Den ultimative guide til reaktiv sputtering
Reaktiv sputtering bryder med begrænsningerne ved traditionel sputtering. Reaktiv gas introduceres i et inert gasmiljø, og en sammensat film med specifik kemisk sammensætning og struktur genereres på substratoverfladen gennem kemiske reaktioner mellem målatomer og reaktiv gas.
- Forbindelser: TiN, TiC, ZrO₂ osv.
- Metaller: guld, sølv, krom, titanium, aluminium osv.
- Legeringer: nikkel-krom, kobolt-krom, titanium-aluminium osv.
Wstitanium værksted
Vores kraftfulde faciliteter
Alt du bør vide om reaktionssputtering
Reaktiv sputteringsteknologi findes overalt og yder solid teknisk støtte til udviklingen af mange industrier. En dyb forståelse af reaktiv sputteringsteknologi vil ikke kun hjælpe dig med at innovere inden for materialeforskning og -udvikling, men også give dig et stærkt teoretisk grundlag for at optimere teknologien og forbedre filmkvaliteten. Denne blog vil omfattende og dybdegående udforske alle aspekter af reaktiv sputtering, herunder dens historiske oprindelse, arbejdsprincipper, tilstande, materialer, tekniske fordele og ulemper samt anvendelsesområder, med det formål at give dig et komplet og klart billede af al information om reaktiv sputtering.
Hvad er reaktiv sputtering?
Reaktiv sputtering er en type fysisk dampaflejringsteknologi (PVD). Ved sputtering anvendes der, udover at bruge inerte gasser (såsom argon Ar), også reaktive gasser (såsom oxygen O₂, nitrogen N₂, metan CH₄ osv.). I et højenergiplasmamiljø reagerer den reaktive gas kemisk med de atomer, der sputteres fra målet, for at generere forbindelser, som aflejres på overfladen af substratet og danner en tynd film.
Traditionel sputtering forstøver og aflejrer primært målatomer direkte på substratet for at danne en tynd film med samme sammensætning som målet. Reaktiv sputtering ændrer den kemiske sammensætning af den aflejrede film gennem kemiske reaktioner, hvilket gør den til en sammensat film, hvilket i høj grad udvider typerne og egenskaberne af tyndfilmsmaterialer. For eksempel kan reaktiv sputtering i en blandet atmosfære af argon og nitrogen ved brug af et metal-titan-mål opnå en titaniumnitrid (TiN)-film. Reaktiv sputtering i en blandet atmosfære af argon og oxygen kan opnå en titandioxid (TiO₂)-film.
Princippet for reaktiv sputtering
Ved reaktiv sputtering skal plasma først genereres i et vakuumkammer. Normalt anvendes en inert gas (såsom argon Ar) som arbejdsgas. Derefter påføres et elektrisk felt (såsom et jævnstrømsfelt, et radiofrekvenselektrisk felt eller et pulserende elektrisk felt) for at ionisere argonatomerne. Under påvirkning af det elektriske felt accelereres elektronerne og kolliderer med argonatomerne, hvorved elektronerne i argonatomerne slås ud og danne argonioner (Ar⁺) og frie elektroner, som danner plasma. Partiklerne i plasmaet er i en højenergitilstand og har høj aktivitet.
Målsputtering
De genererede argonioner bombarderer måloverfladen med høj hastighed under acceleration af det elektriske felt. Fordi ionerne har høj kinetisk energi, tillader momentumoverførslen, når de rammer målatomerne, at målatomerne får nok energi til at undslippe fra måloverfladen. Denne proces kaldes sputtering. De sputterede målatomer findes i vakuumkammeret i gasform og bevæger sig i alle retninger. For eksempel, når et metal-kobbermål anvendes, bombarderer argonioner kobbermåloverfladen og sputterer kobberatomer (Cu).
Reaktion og aflejring
Reaktionsgasser (såsom oxygen O₂, nitrogen N₂ osv.) indføres i vakuumkammeret. De forstøvede målatomer og reaktionsgasmolekyler mødes i vakuumkammeret og reagerer kemisk. Hvis vi tager fremstillingen af oxidtyndfilm som eksempel, og hvis målmaterialet er titanium (Ti), og reaktionsgassen er oxygen (O₂), reagerer de forstøvede titanatomer med oxygenmolekyler for at danne titandioxid (TiO₂). De forbindelser, der genereres ved disse reaktioner, aflejres til sidst på substratoverfladen. Forbindelsesfilmen vokser gradvist. Under aflejringen påvirkes filmens væksthastighed, kemiske sammensætning og struktur af mange faktorer, såsom reaktionsgasstrømmen, forstøvningsevnen, substrattemperaturen, vakuumgraden osv.
