Den ultimative guide til RF-sputtering

Som en avanceret tyndfilmsaflejringsmetode er RF-sputtering blevet meget anvendt i moderne industriel produktion og videnskabelig forskning på grund af dens unikke fordele. Fra fremstilling af halvlederfilm i elektroniske enheder til funktionel belægning af optiske komponenter.

Alt du bør vide om RF-sputtering

RF-sputterteknologi har gennemgået næsten hundrede års udvikling og innovation fra tidlig videnskabelig udforskning til nutidens industrielle anvendelse. Den løser ikke kun sputterproblemet i isoleringsmaterialer, men fremmer også anvendelsen af tyndfilm i flere discipliner med sine unikke fordele. I takt med at materialevidenskaben fortsætter med at udvikle sig mod funktionalisering, integration og miniaturisering, fortsætter RF-sputterteknologi med at innovere og yder uundværlig teknisk støtte til opdagelsen af nye materialer og opgradering af enheder.

Hvad er RF-sputtering?

RF-sputtering er en teknologi, der bruger et alternerende elektrisk felt genereret af en radiofrekvens (RF) strømforsyning til at opnå tyndfilmsaflejring. I et RF-sputteringssystem er RF-strømforsyningen normalt forbundet til sputteringsmålet, og en inert gas (såsom argon) indføres i sputterkammeret under et vakuummiljø. Det højfrekvente elektriske felt genereret af RF-strømforsyningen ioniserer den inerte gas og danner et plasma. De positive ioner i plasmaet accelereres under påvirkning af det elektriske felt for at bombardere overfladen af målmaterialet, hvorved målatomerne sputteres. Disse sputterede atomer aflejres på substratets overflade og danner gradvist en tynd film.

RF-sputtering bruger et alternerende elektrisk felt. I hver cyklus, når målet er i den positive halvcyklus, strømmer elektroner til måloverfladen for at neutralisere positive ladninger og akkumulere elektroner, hvilket gør måloverfladen negativt forspændt. I den negative halvcyklus tiltrækker den negative forspænding positive ioner for at bombardere målet og derved opnå kontinuerlig sputtering af isolerende målmaterialer. Dette unikke arbejdsprincip gør det muligt at bruge RF-sputtering til at aflejre tyndfilm af næsten ethvert fast materiale, herunder ledere, halvledere og isolatorer, hvilket i høj grad udvider udvalget af materialevalg til fremstilling af tyndfilm.

RF-sputterings historie

Oprindelsen af RF-sputtering kan spores tilbage til studiet af gasudladningsfænomener i begyndelsen af det 20. århundrede. I 1852, britisk fysiker William Crookes observerede først fænomenet "katodesputtering" forårsaget af gasionisering under lavt tryk og elektrisk felt – atomerne i katodematerialet blev ramt af højenergipartikler og løsnet fra overfladen og aflejret på det nærliggende substrat. Denne opdagelse lagde det teoretiske grundlag for sputteringsteknologi, men tidlig DC-sputteringsteknologi kunne kun bruges til ledende materialer og var hjælpeløs over for isolerende materialer som keramik og polymerer. Når en DC-spænding påføres et isolerende mål, vil målets overflade danne et "ladningsskjold" på grund af ladningsakkumulering, hvilket får det elektriske feltstyrke til at falde hurtigt, og sputteringprocessen bliver vanskelig at opretholde. Denne begrænsning fik forskere til at udforske nye sputteringtilstande, og introduktionen af RF-effekt blev nøglen til at bryde dette dilemma.

