O que é DC Sputtering? O que é RF Sputtering?
Diferença entre DC Sputtering e RF Sputtering?
Introdução
Sputtering é o mecanismo usado para depositar filmes finos de material alvo em um substrato. Esse processo envolve a ejeção de íons gasosos no material de origem, ejetando átomos, íons e moléculas de gás para fora da superfície alvo. Essas partículas emitidas contêm certa energia cinética, permitindo que os íons metálicos aumentem a mobilidade da superfície.
Este guia abaixo fornecerá uma visão geral abrangente de pulverização catódica DC, pulverização catódica de RF, diferença entre pulverização catódica DC e pulverização catódica de RF; Como funcionam esses sputtering etc...
O que é DC Sputtering
DC Sputtering (ou Direct-Current Sputtering) é uma técnica de revestimento de deposição de vapor físico de filme fino que usa uma corrente contínua como fonte de energia. A pulverização catódica oferece inúmeras vantagens para a deposição de metal. É popular em muitos processos de fabricação, como a criação de embalagens plásticas metalizadas e revestimentos metálicos em relógios e joias.
DC ou Direct Current Sputtering é uma técnica de revestimento de deposição física de vapor (PVD) de filme fino, em que um material alvo a ser usado como revestimento é bombardeado com moléculas de gás ionizado, fazendo com que os átomos sejam “espelhados” no plasma. Esses átomos vaporizados são então depositados quando se condensam como um filme fino no substrato a ser revestido.
A pulverização catódica de corrente contínua (DC) é uma técnica de deposição de filme fino que usa moléculas de gás ionizado para vaporizar (sputter) moléculas do material alvo para o plasma. A pulverização catódica DC é a técnica preferida para materiais-alvo eletricamente condutores devido ao seu baixo custo e alto nível de controle globalmente.
O que é Sputtering de Corrente Contínua
O processo de pulverização catódica do magnetron DC envolve uma câmara de vácuo contendo o material alvo paralelo ao substrato alvo. A câmara de vácuo contém um gás inerte de alta pureza, como o argônio, que se torna carregado quando exposto a uma corrente CC pulsada.
O material alvo de metal atua como o nó negativo (cátodo), enquanto o substrato atua como o pólo positivo (ânodo). Uma corrente contínua passa pelo sistema, o que faz com que o gás argônio se ionize e resulte em uma forte colisão dos íons com o metal fonte carregado negativamente.
Essas colisões expulsam os íons metálicos da superfície do alvo para o plasma (uma mistura de íons de gás ionizado e elétrons). O substrato carregado positivamente atrai o plasma carregado negativamente, que se condensa na superfície do substrato, formando um revestimento de película fina da fonte neutra.
Embora a pulverização catódica DC seja um processo comum para metais condutores, ela não funciona tão bem para materiais-alvo dielétricos. Esses átomos-alvo podem assumir uma carga, levando a arcos e outras interrupções nas densidades de elétrons, resultando em uma taxa de deposição desigual. O acúmulo desses íons positivos pode até fazer com que todo o caminho do sputtering pare de funcionar, resultando na necessidade de uma reinicialização.
Processo de Sputtering DC
DC Sputtering é o tipo mais básico e barato de sputtering para deposição de metal PVD e materiais de revestimento de alvo eletricamente condutores. Duas grandes vantagens de DC como fonte de energia para este processo é que é fácil de controlar e é uma opção de baixo custo se você estiver fazendo deposição de metal para revestimento.
DC Sputtering é usado extensivamente na indústria de semicondutores, criando circuitos de microchips no nível molecular. É usado para revestimentos por pulverização de ouro de joias, relógios e outros acabamentos decorativos, para revestimentos não reflexivos em vidro e componentes ópticos, bem como para embalagens plásticas metalizadas.
A configuração básica de um sistema de revestimento DC Sputtering é que o material alvo a ser usado como revestimento é colocado em uma câmara de vácuo paralela ao substrato a ser revestido.
A câmara de vácuo é evacuada para uma pressão base removendo H2O, Ar, H2, Ar e, em seguida, preenchida com um gás de processo inerte de alta pureza - geralmente Argônio devido à sua massa relativa e capacidade de transmitir energia cinética no impacto durante colisões moleculares de alta energia no plasma que cria os íons de gás que são a principal força motriz da deposição de película fina por pulverização catódica. As pressões de pulverização típicas variam de 0,5mTorr a 100mTorr.
Uma corrente elétrica DC é então aplicada ao material de revestimento alvo que é o cátodo ou ponto no qual os elétrons entram no sistema conhecido como viés negativo. Uma carga positiva também é aplicada ao substrato a ser revestido que se torna o ânodo.
