Magnetronin sputterointitekniikkaon tärkeä tekniikka, jota käytetään laajalti materiaalin pinnan muokkaamiseen ja ohutkalvopinnoitukseen. Tämän tekniikan ydinkomponenttina magnetronisputterointikohteiden laatu ja suorituskyky määräävät suoraan valmistettujen ohutkalvojen laadun ja ominaisuudet. Tämä artikkeli tarjoaa kattavan ja syvällisen johdannon magnetronin sputterointikohteisiin.
Vaatimukset magnetronisputterointikohteille ovat korkeammat kuin perinteisessä materiaaliteollisuudessa, mukaan lukien yleensä koko, tasaisuus, puhtaus, epäpuhtauspitoisuus, tiheys, N/O/C/S-suhde, raekoko ja vikojen hallinta; Korkeat tai erityiset vaatimukset: pinnan karheus, kestävyysarvo, raekoon tasaisuus, koostumuksen ja rakenteen tasaisuus, vieraiden aineiden (oksidien) pitoisuus ja koko, magneettinen läpäisevyys, ultrakorkea tiheys ja ultrahienot rakeet jne.
Magnetronisputterointikohde viittaa materiaaliin, johon korkeaenergiset hiukkaset sputteroivat atomeja tai molekyylejä magnetronisputterointiprosessin aikana ja kerrostetaan sitten substraatille ohuen kalvon muodostamiseksi. Se koostuu yleensä aineista, joilla on tietty kemiallinen koostumus ja kiderakenne, kuten metalleja, seoksia, yhdisteitä jne.
Magnetronin sputteroinnin periaate
Sähkökentän E vaikutuksesta elektronit törmäävät argonatomeihin lentäessään kohti substraattia ionisoituen ja tuottaen Ar-positiivisia ioneja ja uusia elektroneja; Uudet elektronit lentävät kohti substraattia ja Ar-ionit kiihtyvät kohti katodikohdetta sähkökentän vaikutuksesta pommittaen kohdepintaa suurella energialla aiheuttaen kohdemateriaalin sputteroimista.
Sputteroiduissa hiukkasissa neutraalit kohdeatomit tai -molekyylit kerrostuvat substraatille muodostaen ohuen kalvon, ja syntyneet toissijaiset elektronit altistetaan sähkö- ja magneettikentille, mikä johtaa E (sähkökenttä) × B (magneettikenttä) -suuntautumiseen. lyhennettynä E × B drift, jonka liikerata on likimääräinen sykloidi. Jos se on pyöreä magneettikenttä, elektronit liikkuvat ympyräliikkeellä kohteen pinnalla likimääräisessä sykloidimuodossa. Niiden liikerata ei ole vain pitkä, vaan se on myös rajoitettu plasma-alueelle lähellä kohdepintaa, ja suuri määrä Ar:ia ionisoituu tällä alueella kohdemateriaalin pommittamiseksi, jolloin saavutetaan korkea kerrostumisnopeus.
Törmäysten määrän kasvaessa sekundäärielektronien energia loppuu, siirtyen vähitellen pois kohdepinnasta ja lopulta laskeutuen substraatille sähkökentän E vaikutuksesta. Elektronin alhaisesta energiasta johtuen energia siirtyy on hyvin pieni, mikä johtaa substraatin alhaisempaan lämpötilan nousuun.
Magnetronisputterointi on törmäysprosessi osuvien hiukkasten ja kohteen välillä. Tuleva hiukkanen käy läpi monimutkaisen sirontaprosessin kohteessa, törmää kohdeatomiin ja siirtää jonkin verran vauhtia kohdeatomiin. Tämä kohdeatomi törmää sitten muihin kohdeatomeihin muodostaen kaskadiprosessin. Tässä kaskadiprosessissa tietyt pinnan lähellä olevat kohdeatomit saavat riittävästi vauhtia liikkuakseen ulospäin ja sputteroidaan ulos kohteesta.
Magnetronisputterointi jaetaan yleensä kahteen tyyppiin: tasavirtasputterointi ja radiotaajuussputterointi. Niistä tasavirtasputterointilaitteilla on yksinkertainen periaate ja nopea nopeus metallien sputteroinnissa. Radiotaajuisen sputteroinnin sovellusalue on laajempi. Johtavien materiaalien sputteroinnin lisäksi voidaan sputteroida myös johtamattomia materiaaleja. Samaan aikaan reaktiivista sputterointia käytetään myös yhdistemateriaalien, kuten oksidien, nitridien ja karbidien, valmistukseen. Jos radiotaajuuden taajuutta nostetaan, siitä tulee mikroaaltoplasmapputterointi, joka tunnetaan yleisesti elektronisyklotroniresonanssina (ECR) mikroaaltoplasma sputterointina.
