Что такое распыление постоянным током? Что такое распыление ВЧ?
Разница между напылением постоянным током и ВЧ-распылением?
Введение
Распыление — это механизм, используемый для нанесения тонких пленок материала мишени на подложку. Этот процесс включает выброс газообразных ионов в исходный материал, таким образом распыляя атомы, ионы и молекулы газа с поверхности мишени. Эти испускаемые частицы обладают определенной кинетической энергией, позволяющей ионам металлов увеличивать поверхностную подвижность.
В этом руководстве ниже представлен всесторонний обзор распыления постоянным током, распыления ВЧ, различий между распылением постоянным током и ВЧ распылением; Как работает это распыление и т.д.
Что такое напыление постоянным током
Напыление постоянным током (или напыление постоянным током) представляет собой метод физического осаждения тонкопленочных покрытий из паровой фазы, в котором в качестве источника питания используется постоянный ток. Распыление на постоянном токе предлагает многочисленные преимущества для осаждения металлов. Он популярен во многих производственных процессах, таких как создание металлизированной упаковочной пластмассы и металлических покрытий на часах и ювелирных изделиях.
Напыление постоянным током или постоянным током представляет собой метод нанесения покрытия методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) тонкой пленки, при котором целевой материал, используемый в качестве покрытия, бомбардируется молекулами ионизированного газа, в результате чего атомы «распыляются» в плазму. Эти испаренные атомы затем осаждаются, когда они конденсируются в виде тонкой пленки на подложке, подлежащей покрытию.
Напыление постоянным током (DC) представляет собой метод осаждения тонких пленок, в котором используются молекулы ионизированного газа для испарения (распыления) молекул с целевого материала в плазму. Распыление постоянным током является предпочтительным методом для электропроводящих целевых материалов из-за его низкой стоимости и высокого уровня контроля во всем мире.
Что такое напыление постоянным током
Процесс магнетронного распыления постоянного тока включает вакуумную камеру, содержащую целевой материал, параллельный целевой подложке. Вакуумная камера содержит инертный газ высокой чистоты, такой как аргон, который заряжается при воздействии импульсного постоянного тока.
Металлический материал мишени действует как отрицательный узел (катод), а подложка действует как положительный полюс (анод). Через систему проходит постоянный ток, который вызывает ионизацию газообразного аргона и приводит к сильному столкновению ионов с отрицательно заряженным исходным металлом.
Эти столкновения сбивают ионы металлов с поверхности мишени в плазму (смесь ионов ионизированного газа и электронов). Положительно заряженная подложка притягивает отрицательно заряженную плазму, которая конденсируется на поверхности подложки, образуя тонкопленочное покрытие нейтрального источника.
Хотя напыление постоянным током является обычным процессом для проводящих металлов, оно не подходит для диэлектрических целевых материалов. Эти атомы-мишени могут приобретать заряд, что приводит к искрению и другим нарушениям плотности электронов, что приводит к неравномерной скорости осаждения. Накопление этих положительных ионов может даже привести к тому, что весь путь распыления перестанет функционировать, что приведет к необходимости перезагрузки.
Процесс распыления постоянным током
Напыление на постоянном токе является наиболее простым и недорогим типом напыления для осаждения металла методом PVD и электропроводящих материалов покрытия мишени. Два основных преимущества постоянного тока в качестве источника питания для этого процесса заключаются в том, что им легко управлять и он является недорогим вариантом, если вы выполняете напыление металла для покрытия.
Напыление постоянным током широко используется в полупроводниковой промышленности для создания схем микрочипов на молекулярном уровне. Он используется для покрытия золотым напылением ювелирных изделий, часов и другой декоративной отделки, для неотражающих покрытий на стекле и оптических компонентах, а также для металлизированного упаковочного пластика.
Базовая конфигурация системы нанесения покрытия методом напыления постоянным током заключается в том, что целевой материал, который будет использоваться в качестве покрытия, помещается в вакуумную камеру параллельно покрываемой подложке.
Вакуумная камера вакуумируется до базового давления, удаляя H2O, Air, H2, Ar, а затем заполняется инертным технологическим газом высокой чистоты — обычно аргоном из-за его относительной массы и способности передавать кинетическую энергию при ударе во время столкновений молекул высокой энергии в плазма, которая создает ионы газа, которые являются основной движущей силой осаждения тонких пленок напылением. Типичное давление распыления находится в диапазоне от 0,5 мТорр до 100мТорр.