Os átomos de gás argônio eletricamente neutros são primeiro ionizados como resultado da colisão forçada desses átomos de gás na superfície do alvo carregado negativamente, que ejeta átomos para o plasma - um estado de gás quente que consiste em aproximadamente metade de íons de gás e metade elétrons que emite o brilho de plasma visível.
Os átomos de gás argônio ionizado são então direcionados para o substrato que é o ânodo ou viés de carga positiva atraindo íons de gás ionizado, elétrons e os átomos de revestimento alvo vaporizados que condensam e formam um revestimento de película fina no substrato a ser revestido. A pulverização catódica DC Magnetron usa ímãs atrás do cátodo negativo para prender elétrons sobre o material alvo carregado negativamente, de modo que eles não fiquem livres para bombardear o substrato, permitindo taxas de deposição mais rápidas do que antes.
O campo magnético forma um “túnel” de limite que aprisiona elétrons perto da superfície do alvo que melhora a eficiência da formação de íons de gás. DC Magnetron Sputtering permite uma corrente mais alta em pressão de gás mais baixa que atinge uma taxa de deposição de filme fino ainda maior.
Embora o DC Sputtering seja a solução econômica de escolha para muitos tipos de revestimentos metálicos, sua principal limitação é que os materiais isolantes dielétricos não condutores assumem uma carga ao longo do tempo, o que pode resultar em problemas de qualidade, como arco elétrico ou envenenamento do material alvo com uma carga que pode resultar na cessação completa do sputtering.
Para superar essas limitações do DC Sputtering, várias tecnologias mais complicadas foram desenvolvidas, como RF ou Radio Frequency Sputtering e HIPIMS ou High Power Impulse Magnetron Sputtering. A pulverização catódica de RF alterna a carga elétrica na frequência de rádio para evitar o acúmulo de carga no alvo ou no material de revestimento. O HIPIMS utiliza uma tensão muito alta e explosão de energia de curta duração focada no material de revestimento alvo para gerar um plasma de alta densidade que resulta em um alto grau de ionização do material de revestimento no plasma.
Apesar da relativa simplicidade do DC Sputtering, ele geralmente tem taxas de deposição baixas em comparação com HIPIMS mais complicado, que é o resultado de densidades de plasma mais baixas e densidades de gás mais altas.
No entanto, a relativa simplicidade da fonte de alimentação CC em comparação com as fontes de alimentação de RF ou HIPMIS, que requerem configuração muito mais complicada, cabeamento e custos de energia mais altos, continua a tornar o DC Sputtering a solução de baixo custo para muitos tipos de deposição de metal a vácuo, como pulverização catódica e outros revestimentos eletricamente condutores.
Como funciona o DC Sputtering
Como qualquer tipo de efeito de deposição catódica, a pulverização catódica DC requer uma câmara de vácuo. Também requer energia DC, átomos de gás de pulverização carregados positivamente, um material alvo e um substrato.
Este é o processo que os sistemas de pulverização de magnetron DC usam para depositar materiais de revestimento de metal em substratos:
1, O alvo ou material de revestimento a ser usado como filme fino é colocado em uma câmara de vácuo.
2, A câmara de vácuo é posicionada paralelamente ao substrato desejado.
3, A câmara de vácuo remove água, ar, hidrogênio e argônio com uma pressão de câmara entre 1 e 100 mTorr.
4, A câmara então se enche com íons inertes de gás de processo, como íons de argônio.
5, o sistema aplica uma tensão DC à superfície alvo.
6, o material de revestimento alvo torna-se o cátodo e o substrato torna-se o ânodo.
7, os átomos neutros de argônio tornam-se ionizados quando colidem com o alvo carregado negativamente e depois ejetam para o plasma de alta densidade, que é gerado por meio da neutralização.
8, Os íons de gás agora ionizados permanecem no vácuo e quebram os átomos alvo.
9, As moléculas de gás ionizado penetram no substrato.
10, Os íons positivos condensam e formam filmes finos no substrato.
O campo magnético aprisiona elétrons sobre os alvos de pulverização, evitando o bombardeio de íons e aumentando a taxa de deposição.
Ao todo, a pulverização catódica de magnetron DC é uma técnica relativamente simples com uma alta taxa de deposição, permitindo que os fabricantes depositem grandes quantidades de materiais de superfície em substratos de forma rápida, econômica e eficaz. Este processo é essencial em uma variedade de aplicações comerciais, como a deposição de filmes de ZnO em substratos de vidro.