Magnetronisputterointikohdemateriaalien luokitus
Metallin ruiskutuspäällystyskohde, seos ruiskuttava päällystetavoite, keraaminen ruiskutuspinnoituskohde, boridi keraaminen ruiskutuskohde, karbidi -keraaminen sputteroiva kohde, fluoridiakeraaminen sputteroiva kohde, nitridi keraaminen ruiskutuskohde, oksidi -keraaminen kohde, selenidi keraaminen sputteroiva kohde, keraamiet keraaminen sputterointikohde, telluridikeraaminen sputterointikohde, muut keraamiset kohteet, kromilla seostettu piioksidikeraaminen kohde (Cr SiO), indiumfosfidikohde (InP), lyijyarsenidikohde (PbAs), indiumarsenidikohde (InAs).
Metalliseilla kohdemateriaaleilla on hyvä johtavuus ja lämmönjohtavuus, ja niistä voidaan valmistaa erittäin puhtaita ja yhtenäisiä metalliohutkalvoja, joita käytetään laajalti elektroniikassa ja puolijohteissa. Esimerkiksi integroitujen piirien valmistuksessa kuparikohteita käytetään johtavien linjojen valmistukseen, mikä parantaa piirien suorituskykyä ja integrointia.
Seoskohdemateriaalit yhdistävät useiden metallien ominaisuudet ja voivat säätää koostumussuhdetta erilaisten tarpeiden mukaan saadakseen ohuita kalvoja, joilla on erityisiä ominaisuuksia. Esimerkiksi nikkelikromiseoksesta valmistettuja kohdemateriaaleja käytetään yleisesti resistiivisten ohuiden kalvojen valmistukseen, jotka täyttävät elektronisten komponenttien tarkat vaatimukset resistanssiarvoille.
Keraamisilla kohdemateriaaleilla on tärkeitä käyttökohteita optisissa pinnoitteissa, suojapinnoitteissa ja muilla aloilla niiden erinomaisen eristyksen, kulutuskestävyyden ja optisten ominaisuuksien ansiosta. Esimerkiksi titaanioksidikeraamisia kohteita voidaan käyttää ohuiden kalvojen valmistukseen, joissa on heijastuksenesto- ja itsepuhdistuvia ominaisuuksia.
1. Metalliset kohdemateriaalit: mukaan lukien puhtaat metalliset kohdemateriaalit (kuten kupari, alumiini, nikkeli jne.) ja metalliseoskohdemateriaalit (kuten ruostumaton teräs, alumiiniseos jne.).
2. Yhdistetyt kohdemateriaalit: kuten oksidikohdemateriaalit (kuten piidioksidi, alumiinioksidi jne.), nitridikohdemateriaalit (kuten piinitridi, alumiininitridi jne.), kovametallikohdemateriaalit (kuten piikarbidi, volframikarbidi jne.) jne.
3. Puolijohdekohdemateriaalit: kuten piikohdemateriaalit, germanium-kohdemateriaalit jne.
Luokiteltu kohdemateriaalirakenteen mukaan:
1. Litteä kohdemateriaali: Sillä on yksinkertainen tasomainen rakenne ja sitä käytetään yleisesti tavanomaisissa magnetronisputterointilaitteissa.
2. Pyörivä kohdemateriaali: Se voi saavuttaa jatkuvan pyörimisen, parantaa kohdemateriaalin käyttöastetta ja levitetyn kalvon tasaisuutta.
Suorituskykyvaatimukset magnetronisputterointikohteille:
1. Puhtaus: Erittäin puhtaat kohdemateriaalit voivat varmistaa kerrostuneiden ohuiden kalvojen puhtauden ja suorituskyvyn. Yleensä kohdemateriaalin puhtauden vaaditaan olevan yli 99,9 %.
2. Tiheys: Suuritiheyksiset kohdemateriaalit voivat vähentää hiukkaskontaminaatiota sputteroinnin aikana ja parantaa ohuiden kalvojen laatua ja tasaisuutta.
3. Kemiallisen koostumuksen tasaisuus: Kohdemateriaalin kemiallinen koostumus tulee jakaa tasaisesti kerrostetun kalvon stabiilisuuden varmistamiseksi.
