Sputter teknolojisi ile vakumlu kaplama 28 Nisan 2021
Püskürtme, atomların katı bir hedef malzemeden yüksek enerjili partiküller tarafından bombardıman edilerek çıkarıldığı bir prosestir. Günümüzde bu daha olgun bir süreçtir, kullanım yaygındır ve kullanılan teknoloji hızla ilerliyor.
Püskürtme etkisi ilk olarak 1852 yılında Grove ve 1854 yılında Faraday tarafından gözlemlenmiştir. Püskürtme ile ilgili ilk teorik tartışmalar ve yayınlar 1. Dünya Savaşı öncesinde yayınlanmıştır, ancak 1950'lerde ortaya çıkmıştır. O zamanlar kaplama geliştirme daha çok buharlaşmaya odaklanıyordu. Ancak 60'lı yıllarda, püskürtme teknolojisini kullanan ilk endüstriyel seri üretim ürünlerinden bazıları krom püskürtmeli tıraş plakalarıydı.
Katot püskürtme
Katot püskürtmede katı bir hedef yüksek enerjili iyonlarla bombardıman edilir. Bu iyonlar bir DC alanındaki bir deşarjla (DC Sputtering) üretilir. Hedef, birkaç 100 Voltluk negatif potansiyeldeyken substrat pozitif elektrottur. Bir inert gaz (çoğu durumda Argon) uygulanarak, gazın iyonlaşması nedeniyle bir plazma oluşur. Ar+ iyonları daha sonra hedefe doğru hızlanır. Burada katot malzemesi püskürtülür ve substrat üzerinde birikir. Bu, hedef metalik olduğu sürece iyi çalışır. Hedef elektriksel olarak iletken değilse hızla pozitif yüklenir ve bu alan iyonların hedefe ulaşmasını önler.
Magnetron sputtering
DC sputter dolgu kaynağı şeması
Bir magnetron sputter dolgulama cihazının şeması
Reaktif sputtering
Radyo frekanslı püskürtme
Radyo Frekansı Püskürtme (RF Püskürtme), izolasyonlu (iletken olmayan) malzemelerin püskürtmeli dolgulanmasına olanak sağlar.
RF Püskürtme, radyo frekanslarında (genellikle 13,56 MHz'de sabit) iletilen gücün eşleşen bir ağ ile birlikte kullanılmasıyla çalışır. RF Püskürtme ile elektrik potansiyeli değiştirilerek, hedef malzemenin yüzeyi her döngüde biriken şarjdan "temizlenebilir". Pozitif döngüde, elektronlar hedef malzemeye veya yüzeye çekilerek negatif bir ön yargı oluşturur. Negatif döngüde, püskürtülecek hedefin iyon bombardımanı devam eder.
Püskürtme - kaplama için vakum sistemleri
Bir sputter kaplama makinesinin vakum sistemi, termal veya e-ışınlı buharlaştırıcılardan daha karmaşıktır. Tüm kaplama makinelerinde olduğu gibi, yüksek vakum aralığında bir taban basıncı gereklidir. Bu, özellikle substratta temiz yüzeyler elde etmek ve artık gaz molekülleri nedeniyle kirlenmeyi önlemek için gereklidir. Genellikle kaplama işlemine başlamadan önceki taban basınçları 10-06 mbar veya daha iyidir. Ardından püskürtme gazı verilir, yani vakum pompası tarafından ele alınması gereken ek bir gaz akışı oluşur. Gaz akışları araştırma alanlarında birkaç sccm'den üretim cihazlarında birkaç 1000 sccm'ye kadar değişir (not: 1 sccm 1,69·10-2 mbar*l/sn'ye eşittir). Sputter dolgulama sırasındaki basınçlar mTorr aralığındadır, 10-3 ila 10-2 mbar arasındadır. Gaz akışı genellikle bir akış kontrolörü tarafından ayarlanırken, katmanın kalınlığı bir film kalınlığı kontrolörü tarafından yönetilir.
Püskürtme için turbomoleküler pompalar
Turbomoleküler pompa, püskürtme cihazlarında klasik bir iş makinesidir. Temel basınca hızlı tahliye sağlar ve büyük püskürtme gazı akışlarına izin verir. Çoğu laboratuvar cihazı 300-1000 l/s pompalama hızı aralığında orta boyutlu mekanik pompalar kullanırken, destek pompaları döner kanatlı pompalar veya küçük kuru pompalardır (scroll veya çok kademeli roots pompalar). Oksijen eklenen reaktif püskürtme durumunda, pompaların yağlayıcılarının (mekanik TMP rulmanı ve döner paletli pompadaki yağ) oksitlenmediğinden emin olun. Klasik bir çözüm, TMP'ye temizleme gazı eklemek ve kaba pompada oksijene karşı yüksek dirençli yağ kullanmaktır.
Günümüzde, üretim için daha büyük kaplayıcılar manyetik süspansiyonlu turbomoleküler pompalar kullanmaktadır. Bu, rulman yağlayıcısının oksitlenmesini önler ve daha iyi pompa çalışma süresi sağlar. Argon püskürtme gazının yüksek debileri de pompaya daha yüksek bir sıcaklık yükü getirir. Bir yandan bu, rotorun daha yüksek sürtünmesi nedeniyle daha fazla hızlanma gerektirir. Diğer yandan ağır argon gazı zayıf bir ısı iletkenidir ve rotorun daha az soğutulmasını sağlar. Pompanın amaçlanan verimde soğutma ve destek basıncı söz konusu olduğunda, pompa üreticisinin çalışma şemasını izleyin.
Püskürtme haznesindeki basınç akış kontrolörleri ile kontrol edilir. TMP'nin devir sayısı üzerinden kontrol çok yavaştır, bu nedenle sıklıkla sputtering sırasında TMP'nin üstündeki ilave bir kısma valfi kapatılır. Kuru pompa sistemleri günümüzde destek manyetik TMP'ler için standarttır.
Püskürtme için kriyo pompalar
Birçok büyük sputter cihazında kriyopompalar kullanılır. Bu uygulamadaki kriyopompanın avantajı, taban basıncına daha hızlı ulaşılabildiği için özellikle su buharı için yüksek pompalama hızıdır. Bazı kriyopompalar sputter işlemleri için özel olarak tasarlanmıştır; bu pompalar otomatik olarak çalışır ve rejenerasyon yapar. Yüksek püskürtme hızlarında, kriyopompaların kapasitesine bir hafta içinde ulaşılabileceğini unutmayın.
İlk kriyopompalar, argonun sıcaklıkların 35 K kadar düşük olabileceği bölmede zaten yoğuşabildiği sorunuyla karşı karşıya kaldı. Bu durumda, argon burada ancak sadece 10-04 mbar'lık buhar basınçlarında yoğuşur. Kaplamadan sonra, bu tür yüklü pompalar gerekli yüksek vakum taban basıncına ulaşamadı. Bununla birlikte, modern kriyopompa kontrol üniteleri, 70 K üzerindeki sıcaklıklarda ısıtıcılarla kriyosoğutucunun ilk aşamasını kontrol eder.
Aşağıdaki resimlerde, laboratuvar kullanımından büyük üretim makinelerine kadar bazı sputter kaplama makinesi örnekleri gösterilmektedir.
Bu blogda, sputter kaplama teknolojilerinin farklı temel yöntemlerini ve ilgili vakum teknolojisini gösterdik. Püskürtme, ekranlar, güneş enerjisi uygulamaları, yarı iletkenler, sensörler ve folyolar için ince filmlerin kaplanmasında kullanılan en yaygın ve gelişmiş teknolojidir.