O que é RF Sputtering
RF ou Radio Frequency Sputtering é a técnica envolvida na alternância do potencial elétrico da corrente no ambiente de vácuo em radiofrequências para evitar uma carga acumulada em certos tipos de materiais alvo de pulverização, que ao longo do tempo podem resultar em arco no plasma que vomita gotículas criando problemas de controle de qualidade nos filmes finos - e pode até mesmo levar à cessação completa da pulverização catódica de átomos encerrando o processo.
O tradicional DC Sputtering é uma maneira econômica de aplicar revestimentos de alvo de metal que são condutores elétricos como o ouro. No entanto, DC Sputtering é limitado quando se trata de materiais de alvo dielétricos - revestimentos que são materiais isolantes não condutores que podem assumir uma carga polarizada. Exemplos de materiais de revestimento dielétrico comuns usados na indústria de semicondutores incluem Óxido de Alumínio, Óxido de Silício e Óxido de Tântalo.
A pulverização catódica de magnetron de RF usa ímãs atrás do cátodo negativo para prender elétrons sobre o material alvo carregado negativamente, de modo que eles não fiquem livres para bombardear o substrato, permitindo taxas de deposição mais rápidas.
Com o tempo, são produzidos íons positivos que se acumulam na superfície da face alvo, dando-lhe uma carga positiva. Em um certo ponto, essa carga pode aumentar e levar a uma separação completa de átomos pulverizados sendo descarregados para revestimento.
Ao alternar o potencial elétrico com RF Sputtering, a superfície do material alvo pode ser “limpa” de um acúmulo de carga a cada ciclo. No ciclo positivo, os elétrons são atraídos para o material alvo ou cátodo, dando-lhe um viés negativo. Na parte negativa do ciclo – que está ocorrendo na frequência de rádio de 13,56 MHz, usada internacionalmente para equipamentos de alimentação de RF – o bombardeio iônico do alvo a ser pulverizado continua.
O RF Sputtering oferece várias vantagens, dependendo de sua aplicação específica. Os plasmas de RF tendem a se desfazer em toda a câmara, em vez de se concentrar em torno do cátodo ou do material alvo, como ocorre com o DC Sputtering.
O RF Sputtering pode sustentar um plasma em toda a câmara a uma pressão mais baixa (1-15 mTorr). O resultado é menos colisões de gás ionizado igualando a deposição de linha de local mais eficiente do material de revestimento.
Porque com RF Sputtering o material alvo está sendo “limpo” com cada ciclo de construção de uma carga que ajuda a reduzir o arco. O arco é onde há uma descarga intensamente focada e localizada que emana do material alvo ou cátodo para o plasma, criando gotículas e problemas com deposição de filme não uniforme. O RF Sputtering reduz muito o acúmulo de uma carga em um local específico na superfície do material alvo que leva às faíscas que criam o arco que causa vários problemas de controle de qualidade.
O RF Sputtering também reduz a criação de “Erosão de pista de corrida” na superfície do material alvo. Com Magnetron Sputtering, um padrão circular é gravado na superfície do material alvo como resultado do campo magnético circular do magnetron focalizando as partículas de plasma carregadas próximas à superfície do alvo pulverizado. O diâmetro do padrão circular é o resultado do campo magnético.
Com RF Sputtering, a largura e a profundidade da pista de corrida são muito menores devido à natureza CA da descarga de RF com elétrons menos confinados pelo campo magnético. O plasma se espalha mais produzindo uma pista de corrida maior, mais larga e mais rasa. Isso permite uma utilização melhor, mais uniforme e eficiente dos materiais de revestimento alvo sem a corrosão profunda da “erosão da pista de corrida”.
Outra vantagem do RF Sputtering é que não há efeito anódico de desaparecimento quando o substrato a ser revestido torna-se isolado e adquire uma carga como no DC Sputtering. Todas as superfícies desenvolvem uma carga em um plasma como resultado dos elétrons se movendo muito mais rápido que os íons devido ao seu tamanho e energia cinética menores.
No entanto, como resultado da modulação AC da potência nas radiofrequências, o material a ser revestido com RF Sputtering não adquire um acúmulo de carga tão grande por ser descarregado a cada meio ciclo e ficar isolado - o que com o tempo pode eventualmente levar a uma cessação da deposição de película fina. Com RF Magnetron Sputtering, o campo magnético forma um “túnel” de limite que aprisiona elétrons perto da superfície do alvo, melhorando a eficiência da formação de íons de gás e restringindo a descarga do plasma. Desta forma, o RF Magnetron Sputtering permite uma corrente mais alta em uma pressão de gás mais baixa que atinge uma taxa de deposição ainda maior.
