยลดการเกิดประกายไฟ อาร์คซิ่งคือจุดที่มีการปลดปล่อยที่เข้มข้นและกระจายเฉพาะที่ออกจากวัสดุเป้าหมายหรือแคโทดเข้าสู่พลาสมาซึ่งสร้างหยดและปัญหาเกี่ยวกับการทับถมของฟิล์มที่ไม่สม่ำเสมอ RF Sputtering ช่วยลดการสะสมของประจุในตำแหน่งเฉพาะบนพื้นผิวของวัสดุเป้าหมายได้อย่างมาก ซึ่งนำไปสู่ประกายไฟที่สร้างส่วนโค้งซึ่งทำให้เกิดปัญหาด้านการควบคุมคุณภาพมากมาย
RF Sputtering ยังช่วยลดการสร้าง "การสึกกร่อนของสนามแข่ง" บนพื้นผิวของวัสดุเป้าหมาย ด้วยแมกนีตรอนสปัตเตอร์ริ่ง รูปแบบวงกลมจะสลักลงบนพื้นผิวของวัสดุเป้าหมายอันเป็นผลมาจากสนามแม่เหล็กแบบวงกลมของแมกนีตรอนที่โฟกัสไปที่อนุภาคพลาสมาที่มีประจุใกล้พื้นผิวของเป้าหมายสปัตเตอร์ เส้นผ่านศูนย์กลางของรูปแบบวงกลมเป็นผลมาจากสนามแม่เหล็ก
ด้วย RF Sputtering ความกว้างและความลึกของสนามแข่งจะน้อยลงมากเนื่องจากธรรมชาติของไฟฟ้ากระแสสลับของการปล่อย RF โดยที่อิเล็กตรอนถูกจำกัดโดยสนามแม่เหล็กน้อยกว่า พลาสมาจะกระจายออกไปมากขึ้นทำให้เกิดสนามแข่งที่ใหญ่ขึ้น กว้างขึ้น และตื้นขึ้น สิ่งนี้ทำให้การใช้วัสดุเคลือบเป้าหมายดีขึ้น สม่ำเสมอและมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยปราศจากการกัดเซาะลึกของ "การสึกกร่อนของสนามแข่ง"
ข้อดีอีกประการของ RF Sputtering คือไม่มีผลกระทบจากขั้วบวกที่หายไปเมื่อพื้นผิวที่จะเคลือบกลายเป็นฉนวนและได้รับประจุเช่นเดียวกับ DC Sputtering พื้นผิวทั้งหมดพัฒนาประจุในพลาสมาอันเป็นผลมาจากการที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าไอออนมากเนื่องจากขนาดที่เล็กกว่าและพลังงานจลน์
อย่างไรก็ตาม ผลจากการปรับกำลังไฟฟ้ากระแสสลับที่ความถี่วิทยุ วัสดุที่จะเคลือบด้วย RF Sputtering จะไม่ได้รับการสะสมประจุมากนัก เนื่องจากถูกคายประจุทุกครึ่งรอบและกลายเป็นฉนวน ซึ่งเมื่อเวลาผ่านไปอาจนำไปสู่ เพื่อหยุดการทับถมของฟิล์มบาง ด้วย RF Magnetron Sputtering สนามแม่เหล็กจะสร้าง "อุโมงค์" ขอบเขตซึ่งจะดักจับอิเล็กตรอนใกล้กับพื้นผิวของเป้าหมาย เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของการก่อตัวของไอออนของก๊าซและจำกัดการปล่อยพลาสมา ด้วยวิธีนี้ RF Magnetron Sputtering ช่วยให้กระแสสูงขึ้นที่ความดันก๊าซต่ำลง ซึ่งได้อัตราการสะสมที่สูงขึ้น
Radio Frequency Sputtering คืออะไร
แม้ว่า RF Sputtering จะให้ประโยชน์ที่น่าสนใจมากมาย ขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุที่จะเคลือบ แต่ก็ยังมีต้นทุนที่สำคัญหลายประการที่ต้องพิจารณา เนื่องจาก RF Sputtering ใช้คลื่นวิทยุแทนกระแส DC อัตราการสะสมตัวจึงช้ากว่ามากเมื่อใช้ RF Sputtering และต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่ามาก
คลื่นวิทยุต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่ามากเพื่อให้ได้ผลการตกตะกอนเช่นเดียวกับไฟฟ้ากระแสตรง ดังนั้นความร้อนสูงเกินไปจึงกลายเป็นปัญหา การใช้พลังงาน RF นั้นซับซ้อน ต้องใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงที่มีราคาแพง จำเป็นต้องใช้วงจรขั้นสูงซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาความร้อนสูงเกินไป
