Deposizione sputtering: Come funziona e dove si usa

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La risposta breve

La deposizione sputtering è un metodo PVD che utilizza ioni energetici per eliminare gli atomi da un bersaglio solido. Questi atomi viaggiano poi attraverso una camera a vuoto e si condensano su un substrato per formare un film sottile.

A differenza dell'evaporazione, che riscalda il materiale fino a trasformarlo in vapore, lo sputtering utilizza un processo fisico di trasferimento della quantità di moto, come una microscopica partita a palle da biliardo. Questa differenza conferisce allo sputtering vantaggi unici: migliore adesione, controllo preciso della composizione delle leghe e capacità di depositare materiali ad alto punto di fusione.

Se avete bisogno di film densi e ben aderenti da quasi tutti i materiali solidi - metalli, leghe, ceramiche o semiconduttori - lo sputtering è probabilmente la scelta giusta.

Schema del processo di deposizione per sputtering. Martins, R.M.S.. (2008). Studi di diffrazione di raggi X in situ durante la crescita di film di lega a memoria di forma Ni-Ti e loro caratterizzazione complementare ex-situ.

Come funziona lo sputtering

La parola "sputtering" descrive il processo fisico. Ecco cosa succede passo dopo passo.

Fase 1: creazione di un plasma. Una camera a vuoto viene riempita con una piccola quantità di gas inerte, quasi sempre argon. Un'alta tensione applicata tra un bersaglio (catodo) e le pareti della camera o il supporto del substrato (anodo) ionizza il gas argon, creando un plasma.

Fase 2: accelerazione degli ioni. Gli ioni di argon con carica positiva sono attratti dal bersaglio con carica negativa. La differenza di tensione li accelera.

Fase 3: Sciogliere gli atomi. Quando uno ione di argon colpisce la superficie del bersaglio, trasferisce la sua quantità di moto. Se il trasferimento è sufficientemente grande, un atomo del bersaglio viene espulso. Uno ione in arrivo può far fuoriuscire più atomi bersaglio attraverso una cascata di collisioni.

Fase 4: trasporto attraverso il vuoto. Gli atomi del bersaglio espulsi viaggiano attraverso la camera a vuoto. Alle pressioni tipiche dello sputtering (pochi millitorri), viaggiano in linee quasi rette con poche collisioni di gas.

Fase 5: condensazione sul substrato. Gli atomi raggiungono il substrato e si condensano per formare un film sottile. L'energia degli atomi in arrivo, molto più elevata rispetto all'evaporazione, li aiuta a muoversi sulla superficie e a formare film densi e ben aderenti.

Questo è lo sputtering. Nessuna fusione. Nessuna evaporazione. Solo atomi liberati dall'impatto degli ioni.

Un modo semplice di pensare

Immaginate una palla da biliardo (uno ione di argon) che sbatte contro una rastrelliera di palline strettamente impacchettate (la superficie di destinazione). L'impatto fa volare diverse palline in direzioni diverse. Alcune di queste palline atterrano sul substrato.

Lo sputtering è un trasferimento di quantità di moto, non un'evaporazione termica. Questo è il motivo per cui è possibile spruzzare materiali che fondono a 3.000°C: non è mai necessario fonderli.

Sputtering vs. evaporazione: Le differenze principali

Questi due metodi PVD vengono spesso messi a confronto. Ecco le differenze pratiche.

L'energia di arrivo più elevata nello sputtering è il vantaggio principale. Gli atomi energetici possono riorganizzarsi sulla superficie del substrato, riempire i vuoti e formare film più densi con una migliore adesione.

Il compromesso è la complessità. Lo sputtering richiede la generazione di plasma e la gestione del target. L'evaporazione richiede solo un crogiolo caldo.

Tipi di sputtering

Lo sputtering non è una sola tecnica. È una famiglia. La serie PVD Basics tratta ciascuna di esse in articoli separati.

Se siete alle prime armi con lo sputtering, iniziate con il magnetron sputtering (trattato separatamente in questa serie). È il metodo di produzione più comune. Poi imparate a conoscere le alimentazioni in corrente continua e in radiofrequenza, che determinano i materiali che potete depositare.