Затем к материалу покрытия мишени, который является катодом или точкой, в которой электроны входят в систему, подается постоянный электрический ток, известный как отрицательное смещение. Положительный заряд также прикладывается к покрываемой подложке, которая становится анодом.
Электрически нейтральные атомы газа аргона сначала ионизируются в результате силового столкновения этих атомов газа с поверхностью отрицательно заряженной мишени, которая выбрасывает атомы в плазму — горячее газоподобное состояние, состоящее примерно наполовину из ионов газа и наполовину электронов, излучающих видимое свечение плазмы.
Атомы ионизированного газообразного аргона затем перемещаются к подложке, которая является анодом или положительно заряженным смещением, притягивающим ионы ионизированного газа, электроны и испаренные атомы целевого покрытия, которые конденсируются и образуют тонкопленочное покрытие на подложке, подлежащей покрытию. Магнетронное распыление постоянного тока использует магниты за отрицательным катодом для улавливания электронов над отрицательно заряженным материалом мишени, чтобы они не могли свободно бомбардировать подложку, что обеспечивает более высокую скорость осаждения, чем раньше.
Магнитное поле образует граничный «тоннель», который захватывает электроны вблизи поверхности мишени, что повышает эффективность образования ионов газа. Магнетронное напыление постоянного тока позволяет использовать более высокий ток при более низком давлении газа, что обеспечивает еще более высокую скорость осаждения тонких пленок.
Хотя напыление постоянным током является экономичным решением для многих типов металлических покрытий, его основным ограничением является то, что непроводящие диэлектрические изоляционные материалы со временем заряжаются, что может привести к таким проблемам качества, как искрение или отравление целевого материала заряд, который может привести к полному прекращению распыления.
Чтобы преодолеть эти ограничения распыления постоянным током, были разработаны несколько более сложных технологий, таких как ВЧ или радиочастотное распыление, а также HIPIMS или магнетронное распыление высокой мощности. Радиочастотное распыление изменяет электрический заряд на радиочастоте, чтобы предотвратить накопление заряда на мишени или материале покрытия. HIPIMS использует кратковременный выброс энергии очень высокого напряжения, сфокусированный на целевом материале покрытия, для создания плазмы высокой плотности, что приводит к высокой степени ионизации материала покрытия в плазме.
Несмотря на относительную простоту распыления на постоянном токе, оно обычно имеет низкую скорость осаждения по сравнению с более сложной HIPIMS, что является результатом более низкой плотности плазмы и более высокой плотности газа.
Однако относительная простота источника питания постоянного тока по сравнению с источниками питания RF или HIPMIS, которые требуют гораздо более сложной конфигурации, кабелей и более высоких затрат на электроэнергию, по-прежнему делает напыление постоянным током недорогим решением для многих типов вакуумного осаждения металлов, таких как напыление золота и другие электропроводящие покрытия.
Как работает напыление постоянным током
Как и любой тип эффекта напыления, для магнетронного распыления постоянного тока требуется вакуумная камера. Для этого также требуется мощность постоянного тока, положительно заряженные атомы распыляющего газа, материал мишени и подложка.
Это процесс, который используют системы магнетронного напыления постоянного тока для нанесения металлических покрытий на подложки:
1. Материал мишени или покрытия, который будет использоваться в качестве тонкой пленки, помещается в вакуумную камеру.
2. Вакуумная камера расположена параллельно нужной подложке.
3. Вакуумная камера удаляет воду, воздух, водород и аргон при давлении в камере от 1 до 100 мТорр.
4. Затем камера заполняется ионами инертного технологического газа, например ионами аргона.
5. Система подает напряжение постоянного тока на целевую поверхность.
6. Материал покрытия мишени становится катодом, а подложка становится анодом.
7. Нейтральные атомы аргона ионизируются при столкновении с отрицательно заряженной мишенью, а затем выбрасываются в плазму высокой плотности, которая образуется в результате нейтрализации.
8. Теперь ионизированные ионы газа остаются в вакууме и вырывают атомы-мишени.
9. Молекулы ионизированного газа проникают в подложку.
10. Положительные ионы конденсируются и образуют на подложке тонкие пленки.
Магнитное поле захватывает электроны над мишенями для распыления, предотвращая ионную бомбардировку и увеличивая скорость осаждения.
В целом магнетронное напыление на постоянном токе представляет собой относительно простой метод с высокой скоростью осаждения, позволяющий производителям быстро, экономично и эффективно наносить большое количество поверхностных материалов на подложки. Этот процесс необходим для ряда коммерческих применений, таких как осаждение пленок ZnO на стеклянные подложки.