I 1935 foreslog den amerikanske fysiker Robert von Ardenne først anvendelsen af RF-strømforsyning til sputtering. Brug af højfrekvente vekslende elektriske felter til at løse problemet med ladningsakkumulering i isolerende mål. RF-strømkilder bruger normalt en industriel standardfrekvens på 13.56 MHz (denne frekvens er specificeret af Den Internationale Telekommunikationsunion for at undgå interferens med radiokommunikation). Med fremkomsten af mikroelektronikindustriens fremgang i anden halvdel af det 20. århundrede har RF-sputteringsteknologien udviklet sig og forbedret sig hurtigt. I 1960'erne øgede fremskridt inden for vakuumteknologi (såsom opfindelsen af molekylære pumper) vakuumniveauet i sputteringssystemer til under 10⁻⁴Pa. I dag har RF-sputtering udviklet en række afledte teknologier såsom RF-magnetronsputtering, reaktiv RF-sputtering og bias RF-sputtering, som præcist kan kontrollere sammensætningen, tykkelsen, strukturen og ydeevnen af tyndfilm for at imødekomme de personlige behov inden for forskellige felter.

RF-sputterings arbejdsprincip

Funktionsprincippet for RF-sputtering er baseret på effekten af et RF-elektrisk felt på plasma og sputtereffekten af ioner i plasma på målmaterialet. I et typisk RF-sputteringssystem omfatter det primært et vakuumkammer, en RF-strømforsyning, et sputteringsmålmateriale, et substrat og et gasforsyningssystem. Når systemet startes, evakueres vakuumkammeret først til en vis vakuumgrad, normalt i området 10⁻³ – 10⁻⁵ Pa. Derefter indføres en passende mængde inert gas (såsom argon Ar) i vakuumkammeret. Argongas, som arbejdsgas, danner materialegrundlaget for dannelsen af plasma.

Når RF-strømforsyningen tændes, dannes et RF-elektrisk felt mellem det sputterende målmateriale og den jordforbundne vakuumkammervæg (eller anden jordforbundet elektrode). Under påvirkning af dette RF-elektriske felt får elektronerne i plasmaet energi og begynder at oscillere i det elektriske felt. Elektroner kolliderer ofte med argonmolekyler, hvorved argonmolekylerne ioniseres og genereres et stort antal positive ioner (Ar⁺) og frie elektroner, hvorved der dannes plasma.

Fordi elektronernes masse er meget mindre end ionernes, er deres bevægelseshastighed meget hurtigere end ionernes. Når positive ioner rammer måloverfladen, overføres deres energi til målatomerne, så målatomerne får nok energi til at forstøve ud fra måloverfladen. De forstøvede målatomer flyver frit i vakuumkammeret, og nogle atomer når substratoverfladen og aflejres. Med tiden dannes der gradvist en tynd film på substratoverfladen.

RF-sputteringsarbejdsproces

VakuumforberedelsePlacer det substrat, der skal afsættes, på substratholderen i vakuumkammeret for at sikre, at substratoverfladen er ren og fri for urenheder og forurenende stoffer. Luk vakuumkammeret, start vakuumpumpegruppen, og pump vakuumkammeret til den ønskede vakuumgrad ved hjælp af mekaniske pumper og molekylære pumper.

Gas introduktionIndfør en passende mængde inert gas (argon) i vakuumkammeret via en massestrømningsregulator (MFC). Generelt set er gasstrømningshastigheden mellem et par sccm (standard kubikcentimeter pr. minut) og ti sccm.

RF-strømstartTænd for RF-strømmen, og indstil passende RF-effekt, frekvens og andre parametre. Størrelsen af RF-effekten påvirker direkte plasmaets densitet og ionernes energi, hvilket igen påvirker sputterhastigheden og filmkvaliteten.

Aflejring og overvågningEfterhånden som sputtertiden øges, fortykkes filmen på substratoverfladen gradvist. Filmvækstprocessen overvåges ved hjælp af en række forskellige metoder, såsom kvartskrystalmikrobalance (QCM), optisk emissionsspektroskopi (OES) osv.

EndeSluk først for RF-strømforsyningen, og stop sputteringen. Fortsæt derefter med at opretholde vakuumet et stykke tid, så plasmaet og den resterende gas i vakuumkammeret kan blive helt afladet. Til sidst vender vakuumkammeret tilbage til normalt tryk, og substratet med den aflejrede film tages ud.