Cosa influisce sulla qualità del film nello sputtering

Purezza del target: una minore purezza significa più impurità nel film. Per i semiconduttori è necessario il 99,95% o più. Per i rivestimenti decorativi, va bene il 99,9%.

Densità del bersaglio: un bersaglio denso produce una polverizzazione pulita. Un target poroso emette gas, archi e genera particelle. Non acquistare mai un bersaglio a bassa densità per lavori critici.

Pressione di base: la pressione prima di introdurre l'argon. Una pressione di base più alta significa una maggiore quantità di vapore acqueo e aria residua nella camera, che può ossidare la pellicola o causare contaminazione. Puntare a 10-⁶ Torr o superiore.

Pressione di sputtering: l' intervallo tipico va da 2 a 20 mTorr. Una pressione più bassa produce meno collisioni di gas e una deposizione più direzionale. Una pressione più elevata produce una maggiore dispersione e può migliorare l'uniformità a scapito della velocità.

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

Applicazioni comuni

Semiconduttori:gli strati metallici (Al, Cu, Ti, Ta) e le barriere di diffusione (TiN, TaN) sono sottoposti a sputtering. Lo sputtering domina la deposizione di metalli front-end e back-end nella produzione di chip.

Unità disco: gli strati di registrazione magnetica e le strutture delle testine di lettura/scrittura sono sottoposti a sputtering. Si tratta di una delle applicazioni di sputtering di maggior volume.

Rivestimenti ottici.Rivestimenti antiriflesso , specchi e filtri utilizzano lo sputtering quando sono richieste alta densità e durata.

Rivestimenti decorativi. L' oro , il nero e altre finiture colorate su orologi, rubinetti e finiture automobilistiche sono spesso sottoposti a sputtering.

Celle solari. Gliossidi conduttivi trasparenti e i contatti metallici delle celle solari a film sottile utilizzano lo sputtering.

Rivestimenti per utensili. I rivestimenti TiN, AlTiN e CrN sugli utensili da taglio possono essere applicati per sputtering, ma è comune anche l'evaporazione ad arco.

Quando scegliere lo sputtering

Scegliere lo sputtering quando:

• Avete bisogno di pellicole dense e ben aderenti
• Il materiale ha un punto di fusione elevato (tungsteno, tantalio, platino).
• Avete bisogno di un controllo preciso della composizione delle leghe
• Il vostro substrato non tollera le alte temperature
• Avete bisogno di film uniformi su ampie superfici

Scegliete l'evaporazione quando

• Avete bisogno della massima purezza possibile (nessuna impurità del plasma o del bersaglio)
• Il vostro materiale ha un basso punto di fusione (alluminio, oro, argento)
• Si desidera un sistema il più semplice possibile
• Il riscaldamento del substrato è un problema importante

Limitazioni da conoscere

Deposizione in linea di vista. Lo sputtering, come l'evaporazione, è in linea di vista. Non riveste bene i lati di fori profondi o di forme 3D complesse. Per queste applicazioni, si consiglia di prendere in considerazione la deposizione CVD.

L'utilizzo del target è scarso nei sistemi planari: il modello di erosione a pista spreca il 65-75% del target. I target rotanti migliorano questo aspetto, ma costano di più.

La generazione di particelle è un rischio: l 'arco elettrico , i difetti del target o lo sfaldamento degli schermi possono produrre particelle che causano difetti. Questa è una battaglia costante nello sputtering dei semiconduttori.

Gli isolanti richiedono potenza RF. Non è possibile eseguire lo sputtering in corrente continua di un isolante. È necessaria l'alimentazione a radiofrequenza, che è più lenta e richiede l'adattamento dell'impedenza.

In conclusione

La deposizione per sputtering è un metodo PVD versatile e collaudato. Funziona con quasi tutti i materiali solidi, produce film densi con un'eccellente adesione e può essere utilizzato dalla ricerca alla produzione in grandi volumi.

I limiti principali sono la deposizione in linea di vista e lo scarso utilizzo del target nei sistemi planari. Per molte applicazioni, questi sono compromessi accettabili per la qualità del film e la flessibilità del materiale che lo sputtering offre.

Se state decidendo tra sputtering ed evaporazione, ponetevi due domande: il vostro materiale ha un punto di fusione elevato e avete bisogno di film densi? In caso affermativo, la risposta è probabilmente lo sputtering.

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