Püskürtme biriktirme - Sputter deposition
Püskürtme biriktirme , püskürtme yoluyla ince film biriktirme için fiziksel bir buhar biriktirme (PVD) yöntemidir . Bu, bir kaynak olan bir "hedeften" malzemenin, bir silikon gofret gibi bir "alt tabaka" üzerine çıkarılmasını içerir . Püskürtme, biriktirme işlemi sırasında biriken malzemenin iyon veya atom bombardımanı ile yeniden yayımlanmasıdır . Hedeften püskürtülen atomlar, tipik olarak onlarca eV'ye (100.000 K ) kadar geniş bir enerji dağılımına sahiptir . Püskürtülen iyonlar (tipik olarak, püskürtülen parçacıkların sadece küçük bir kısmı iyonize edilir - yüzde 1 civarında) hedeften düz çizgiler halinde balistik olarak uçabilir ve substratlara veya vakum odasına enerjik olarak çarpabilir (püskürtmeye neden olur). Alternatif olarak, daha yüksek gaz basınçlarında, iyonlar, moderatör olarak hareket eden ve difüzyonla hareket eden, substratlara veya vakum odası duvarına ulaşan ve rastgele bir yürüyüş yaptıktan sonra yoğunlaşan gaz atomlarıyla çarpışır . Yüksek enerjili balistik darbeden düşük enerjili termal harekete kadar tüm aralığa, arka plan gaz basıncını değiştirerek erişilebilir. Püskürtme gazı genellikle argon gibi bir soy gazdır . Etkili momentum transferi için, püskürtülen gazın atom ağırlığı hedefin atom ağırlığına yakın olmalıdır , bu nedenle hafif elementleri püskürtmek için neon tercih edilirken ağır elementler için kripton veya ksenon kullanılır. Reaktif gazlar ayrıca bileşikleri püskürtmek için kullanılabilir. Bileşik, proses parametrelerine bağlı olarak hedef yüzeyde, uçuş sırasında veya substrat üzerinde oluşturulabilir. Püskürtme birikimini kontrol eden birçok parametrenin mevcudiyeti onu karmaşık bir süreç haline getirir, ancak aynı zamanda uzmanlara filmin büyümesi ve mikro yapısı üzerinde büyük ölçüde kontrol sağlar.
kullanır
Hala en önemli uygulamalarından biri olan püskürtme biriktirmenin en erken yaygın ticari uygulamalarından biri bilgisayar sabit disklerinin üretimindedir . Püskürtme, yarı iletken endüstrisinde, entegre devre işlemede çeşitli malzemelerin ince filmlerini biriktirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır . Optik uygulamalar için cam üzerindeki ince yansıma önleyici kaplamalar da püskürtme ile biriktirilir. Kullanılan düşük alt tabaka sıcaklıkları nedeniyle, püskürtme, ince film transistörler için temas metallerini biriktirmek için ideal bir yöntemdir . Püskürtmenin bir başka bilinen uygulaması, çift camlı pencere düzeneklerinde kullanılan cam üzerine düşük emisyonlu kaplamalardır . Kaplama, gümüş ve çinko oksit , kalay oksit veya titanyum dioksit gibi metal oksitler içeren çok katmanlıdır . Titanyum nitrür gibi püskürtülmüş nitrürler kullanılarak alet ucu kaplaması etrafında büyük bir endüstri gelişti ve tanıdık altın renkli sert kaplamayı yarattı. Püskürtme ayrıca CD'lerin ve DVD'lerin üretimi sırasında metal (örneğin alüminyum) tabakayı biriktirme işlemi olarak da kullanılır.
Sabit disk yüzeylerinde püskürtmeli CrO x ve diğer püskürtmeli malzemeler kullanılır. Püskürtme, optik dalga kılavuzları üretmenin ana süreçlerinden biridir ve verimli fotovoltaik güneş pilleri üretmenin başka bir yoludur .
püskürtme kaplama
İçinde kaplama Sputter tarama elektron mikroskopisi gibi bir materyali, tipik olarak bir metal, iletken ince bir tabaka ile bir örnek karşılamak için bir püskürtme bırakma işlemidir altın / paladyum (Au / Pd) alaşımı. Bir numunenin geleneksel SEM modunda (yüksek vakum, yüksek voltaj) bir elektron ışını ile yüklenmesini önlemek için iletken bir kaplama gereklidir. Metal kaplamalar, sinyal-gürültü oranını artırmak için de yararlı olsa da (ağır metaller iyi ikincil elektron yayıcılardır), X-ışını spektroskopisi kullanıldığında daha düşük kalitededirler . Bu nedenle X-ışını spektroskopisi kullanılırken bir karbon kaplama tercih edilir.