RF-spændingsberegning

RF-spænding er en vigtig parameter, der er tæt forbundet med plasmagenerering, ionernes energi og sputtereffekten. RF-spændingen justeres i henhold til forskellige målmaterialer, gastryk, sputterhastighed og andre krav. Nøjagtig beregning af RF-spænding ved RF-sputtering er dog en kompleks proces, der involverer viden inden for flere områder såsom plasmafysik og elektromagnetik. Ud fra det grundlæggende princip er RF-spændingen tæt forbundet med plasmakappens egenskaber. Kappespændingen (Vs) er en vigtig komponent af RF-spændingen. Den bestemmer energien af ioner, der bombarderer måloverfladen. Nogle forenklede modeller bruges til at estimere kappespændingen. For eksempel kan følgende omtrentlige formel for kappespændingen opnås i RF-kapacitivt koblet plasma (CCP)-modellen, forudsat at plasmaet er elektrisk neutralt, og ionernes bevægelse i kappen opfylder Boltzmann-fordelingen:

Imidlertid er faktisk RF-sputtering langt mere kompliceret end denne simple model. Det er også nødvendigt at tage højde for gastrykket, målets og substratets egenskaber, RF-strømforsyningens egenskaber osv. I praksis bruges et oscilloskop og andet udstyr til at måle RF-strømforsyningens udgangsspænding og strømbølgeform, og en effektmåler bruges til at måle RF-effekten. Derefter justeres RF-spændingen i henhold til sputtereffekten (såsom sputterhastighed, filmkvalitet osv.) for at opnå de bedste sputterforhold. Samtidig kan nogle empiriske formler og tidligere forskningsresultater også bruges til at estimere den indledende RF-spænding for at reducere eksperimentets blindhed.

Hvorfor er frekvensen 13.56 MHz?

Inden for RF-sputterteknologi er frekvensen 13.56 MHz bredt anvendt internationalt. Dette valg er ikke tilfældigt, men en omfattende overvejelse af mange faktorer:

13.56 MHz ligger inden for det industrielle, videnskabelige og medicinske (ISM) frekvensbånd. 13.56 MHz RF-teknologi har i lang tid været meget anvendt og grundigt undersøgt inden for forskellige områder, og den relevante udstyrsteknologi har været meget moden. Dette frekvensbånd er opdelt af Den Internationale Telekommunikationsunion (ITU) til ikke-kommunikationsformål og bruges specifikt til industriel, videnskabelig forskning, medicinsk udstyr og radiofrekvensidentifikation (RFID) applikationer. Det undgår effektivt interferens med konventionelle kommunikationsfrekvenser (såsom radio, tv, mobilkommunikation osv.). Fra et plasmafysisk perspektiv kan frekvensen på 13.56 MHz effektivt excitere og vedligeholde plasma. Ved denne frekvens kan det RF-elektriske felt gøre det muligt for elektronerne i plasmaet at opnå tilstrækkelig energi til at kollidere med de arbejdende gasmolekyler (såsom argon) og ionisere dem. Brugen af en samlet 13.56 MHz frekvens letter udskiftelighed og kompatibilitet mellem RF-sputterudstyr produceret af forskellige producenter.

RF-sputtering vs. DC-sputtering

DC-sputtering Teknologien kan kun bruges til ledende materialer og er hjælpeløs over for isolerende materialer som keramik og polymerer. Når en jævnspænding påføres et isolerende mål, vil målets overflade danne et "ladningsskjold" på grund af ladningsakkumulering, hvilket får det elektriske feltstyrke til at aftage hurtigt, og sputtering bliver vanskelig at opretholde. RF-sputtering er blevet nøglen til at bryde dette dilemma.

