Sputtering di magnetron: Il metodo PVD più comune

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La risposta breve

Il magnetron sputtering è il metodo PVD più utilizzato negli ambienti di produzione. Funziona creando un plasma in prossimità di un materiale target (la sorgente), quindi utilizzando dei magneti per intrappolare gli elettroni vicino alla superficie del target. Questo rende il plasma più denso, consentendo la deposizione a pressioni più basse e a tassi più elevati rispetto al semplice sputtering.

Se lavorate nella produzione di semiconduttori, nella produzione di rivestimenti ottici o in applicazioni di rivestimento duro, avete quasi certamente utilizzato lo sputtering magnetronico.

Come funziona

Il magnetron sputtering si basa sullo sputtering di base con un'aggiunta fondamentale: i magneti.

Sputtering di base (senza magneti): si applica un'alta tensione tra un bersaglio (catodo) e il substrato (anodo) in un ambiente gassoso a bassa pressione, solitamente argon. La tensione ionizza il gas argon. Gli ioni positivi dell'argon accelerano verso il bersaglio con carica negativa e fanno cadere gli atomi dalla sua superficie. Questi atomi si spostano sul substrato e formano un film sottile.

Il problema: la maggior parte degli elettroni rilasciati dal bersaglio fuoriesce immediatamente. Il plasma rimane debole. I tassi di deposizione sono bassi.

Il magnetron sputtering aggiunge i magneti: un forte array di magneti dietro il bersaglio crea un campo magnetico che intrappola gli elettroni vicino alla superficie del bersaglio. Gli elettroni intrappolati ionizzano più atomi di argon. Più ioni di argon colpiscono il bersaglio. Un maggior numero di atomi del bersaglio viene liberato.

Il risultato: i tassi di deposizione aumentano di un fattore da 10 a 100 rispetto al semplice sputtering. È inoltre possibile operare a pressioni più basse, fino a 10^-3 Torr invece di 10^-1 Torr, il che significa meno collisioni di gas e film più puliti.

Gupta, Jyothi & Shaik, Habibuddin & Kumar, Kilari. (2021). Una revisione sull'importanza della porosità nei film sottili di ossido di tungsteno per l'elettrocromismo. Ionics. 27. 1-28. 10.1007/s11581-021-04035-8.

Il problema della traccia di erosione

Il campo magnetico non è uniforme. È più forte in un anello chiuso sulla superficie del bersaglio. Gli elettroni vi rimangono intrappolati. Il plasma si concentra lì. Lì avviene l'erosione.

Questo crea un caratteristico racetrack, unsolco di erosione a forma di anello sulla superficie del bersaglio.

Cosa significa questo per voi:

• L'utilizzo del bersaglio è limitato. Un tipico bersaglio magnetronico planare utilizza solo il 25-35% del materiale prima che l'erosione raggiunga la piastra di supporto.
• Il resto del target non viene toccato. Lo si butta via.
• Questo è il principale svantaggio dello sputtering magnetronico. I target rotanti risolvono questo problema, ma comportano dei compromessi.

Parametri chiave che contano

Se state progettando o gestendo un sistema di sputtering magnetronico, questi sono i parametri che dovete controllare.

Tipo di alimentazione: l' alimentazione in corrente continua funziona per i target conduttivi (metalli). L'alimentazione a radiofrequenza funziona per gli obiettivi isolanti (ceramiche, ossidi). La corrente continua pulsata è un compromesso che funziona per lo sputtering reattivo. A ciascuno di essi è dedicato un articolo in questa serie.

Pressione. La pressione operativa tipica per lo sputtering con magnetron è compresa tra 2 e 20 mTorr. Una pressione più bassa produce meno collisioni di gas e film più densi, ma una deposizione più lenta. Una pressione più elevata provoca una maggiore dispersione e una deposizione meno direzionale.

Materiale del bersaglio: la purezza, la granulometria e la densità influiscono sulla qualità del film. Un bersaglio poroso sputa particelle. Un target a grana grossa erode in modo non uniforme.