Typer af reaktiv sputtering
Forskellige typer reaktiv sputteringsteknologi har deres egne unikke principper, arbejdsegenskaber og anvendelsesområder. DC-reaktiv sputtering har fordelene ved høj aflejringshastighed og simpelt udstyr, men er modtagelig for målforgiftning. RF-reaktiv sputtering løser problemet med sputtering af isolerende mål med høj filmkvalitet, men lav hastighed og høje omkostninger. Magnetronreaktiv sputtering kombinerer fordelene ved høj aflejringshastighed og film af høj kvalitet. Pulsreaktiv sputtering kan fremstille film af høj kvalitet og fleksibelt kontrollere aflejringen. Mellemfrekvent reaktiv sputtering løser effektivt problemet med målforgiftning og har en høj omkostningseffektivitet.
DC-reaktiv sputtering
DC-reaktiv sputtering er en relativt grundlæggende type reaktiv sputteringsteknologi. I et DC-reaktivt sputteringssystem fungerer målet som en katode, og inert gas (såsom argon Ar) og reaktiv gas (såsom oxygen O₂, nitrogen N₂ osv.) introduceres i systemet under et vakuummiljø. Når en DC-spænding påføres mellem målet og anoden, ioniseres de inerte gasatomer, og de genererede argonioner (Ar⁺) bombarderer måloverfladen med høj hastighed under acceleration af det elektriske felt. Når målatomerne har fået nok energi, sputteres de ud fra måloverfladen og går ind i gasfasen. De sputterede målatomer reagerer kemisk med den reaktive gas for at danne forbindelser, som til sidst aflejres på substratet og danner en film.
RF-reaktiv sputtering
RF-reaktiv sputtering bruger en RF-strømforsyning (normalt med en frekvens på 13.56 MHz) til at generere plasma. Elektronerne og ionerne i plasmaet accelereres skiftevis for at bevæge sig mod målet. I den positive halvcyklus tiltrækkes elektronerne i nærheden af målmaterialet, hvilket neutraliserer den positive ladning, samtidig med at målmaterialet bliver negativt ladet. I den negative halvcyklus tiltrækkes arbejdsgaspartiklerne af målmaterialets negative ladning og bevæger sig mod målmaterialet, hvorved sputtering finder sted, og belægning udføres. Effektiv sputtering af isolatormål såsom oxider og nitrider løser problemet med, at DC-reaktiv sputtering ikke kan behandle isolerende mål.
Magnetronreaktiv sputtering
Magnetronreaktiv sputtering er fremstillingen af sammensatte tyndfilm ved at introducere reaktive gasser baseret på magnetronsputtering. De sputterede målatomer reagerer kemisk med de introducerede reaktive gasser for at aflejre en sammensat tyndfilm på substratet. På grund af magnetfeltets begrænsning på elektroner øges plasmadensiteten kraftigt, gasioniseringen er mere tilstrækkelig, og sputterhastigheden for målatomerne øges betydeligt. Den høje plasmadensitet og det ensartede sputtermiljø gør den aflejrede film mere ensartet, vedhæftet og tæt, og filmens struktur er mere stabil.
Pulsreaktiv sputtering
Pulsreaktiv sputtering bruger en pulsstrømforsyning til sputtering af belægningen og styrer filmens aflejringshastighed og tykkelse ved at justere parametre som pulsbredde, frekvens og duty cycle. I pulsens højeffektfase genereres et kortvarigt plasma med høj densitet, hvilket får et stort antal målatomer til at sputtere ud; i laveffektfasen reagerer reaktionsgassen kemisk med de sputterede atomer og aflejrer sig på substratet. Dette reducerer effektivt defekter og spændinger i filmen. Pulsstrømforsyningens egenskaber styrer effektivt ladningsakkumuleringen på måloverfladen, hvilket reducerer forekomsten af målforgiftning og lysbuedannelse.
