MAGNETRON SPUTTERING – PULVERIZARE MAGNETRON Una din cele mai bune tehnici de depunere a filmelor metalice si dielectrice prin metoda PVD (Physical Vapor Deposition ATENTIE: nu PLASMA Vapor Deposition). NOTA: Magnetronul folosit in PVD nu are nici o legatura cu tubul generator de microunde cu acelasi nume.
PRINCIPIUL DEPUNERII PRIN PULVERIZARE Dispozitive de pulverizarea tip dioda ( doi electrozi: anod si catod) Substratul (nu neaparat conductiv)- adica obiectul ce va fi acoperit (coated), si tinta (catodul)- facuta din materialul cu care se va realize acoperirea, sunt introduse (nu neaparat fata in fata) in o incinta de vid. Aceasta este vidata (cat mai jos posibil, tipic 10-5 mbar) si apoi umpluta cu un gaz de proces (Argon) la o presiune tipica de 0,1 Torr. Prin ionizarea gazului de locru (in curent continuu sau radiofrecventa – 13,56MHz fiind tipic folosita in procese industriale) se va genera plasma in volumul dintre anod si catod. Ionii de Ar+ sunt atrasi puternic de catod si, prin un proces asemanator ciocnirii mingilor de biliard in un spatiu limitat, vor extrage atomi din tinta. Datorita plasarii substratului in imediata vecinatate a tintei, un mare numar de atomi/molecule imprastiate vor ajunge la acesta si, evident, oriunde in incinta de vid. Scopul este ca materialul imprastiat sa ajunga cu energie suficienta la substrat astfel incat sa se formeze filme subtiri, cu o buna aderenta la substrat, si cu proprietatile fizice sau chimice dorite.
Principiul iprastierii atomilor din o tinta prin ciocnirea cu un ion incident
Depunerea de filme subtiri prin pulverizare in dispozitive tip dioda
Dezavantaj: in pulverizarea tip dioda clasica, nu toti electronii care ies din tinta contribuie la ionizarea plasmei: o parte dintre ei zboara prin camera producand radiatie electromagnetica si alte probleme, cum ar fi incalzirea substratului.
1
Solutie: Depunerea prin pulverizare magnetron. Ideea este ca electronii emisi de tinta sa fie confinati (tinuti fortat) in apropierea acesteia In pulverizare magnetron, se aplica un camp magnetic in imediata apropiere a catodului, liniile acestuia fiind paralele cu catodul in interiorul plasmei. Electronii din descarcare prezinta in acest caz miscarea cicloidala tipica, centrul orbitei deplasandu-se in directia ExB cu viteza de drift E/B, unde E si B sunt intensitatea campului electric, respectiv magnetic aplicat. Campul magnetic este orientat astfel incat miscarea de drift sa se execute pe o traiectorie inchisa. Confinarea electronilor determina o rata de ionizare a atomilor de Ar mult marita, curentul ionic (format de ionii Ar+ care lovesc tinta) fiind cu un ordin de marime mai mare decat in cazul pulverizarii tip dioda clasica. Aceasta permite lucrul la presiuni mult mai joase, de pana la 10-4Torr (tipic insa 10-2Torr), ceea ce determina perturbarea mult mai mica a particulelor pulverizarii in drumul lor catre substrat, si in consecinta o rata de depunere mai mare si o mai buna uniformitate a filmelor.
De notat eroziunea accentuata a tintei in zona de confinare a electronilor.
2
Zona de confinare a electronilor se observa in plasma ca un inel luminos in imediata vecinatate a tintei.
Rata de depunere, structura si uniformitatea filmelor depend puternic de : - eficienta de pulverizare a materialului tintei. De exemplu, considerand o rata de pulverizare unitara pentru Cu (la fel de bine ptr alt material) Relative Sputtering Rates Table Ag
2.16 C
Al
0.73 Cr 0.60 Ni
0.65 Ti 0.38
Al203 0.15 Cu 1.00 Si
0.39 Zr 0.65
Au
0.05 Mo
0.53 Ta 0.43
-
1.76 Mg 0.26 SiO2 0.45 W 0.39 puterea electrica aplicata si tipul acesteia (DC sau RF)
-
pozitionarea substratului
-
temperatura substratului
-
gradul de erodare a tintei
-
pozitia anodului (de notat ecranele pentru directionarea plasmei perpendicular pe tinta)
-
presiunea de lucru
-
permeabilitatea magnetica a tintei
-
configuratia magnetronului (planar, cilindric)
NOTA: prin introducerea in incinta de vid a unui gaz reactiv (N2, O2, etc) se pot depune diversi compusi (oxizi, nitruri). Acest lucru se poate realiza doar in atmosfera de Ar daca
3
se folosesc tinte din compusii doriti a se depune; evident ca in acest caz se va lucra doar in RF.
EXEMPLE DE MAGNETROANE COMERCIALE:
Magnetron planar cu tinta disc de 2 inch; ecranul de stingere laterala a plasmei se monteaza ca o cupa in jurul catodului, venind in contact electric cu anodul. Se evita astfel aprinderea plasmei intre catod si peretii incintei de vid
DOMENII DE UTILIZARE: COMPONENTE OPTICE: -
depunere de filme cu proprietati optice : oglinzi metalice din Au, Cu, Ag, Al dar si din dielectric , straturi antireflex pentru diverse componente optice, etc.
INDUSTRIA ELECTRONICA ( aproape orice componenta electronica are unul sau mai
multe
straturi
prelucrate
prin
depunere
magnetron):
in
tehnica
microprocesoarelor, memorii RAM, electronica GaAs, suprafetele platanelor de hard disk, electrozi transparenti pentru ecranele plate, dispozitive micromecanice (MEMS), etc. INDUSTRIE: Durificarea sculelor aschietoare (acoperiri cu TiB2), a sapelor de foraj, etc CERCETARE: materiale nanocompozite, contacte electrice pentru diverse filme, etc
Cuvinte cheie www: magnetron sputtering, sputtering deposition, reactive sputtering deposition
4