Diğer biriktirme yöntemleriyle karşılaştırma
Püskürtme biriktirmenin önemli bir avantajı, çok yüksek erime noktalarına sahip materyallerin bile kolayca püskürtülebilmesi ve bu materyallerin bir dirençli buharlaştırıcıda veya Knudsen hücresinde buharlaşmasının sorunlu veya imkansız olmasıdır. Püskürtmeyle biriktirilen filmler, kaynak malzemenin bileşimine yakın bir bileşime sahiptir. Fark, farklı kütleleri nedeniyle farklı şekilde yayılan farklı elementlerden kaynaklanmaktadır (hafif elementler gaz tarafından daha kolay saptırılır) ancak bu fark sabittir. Püskürtülmüş filmler, tipik olarak, alt tabaka üzerinde buharlaştırılmış filmlerden daha iyi bir yapışmaya sahiptir . Bir hedef büyük miktarda malzeme içerir ve bakım gerektirmez, bu da tekniği ultra yüksek vakum uygulamalarına uygun hale getirir. Püskürtme kaynakları sıcak parçalar içermez (ısıtmayı önlemek için tipik olarak su ile soğutulurlar) ve oksijen gibi reaktif gazlarla uyumludur. Püskürtme yukarıdan aşağıya yapılabilirken, buharlaştırma aşağıdan yukarıya yapılmalıdır. Epitaksiyel büyüme gibi ileri süreçler mümkündür.
Püskürtme işleminin bazı dezavantajları, işlemin filmin yapılandırılması için bir kaldırma ile birleştirilmesinin daha zor olmasıdır . Bunun nedeni, püskürtmenin özelliği olan yaygın taşımanın tam bir gölgeyi imkansız hale getirmesidir. Bu nedenle, atomların nereye gittiği tam olarak kısıtlanamaz, bu da kontaminasyon sorunlarına yol açabilir. Ayrıca, katman katman büyüme için aktif kontrol, darbeli lazer biriktirme ile karşılaştırıldığında zordur ve büyüyen filme safsızlıklar olarak inert püskürtme gazları yerleştirilmiştir . Darbeli lazer biriktirme , püskürtme için bir lazer ışınının kullanıldığı püskürtme biriktirme tekniğinin bir çeşididir . Püskürtülen ve püskürtülen iyonların ve arka plan gazının rolü, darbeli lazer biriktirme işlemi sırasında tam olarak araştırılır.
Püskürtme biriktirme türleri
Püskürtme kaynakları genellikle , püskürtme hedefinin yüzeyine yakın yüklü plazma parçacıklarını sınırlamak için güçlü elektrik ve manyetik alanlar kullanan magnetronlar kullanır. Bir manyetik alanda, elektronlar manyetik alan çizgileri etrafında sarmal yollar izlerler ve hedef yüzeyin yakınında gaz halindeki nötrlerle aksi halde meydana gelebilecek olandan daha fazla iyonlaştırıcı çarpışmalar geçirirler. (Hedef malzeme tükendiğinde, hedefin yüzeyinde bir "yarış pisti" erozyon profili görünebilir.) Püskürtme gazı tipik olarak argon gibi bir soy gazdır. Bu çarpışmalar sonucunda oluşan ekstra argon iyonları, daha yüksek bir çökelme hızına yol açar. Plazma da daha düşük bir basınçta bu şekilde de sürekli olabilir. Saçılan atomlar nötr yüklüdür ve bu nedenle manyetik tuzaktan etkilenmezler. Anot-katot önyargısının işaretinin yüksek oranda değiştiği (genellikle 13.56 MHz ) RF püskürtme kullanımıyla, yalıtkan hedefler üzerinde yük birikmesi önlenebilir . RF püskürtme, yüksek oranda yalıtkan oksit filmler üretmek için iyi çalışır, ancak RF güç kaynakları ve empedans eşleştirme ağlarının ek maliyeti ile . Ferromanyetik hedeflerden sızan başıboş manyetik alanlar da püskürtme sürecini bozar. Alışılmadık derecede güçlü kalıcı mıknatıslara sahip özel olarak tasarlanmış püskürtme tabancaları, genellikle tazminatta kullanılmalıdır.