Что такое ВЧ-распыление
Радиочастотное или радиочастотное распыление — это метод, связанный с изменением электрического потенциала тока в вакуумной среде на радиочастотах, чтобы избежать накопления заряда на определенных типах материалов распыляемой мишени, что со временем может привести к возникновению дуги в извергаемой плазме. капли создают проблемы с контролем качества на тонких пленках и даже могут привести к полному прекращению распыления атомов, завершающему процесс.
Традиционное напыление постоянным током — это экономичный способ нанесения покрытий на металлические мишени, которые являются электрическими проводниками, такими как золото. Однако напыление постоянным током ограничено, когда речь идет о диэлектрических целевых материалах — покрытиях, которые представляют собой непроводящие изоляционные материалы, способные принимать поляризованный заряд. Примеры распространенных материалов для диэлектрических покрытий, используемых в полупроводниковой промышленности, включают оксид алюминия, оксид кремния и оксид тантала.
В радиочастотном магнетронном распылении используются магниты за отрицательным катодом, чтобы улавливать электроны над отрицательно заряженным материалом мишени, чтобы они не могли свободно бомбардировать подложку, что позволяет увеличить скорость осаждения.
Со временем образуются положительные ионы, которые накапливаются на поверхности мишени, придавая ей положительный заряд. В определенный момент этот заряд может накапливаться и приводить к полному отделению распыляемых атомов, разряжающихся для покрытия.
Чередуя электрический потенциал с РЧ-распылением, поверхность материала мишени можно «очищать» от накопления заряда с каждым циклом. При положительном цикле электроны притягиваются к материалу мишени или катоду, создавая на нем отрицательное смещение. На отрицательной части цикла, которая происходит на радиочастоте 13,56 МГц, используемой во всем мире для оборудования радиочастотного питания, продолжается ионная бомбардировка распыляемой мишени.
ВЧ-распыление предлагает несколько преимуществ в зависимости от вашего конкретного применения. ВЧ-плазма имеет тенденцию рассеиваться по всей камере, а не концентрироваться вокруг катода или материала мишени, как при распылении постоянным током.
Радиочастотное распыление может поддерживать плазму по всей камере при более низком давлении (1-15 мТорр). Результатом является меньшее количество столкновений ионизированного газа, что соответствует более эффективному нанесению материала покрытия на месте.
Поскольку при РЧ-распылении материал мишени «очищается» с каждым циклом от накопления заряда, это помогает уменьшить искрение. Возникновение дуги — это сильно сфокусированный и локальный разряд, исходящий из материала мишени или катода в плазму, что создает капли и проблемы с неравномерным осаждением пленки. Радиочастотное напыление значительно уменьшает накопление заряда в определенном месте на поверхности материала мишени, что приводит к искрам, создающим дугу, что вызывает многочисленные проблемы с контролем качества.
Радиочастотное напыление также уменьшает возникновение «эрозии гоночной дорожки» на поверхности материала мишени. При магнетронном распылении круговой рисунок вытравливается на поверхности материала мишени в результате того, что круговое магнитное поле магнетрона фокусирует заряженные частицы плазмы близко к поверхности мишени для распыления. Диаметр кругового узора является результатом действия магнитного поля.
При ВЧ-распылении ширина и глубина гоночной дорожки намного меньше из-за переменного характера ВЧ-разряда с электронами, менее удерживаемыми магнитным полем. Плазма распространяется больше, создавая более крупную, широкую и мелкую гоночную дорожку. Это обеспечивает лучшее, более равномерное и эффективное использование материалов целевого покрытия без глубокого травления «эрозии гоночной трассы».
Еще одним преимуществом ВЧ-распыления является отсутствие исчезающего анодного эффекта, когда покрываемая подложка становится изолированной и приобретает заряд, как при напылении постоянным током. Все поверхности приобретают заряд в плазме в результате того, что электроны движутся намного быстрее ионов из-за их меньшего размера и кинетической энергии.
Тем не менее, в результате модуляции мощности переменного тока на радиочастотах материал, на который наносится РЧ-распыление, не приобретает такого большого накопления заряда из-за того, что он разряжается каждые полпериода и становится изолированным, что со временем может в конечном итоге привести к до прекращения образования тонкой пленки. При РЧ-магнетронном распылении магнитное поле образует граничный «туннель», который захватывает электроны вблизи поверхности мишени, повышая эффективность образования ионов газа и ограничивая разряд плазмы. Таким образом, ВЧ-магнетронное распыление позволяет использовать более высокий ток при более низком давлении газа, что обеспечивает еще более высокую скорость осаждения.
