การเคลือบสุญญากาศด้วยเทคโนโลยีสปัตเตอร์ 28 เมษายน 2021
การสปัตเตอร์เป็นกระบวนการที่อะตอมถูกปล่อยออกจากวัสดุเป้าหมายที่เป็นของแข็งเนื่องจากการกระแทกด้วยอนุภาคพลังงานสูง ปัจจุบันนี้เป็นกระบวนการที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น มีการใช้กันอย่างแพร่หลาย และเทคโนโลยีที่ใช้ก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว
ผลกระทบจากการสปัตเตอร์ถูกสังเกตเห็นเป็นครั้งแรกโดย Grove ในปี 1852 และ Faraday ในปี 1854 การอภิปรายทางทฤษฎีและสิ่งตีพิมพ์ครั้งแรกเกี่ยวกับการสปัตเตอร์ถูกเผยแพร่ก่อน WW1 แต่ก็ไม่ได้ปรากฏขึ้นจนกระทั่งในทศวรรษ 1950 ย้อนกลับไป การพัฒนาสารเคลือบมุ่งเน้นไปที่การระเหยมากขึ้น อย่างไรก็ตาม ในช่วงทศวรรษที่ 60 ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมจํานวนมากชิ้นแรกที่ใช้เทคโนโลยีสปัตเตอร์คือแผ่นมีดโกนชุบโครเมียม
การสปัตเตอร์แคโทด
ในการสปัตเตอร์แคโทด เป้าหมายที่เป็นของแข็งจะถูกทําลายด้วยไอออนพลังงานสูง ไอออนเหล่านี้เกิดจากการคายประจุในสนามไฟฟ้ากระแสตรง (สปัตเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง) เป้าหมายอยู่ที่ศักย์ลบหลาย 100 โวลต์ ในขณะที่ซับสเตรตเป็นอิเล็กโทรดบวก การเติมก๊าซเฉื่อย (ในกรณีส่วนใหญ่คืออาร์กอน) จะทําให้เกิดพลาสมาเนื่องจากการเกิดไอออนของก๊าซ จากนั้นไอออน Ar+ จะเร่งความเร็วไปทางเป้าหมาย ที่นี่ วัสดุแคโทดจะถูกสปัตเตอร์ ซึ่งจะสะสมตัวบนซับสเตรต ซึ่งจะทํางานได้ดีตราบใดที่เป้าหมายเป็นโลหะ หากเป้าหมายไม่นําไฟฟ้า เป้าหมายจะมีประจุบวกอย่างรวดเร็ว และสนามนี้จะป้องกันไม่ให้ไอออนไปถึงเป้าหมาย
การสปัตเตอร์แมกนีตรอน
แผนผังของอุปกรณ์สปัตเตอร์ DC
แผนผังของอุปกรณ์สปัตเตอร์แมกนีตรอน
การสปัตเตอร์แบบรีแอคทีฟ
การสปัตเตอร์ความถี่วิทยุ
การสปัตเตอร์ความถี่วิทยุ (RF Sputtering) ช่วยให้สามารถสะสมวัสดุที่เป็นฉนวน (ไม่นําไฟฟ้า) ได้
การสปัตเตอร์ RF ทํางานโดยใช้พลังงานที่ส่งที่ความถี่วิทยุ ซึ่งมักจะคงที่ที่ 13.56 MHz พร้อมกับเครือข่ายที่เหมาะสม ด้วยการสลับศักย์ไฟฟ้าด้วยการสปัตเตอร์ RF พื้นผิวของวัสดุเป้าหมายสามารถ "ทําความสะอาด" ประจุที่สะสมในแต่ละรอบ ในวงจรบวก อิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดไปยังวัสดุเป้าหมายหรือพื้นผิวทําให้เกิดการเบี่ยงเบนเชิงลบ ในวงจรลบ การกระแทกไอออนของเป้าหมายที่จะสปัตเตอร์จะดําเนินต่อไป
ระบบสุญญากาศสําหรับการสปัตเตอร์ - การเคลือบ
ระบบสุญญากาศของเครื่องเคลือบสปัตเตอร์มีความซับซ้อนมากกว่าในเครื่องระเหยความร้อนหรือเครื่องระเหยด้วยลําแสงไฟฟ้า เช่นเดียวกับเครื่องเคลือบทั้งหมด จําเป็นต้องมีแรงดันพื้นฐานในช่วงสุญญากาศสูง ซึ่งจําเป็นต่อการมีพื้นผิวที่สะอาด โดยเฉพาะอย่างยิ่งบนซับสเตรต และหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนจากโมเลกุลก๊าซที่ตกค้าง โดยปกติแล้ว แรงดันพื้นฐานก่อนเริ่มกระบวนการเคลือบผิวจะอยู่ที่ 10-06 mbar หรือดีกว่า หลังจากนั้น ก๊าซสปัตเตอร์จะถูกนําเข้า ซึ่งหมายความว่าการไหลของก๊าซเพิ่มเติมจะถูกจัดการโดยปั๊มสุญญากาศ การไหลของก๊าซแตกต่างกันไปตั้งแต่ไม่กี่ sccm ในสาขาวิจัยไปจนถึงหลาย 1000 sccm ในอุปกรณ์การผลิต (หมายเหตุ: 1 sccm เท่ากับ 1.69·10-2 mbar*l/s) ความดันระหว่างการสะสมของสปัตเตอร์อยู่ในช่วง mTorr 10-3 ถึงบางส่วน 10-2 mbar โดยปกติแล้ว การไหลของก๊าซจะถูกปรับโดยตัวควบคุมการไหล ในขณะที่ความหนาของชั้นจะถูกควบคุมโดยตัวควบคุมความหนาของฟิล์ม