Bias del substrato. L'applicazione di una tensione negativa al substrato attira ioni positivi durante la deposizione. Questo addensa il film e migliora l'adesione, ma può anche aumentare lo stress del film.

Vantaggi del magnetron sputtering

Alta velocità di deposizione. Il confinamento magnetico rende lo sputtering magnetronico molto più veloce di altri metodi di sputtering.

Basso riscaldamento del substrato: la maggior parte dell'energia rimane nel plasma vicino al bersaglio, non nel substrato. È possibile depositare film su materiali sensibili alla temperatura, come la plastica.

Buona adesione. Gliatomi sputati arrivano con un'energia superiore a quella degli atomi evaporati, il che significa una migliore adesione del film.

Scalabile: il magnetron sputtering è adatto a piccoli campioni di ricerca e a grandi produzioni. La lunghezza dei singoli target varia da 1 pollice a 3 metri.

Film di leghe e composti: è possibile effettuare lo sputtering da bersagli in lega e ottenere la stessa composizione nel film. È inoltre possibile introdurre gas reattivi (ossigeno, azoto) per formare ossidi o nitruri.

Limitazioni

L'utilizzo del target è scarso: l'effetto pista spreca la maggior parte del target. Questa è la principale lamentela nei confronti dello sputtering magnetronico planare.

Deposizione in linea di vista. Come tutti i metodi PVD, lo sputtering magnetronico è un processo a vista. Non è in grado di rivestire efficacemente i lati posteriori di forme complesse o le trincee profonde.

Generazione di particelle: l' arco o i difetti del bersaglio possono generare particelle che finiscono sul substrato e causano difetti. Si tratta di un problema importante nella produzione di semiconduttori.

Gli obiettivi isolanti richiedono RF. Non è possibile eseguire lo sputtering in corrente continua di un isolante. È necessaria l'alimentazione a radiofrequenza, che è più costosa e meno efficiente.

Applicazioni comuni

Semiconduttori: il magnetron sputtering deposita strati metallici (alluminio, rame, titanio, tantalio) e barriere di diffusione (TiN, TaN) nella produzione di chip.

Rivestimenti ottici. Irivestimenti antiriflesso , gli specchi e i filtri sono spesso prodotti mediante sputtering magnetronico grazie alla densità del film e al controllo dello spessore.

Rivestimenti duri. I rivestimenti TiN, CrN e DLC su utensili da taglio e stampi sono applicati mediante sputtering magnetronico.

Rivestimenti decorativi: l'oro, il nero e i colori dell'arcobaleno sulle casse degli orologi, sulle rubinetterie e sulle finiture delle automobili sono spesso sottoposti a sputtering magnetronico.

Celle solari. Gli ossidi conduttivi trasparenti (ITO, AZO) e i contatti metallici delle celle solari a film sottile sono sottoposti a sputtering magnetronico.

Sputtering di magnetron rispetto ad altri metodi PVD

Per gli ambienti di produzione in cui la velocità è importante, lo sputtering con magnetron è vincente. Per la ricerca o le applicazioni che richiedono film estremamente lisci e privi di particelle, lo sputtering a fascio ionico può essere migliore, ma molto più lento.

In conclusione

Lo sputtering magnetronico è il metodo PVD predefinito per un motivo. È veloce, versatile e funziona su tutto, dai wafer di ricerca da 2 pollici ai pannelli di vetro architettonico da 3 metri.

Il principale inconveniente, ossia lo scarso utilizzo del target, è un costo reale. Ma per la maggior parte delle applicazioni di produzione, la velocità e la qualità del film giustificano lo spreco. Se l'utilizzo del target è la vostra preoccupazione principale, prendete in considerazione i target rotanti (trattati in un articolo a parte).

Altrimenti, iniziate da qui. Lo sputtering magnetronico è il metodo PVD più comune perché per la maggior parte dei lavori è semplicemente lo strumento giusto.

Fornito da Stanford Advanced Materials, fornitore di target di sputtering e materiali per l'evaporazione.