4. Kiderakenne: Sopiva kiderakenne auttaa parantamaan kohdemateriaalin sputterointitehokkuutta ja ohuen kalvon suorituskykyä.
5. Koon ja muodon tarkkuus: Kohdemateriaalin koon ja muodon tulee täyttää laitevaatimukset hyvän asennuksen ja sputterointivaikutuksen varmistamiseksi.
6. Lämpöstabiilisuus: Sputterointiprosessin aikana kohdemateriaali altistuu korkeille lämpötiloille ja suurienergisille hiukkasille, joten sillä on oltava hyvä lämpöstabiilisuus.
7. Korroosionkestävyys: Kohdemateriaalilla tulee olla tietty korroosionkestävyys sen käyttöiän pidentämiseksi.
Saostusnopeus tai kalvonmuodostusnopeus on tärkeä parametri magnetronisputterointikoneiden tehokkuuden mittaamiseksi.
On monia tekijöitä, jotka vaikuttavat sedimentaationopeuteen, mukaan lukien työkaasun tyyppi, työkaasun paine, sputterointikohteen lämpötila ja magneettikentän voimakkuus. Mutta tänään puhumme kolmesta tärkeästä tekijästä, jotka vaikuttavat magnetronin ruiskutuskohdepinnoitteiden laskeutumisnopeuteen: sputterointijännite, virta ja teho.
Sputterointijännite (V)
Sputterointijännitteen vaikutus kalvon muodostumisnopeuteen noudattaa kaavaa: mitä suurempi jännite, sitä nopeampi sputterointinopeus, ja tämä vaikutus on lempeä ja asteittainen sputterointiin vaaditulla energia-alueella. Sputterointikertoimeen vaikuttavista tekijöistä purkausjännite on todellakin tärkeä kohdemateriaalin sputteroinnin ja sputterointikaasun jälkeen. Yleisesti ottaen normaalissa magnetronisputterointiprosessissa mitä korkeampi purkausjännite on, sitä suurempi on sputterointikerroin, mikä tarkoittaa, että tulevilla ioneilla on suurempi energia. Siksi kiinteiden kohdemateriaalien atomit ruiskutetaan helpommin ja kerrostuvat substraatille ohuen kalvon muodostamiseksi.
Sputterointivirta (I)
Magnetronikohteen sputterointivirta on suoraan verrannollinen sputterointikohteen pinnalla olevaan ionivirtaan ja on siksi tärkeä sputterointinopeuteen vaikuttava tekijä. Magnetronisputteroinnilla on yleinen sääntö, että pinnoitusnopeus on nopein optimaalisella paineella (riippuen eri sputterointikohteista ja sputterointiprojekteista). Siksi kaasunpaineen optimaalinen arvo on tarkoituksenmukaista pohtia sputterointisaannon kannalta vaikuttamatta kalvon laatuun ja täyttämättä asiakkaiden vaatimuksia. Sputterointivirran muuttamiseen on kaksi tapaa: käyttöjännite tai käyttökaasun paine.
Sputterointiteho (P)
Sputterointitehon vaikutus kerrostumisnopeuteen on samanlainen kuin sputterointijännite. Yleisesti ottaen magnetronikohteiden sputterointitehon lisääminen voi parantaa kalvon muodostumisnopeutta. Tämä ei kuitenkaan ole yleinen sääntö. Jos kyseessä on pieni sputterointijännite (kuten noin 200 volttia) ja magnetronikohteiden sputterointivirta, vaikka keskimääräinen sputterointiteho ei olekaan alhainen, ioneja ei voida sputteroida tai saostaa. Edellytyksenä on, että magnetronin kohdemateriaaliin kohdistettu sputterointijännite on riittävän korkea varmistamaan, että työkaasu-ionien energia katodin ja anodin välisessä sähkökentässä on riittävän suurempi kuin kohdemateriaalin "sputterointienergian kynnys".
Korkealaatuiset magnetronisputterointikohteet vaativat korkeaa puhtautta, suurta tiheyttä, tasaista mikrorakennetta ja hyvää lämpöstabiilisuutta. On erittäin tärkeää valvoa tiukasti raaka-aineiden puhtautta, käsittelytekniikoita ja laatutestausta valmistusprosessin aikana. Kehittyneet tuotantotekniikat, kutenjauhemetallurgiajatyhjiösulatusvoi tehokkaasti parantaa kohdemateriaalien suorituskykyä.