O que é pulverização de radiofrequência
Embora o RF Sputtering ofereça muitos benefícios atraentes, dependendo do tipo de material a ser revestido, há vários custos importantes envolvidos que devem ser considerados. Como o RF Sputtering usa ondas de rádio em vez de corrente DC, as taxas de deposição são consideravelmente mais lentas com RF Sputtering e requerem tensões significativamente mais altas.
As ondas de rádio requerem uma tensão muito mais alta para obter os mesmos resultados de deposição da corrente contínua e, portanto, o superaquecimento se torna um problema. A aplicação de energia de RF é complicada, exigindo fontes de alimentação de alta tensão que são caras. São necessários circuitos avançados que podem representar problemas adicionais de superaquecimento.
Outra questão é que as correntes de RF viajam na “pele” ou superfície dos condutores e não através deles. Isso significa que cabeamento/conectores especiais são críticos.
Outra consideração importante que precisa ser levada em consideração com as taxas de RF Sputtering é a diminuição nas taxas de deposição devido à falta de elétrons secundários presos acima do alvo, como ocorre com o Magnetron Sputtering convencional para ionização de gás. Em todos os tipos de sputtering, o plasma é sustentado pela quebra e ionização de um gás inerte como o argônio – que é mais utilizado devido à sua maior massa em comparação com os outros gases inertes, hélio e néon.
Ao alternar a corrente em alta frequência de rádio, um plasma pode ser sustentado com uma pressão muito menor devido à energia cinética resultante da aceleração e inversão dos elétrons por uma distância suficiente no plasma. A diferença na massa entre as partículas de gás ionizado e os elétrons permite que um plasma seja sustentado sem depender do aprisionamento de íons secundários acima do material alvo, como acontece com o Magnetron Sputtering convencional.
No entanto, isso também resulta em uma taxa de deposição mais lenta em comparação com o DC Sputtering devido à falta de elétrons secundários acima do alvo. Como as taxas de deposição de RF Sputtering são mais lentas do que as taxas de DC Sputtering e têm custos de energia muito mais altos, em um nível prático, isso se traduz em RF Sputtering geralmente sendo usado em substratos menores a serem revestidos.
Embora o RF Sputtering possa ser usado para a maioria dos tipos de revestimentos de deposição de filme fino, tornou-se a técnica de deposição de filme fino de escolha para muitos tipos de revestimentos dielétricos - revestimentos isolantes que não são condutores e podem assumir uma carga polarizada. O RF Sputtering está no centro da indústria de semicondutores, produzindo filmes de óxido altamente isolantes entre as camadas de filmes finos de circuitos de microchips, incluindo óxido de alumínio, óxido de silício e óxido de tântalo.
Então, como podemos ver agora, a deposição de materiais isolantes por pulverização não pode ser feita com energia DC. Materiais como óxidos, nitretos e cerâmicas têm impedância CC muito grande e requerem voltagens proibitivamente altas para inflamar e manter um plasma. Felizmente, a impedância desses materiais muda com a frequência da potência aplicada. Usando energia fornecida em frequências de rádio (RF) e uma rede de correspondência de impedância automática, a impedância total do circuito pode ser regulada para 50 Ω, o que é adequado para ignição de plasma em ambientes típicos de pulverização catódica.
O processo de sputtering por radiofrequência (RF) é uma evolução do sputtering DC que visa abordar o acúmulo indesejado de carga que ocorre com alguns materiais alvo de sputtering. Esse acúmulo de carga pode ser muito prejudicial e pode resultar em problemas de controle de qualidade durante a formação do filme.
A pulverização catódica de RF alterna o potencial da corrente no ambiente de vácuo usando uma fonte de RF de alta tensão. Essa corrente alternada evita o acúmulo de partículas de plasma carregadas e a ionização do gás, essencialmente “limpando” o acúmulo de carga após cada ciclo. Se o primeiro ciclo usar um material alvo carregado negativamente, os íons do gás ionizado permanecem no ânodo no final do ciclo.
O próximo ciclo usa a polarização reversa para alterar a carga no alvo e no substrato, resultando em átomos de gás pulverizados com carga positiva que se movem em direção ao substrato com carga negativa.