Что такое радиочастотное распыление
Несмотря на то, что РЧ-распыление предлагает много очень привлекательных преимуществ в зависимости от типа материала, на который нужно нанести покрытие, необходимо учитывать несколько важных затрат. Поскольку при РЧ-распылении вместо постоянного тока используются радиоволны, скорость осаждения при РЧ-распылении значительно ниже и требуется значительно более высокое напряжение.
Радиоволны требуют гораздо более высокого напряжения для достижения тех же результатов осаждения, что и при постоянном токе, поэтому перегрев становится проблемой. Подача ВЧ-мощности сложна, для нее требуются дорогостоящие источники питания высокого напряжения. Требуется расширенная схема, которая может создать дополнительные проблемы с перегревом.
Другая проблема заключается в том, что ВЧ-токи проходят по «коже» или поверхности проводников, а не через них. Это означает, что специальные кабели/разъемы имеют решающее значение.
Еще одним важным соображением, которое необходимо учитывать при скорости высокочастотного распыления, является снижение скорости осаждения из-за отсутствия захвата вторичных электронов над мишенью, как при обычном магнетронном распылении для ионизации газа. При всех типах распыления плазма поддерживается за счет пробоя и ионизации инертного газа, такого как аргон, который наиболее широко используется из-за его большей массы по сравнению с другими инертными газами, гелием и неоном.
Изменяя ток на высокой радиочастоте, можно поддерживать плазму с гораздо более низким давлением из-за кинетической энергии, возникающей в результате ускорения и обращения электронов на достаточном расстоянии в плазме. Разница в массе между частицами ионизированного газа и электронами позволяет поддерживать плазму, не завися от захвата вторичных ионов над материалом мишени, как при обычном магнетронном распылении.
Однако это также приводит к более медленной скорости осаждения по сравнению с распылением постоянным током из-за отсутствия вторичных электронов над мишенью. Поскольку скорость осаждения при РЧ-напылении ниже, чем скорость напыления на постоянном токе, и затраты на электроэнергию намного выше, на практике это приводит к тому, что РЧ-напыление обычно используется на небольших подложках, подлежащих покрытию.
В то время как РЧ-напыление можно использовать для большинства типов тонкопленочных покрытий, оно стало предпочтительным методом осаждения тонких пленок для многих типов диэлектрических покрытий — изолирующих покрытий, которые не проводят ток и могут принимать поляризованный заряд. ВЧ-напыление лежит в основе полупроводниковой промышленности, производящей высокоизолирующие оксидные пленки между тонкопленочными слоями схем микрочипов, включая оксид алюминия, оксид кремния и оксид тантала.
Итак, как мы видим сейчас, напыление изоляционных материалов не может быть выполнено с питанием от постоянного тока. Такие материалы, как оксиды, нитриды и керамика, имеют очень большое сопротивление постоянному току и требуют чрезмерно высоких напряжений для воспламенения и поддержания плазмы. К счастью, импеданс этих материалов меняется в зависимости от частоты приложенной мощности. Используя мощность, подаваемую на радиочастотах (RF), и сеть автоматического согласования импеданса, общий импеданс схемы можно отрегулировать до 50 Ом, что подходит для зажигания плазмы в типичных условиях распыления.
Процесс радиочастотного (РЧ) распыления представляет собой эволюцию распыления постоянным током, направленную на устранение нежелательного накопления заряда, которое происходит с некоторыми материалами-мишенями для распыления. Это накопление заряда может быть очень разрушительным и может привести к проблемам с контролем качества во время формирования пленки.
ВЧ-распыление изменяет потенциал тока в вакуумной среде с помощью высоковольтного источника ВЧ. Этот переменный ток позволяет избежать накопления заряженных частиц плазмы и ионизации газа, фактически «очищая» накопление заряда после каждого цикла. Если в первом цикле используется отрицательно заряженный материал мишени, ионы ионизированного газа остаются на аноде в конце цикла.
В следующем цикле используется обратная поляризация для изменения заряда мишени и подложки, в результате чего положительно заряженные атомы распыляемого газа движутся к отрицательно заряженной подложке.
