Penyalutan vakum melalui teknologi sputter 28 April 2021

Dalam penyemburan katod, sasaran pepejal diserang oleh ion berenergi tinggi. Ion-ion ini dihasilkan oleh pelepasan dalam medan DC (Penggumpalan DC). Sasaran berada pada potensi negatif beberapa 100 Volt, manakala substrat adalah elektrod positif. Dengan memperkenalkan gas tidak reaktif (dalam kebanyakan kes Argon), plasma terbentuk akibat pengionan gas tersebut. Ion Ar+ kemudian dipercepat ke arah sasaran. Di sini mereka menyemburkan bahan katod, yang kemudian mengendap pada substrat. Ini berfungsi dengan baik selagi sasaran adalah logam. Jika sasaran tidak konduktif secara elektrik, ia akan cepat menjadi bercas positif dan medan ini akan menghalang ion daripada mencapai sasaran. 

Selalunya, medan magnet tambahan di bawah sasaran terlibat. Dalam proses ini, elektron yang dihasilkan terbang dalam laluan spiral yang panjang — membolehkan kebarangkalian pengionan yang lebih tinggi. Ini membawa kepada kadar sputter yang lebih tinggi dan fokus yang lebih baik pada sasaran.

Jika oksida perlu disimpan pada substrat, Penyemburan Reaktif akan digunakan. Sebagai tambahan kepada gas sputter Argon, Oksigen diperkenalkan ke dalam ruang vakum. Oksigen bertindak balas dengan bahan sasaran menjadi oksida, contohnya 4 Al (sasaran) + 3 O2 ==> 2 Al2O3 (substrat). 

Sputtering Frekuensi Radio (RF Sputtering) membolehkan pemendapan sputter bahan penebat (tidak konduktif).

RF Sputtering berfungsi dengan menggunakan kuasa yang dihantar pada frekuensi radio — sering ditetapkan pada 13,56 MHz — bersama dengan rangkaian padan. Dengan mengubah potensi elektrik dengan RF Sputtering, permukaan bahan sasaran dapat "dibersihkan" daripada pengumpulan cas dengan setiap kitaran. Dalam kitaran positif, elektron tertarik kepada bahan atau permukaan sasaran yang memberikan bias negatif. Dalam kitaran negatif, pengeboman ion terhadap sasaran yang akan disemburkan berterusan.

Sistem vakum bagi penyembur sputter adalah lebih kompleks berbanding dengan penguap termal atau e-beam. Seperti semua pelapik, tekanan asas dalam julat vakum tinggi diperlukan. Ini adalah perlu untuk mempunyai permukaan yang bersih — terutamanya pada substrat — dan mengelakkan pencemaran oleh molekul gas residu. Biasanya, tekanan asas sebelum memulakan proses salutan adalah 10-06 mbar atau lebih baik. Selepas itu, gas sputter diperkenalkan, yang bermaksud aliran gas tambahan perlu ditangani oleh pam vakum. Aliran gas berbeza dari beberapa sccm dalam bidang penyelidikan hingga beberapa 1000 sccm dalam peranti pengeluaran (nota: 1 sccm bersamaan dengan 1,69·10-2 mbar*l/s). Tekanan semasa deposisi sputter berada dalam julat mTorr, 10-3 hingga beberapa 10-2 mbar. Aliran gas biasanya disesuaikan oleh pengawal aliran, manakala ketebalan lapisan ditentukan oleh pengawal ketebalan filem.

Pam turbomolekul adalah kuda kerja klasik dalam peranti sputter. Ia membolehkan pemindahan cepat ke tekanan asas dan membenarkan aliran besar gas sputter. Kebanyakan peranti makmal menggunakan pam mekanikal saiz sederhana dalam julat kelajuan pam 300-1000 l/s, manakala pam sokongan adalah pam bilah berputar atau pam kering kecil (sama ada pam gulung atau pam akar pelbagai peringkat). Dalam kes pengendapan reaktif - di mana oksigen ditambah - pastikan pelincir pam (galas TMP mekanikal dan minyak dalam pam bilah berputar) tidak teroksida. Penyelesaian klasik adalah dengan menambah gas pembersih ke TMP dan menggunakan minyak yang mempunyai ketahanan tinggi terhadap oksigen dalam pam pengasaran. 

Hari ini, pelapik yang lebih besar untuk penggunaan pengeluaran menggunakan pam turbomolekul dengan penggantungan magnet. Ini mengelakkan pengoksidaan pelincir galas dan memastikan masa operasi pam yang lebih baik. Aliran tinggi gas sputter argon juga menyebabkan beban suhu yang lebih tinggi kepada pam. Di satu pihak, ini memerlukan lebih banyak pecutan disebabkan oleh geseran yang lebih tinggi pada rotor. Sebaliknya, gas argon berat adalah pengalir haba yang lemah dan memberikan penyejukan yang kurang pada rotor. Apabila berkaitan dengan penyejukan dan tekanan sokongan pam pada kadar aliran yang dimaksudkan, ikuti diagram operasi pengeluar pam. 

Tekanan dalam ruang sputter dikawal melalui pengawal aliran. Kawalan melalui kelajuan putaran TMP adalah terlalu perlahan, jadi sering kali injap throttle tambahan di atas TMP ditutup semasa proses sputtering. Sistem pam kering adalah standard hari ini untuk menyokong TMP magnet.

Banyak peranti sputter besar menggunakan cryopumps. Kelebihan cryopump dalam aplikasi ini adalah kelajuan pam yang tinggi, terutamanya untuk wap air kerana tekanan asas dapat dicapai dengan lebih cepat. Sesetengah pam kriogenik direka khusus untuk proses sputter; pam ini beroperasi dan menjana semula secara automatik. Perhatikan bahawa pada kadar sputter yang tinggi, kapasiti cryopump mungkin akan dicapai dalam masa seminggu. 

Pam kriogenik yang pertama terpaksa menghadapi masalah di mana argon sudah boleh mengembun di penghalang di mana suhu boleh serendah 35 K. Dalam kes ini, argon mengembun di sini tetapi pada tekanan wap hanya 10-04 mbar. Selepas lapisan, pam yang dimuatkan tersebut tidak dapat mencapai tekanan vakum asas yang tinggi yang diperlukan. Walau bagaimanapun, pengawal cryopump moden mengawal peringkat pertama cryorefrigerator dengan pemanas pada suhu melebihi 70 K.

Gambar-gambar berikut menunjukkan beberapa contoh penyembur lapisan — dari penggunaan makmal hingga mesin pengeluaran besar.