Mellemfrekvens reaktiv sputtering
Mellemfrekvent reaktiv sputtering bruger en mellemfrekvent strømforsyning (normalt mellem 1 og 200 kHz) og løser problemerne med målforgiftning og lysbuedannelse i DC-reaktiv sputtering ved at bruge to mål skiftevis som katoder og anoder. I én cyklus, når det ene mål sputteres som katode, bruges det andet mål som anode til at opsamle elektroner og neutralisere den positive ladning, der er akkumuleret på måloverfladen, så sputteringprocessen kan forløbe stabilt. Dette undgår effektivt fænomenet med målforgiftning forårsaget af akkumulering af forbindelser på måloverfladen i DC-reaktiv sputtering.
Eksempler på materialer, der reaktivt forstøves
| Sammensat type | Indledende reaktanter | Eksempler på sammensatte |
| Oxide | Metalmål (f.eks. Al, Ti, Zn, Sn, In osv.) + Oxygen (O₂) | Aluminiumoxid (Al₂O₃), Titandioxid (TiO₂), Zinkoxid (ZnO), Tinoxid (SnO₂), Indiumoxid (In₂O₃) |
| Oxide | Legeringsmål (f.eks. ITO-legering, Zn-Al-legering osv.) + ilt (O₂) | Indiumtinoxid (ITO, In₂O₃:Sn), zinkaluminiumoxid (ZnO:Al) |
| Nitrid | Metalmål (f.eks. Ti, Cr, Zr, Ta osv.) + Nitrogen (N₂) | Titannitrid (TiN), Kromnitrid (CrN), Zirconiumnitrid (ZrN), Tantalnitrid (TaN) |
| Nitrid | Halvledermål (f.eks. Si, Ge osv.) + nitrogen (N₂) | Siliciumnitrid (Si₃N₄), Germaniumnitrid (Ge₃N₄) |
| Carbide | Metalmål (f.eks. Ti, Cr, W osv.) + Kulbrintegas (f.eks. metan CH₄, acetylen C₂H₂ osv.) | Titankarbid (TiC), Kromkarbid (Cr₃C₂), Wolframkarbid (WC) |
| Carbide | Kulstofmål (f.eks. grafit) + metalmål (f.eks. Ti, Zr osv.) + argon (Ar) (assisteret sputtering) | Titankarbid (TiC), zirkoniumkarbid (ZrC) |
| sulfid | Metalmål (f.eks. Cd, Zn, Pb osv.) + hydrogensulfidgas (H₂S) | Cadmiumsulfid (CdS), zinksulfid (ZnS), blysulfid (PbS) |
| sulfid | Metalsulfidmål (f.eks. MoS₂ osv.) + Argon (Ar) (Assisteret sputtering, muligvis med en lille mængde reaktiv gas) | Molybdændisulfid (MoS₂) |
| Fluorid | Metalmål (f.eks. Ca, Mg, Al osv.) + Fluoridgas (f.eks. svovlhexafluorid SF₆ osv.) | Calciumfluorid (CaF₂), Magnesiumfluorid (MgF₂), Aluminiumfluorid (AlF₃) |
| Fluorid | Metalfluoridmål (f.eks. LiF osv.) + Argon (Ar) (assisteret sputtering) | Lithiumfluorid (LiF) |
| Metalforbindelse | Metalmål A (f.eks. Cu) + Metalmål B (f.eks. Al) + Argon (Ar) (Kan indeholde en lille mængde reaktiv gas for at justere egenskaberne) | Kobber-aluminiumlegeringsfilm (forbindelser i forskellige forhold dannet i henhold til sputteringsbetingelser) |
| Metalforbindelse | Metalmål (f.eks. Fe) + sjældne jordarters mål (f.eks. Nd) + Argon (Ar) (Kan indeholde reaktiv gas) | Neodym-jern-bor (NdFeB)-relaterede forbindelsesfilm (bruges til fremstilling af særlig magnetisk film) |
Fordele ved reaktiv sputtering
Støkiometrisk forhold
Sammensatte film med præcise støkiometriske forhold fremstilles ved præcist at justere strømningsforholdet mellem reaktive gasser (såsom ilt, nitrogen osv.) og inerte gasser (såsom argon).
Diversificerede film
Forbered en række forskellige sammensatte film, og ændr filmenes mikrostruktur og sammensætning ved at justere parametre, hvorved der opnås en diversificeret filmydelse.
Bred vifte af mål
Reaktiv sputtering bruger forskellige typer mål såsom metaller, legeringer, halvledere og keramik. Uanset om det er et enkeltelementmål (såsom rent titanmål, rent siliciummål) eller et komplekst legeringsmål.
