Lapisan vakum dengan teknologi sputter 28 April 2021
Sputtering adalah proses di mana atom dikeluarkan dari materi target padat karena pemboman oleh partikel berenergi tinggi. Saat ini, ini adalah proses yang lebih matang, penggunaannya tersebar luas dan teknologi yang digunakan berkembang pesat.
Efek sputtering pertama kali diamati oleh Grove pada tahun 1852 dan Faraday pada tahun 1854. Diskusi dan publikasi teoretis pertama tentang sputtering diterbitkan sebelum WW1, tetapi hanya pada tahun 1950-an yang benar-benar muncul. Saat itu, pengembangan lapisan lebih berfokus pada evaporasi. Namun, pada tahun 60-an, beberapa produk industri pertama yang diproduksi massal menggunakan teknologi sputtering adalah piringan cukur sputtering kromium.
Sputtering katoda
Dalam sputtering katoda, target padat dibombardir oleh ion berenergi tinggi. Ion-ion ini dihasilkan oleh pelepasan di medan DC (DC Sputtering). Target memiliki potensi negatif sebesar beberapa 100 Volt, sedangkan substrat adalah elektroda positif. Dengan memperkenalkan gas lembam (dalam sebagian besar kasus Argon), plasma dikembangkan karena ionisasi gas. Ion Ar+ kemudian mempercepat ke arah target. Di sini mereka memercikkan bahan katoda, yang kemudian mengendap di substrat. Ini berfungsi dengan baik selama target berbahan logam. Jika target tidak bersifat konduktif secara listrik, maka akan cepat bermuatan positif dan medan ini akan mencegah ion mencapai target.
Sputtering magnetron
Skematik perangkat deposisi sputter DC
Skematik perangkat deposisi sputter magnetron
Sputtering reaktif
Sputtering frekuensi radio
Sputtering Frekuensi Radio (RF Sputtering) memungkinkan deposisi sputter dari bahan insulasi (non-konduktif).
Sputtering RF bekerja dengan menggunakan daya yang dikirimkan pada frekuensi radio - sering kali ditetapkan pada 13,56 MHz - bersama dengan jaringan yang sesuai. Dengan mengganti potensial listrik dengan RF Sputtering, permukaan material target dapat "dibersihkan" dari penumpukan muatan dengan setiap siklus. Pada siklus positif, elektron tertarik ke materi atau permukaan target sehingga memberikan bias negatif. Pada siklus negatif, pemboman ion target yang akan dispatter terus berlanjut.
Sistem vakum untuk sputtering - pelapisan
Sistem vakum pada sputter coater lebih kompleks daripada pada evaporator termal atau e-beam. Seperti semua pelapis, tekanan dasar dalam kisaran vakum tinggi diperlukan. Hal ini diperlukan untuk memiliki permukaan yang bersih - terutama pada substrat - dan menghindari kontaminasi oleh molekul gas residu. Biasanya, tekanan dasar sebelum memulai proses pelapisan adalah 10-06 mbar atau lebih baik. Setelah itu, gas sputter dimasukkan, yang berarti aliran gas tambahan yang harus ditangani oleh pompa vakum. Aliran gas bervariasi dari beberapa sccm di bidang penelitian hingga beberapa 1000 sccm di perangkat produksi (catatan: 1 sccm sama dengan 1,69·10-2 mbar*l/s). Tekanan selama deposisi sputter berada dalam kisaran mTorr, 10-3 hingga sekitar 10-2 mbar. Aliran gas biasanya disesuaikan oleh pengontrol aliran, sementara ketebalan lapisan diatur oleh pengontrol ketebalan lapisan.
Pompa turbomolekuler untuk sputtering
Pompa turbomolekuler adalah alat kerja klasik dalam perangkat sputter. Produk ini memungkinkan evakuasi cepat ke tekanan dasar dan memungkinkan aliran gas sputter yang besar. Sebagian besar perangkat laboratorium menggunakan pompa mekanis berukuran sedang dalam kisaran kecepatan pemompaan 300-1000 l/dtk, sedangkan pompa cadangan adalah pompa rotary vane atau pompa kering kecil (scroll atau roots multi-tahap). Jika terjadi sputtering reaktif - di mana oksigen ditambahkan - pastikan bahwa pelumas pompa (bantalan TMP mekanis dan oli di pompa rotary vane) tidak mengoksidasi. Solusi klasik adalah menambahkan gas pembersih ke TMP dan menggunakan oli dengan resistensi tinggi terhadap oksigen dalam pompa kasar.
Saat ini, pelapis yang lebih besar untuk produksi menggunakan pompa turbomolekuler dengan suspensi magnetik. Hal ini mencegah oksidasi pelumas bantalan dan memastikan waktu operasional pompa yang lebih baik. Laju produktivitas gas sputter argon yang tinggi juga menyebabkan beban suhu yang lebih tinggi pada pompa. Di satu sisi, ini memerlukan akselerasi lebih besar karena gesekan rotor yang lebih tinggi. Di sisi lain, gas argon berat adalah konduktor panas yang buruk dan memberikan pendinginan rotor yang kurang. Untuk tekanan pendinginan dan cadangan pompa pada throughput yang diinginkan, ikuti diagram pengoperasian dari produsen pompa.
Tekanan di dalam ruang sputter dikontrol melalui pengontrol aliran. Kontrol melalui kecepatan putaran TMP terlalu lambat, sehingga sering kali katup throttle tambahan di atas TMP ditutup selama sputtering. Sistem pompa kering adalah standar saat ini untuk mendukung TMP magnetik.
Pompa kriogenik untuk sputtering
Banyak perangkat sputter besar menggunakan pompa kriogenik. Keunggulan pompa kriogenik dalam aplikasi ini adalah kecepatan pemompaannya yang tinggi, terutama untuk uap air karena tekanan dasar dapat dicapai lebih cepat. Beberapa pompa kriogenik dirancang khusus untuk proses sputtering; pompa ini beroperasi dan meregenerasi secara otomatis. Perhatikan bahwa pada laju sputter yang tinggi, kapasitas pompa kriogenik mungkin tercapai dalam waktu seminggu.
Pompa kriogenik pertama harus menghadapi masalah bahwa argon sudah dapat mengembun di baffle di mana suhu dapat serendah 35 K. Dalam hal ini, argon mengembun di sini tetapi pada tekanan uap hanya 10-04 mbar. Setelah pelapisan, pompa yang dimuat tidak dapat mencapai tekanan dasar vakum tinggi yang diperlukan. Namun, pengontrol pompa kriogenik modern mengontrol tahap pertama pendingin kriogenik dengan pemanas pada suhu di atas 70 K.
Gambar berikut menunjukkan beberapa contoh sputter coater - mulai dari penggunaan laboratorium hingga mesin produksi besar.
Dalam blog ini, kami telah menunjukkan berbagai metode dasar teknologi lapisan sputter dan teknologi vakum terkait. Sputtering adalah teknologi paling luas dan canggih untuk pelapisan film tipis untuk display, aplikasi surya, semikonduktor, sensor, dan foil.