A principal desvantagem do sputtering de RF em comparação com o sputtering DC pulsado é uma taxa de deposição significativamente menor e um requisito de energia muito maior. A taxa de deposição é melhorada com um forte campo magnético ao longo da fonte de energia para manter a descarga de plasma carregada mais próxima da superfície metálica do alvo. A técnica também consome muita energia, e é por isso que a maioria das fontes de alimentação de RF pode fornecer até 1.000 V para gerar o sinal correto.
Outra desvantagem é que qualquer fonte de pulverização catódica de RF precisa de uma rede de correspondência de impedância entre a câmara de vácuo e o equipamento de alimentação de RF. Esta rede evita a interferência da descarga de RF que pode reduzir a taxa geral de pulverização.
DC vs RF Sputtering
Sputtering de corrente contínua é um dos vários métodos de sputtering de magnetron. Outro é o sputtering de radiofrequência ou RF sputtering.
O principal diferenciador entre esses dois processos está em suas aplicações. A pulverização catódica DC é adequada para materiais condutores e materiais magnéticos. No entanto, a pulverização catódica de RF pode depositar materiais condutores e não condutores, como filmes de óxido.
A energia CC também é diferente da energia de RF, impactando a tensão por trás dos átomos pulverizados. Enquanto o sputtering DC usa uma tensão de carga direta, o sputtering RF alterna as cargas, necessitando de um processo de fabricação mais complexo e caro.
Embora a pulverização catódica DC e RF sejam ambas técnicas de deposição catódica, esses processos afetam a morfologia do material de seus alvos de pulverização de forma diferente.
Uma das principais diferenças entre DC e RF sputtering são suas fontes de energia. Como o nome sugere, o sputtering DC usa uma corrente contínua como fonte de energia. Enquanto isso, a pulverização catódica de RF alterna sua carga elétrica para evitar que a carga se acumule no material alvo.
O sputtering de RF às vezes é conhecido como sputtering AC devido à corrente alternada nas fontes de alimentação de RF.
O sputtering DC também tem uma taxa de deposição mais alta do que o sputtering RF. Enquanto a pulverização catódica DC é adequada para depositar grandes quantidades em grandes substratos, a RF é mais eficaz em substratos menores.
A pulverização catódica DC e RF pode depositar diferentes tipos de materiais-alvo. Embora a pulverização catódica DC possa depositar materiais-alvo eletricamente condutores, um método de pulverização catódica de RF é adequado para vários alvos de pulverização catódica, incluindo materiais condutores e não condutores.
Finalmente, o sputtering DC e RF variam em suas complexidades e preços. O sputtering DC é mais acessível em geral, pois usa processos menos especializados. O sputtering de RF envolve um processo mais complexo, mas sua versatilidade e excelente duração de campanha compensam seu alto preço.
Revisão de Sputtering DC
• A fonte de alimentação é do tipo Corrente contínua (CC).
• A pressão da câmara é geralmente de 1 a 100 mTorr.
• A energia CC é geralmente preferida para materiais de destino eletricamente condutivos, pois é eficaz e econômica. Tais como alvos de pulverização catódica de metal puro, Ferro (Fe), Cobre (Cu), Níquel (Ni).
• É uma técnica simples ao processar grandes quantidades de grandes substratos.
• A taxa de deposição é alta para alguns alvos de pulverização catódica de metal puro.
• O gás de pulverização catódica carregado positivamente é acelerado em direção ao alvo na pulverização catódica DC, e a ejeção de átomos é depositada nos substratos.
RF Sputtering Review
• A fonte de alimentação é CA (corrente alternada). A fonte de alimentação é uma fonte de RF de alta tensão geralmente fixada em 13,56 MHz.
• A tensão de pico a pico de RF é de 1.000 V e a pressão da câmara é de 0,5 a 10 mTorr.
• O sputtering de RF tem uma gama mais ampla de aplicações e é adequado para todos os materiais condutores e não condutores. No entanto, é mais comumente usado para depositar materiais alvo de pulverização catódica dielétrica.
• A taxa de deposição é menor em comparação com a pulverização catódica DC.
• É usado para tamanhos de substrato menores devido ao alto custo.
• O sputtering de RF envolve dois processos. No primeiro ciclo, o material alvo é carregado negativamente. Isso resulta na polarização dos átomos, e os átomos do gás pulverizado são atraídos para a fonte, onde eles derrubam os átomos terceirizados.
Devido à polarização, os átomos da fonte e os íons do gás ionizado permanecem na superfície do alvo.
• No segundo ciclo, o alvo é carregado positivamente. Devido à polarização reversa, isso causa a ejeção de íons de gás e átomos de origem. Esses íons e átomos aceleraram em direção ao substrato para formar deposição.