Substratmateriale
Reaktiv sputtering aflejrer tynde film på en række forskellige substratmaterialer, herunder temperaturfølsom plast, organiske materialer osv., samt traditionelle substratmaterialer såsom metaller, keramik og glas.
God filmensartethed
Et rimeligt design af magnetfeltfordelingen, gasstrømsfordelingen og den relative position af målet og substratet i sputterudstyret kan godt kontrollere filmens tykkelse og sammensætningsensartethed på et stort substrat.
Høj filmrenhed
Målmaterialerne og de reaktive gasser, der anvendes i reaktiv sputtering, er normalt af høj renhed, hvilket er befordrende for fremstillingen af forbindelsesfilm med høj renhed. Sikre chippens ydeevne og pålidelighed.
Høj aflejringshastighed
Især den mellemfrekvente reaktive sputteringmetode har en høj aflejringshastighed, der opfylder effektivitetskravene i storskalaindustrien. I den arkitektoniske glasbelægningsindustri er det nødvendigt at belægge et stort antal glassubstrater med funktionelle film på kort tid. Den høje aflejringshastighed ved mellemfrekvent reaktiv sputtering muliggør storskalaproduktion.
Realiser kontinuerlig produktion
Det reaktive sputteringsudstyr er integreret med den automatiserede produktionslinje for at opnå kontinuerlig produktion. Det automatiserede styresystem styrer nøjagtigt forskellige parametre i sputteringen, sikrer stabiliteten af filmkvaliteten, forbedrer produktionseffektiviteten og reducerer produktionsomkostningerne.
Ulemper ved reaktiv sputtering
Flere parametre påvirker hinanden.
Reaktiv sputtering involverer inert gasstrøm, sputtereffekt, substrattemperatur, vakuumgrad osv. Disse parametre påvirker hinanden. For nøjagtigt at kontrollere filmens ydeevne skal disse parametre finjusteres og optimeres, hvilket kræver et højt teknisk niveau og erfaring fra operatøren.
Smalt procesvindue
Til fremstilling af visse specifikke sammensatte film kan film af høj kvalitet kun fremstilles inden for et specifikt parameterinterval. Ud over dette interval kan det forårsage problemer såsom ubalance i filmens støkiometriske forhold, forøgelse af strukturelle defekter og forringelse af ydeevnen.
Målforgiftning
Princip for målforgiftning: Ved reaktiv sputtering, især DC-reaktiv sputtering, reagerer den reaktive gas kemisk med atomerne på overfladen af målmaterialet og danner et isolerende forbindelseslag i det ikke-erosionsbeskyttede område af måloverfladen. Dette er målforgiftningsfænomenet.
Høje udstyrsomkostninger
Reaktivt sputteringsudstyr skal normalt udstyres med komplekse komponenter såsom vakuumsystem, sputteringsstrømforsyning (såsom DC, RF, mellemfrekvensstrømforsyning osv.), gasflowstyringssystem, overvågningssystem osv. Udstyret er dyrt.
Vedligeholdelses- og driftsomkostninger
Vedligeholdelsen af udstyret er relativt kompliceret, og det er nødvendigt regelmæssigt at kontrollere og vedligeholde vakuumsystemets tætning, rengøre sputteringsmålet og vakuumkammeret, kalibrere gasflowstyringssystemet osv.
Forurening
Nogle reaktionsgasser er farlige, såsom hydrogensulfid (H₂S), som er en meget giftig gas. Svovlhexafluorid (SF₆) er et giftigt stof, der kan nedbrydes ved høje temperaturer. Sikkerhedsprocedurer skal følges nøje.
Anvendelse af reaktiv sputtering
Som en vigtig tyndfilmsforberedelsesteknologi har reaktiv sputtering unikke principper og forskellige arbejdsmetoder. Den kan fremstille en bred vifte af sammensatte film og vise brede anvendelsesmuligheder og stor praktisk værdi inden for mange områder.
Elektronik
I fremstilling af integrerede kredsløb anvendes reaktiv sputtering i vid udstrækning til at fremstille forskellige tyndfilmsmaterialer, såsom metalforbindelseslag, isolerende lag og barrierelag. Reaktiv sputtering aflejrer metalfilm af høj kvalitet, såsom kobber (Cu), aluminium (Al) osv. på siliciumwafere, som bruges til at lave forbindelseslinjer i integrerede kredsløb og realisere elektriske forbindelser mellem forskellige enheder inde i chippen. Samtidig anvendes isolerende film såsom siliciumnitrid (Si₃N₄) og siliciumdioxid (SiO₂) fremstillet ved reaktiv sputtering som isolerende lag i chips. Derudover anvendes barrierelagsfilm såsom titaniumnitrid (TiN) til at forhindre diffusion af metalatomer og sikre integrerede kredsløbs ydeevne og pålidelighed.
