Tecnología de deposición por pulverización

- Jan 11, 2019-

tecnología de deposición por pulverización catódica


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Definición

El revestimiento por pulverización catódica se refiere a la técnica de bombardear la superficie del material objetivo con partículas cargadas en una cámara de vacío, golpear los átomos y otras partículas en el material objetivo a través de la transferencia de momento de partículas, y precipitarlas sobre el sustrato para formar una película. La tecnología de recubrimiento por pulverización catódica tiene las ventajas de una deposición rápida de gran área, una buena adherencia entre la película y la matriz, una alta densidad de pulverización, pocos agujeros, buena capacidad de control y repetibilidad de la película, y cualquier sustancia puede pulverizarse, por lo que se ha desarrollado rápidamente y se ha desarrollado ampliamente. utilizado en los últimos años.

 

El mecanismo de pulverización.

Cuando el ion incidente bombardea la superficie del objetivo, parte de su energía se transfiere a los átomos de la red de la superficie, lo que hace que los átomos en el objetivo se muevan. Algunos átomos ganan energía y se desplazan desde la celosía y superan la barrera de la superficie para pulverizar directamente. Algunos no pueden separarse de la red, solo pueden hacer vibraciones in situ y afectar a los átomos circundantes, el resultado del aumento de la temperatura objetivo; Mientras que algunos átomos obtienen suficiente energía para producir un retroceso, lo que cambiará la colisión de los átomos vecinos, y el retroceso continuará produciendo un retroceso de alto orden, un proceso llamado colisión en cascada. El resultado de la colisión en cascada es que algunos átomos alcanzan la superficie y superan la barrera para escapar, lo que forma la pulverización en cascada y este es el mecanismo de pulverización. Cuando la densidad del átomo de retroceso no es alta en el rango de colisión en cascada, las colisiones de átomo de retroceso dinámico pueden ignorarse, lo que se denomina colisión en cascada lineal.

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Pulverización de diodos

 

La pulverización con diodo es el método de pulverización básica más antiguo y simple. El dispositivo de pulverización de diodo de cd está compuesto por ánodo y cátodo. El objetivo hecho de material de película (conductor) se usa como el cátodo, y el marco de la pieza de trabajo colocado en la parte enchapada se usa como el ánodo (tierra). El espacio entre los dos polos es generalmente de centímetros a unos diez centímetros. Cuando la intensidad del campo eléctrico alcanza un cierto valor en la cámara de vacío, se produce una descarga anormal del resplandor entre los electrodos. Los iones Ar + en el plasma se aceleran y bombardean en el objetivo del cátodo, y los átomos del blanco se depositan en el sustrato para formar películas delgadas.

 

Sputtering de tres polos

El método de pulverización con diodo es simple, pero la descarga es inestable y la tasa de deposición es baja. Con el fin de aumentar la velocidad de pulverización y mejorar la calidad de la película, se hizo un dispositivo de pulverización tripolar mediante la adición de un cátodo calentado sobre la base de un dispositivo de pulverización de diodos.

En la pulverización catódica, la densidad del plasma se puede controlar cambiando la corriente de emisión de electrones y el voltaje de aceleración. La energía de bombardeo del ion en el material objetivo puede ser controlada por el voltaje objetivo, y se resuelve la contradicción entre el voltaje objetivo, la corriente objetivo y la presión en la pulverización.

La desventaja de la pulverización catódica es la descarga inestable y el espesor desigual de la película causado por la densidad de plasma desigual. Con este fin, se agregó un ánodo auxiliar encima de la pulverización catódica para formar una pulverización cuadrupola.

 

Salpicadura de magnetrón

La pulverización magnetrónica también se conoce como pulverización catódica de alta velocidad a baja velocidad. Los iones de gas de trabajo (como Ar +) en plasma bajo la restricción del campo magnético y la mejora, bajo la aceleración del campo eléctrico del cátodo objetivo, bombardean el material del cátodo, de modo que los átomos o moléculas en la superficie del material se alejen de la superficie objetivo, y después de pasar por el área de plasma, se depositarán en la superficie del sustrato, migrarán y finalmente formarán una película.

En comparación con la pulverización con diodo, la tasa de deposición de la pulverización con magnetrón es alta, la temperatura del sustrato es baja, la calidad de la película es buena, la repetibilidad es buena y es conveniente para la producción industrial. Su desarrollo ha llevado a una gran revolución en la tecnología de preparación de películas.