Основным недостатком ВЧ-распыления по сравнению с импульсным напылением постоянным током является значительно более низкая скорость осаждения и гораздо более высокая потребляемая мощность. Скорость осаждения можно улучшить с помощью сильного магнитного поля вдоль источника питания, чтобы удерживать заряженный плазменный разряд ближе к металлической поверхности мишени. Этот метод также потребляет много энергии, поэтому большинство источников питания RF могут обеспечить до 1000 В для генерации правильного сигнала.
Другим недостатком является то, что любой источник ВЧ-распыления нуждается в сети согласования импеданса между вакуумной камерой и оборудованием ВЧ-питания. Эта сеть предотвращает помехи от ВЧ-разряда, которые могут снизить общую скорость распыления.
Постоянный ток против РЧ-распыления
Напыление постоянным током является одним из нескольких методов магнетронного распыления. Другим является радиочастотное распыление или радиочастотное распыление.
Основное различие между этими двумя процессами заключается в их приложениях. Распыление постоянным током подходит для проводящих и магнитных материалов. Однако ВЧ-напыление может осаждать как проводящие, так и непроводящие материалы, такие как оксидные пленки.
Мощность постоянного тока также отличается от мощности ВЧ, влияя на напряжение за распыленными атомами. В то время как распыление постоянным током использует постоянное напряжение заряда, ВЧ-распыление чередует заряды, что требует более сложного и дорогого производственного процесса.
Хотя напыление постоянным током и радиочастотное напыление являются методами напыления, эти процессы по-разному влияют на морфологию материала их мишеней для напыления.
Одним из основных различий между напылением постоянным током и ВЧ является их источник питания. Как следует из названия, при напылении постоянным током в качестве источника питания используется постоянный ток. Между тем, ВЧ-распыление меняет свой электрический заряд, чтобы предотвратить накопление заряда на материале мишени.
ВЧ-распыление иногда называют распылением на переменном токе из-за переменного тока в ВЧ-источниках питания.
Распыление постоянным током также имеет более высокую скорость осаждения, чем распыление ВЧ. В то время как напыление на постоянном токе подходит для нанесения больших количеств на большие подложки, ВЧ-распыление более эффективно на меньших подложках.
Распыление постоянным током и радиочастотным напылением может наносить различные типы целевых материалов. В то время как напыление постоянным током может наносить электропроводящие материалы-мишени, метод ВЧ-напыления подходит для различных целей напыления, включая проводящие и непроводящие материалы.
Наконец, напыление постоянным током и радиочастотным напылением различаются по сложности и цене. Распыление на постоянном токе в целом более доступно, поскольку в нем используются менее специализированные процессы. ВЧ-распыление включает в себя более сложный процесс, но его универсальность и отличная продолжительность кампании компенсируют его высокую цену.
Обзор распыления постоянным током
• Источник питания относится к типу постоянного тока (DC).
• Давление в камере обычно составляет от 1 до 100 мТорр.
• Источник питания постоянного тока обычно предпочтительнее для электропроводящих целевых материалов, поскольку он эффективен и экономичен. Например, мишени для распыления чистого металла, железа (Fe), меди (Cu), никеля (Ni).
• Это простая техника при обработке большого количества больших материалов.
• Скорость осаждения высока для некоторых мишеней для распыления из чистого металла.
• Положительно заряженный газ для распыления ускоряется по направлению к мишени при распылении на постоянном токе, и выбрасываемые атомы осаждаются на подложках.
ВЧ распыление Rобзор
• Источником питания является переменный ток. Источник питания представляет собой высоковольтный ВЧ-источник, часто фиксируемый на частоте 13,56 МГц.
• Размах ВЧ-напряжения составляет 1000 В, а давление в камере составляет от 0,5 до 10 мТорр.
• ВЧ-распыление имеет более широкий спектр применения и подходит для всех материалов, как для проводящих, так и для непроводящих материалов. Однако чаще всего он используется для нанесения материалов-мишеней для диэлектрического распыления.
• Скорость осаждения ниже по сравнению с напылением постоянным током.
• Используется для подложек меньшего размера из-за высокой стоимости.
• ВЧ-распыление включает два процесса. В первом цикле материал мишени заряжается отрицательно. Это приводит к поляризации атомов, и атомы распыляющего газа притягиваются к источнику, где они выбивают внешние атомы.
Из-за поляризации исходные атомы и ионы ионизированного газа остаются на поверхности мишени.
• Во втором цикле мишень заряжается положительно. Из-за обратной поляризации это вызывает выброс ионов газа и исходных атомов. Эти ионы и атомы ускоряются по направлению к подложке, образуя отложения.