ปั๊มเทอร์โบโมเลกุลสําหรับการสปัตเตอร์
ปั๊มเทอร์โบโมเลกุลเป็นม้าคลาสสิกในอุปกรณ์สปัตเตอร์ ช่วยให้การระบายออกสู่แรงดันพื้นฐานรวดเร็วและช่วยให้ก๊าซสปัตเตอร์ไหลได้มาก อุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการส่วนใหญ่ใช้ปั๊มกลไกขนาดกลางในช่วงความเร็วในการปั๊ม 300-1000 ลิตร/วินาที ในขณะที่ปั๊มสํารองเป็นปั๊มใบพัดโรตารี่หรือปั๊มแห้งขนาดเล็ก (ทั้งแบบสโครลหรือแบบหลายจังหวะ) ในกรณีที่มีการสปัตเตอร์แบบรีแอคทีฟ ซึ่งมีการเติมออกซิเจนเข้าไป ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสารหล่อลื่นของปั๊ม (แบริ่งของ TMP เชิงกลและน้ํามันในปั๊มใบพัดโรตารี่) ไม่ออกซิเดชัน โซลูชันแบบดั้งเดิมคือการเติมก๊าซฉีดพ่นลงใน TMP และใช้น้ํามันที่มีความต้านทานสูงต่อออกซิเจนในปั๊มขั้นต้น
ปัจจุบัน เครื่องเคลือบผิวขนาดใหญ่สําหรับการผลิตใช้ปั๊มเทอร์โบโมเลกุลที่มีระบบกันสะเทือนแม่เหล็ก วิธีนี้จะช่วยหลีกเลี่ยงการเกิดออกซิเดชันของสารหล่อลื่นตลับลูกปืน และช่วยให้มั่นใจได้ถึงเวลาทํางานของปั๊มที่ดีขึ้น อัตราการไหลของก๊าซอาร์กอนสปัตเตอร์สูงยังทําให้โหลดอุณหภูมิที่สูงขึ้นต่อปั๊มอีกด้วย ในด้านหนึ่ง จะต้องมีการเร่งความเร็วมากขึ้นเนื่องจากแรงเสียดทานที่สูงขึ้นของโรเตอร์ ในอีกด้านหนึ่ง ก๊าซอาร์กอนหนักเป็นตัวนําความร้อนที่ไม่ดีและให้การระบายความร้อนของโรเตอร์น้อยลง เมื่อพูดถึงความดันการระบายความร้อนและแรงดันป้อนกลับของปั๊มที่อัตราการไหลตามที่กําหนด ให้ปฏิบัติตามแผนผังการทํางานของผู้ผลิตปั๊ม
แรงดันในห้องสปัตเตอร์จะถูกควบคุมผ่านตัวควบคุมการไหล การควบคุมผ่านความเร็วในการหมุนของ TMP ช้าเกินไป ดังนั้นบ่อยครั้งที่วาล์วลิ้นปีกผีเสื้อเพิ่มเติมที่ด้านบนของ TMP จะปิดในระหว่างการสปัตเตอร์ ระบบปั๊มแห้งเป็นมาตรฐานในปัจจุบันสําหรับ TMP แม่เหล็กรอง
ปั๊มแช่แข็งสําหรับการสปัตเตอร์
อุปกรณ์สปัตเตอร์ขนาดใหญ่จํานวนมากใช้ปั๊มแช่แข็ง ข้อดีของปั๊มแช่แข็งในการใช้งานนี้คือความเร็วในการปั๊มสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับไอน้ําเนื่องจากสามารถบรรลุแรงดันพื้นฐานได้เร็วขึ้น ปั๊มแช่แข็งบางตัวได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสําหรับกระบวนการสปัตเตอร์ ปั๊มเหล่านี้ทํางานและปรับสภาพโดยอัตโนมัติ โปรดทราบว่าที่อัตราการสปัตเตอร์สูง ความจุของปั๊มแช่แข็งอาจถึงภายในหนึ่งสัปดาห์
ปั๊มเย็นตัวแรกต้องเผชิญกับปัญหาที่อาร์กอนอาจควบแน่นที่แผ่นกั้นซึ่งอุณหภูมิอาจต่ําถึง 35 K ในกรณีนี้อาร์กอนจะควบแน่นที่นี่ แต่ที่แรงดันไอเพียง 10-04 mbar หลังจากการเคลือบผิว ปั๊มที่มีโหลดดังกล่าวไม่สามารถบรรลุแรงดันพื้นฐานสุญญากาศสูงที่ต้องการได้ อย่างไรก็ตาม ตัวควบคุมปั๊มแช่เย็นสมัยใหม่จะควบคุมขั้นตอนแรกของตู้เย็นแช่เย็นด้วยฮีตเตอร์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 70 K
ภาพต่อไปนี้แสดงตัวอย่างของเครื่องเคลือบสปัตเตอร์ ตั้งแต่การใช้งานในห้องปฏิบัติการไปจนถึงเครื่องจักรสําหรับการผลิตขนาดใหญ่
ในบล็อกนี้ เราได้แสดงวิธีการพื้นฐานที่แตกต่างกันของเทคโนโลยีการเคลือบสปัตเตอร์และเทคโนโลยีสุญญากาศที่เกี่ยวข้อง การสปัตเตอร์เป็นเทคโนโลยีที่กว้างขวางและทันสมัยที่สุดสําหรับการเคลือบฟิล์มบาง ๆ สําหรับจอแสดงผล การใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์ เซมิคอนดักเตอร์ เซ็นเซอร์ และฟอยล์
บทความที่เกี่ยวข้อง