İyon ışını püskürtme
İyon demeti püskürtme (IBS), hedefin iyon kaynağının dışında olduğu bir yöntemdir . Bir kaynak, sıcak filament iyonizasyon ölçerdeki gibi herhangi bir manyetik alan olmadan çalışabilir . Bir Kaufman kaynağında iyonlar, bir magnetronda olduğu gibi bir manyetik alan tarafından sınırlandırılmış elektronlarla çarpışmalar yoluyla üretilir. Daha sonra bir ızgaradan bir hedefe doğru yayılan elektrik alanı tarafından hızlandırılırlar. İyonlar kaynağı terk ederken, ikinci bir dış filamentten elektronlar tarafından nötralize edilirler. IBS, iyonların enerjisinin ve akışının bağımsız olarak kontrol edilebilmesi açısından bir avantaja sahiptir. Hedefe çarpan akı nötr atomlardan oluştuğu için, hem yalıtkan hem de iletken hedefler püskürtülebilir. IBS, disk sürücüleri için ince film kafalarının imalatında uygulama bulmuştur . İyon kaynağı ve numune haznesi arasında bir basınç gradyanı, gaz girişinin kaynağa yerleştirilmesi ve bir tüp içinden numune haznesine ateş edilmesiyle oluşturulur. Bu, UHV uygulamalarında gaz tasarrufu sağlar ve kontaminasyonu azaltır . IBS'nin başlıca dezavantajı, iyon kaynağını çalışır durumda tutmak için gereken büyük miktarda bakımdır.
reaktif püskürtme
Reaktif püskürtmede, hedef materyalden püskürtülen parçacıklar, belirli bir substrat üzerinde farklı bileşime sahip bir film biriktirmeyi amaçlayan kimyasal bir reaksiyona girer. Parçacıkların maruz kaldığı kimyasal reaksiyon, sırasıyla oksit ve nitrür filmlerinin üretimini sağlayan oksijen veya nitrojen gibi püskürtme odasına verilen reaktif bir gazla gerçekleşir. Prosese ilave bir unsurun, yani reaktif gazın eklenmesi, istenen birikimlerde önemli bir etkiye sahiptir ve ideal çalışma noktalarının bulunmasını zorlaştırır. Bunun gibi, reaktif bazlı püskürtme proseslerinin büyük çoğunluğu histerezis benzeri bir davranışla karakterize edilir, bu nedenle ilgili parametrelerin, örneğin, çalışma (veya inert) ve reaktif gazların kısmi basıncı, onu zayıflatmak için uygun şekilde kontrol edilmesini gerektirir. Berg et al. Sputtering proseslerinde reaktif gazın eklenmesi üzerindeki etkiyi tahmin etmek için önemli bir model, yani Berg Modeli önerdi. Genel olarak, reaktif gazın nispi basıncının ve akışının etkisi, hedefin erozyonu ve filmin istenen substrat üzerinde birikme hızına göre tahmin edildi. Filmin bileşimi, inert ve reaktif gazların nispi basınçları değiştirilerek kontrol edilebilir. Film stoikiyometrisi SİN stres gibi fonksiyonel özelliklere optimize etmek için önemli bir parametredir x ve SiO kırılma indeksi x .
iyon destekli biriktirme
İyon destekli biriktirmede (IAD), alt tabaka, püskürtme tabancasından daha düşük bir güçte çalışan ikincil bir iyon ışınına maruz bırakılır. Genellikle IBS'de kullanılana benzer bir Kaufman kaynağı ikincil ışını sağlar. IAD biriktirilmesi için kullanılabilir karbon içinde elmas benzeri bir alt-tabaka üzerinde formu. Elmas kristal kafes içinde düzgün bir şekilde bağlanamayan substrat üzerine inen herhangi bir karbon atomu, ikincil ışın tarafından nakavt edilecektir. NASA, bu tekniği 1980'lerde türbin kanatlarına elmas filmler yerleştirmeyi denemek için kullandı . IAD, sabit disk plakalarında tetrahedral amorf karbon yüzey kaplamaları oluşturma ve tıbbi implantlarda sert geçiş metal nitrür kaplamaları oluşturma gibi diğer önemli endüstriyel uygulamalarda kullanılır .