ปัญหาอีกประการหนึ่งคือกระแส RF เดินทางบน "ผิวหนัง" หรือพื้นผิวของตัวนำและไม่ผ่านพวกมัน ซึ่งหมายความว่าการเดินสาย/คอนเนคเตอร์แบบพิเศษมีความสำคัญอย่างยิ่ง
การพิจารณาที่สำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องคำนึงถึงอัตราการสปัตเตอร์ของ RF คือการลดลงของอัตราการสะสมเนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนทุติยภูมิซึ่งถูกกักไว้เหนือเป้าหมายเช่นเดียวกับแมกนีตรอนสปัตเตอร์ทั่วไปสำหรับแก๊สไอออไนเซชัน ด้วยการสปัตเตอร์ทุกประเภท พลาสมาจะคงอยู่ได้โดยการแตกตัวและแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซเฉื่อย เช่น อาร์กอน ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดเนื่องจากมีมวลมากกว่าเมื่อเทียบกับก๊าซเฉื่อย ฮีเลียม และนีออนอื่นๆ
ด้วยการสลับกระแสที่ความถี่วิทยุสูง พลาสมาสามารถคงอยู่ได้ด้วยแรงดันที่ต่ำกว่ามาก เนื่องจากพลังงานจลน์ที่เกิดจากการเร่งและย้อนกลับของอิเล็กตรอนในระยะทางที่เพียงพอในพลาสมา ความแตกต่างของมวลระหว่างอนุภาคก๊าซไอออไนซ์กับอิเล็กตรอนทำให้สามารถรักษาพลาสมาไว้ได้โดยไม่ขึ้นอยู่กับการดักจับของไอออนทุติยภูมิเหนือวัสดุเป้าหมาย เช่นเดียวกับแมกนีตรอนสปัตเตอร์ริ่งทั่วไป
อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ยังส่งผลให้อัตราการสะสมช้าลงเมื่อเทียบกับ DC Sputtering เนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนทุติยภูมิเหนือเป้าหมาย เนื่องจากอัตราการสะสมของ RF Sputtering ช้ากว่าอัตราการฉีดพ่น DC และมีค่าใช้จ่ายด้านพลังงานที่สูงกว่ามาก ในระดับที่ใช้งานได้จริง สิ่งนี้แปลได้ว่า RF Sputtering มักจะใช้กับพื้นผิวขนาดเล็กที่จะเคลือบ
ในขณะที่ RF Sputtering สามารถใช้กับการเคลือบฟิล์มบางได้เกือบทุกประเภท แต่กลายเป็นเทคนิคการเคลือบฟิล์มบางที่เลือกใช้สำหรับการเคลือบไดอิเล็กตริกหลายประเภท ซึ่งเป็นการเคลือบฉนวนที่ไม่นำไฟฟ้าซึ่งสามารถรับประจุโพลาไรซ์ได้ RF Sputtering เป็นหัวใจสำคัญของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่ผลิตฟิล์มออกไซด์ที่เป็นฉนวนสูงระหว่างชั้นฟิล์มบางๆ ของวงจรไมโครชิป ซึ่งรวมถึงอะลูมิเนียมออกไซด์ ซิลิคอนออกไซด์ และแทนทาลัมออกไซด์
อย่างที่เราเห็นในตอนนี้ การสะสมสปัตเตอร์ของวัสดุฉนวนไม่สามารถทำได้ด้วยไฟฟ้ากระแสตรง วัสดุต่างๆ เช่น ออกไซด์ ไนไตรด์ และเซรามิกมีอิมพีแดนซ์ไฟฟ้ากระแสตรงขนาดใหญ่มาก และต้องใช้ไฟฟ้าแรงสูงอย่างห้ามปรามเพื่อจุดไฟและรักษาพลาสมา โชคดีที่อิมพีแดนซ์ของวัสดุเหล่านี้เปลี่ยนไปตามความถี่ของพลังงานที่ใช้ การใช้กำลังส่งที่ความถี่วิทยุ (RF) และเครือข่ายการจับคู่อิมพีแดนซ์อัตโนมัติ อิมพีแดนซ์ทั้งหมดของวงจรสามารถควบคุมได้ที่ 50 Ω ซึ่งเหมาะสำหรับการจุดระเบิดด้วยพลาสมาในสภาพแวดล้อมสปัตเตอร์ทั่วไป