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Las fuentes de pulverización magnetrón deben tener dos condiciones básicas en la estructura:

(1) establecer un campo magnético perpendicular al campo eléctrico;

(2) la dirección del campo magnético es paralela a la superficie del cátodo y se forma un campo magnético anular.

Se puede ver en el diagrama esquemático de la estructura del objetivo del magnetrón planar que la fuente de pulverización del magnetrón es en realidad un imán colocado detrás del objetivo del cátodo de la pulverización del diodo, y el imán genera un campo magnético horizontal en la superficie del objetivo. Cuando los iones bombardean el objetivo, se liberan electrones secundarios. Estos electrones tienen una larga trayectoria de movimiento y están limitados por el campo electromagnético en la región del plasma cerca de la superficie del objetivo y el círculo alrededor de la pista. En esta región, una gran cantidad de Ar + se ioniza por las colisiones frecuentes para bombardear el objetivo, logrando así un bombardeo de alta velocidad. Después de varias colisiones, la energía de los electrones disminuye gradualmente, y se alejan gradualmente de la superficie del objetivo, y finalmente vuelan al sustrato del ánodo con una energía muy baja, lo que hace que el aumento de temperatura del sustrato también sea menor. Debido al aumento del efecto de enlace del campo electromagnético ortogonal en los electrones, el voltaje de descarga (500 ~ 600V) y la presión del aire (10-1 Pa) son mucho más bajos que el bombardeo del diodo DC .

 

Sputtering magnetrón

Al tomar metales, aleaciones, compuestos metálicos de baja valencia o materiales semiconductores como cátodos diana, reaccionan con partículas de gas para generar películas compuestas en el proceso de pulverización o en el proceso de depósito de película sobre la superficie del sustrato, que es la pulverización reactiva con magnetrón. La pulverización magnetrónica reactiva se usa ampliamente en la producción en masa de películas compuestas porque:

(1) la alta pureza de los materiales objetivo (objetivo de un solo elemento o objetivo de varios elementos) y los gases de reacción (oxígeno, nitrógeno, hidrocarburos, etc.) utilizados en la pulverización reactiva con magnetrón es propicio para la preparación de películas de compuestos de alta pureza.

(2) ajustando los parámetros del proceso en la pulverización reactiva con magnetrón, se pueden preparar películas compuestas con relaciones químicas o no químicas y sus propiedades se pueden regular ajustando la composición de las películas.

(3) en el proceso de deposición por pulverización magnetrónica reactiva, el sustrato se calienta menos, y no se requiere que el sustrato se caliente a alta temperatura en el proceso de filmación, por lo que hay menos restricciones en los materiales del sustrato.

(4) la pulverización magnetrónica reactiva es adecuada para la preparación de películas uniformes de gran superficie, y puede alcanzar la producción anual de una sola máquina de millones de metros cuadrados de revestimiento de producción industrial.

 

UBMS

Magnetrón desequilibrado

En 1985, Window et al. introdujo por primera vez el concepto de salpicadura de magnetrón de no equilibrio y dio el diseño principal del objetivo de planeación de salpicadura de magnetrón de no equilibrio. Para un objetivo de salpicadura de magnetrón, la intensidad del campo magnético del anillo exterior es igual o cercana a la del polo magnético central, que se denomina "objetivo de salpicado de magnetrón balanceado". Cuando el campo magnético de un polo magnético aumenta o disminuye con respecto a una parte de la polaridad opuesta, se forma un blanco de salpicadura de magnetrón no equilibrado. Por medio de la pulverización magnetrónica de no equilibrio, el plasma en la superficie del objetivo del cátodo se guía al rango de 200 mm a 300 mm antes del objetivo de pulverización catódica mediante un campo magnético adicional, y el sustrato se sumerge en el plasma. De esta manera, por un lado, las partículas pulverizadas se depositan sobre la superficie del sustrato para formar una película, y por otro lado, el plasma bombardea el sustrato para desempeñar un papel asistido por iones, mejorando en gran medida la calidad del película. Además de una alta tasa de pulverización, la pulverización con magnetrón sin equilibrio puede generar más iones en el área de recubrimiento, y la concentración de iones es proporcional a la corriente de descarga del objetivo de pulverización. En la actualidad, la tecnología es ampliamente utilizada para preparar varias películas duras. El campo magnético de la pulverización magnetrónica no equilibrada se puede dividir en campo cerrado y campo no cerrado. El campo magnético cerrado puede controlar que los electrones se muevan a lo largo de la línea de fuerza magnética solo en el campo magnético, evitando la pérdida de electrones en la pared de la cámara de vacío.

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