Vacuümcoating met behulp van sputtertechnologie 28 april 2021

Bij kathodesputteren wordt een vast doelwit gebombardeerd met ionen met een hoge energie. Deze ionen worden gegenereerd door een ontlading in een DC-veld (DC-sputtering). Het doel heeft een negatief potentiaal van meerdere 100 volt, terwijl het substraat de positieve elektrode is. Door het inbrengen van een inert gas (in de meeste gevallen argon) ontstaat er een plasma door de ionisatie van het gas. De Ar+-ionen versnellen vervolgens naar het doel. Hier sputteren ze kathodemateriaal, dat zich vervolgens op het substraat afzet. Dit werkt goed zolang het doel metallic is. Als het doel elektrisch niet geleidend is, wordt het snel positief geladen en voorkomt dit veld dat de ionen het doel bereiken. 

Vaak is er een extra magnetisch veld onder het doel betrokken. Bij dit proces vliegen de gegenereerde elektronen in lange spiraalbanen, waardoor een grotere kans op ionisatie ontstaat. Dit leidt tot hogere sputtersnelheden en een betere focus op het doel.

Als er oxiden op het substraat moeten worden afgezet, wordt reactief sputteren toegepast. Naast het sputtergas argon wordt zuurstof in de vacuümkamer gebracht. Zuurstof reageert met het doelmateriaal tot oxiden, een voorbeeld is 4 Al (doel) + 3 O2 ==> 2 Al2O3 (substraat). 

Radiofrequent sputteren (RF-sputteren) maakt het mogelijk om isolerende (niet-geleidende) materialen te sputteren.

RF-sputtering werkt door gebruik te maken van vermogen dat wordt geleverd op radiofrequenties – vaak vast op 13,56 MHz – in combinatie met een bijpassend netwerk. Door het elektrische potentiaal met RF-sputteren af te wisselen, kan het oppervlak van het doelmateriaal bij elke cyclus worden 'gereinigd' van een ladingsopbouw. In de positieve cyclus worden elektronen aangetrokken tot het doelmateriaal of -oppervlak, waardoor het een negatieve bias krijgt. Tijdens de negatieve cyclus wordt het te sputteren doel verder gebombardeerd met ionen.

Het vacuümsysteem van een sputtercoater is complexer dan dat van thermische of e-straalverdampers. Net als bij alle coaters is een basisdruk in het hoogvacuümbereik vereist. Dit is noodzakelijk om schone oppervlakken te hebben – vooral op de ondergrond – en verontreiniging door restgasmoleculen te voorkomen. Gewoonlijk is de basisdruk voor aanvang van het coatingproces 10-06 mbar of beter. Daarna wordt het sputtergas geïntroduceerd, wat betekent dat de vacuümpomp een extra gasstroom moet verwerken. Gasstromen variëren van enkele sccm in onderzoeksvelden tot meerdere 1000 sccm in productieapparaten (opmerking: 1 sccm komt overeen met 1,69·10-2 mbar*l/s). De druk tijdens sputterdepositie ligt in het mTorr-bereik, 10-3 tot ongeveer 10-2 mbar. De gasstroom wordt gewoonlijk geregeld door een debietregelaar, terwijl de dikte van de laag wordt geregeld door een filmdikteregelaar.

De turbomoleculaire pomp is het klassieke werkpaard in sputterapparaten. Het maakt een snelle evacuatie naar de basisdruk mogelijk en maakt grote stromen sputtergas mogelijk. De meeste laboratoriumapparatuur maakt gebruik van middelgrote mechanische pompen in het pompsnelheidsbereik van 300-1000 l/s, terwijl hulppompen draaischuifpompen of kleine droge pompen (scroll- of meertraps rootspompen) zijn. Bij reactief sputteren – waarbij zuurstof wordt toegevoegd – moet u ervoor zorgen dat de smeermiddelen van de pompen (het lager van de mechanische TMP en de olie in de draaischuifpomp) niet oxideren. Een klassieke oplossing is het toevoegen van zuiveringsgas aan de TMP en het gebruik van olie met een hoge zuurstofbestendigheid in de voorpomp. 

Tegenwoordig gebruiken grotere coaters voor de productie turbomoleculaire pompen met magnetische ophanging. Dit voorkomt oxidatie van het lagersmeermiddel en zorgt voor een betere bedrijfstijd van de pomp. Hoge doorvoersnelheden van argon-sputtergas veroorzaken ook een hogere temperatuurbelasting van de pomp. Enerzijds vereist dit meer acceleratie vanwege de hogere wrijving van de rotor. Anderzijds is het zware argongas een slechte warmtegeleider en zorgt het voor minder koeling van de rotor. Volg voor de koel- en tegendruk van de pomp bij het beoogde debiet het bedieningsschema van de pompfabrikant. 

De druk in de sputterkamer wordt geregeld via debietregelaars. De regeling via het toerental van de TMP is te traag, waardoor vaak een extra smoorklep boven op de TMP tijdens het sputteren wordt gesloten. Drooglopende pompsystemen zijn tegenwoordig de standaard voor backing magnetische TMP's.

Veel grote sputterapparaten gebruiken cryopompen. Het voordeel van de cryopomp in deze toepassing is de hoge pompsnelheid, vooral voor waterdamp, omdat de basisdruk sneller kan worden bereikt. Sommige cryopompen zijn speciaal ontworpen voor sputterprocessen; deze pompen werken en regenereren automatisch. Houd er rekening mee dat bij hoge sputtersnelheden de capaciteit van de cryopompen binnen een week kan worden bereikt. 

De allereerste cryopompen hadden te maken met het probleem dat argon al kon condenseren bij de baffle, waar temperaturen tot 35 K kunnen bedragen. In dit geval condenseert argon hier, maar bij een dampdruk van slechts 10-04 mbar. Na de coating konden dergelijke beladen pompen de vereiste hoogvacuümbasisdruk niet bereiken. Moderne cryopompregelaars regelen echter de eerste trap van de cryokoelkast met verwarmingen bij temperaturen boven 70 K.

De volgende afbeeldingen tonen enkele voorbeelden van sputtercoaters – van laboratoriumgebruik tot grote productiemachines.