กระบวนการสปัตเตอร์ด้วยคลื่นความถี่วิทยุ (RF) เป็นวิวัฒนาการของการสปัตเตอร์แบบดีซีที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อจัดการกับการสะสมประจุที่ไม่ต้องการที่เกิดขึ้นกับวัสดุเป้าหมายที่มีการสปัตเตอร์บางชนิด การสะสมประจุนี้อาจก่อกวนอย่างมาก และอาจส่งผลให้เกิดข้อกังวลด้านการควบคุมคุณภาพระหว่างการสร้างฟิล์ม
การสปัตเตอร์ RF สลับศักยภาพของกระแสในสภาพแวดล้อมสุญญากาศโดยใช้แหล่งกำเนิด RF แรงดันสูง กระแสสลับนี้หลีกเลี่ยงการสะสมของอนุภาคพลาสมาที่มีประจุและไอออไนซ์ของก๊าซ โดยพื้นฐานแล้วเป็นการ "ล้าง" ประจุที่สะสมหลังจากทุกรอบ หากรอบแรกใช้วัสดุเป้าหมายที่มีประจุลบ ไอออนของก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนจะยังคงอยู่ที่ขั้วบวกเมื่อสิ้นสุดรอบ
วงจรถัดไปจะใช้การกลับขั้วเพื่อเปลี่ยนประจุบนชิ้นงานและซับสเตรต ส่งผลให้อะตอมของก๊าซสปัตเตอริงที่มีประจุบวกเคลื่อนที่เข้าหาซับสเตรตที่มีประจุลบ
ข้อเสียเปรียบหลักของการสปัตเตอร์ RF เมื่อเปรียบเทียบกับการสปัตเตอร์ DC แบบพัลซิ่งคืออัตราการสะสมที่ต่ำกว่าอย่างมากและความต้องการพลังงานที่สูงกว่ามาก อัตราการสะสมตัวดีขึ้นได้ด้วยสนามแม่เหล็กแรงสูงตามแหล่งพลังงาน เพื่อให้การปล่อยพลาสมาที่มีประจุอยู่ใกล้กับพื้นผิวเป้าหมายที่เป็นโลหะมากขึ้น เทคนิคนี้ยังดึงพลังงานจำนวนมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมอุปกรณ์จ่ายไฟ RF ส่วนใหญ่จึงสามารถจ่ายไฟได้สูงถึง 1,000V เพื่อสร้างสัญญาณที่ถูกต้อง
ข้อเสียอีกประการหนึ่งคือแหล่งสปัตเตอร์ RF ใดๆ จำเป็นต้องมีเครือข่ายจับคู่อิมพีแดนซ์ระหว่างห้องสุญญากาศและอุปกรณ์จ่ายไฟ RF เครือข่ายนี้ป้องกันการรบกวนจากการปล่อย RF ที่อาจลดอัตราการสปัตเตอร์โดยรวม
DC กับ RF สปัตเตอร์
การสปัตเตอร์แบบกระแสตรงเป็นหนึ่งในวิธีการสปัตเตอร์แบบแมกนีตรอนหลายวิธี อีกประการหนึ่งคือการสปัตเตอร์ด้วยคลื่นความถี่วิทยุหรือ RF สปัตเตอร์
ความแตกต่างหลักระหว่างสองกระบวนการนี้อยู่ในแอปพลิเคชัน DC สปัตเตอร์เหมาะสำหรับวัสดุนำไฟฟ้าและวัสดุแม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม การสปัตเตอริง RF สามารถฝากวัสดุที่นำไฟฟ้าได้และไม่นำไฟฟ้า เช่น ฟิล์มออกไซด์
พลังงาน DC ยังแตกต่างจากพลังงาน RF ซึ่งส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้าที่อยู่เบื้องหลังอะตอมที่สปัตเตอร์ ในขณะที่การสปัตเตอริงแบบ DC ใช้แรงดันประจุโดยตรง การสปัตเตอริงแบบ RF จะใช้การประจุแบบอื่น ซึ่งจำเป็นต้องมีกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนและมีราคาแพงกว่า
แม้ว่าการสปัตเตอร์แบบ DC และ RF จะเป็นทั้งเทคนิคการสะสมของสปัตเตอร์ แต่กระบวนการเหล่านี้ส่งผลกระทบต่อสัณฐานวิทยาของวัสดุของเป้าหมายการสปัตเตอร์แตกต่างกัน
หนึ่งในข้อแตกต่างหลักระหว่างการสปัตเตอร์ DC และ RF คือแหล่งพลังงาน ตามชื่อที่แนะนำ การสปัตเตอร์ DC ใช้ไฟฟ้ากระแสตรงเป็นแหล่งพลังงาน ในขณะเดียวกัน RF sputtering จะสลับประจุไฟฟ้าเพื่อป้องกันไม่ให้ประจุสะสมบนวัสดุเป้าหมาย