Optik
Reaktiv sputtering er en vigtig metode til fremstilling af forskellige optiske film, såsom antireflektionsfilm, reflekterende film, filterfilm osv. For eksempel aflejrer reaktiv sputtering et eller flere lag af tynde film, såsom siliciumdioxid og magnesiumfluorid (MgF₂), på overfladen af glaslinser, hvilket reducerer linsernes reflektionsevne betydeligt inden for et specifikt bølgelængdeområde. Ved fremstilling af reflektorer kan reflektorernes reflektionsevne forbedres ved at aflejre metalfilm (såsom sølv Ag, aluminium Al osv.) eller metaloxidfilm (såsom titandioxid TiO₂ osv.) gennem reaktiv sputtering.
Optoelektroniske
Ved fremstilling af lysdioder (LED'er) aflejres sammensatte halvlederfilm såsom galliumnitrid (GaN) på substrater såsom safir ved reaktiv sputtering som det lysudstrålende lag i LED'er. Ved fremstilling af laserdioder (LD'er) kan reaktiv sputtering bruges til at fremstille halvlederforstærkningsmediumfilm, optiske kavitetsspejlfilm osv. Derudover kan film såsom blysulfid (PbS) og cadmiumselenid (CdSe) fremstillet ved reaktiv sputtering anvendes som lysabsorptionslag til at detektere og konvertere lyssignaler ved fremstilling af fotodetektorer.
Modifikation af materialeoverflade
Reaktiv sputtering kan også bruges til at modificere materialers overflade og forbedre materialernes overfladeegenskaber. Aflejring af en keramisk film, såsom aluminiumoxid (Al₂O₃) og zirconiumoxid (ZrO₂), på overfladen af metalmaterialer ved reaktiv sputtering kan forbedre korrosionsbestandigheden og højtemperaturbestandigheden af metalmaterialer. Aflejring af metalfilm eller metaloxidfilm på overfladen af plastmaterialer kan give plastmaterialer nye egenskaber såsom ledningsevne og elektromagnetisk afskærmning. Derudover kan aflejring af bioaktive film, såsom hydroxyapatit (HA), på overfladen af biomedicinske materialer ved reaktiv sputtering forbedre materialernes biokompatibilitet og fremme celleadhæsion og -vækst.
Konklusion
I princippet kombinerer reaktiv sputtering intelligent sputtering og kemiske reaktioner, styrer præcist plasma, målsputtering og hvert led i kemiske reaktioner og realiserer præcis kontrol af filmens sammensætning og struktur. Med hensyn til anvendelse leverer reaktiv sputtering vigtig tyndfilmsforberedelsesteknologi til integrerede kredsløb, fladskærme og sensorfremstilling inden for elektronik og halvledere, hvilket understøtter den hurtige udvikling af den moderne elektronikindustri. Inden for optik bruges det til at fremstille forskellige optiske film og optoelektroniske enheder, hvilket fremmer fremskridt inden for optisk teknologi. Inden for mekanisk og materialeoverfladeteknik forbedres ydeevnen af mekaniske dele og materialernes levetid ved at fremstille hårde belægninger og modificere materialers overflade. Reaktiv sputteringsteknologi er dog ikke perfekt. Dens tekniske kompleksitet gør parameterkontrol vanskelig, og problemet med målforgiftning er stadig en af de vigtige faktorer, der begrænser dens videre udvikling. Udstyrsomkostningerne og vedligeholdelseskravene er høje, og sikkerheden og miljøbeskyttelsen af reaktive gasser kan ikke ignoreres.
Referencer
- Musil, Jindrich, Jaroslav Vlcek og Pavel Baroch. “Magnetronudladninger til tyndfilmsplasmabehandling.” Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques 1 (2006): 67-110.
- Bishop, Charles. Vakuumaflejring på webs, film og folier. William Andrew, 2011.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Sputter_deposition
Licari, James J. Håndbog i hybrid mikrokredsløbsteknologi: materialer, processer, design, test og produktion. Kapitel 3. Tyndfilmprocesser, Elsevier, 1998.