Yüksek hedef kullanımlı püskürtme (HiTUS)
Püskürtme, yüksek yoğunluklu bir plazmanın uzaktan üretilmesiyle de gerçekleştirilebilir. Plazma , hedef içeren ve ana işlem odasına bir yan bölmesi açıklığı oluşturulur alt-tabaka kaplanacak olan. Plazma, hedefin kendisinden değil (geleneksel magnetron püskürtmede olduğu gibi) uzaktan üretildiğinden, hedefe giden iyon akımı, hedefe uygulanan voltajdan bağımsızdır.
Yüksek güçlü dürtü magnetron püskürtme (HiPIMS)
HiPIMS, magnetron püskürtmeli biriktirmeye dayanan ince filmlerin fiziksel buhar biriktirme yöntemidir. HiPIMS kW / cm gibi aşırı yüksek güç yoğunlukları kullanmaktadır 2 <% 10 düşük görev devrinde mikro onlarca kısa darbeler (impulse) içerisinde.
Gaz akışı püskürtme
Gaz akışı püskürtme, içi boş katot lambalarının çalıştığı aynı etki olan içi boş katot etkisini kullanır . Gaz akışı püskürtmede, argon gibi çalışan bir gaz , negatif elektrik potansiyeline maruz kalan bir metaldeki bir açıklıktan geçirilir. Odadaki basınç p ve oyuk katodun karakteristik L boyutu Paschen yasasına uyarsa, oyuk katotta gelişmiş plazma yoğunlukları meydana gelir. 0,5 Pa·m < p · L < 5 Pa·m. Bu, çevreleyen yüzeylerde yüksek bir iyon akışına ve büyük bir püskürtme etkisine neden olur. Oyuk katot bazlı gaz akışı püskürtme, bu nedenle, birkaç µm/dk'lık değerlere kadar büyük birikim oranlarıyla ilişkilendirilebilir.
Yapı ve morfoloji
1974'te JA Thornton, ince film morfolojilerinin tanımı için yapı bölgesi modelini püskürtme biriktirme için uyguladı . DC püskürtme ile hazırlanan metalik katmanlar üzerine yaptığı bir çalışmada, ilk olarak Movchan ve Demchishin tarafından buharlaştırılmış filmler için tanıtılan yapı bölgesi konseptini genişletti . Thornton, düşük argon basınçlarında gözlemlenen ve yoğun şekilde paketlenmiş lifli taneler ile karakterize edilen bir başka yapı bölgesi T'yi tanıttı. Bu uzantının en önemli noktası, p basıncını belirleyici bir süreç parametresi olarak vurgulamaktı . Özellikle, kaynak atomların süblimleştirilmesi için püskürtme vb. gibi hipertermal teknikler kullanılıyorsa , basınç , büyüyen filmin yüzeyine çarptıkları enerji dağılımını ortalama serbest yol aracılığıyla yönetir . Bir biriktirme işlemi düşünülürken , biriktirme sıcaklığı T d' nin yanında hazne basıncı veya ortalama serbest yol bu nedenle her zaman belirtilmelidir.
Püskürtme birikimi plazma destekli işlemler grubuna ait olduğundan, nötr atomların yanında (argon iyonları gibi) yüklü türler de büyüyen filmin yüzeyine çarpar ve bu bileşen büyük bir etki gösterebilir. Gelen iyonların ve atomların akıları belirten J i ve J , bir , bunun büyüklüğü çıktı J I / J bir oranı ile bir rol oynadığı mikro film elde edilmiş ve morfolojisi. İyon bombardımanının etkisi, kristalitlerin veya dokunun tercih edilen oryantasyonu gibi yapısal parametrelerden ve artık gerilimin durumundan nicel olarak türetilebilir . Bu dokular ve kalıntı gerilmeler ortaya çıkabilecek son zamanlarda gösterilmiştir gaz akışlı bir şiddetli maruz makroskopik Ti iş parçaları elde edilenler ile karşılaştırıldığında püskürtülmüş Ti tabakaları plastik deformasyon ile atış gravür .
Ayrıca bakınız
Referanslar
daha fazla okuma
- Vakum Kaplama Teknolojisinin Temelleri, D. Mattox
- William D. Westwood (2003). Sputter Deposition, AVS Eğitim Komitesi Kitap Serisi . 2 . ISBN'si 978-0-7354-0105-1.
- Kiyotaka Wasa ve Shigeru Hayakawa (1992). Püskürtme biriktirme teknolojisi ilkeleri, teknolojisi ve uygulamaları el kitabı . ISBN'si 0815512805.