บางครั้งการสปัตเตอร์ RF เรียกว่าการสปัตเตอร์ AC เนื่องจากกระแสสลับภายในแหล่งจ่ายไฟ RF
การสปัตเตอร์แบบ DC ยังมีอัตราการสะสมที่สูงกว่าการสปัตเตอร์แบบ RF ในขณะที่การสปัตเตอริงแบบ DC เหมาะสำหรับการเคลือบจำนวนมากลงบนวัสดุพิมพ์ขนาดใหญ่ แต่ RF มีประสิทธิภาพมากกว่าภายในวัสดุพิมพ์ขนาดเล็ก
การสปัตเตอร์ DC และ RF สามารถฝากวัสดุเป้าหมายประเภทต่างๆ ในขณะที่การสปัตเตอร์แบบ DC สามารถฝากวัสดุเป้าหมายที่เป็นสื่อไฟฟ้าได้ วิธีการสปัตเตอร์แบบ RF นั้นเหมาะสำหรับเป้าหมายการสปัตเตอร์ต่างๆ รวมถึงวัสดุที่นำไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้า
ประการสุดท้าย การสปัตเตอร์ DC และ RF จะแตกต่างกันไปตามความซับซ้อนและราคา การสปัตเตอริง DC มีราคาย่อมเยาโดยรวม เนื่องจากใช้กระบวนการพิเศษน้อยกว่า การสปัตเตอร์ RF เกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ซับซ้อนกว่า แต่ความสามารถรอบด้านและระยะเวลาแคมเปญที่ยอดเยี่ยมทำให้ราคาสูง
รีวิว DC สปัตเตอร์
• แหล่งพลังงานเป็นแบบกระแสตรง (DC)
• ความดันห้องโดยปกติจะอยู่ที่ 1 ถึง 100 mTorr
• มักจะนิยมใช้ไฟ DC สำหรับวัสดุเป้าหมายที่นำไฟฟ้า เนื่องจากมีประสิทธิภาพและประหยัด เช่นเป้าหมายการสปัตเตอร์โลหะบริสุทธิ์ เหล็ก (Fe) ทองแดง (Cu) นิกเกิล (Ni)
• เป็นเทคนิคง่ายๆ ในการประมวลผลวัสดุพิมพ์จำนวนมากในปริมาณมาก
• อัตราการสะสมสูงสำหรับเป้าหมายการสปัตเตอร์โลหะบริสุทธิ์บางประเภท
• ก๊าซสปัตเตอริงที่มีประจุบวกจะถูกเร่งไปยังเป้าหมายในการสปัตเตอริง DC และการขับของอะตอมจะสะสมอยู่บนพื้นผิว
RF สปัตเตอร์ริ่ง Rทบทวน
• แหล่งพลังงานคือไฟฟ้ากระแสสลับ (ไฟฟ้ากระแสสลับ) แหล่งจ่ายไฟเป็นแหล่งสัญญาณ RF แรงสูงซึ่งมักจะคงที่ที่ 13.56 MHz.
• RF แรงดันพีคทูพีคคือ 1000V และแรงดันแชมเบอร์อยู่ที่ 0.5 ถึง 10 mTorr
• การสปัตเตอร์ RF มีการใช้งานที่หลากหลายกว่าและเหมาะสำหรับวัสดุทั้งหมดสำหรับวัสดุที่นำไฟฟ้าและไม่นำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม มักใช้สำหรับการฝากวัสดุเป้าหมายที่เป็นไดอิเล็กตริกสปัตเตอร์
• อัตราการสะสมต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการสปัตเตอร์ DC
• ใช้สำหรับวัสดุพิมพ์ขนาดเล็กเนื่องจากต้นทุนสูง
• การสปัตเตอร์ RF เกี่ยวข้องกับสองกระบวนการ ในรอบแรก วัสดุเป้าหมายจะถูกประจุลบ ซึ่งส่งผลให้เกิดโพลาไรเซชันของอะตอม และอะตอมของก๊าซสปัตเตอริงจะถูกดึงดูดไปยังแหล่งที่มา ซึ่งพวกมันจะชนกับอะตอมภายนอก
เนื่องจากโพลาไรเซชัน อะตอมของแหล่งกำเนิดและไอออนของก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนจะยังคงอยู่บนพื้นผิวเป้าหมาย
• ในรอบที่สอง เป้าหมายจะถูกชาร์จเป็นบวก เนื่องจากการโพลาไรเซชันแบบย้อนกลับ ทำให้เกิดการขับไอออนของแก๊สและอะตอมของแหล่งกำเนิดออกมา ไอออนและอะตอมเหล่านี้เร่งตัวเข้าหาพื้นผิวเพื่อเกิดการทับถม
