Lớp phủ chân không bằng công nghệ phún xạ Ngày 28 tháng 4 năm 2021

Trong phún xạ catốt, một mục tiêu rắn bị bắn phá bởi các ion năng lượng cao. Những ion này được tạo ra bởi một phóng điện trong một trường DC (DC Sputtering). Mục tiêu ở điện thế âm vài 100 Volt, trong khi chất nền là điện cực dương. Bằng cách đưa vào khí trơ (trong hầu hết các trường hợp là argon), một huyết tương được hình thành do ion hóa khí. Các ion Ar+ sau đó tăng tốc về phía mục tiêu. Tại đây, chúng phún xạ vật liệu catốt, sau đó lắng đọng trên chất nền. Điều này hoạt động tốt miễn là mục tiêu là kim loại. Nếu mục tiêu không dẫn điện, nó sẽ nhanh chóng tích điện dương và trường này sẽ ngăn các ion tiếp cận mục tiêu. 

Thường có một từ trường bổ sung bên dưới mục tiêu. Trong quá trình này, các electron được tạo ra bay theo đường xoắn ốc dài - cho phép xác suất ion hóa cao hơn. Điều này dẫn đến tốc độ phún xạ cao hơn và tập trung tốt hơn vào mục tiêu.

Nếu các oxit phải lắng đọng trên chất nền, Phun phản ứng sẽ được áp dụng. Ngoài khí phún xạ Argon, oxy được đưa vào buồng chân không. Oxy phản ứng với vật liệu mục tiêu thành oxit, ví dụ là 4 Al (mục tiêu) + 3 O2 ==> 2 Al2O3 (bề mặt). 

Phún xạ tần số vô tuyến (RF Sputtering) cho phép phún xạ các vật liệu cách điện (không dẫn điện).

Phún xạ RF hoạt động bằng cách sử dụng công suất được cung cấp ở tần số vô tuyến - thường cố định ở 13,56 MHz - cùng với mạng phù hợp. Bằng cách luân phiên điện thế với phún xạ RF, bề mặt của vật liệu mục tiêu có thể được "làm sạch" từ sự tích tụ điện tích với mỗi chu trình. Trong chu trình dương, các electron được thu hút vào vật liệu hoặc bề mặt mục tiêu tạo ra độ lệch âm. Trong chu trình âm, bắn bom ion của mục tiêu được phún xạ tiếp tục.

Hệ thống chân không của máy phủ phún xạ phức tạp hơn so với bình bay hơi nhiệt hoặc chùm tia điện tử. Giống như tất cả các máy phủ, áp suất cơ bản trong phạm vi chân không cao là bắt buộc. Điều này là cần thiết để có bề mặt sạch - đặc biệt là trên chất nền - và tránh nhiễm bẩn do các phân tử khí còn lại. Thông thường, áp suất cơ bản trước khi bắt đầu quy trình phủ là 10-06 mbar hoặc tốt hơn. Sau đó, khí phún xạ được đưa vào, nghĩa là dòng khí bổ sung sẽ được bơm chân không xử lý. Lưu lượng khí thay đổi từ một vài sccm trong các lĩnh vực nghiên cứu đến vài 1000 sccm trong các thiết bị sản xuất (lưu ý: 1 sccm tương đương với 1,69·10-2 mbar*l/s). Áp suất trong quá trình lắng đọng phún xạ nằm trong phạm vi mTorr, từ 10-3 đến khoảng 10-2 mbar. Lưu lượng khí thường được điều chỉnh bằng bộ điều khiển lưu lượng, trong khi độ dày của lớp được điều chỉnh bằng bộ điều khiển độ dày màng.

Bơm phân tử turbo là công cụ kinh điển trong các thiết bị phún xạ. Nó cho phép xả nhanh đến áp suất cơ sở và cho phép dòng khí phún xạ lớn. Hầu hết các thiết bị phòng thí nghiệm sử dụng bơm cơ khí cỡ trung trong phạm vi tốc độ bơm 300-1000 l/giây, trong khi bơm phụ là bơm cánh quạt xoay hoặc bơm khô nhỏ (xoắn ốc hoặc bơm root nhiều tầng). Trong trường hợp phún xạ phản ứng - nơi oxy được thêm vào - hãy đảm bảo rằng chất bôi trơn của bơm (ổ trục của TMP cơ khí và dầu trong bơm cánh quạt xoay) không bị oxy hóa. Một giải pháp cổ điển là thêm khí xả vào TMP và sử dụng dầu có khả năng kháng oxy cao trong bơm thô. 

Ngày nay, các nhà sản xuất lớp phủ lớn hơn sử dụng bơm phân tử turbo với hệ thống treo từ tính. Điều này giúp tránh oxy hóa chất bôi trơn ổ trục và đảm bảo thời gian hoạt động của bơm tốt hơn. Công suất cao của khí phún xạ argon cũng gây ra tải nhiệt độ cao hơn cho bơm. Một mặt, điều này đòi hỏi tăng tốc nhiều hơn do ma sát cao hơn của rôto. Mặt khác, khí argon nặng là chất dẫn nhiệt kém và làm mát rôto ít hơn. Khi nói đến áp suất làm mát và áp suất trước của bơm ở thông lượng dự kiến, hãy làm theo sơ đồ vận hành của nhà sản xuất bơm. 

Áp suất trong khoang phún xạ được điều khiển qua bộ điều khiển dòng chảy. Kiểm soát qua tốc độ quay của TMP quá chậm, do đó thường có một van tiết lưu bổ sung trên đầu TMP đóng trong quá trình phún xạ. Hệ thống bơm khô là tiêu chuẩn hiện nay cho TMP từ tính phụ trợ.

Nhiều thiết bị phún xạ lớn sử dụng bơm lạnh. Ưu điểm của bơm lạnh trong ứng dụng này là tốc độ bơm cao, đặc biệt là đối với hơi nước vì áp suất cơ bản có thể đạt được nhanh hơn. Một số bơm lạnh được thiết kế đặc biệt cho quy trình phún xạ; các bơm này hoạt động và tái tạo tự động. Lưu ý rằng ở tốc độ phún xạ cao, công suất của bơm lạnh có thể đạt được trong vòng một tuần. 

Các bơm lạnh đầu tiên phải đối mặt với vấn đề rằng argon đã có thể ngưng tụ tại vách ngăn, nơi nhiệt độ có thể thấp đến 35 K. Trong trường hợp này, argon ngưng tụ ở đây nhưng ở áp suất hơi chỉ 10-04 mbar. Sau khi phủ lớp, các bơm tải như vậy không thể đạt được áp suất chân không cao cần thiết. Tuy nhiên, bộ điều khiển bơm lạnh hiện đại kiểm soát giai đoạn đầu tiên của tủ lạnh lạnh với bộ gia nhiệt ở nhiệt độ trên 70 K.

Các hình ảnh sau đây cho thấy một số ví dụ về máy phủ phún xạ - từ sử dụng trong phòng thí nghiệm đến máy sản xuất lớn.