Sammenligning	RF sputtering	DC Sputtering
Effekt	RF-strømkilde, normalt med en frekvens på 13.56 MHz, og et vekslende elektrisk felt.	DC-strømkilde og et konstant elektrisk felt.
mål	Kan forstøve næsten ethvert materiale, herunder ledere, halvledere og isolatorer.	Hovedsageligt anvendelig til ledende mål, og det er vanskeligt at forstøve isolerende mål.
Charge	Gennem det vekslende elektriske felt neutraliseres de positive ladninger på måloverfladen i den positive halvcyklus, og sputtering realiseres i den negative halvcyklus, hvilket undgår unormal udladning forårsaget af ladningsakkumulering.	På isolerende mål vil bombardementet af positive ioner forårsage, at positive ladninger akkumuleres på måloverfladen, hvilket resulterer i et fald i det elektriske felt, slukning af glødeudladning og ophør af forstøvning.
Plasma	Det RF-elektriske felt gør det lettere for elektroner at oscillere i det elektriske felt, absorbere energi og kollidere med gasmolekyler for ionisering. Generering og vedligeholdelse af plasma er relativt let, og arbejdsgastrykket kan være så lavt som omkring 1 Pa.	En relativt høj spænding er nødvendig for at generere sekundære elektroner for at opretholde udladningen, og arbejdsgastrykket er generelt omkring 10 Pa.
Sputteringshastighed	For nogle materialer er sputteringshastigheden relativt lav, men en relativt høj aflejringshastighed kan også opnås under optimerede forhold.	Ved sputtering af ledende mål er sputterhastigheden normalt relativt høj.
Filmkvalitet	Kan opnå tætte film med høj renhed og fast vedhæftning til underlaget, især ved aflejring af isolerende materialefilm, hvilket er en åbenlys fordel.	Højkvalitetsfilm kan også opnås under passende forhold, men der er begrænsninger i aflejringen af isolerende materialefilm.
Udstyrsomkostninger	Kræver komplekst udstyr såsom RF-strømkilder og matchende netværk, og omkostningerne er relativt høje.	Udstyret er relativt simpelt, og prisen er relativt lav.
Anvendelsesområder	Udbredt anvendt inden for halvleder-, optiske, elektroniske, biomedicinske og andre områder til fremstilling af forskellige funktionelle film, såsom oxid-, nitrid-, hårdmetalfilm osv.	Anvendes hovedsageligt til fremstilling af metalfilm, i nogle områder med mindre efterspørgsel efter isolerende materialefilm.

Isolerende sputteringsmål til RF-sputtering

RF-sputterteknologi bruger højfrekvente vekslende elektriske felter til intelligent at løse problemet med ladningsakkumulering på overfladen af isolerende mål, hvilket gør sputterteknologi bredt anvendelig til forskellige materialer og udvider dens anvendelsesområde betydeligt. Wstitanium oplister 30 isolerende sputtermål.

Silicium (Si) sputteringsmål

Siliciums kemiske egenskaber er relativt stabile. Det er ikke let at reagere kemisk med andre stoffer under sputtering, hvilket kan sikre filmens renhed. For det andet har siliciumfilm god krystallinitet. Siliciummål bruges ofte til at fremstille siliciumbaserede halvlederkomponenter, såsom solceller og tyndfilmstransistorer. Siliciums sputteringshastighed er dog relativt lav.

Ge Sputtering Target

Fordelene ved germanium er høj elektronmobilitet og gode optiske absorptionsegenskaber. Det er meget udbredt i infrarøde optiske enheder og optoelektroniske enheder. Germaniumfilm bruges til at fremstille germaniumbaserede transistorer, infrarøde detektorer osv. Germanium reagerer let med ilt og andre stoffer og danner germaniumoxid, hvilket påvirker filmens ydeevne.

Cadmiumsulfid (CdS)

Cadmiumsulfid anvendes i vid udstrækning i solceller, lysdioder og fotodetektorer. Cadmiumsulfid-tyndfilm forbedrer effektivt solcellers konverteringseffektivitet. Ved RF-sputtering skal sputtering af cadmiumsulfidmål være opmærksom på materialets støkiometriske forholdskontrol. Derudover skal cadmiumsulfids toksicitet også tages i betragtning.

Cadmiumselenid (CdSe)

Cadmiumselenid har en bred vifte af anvendelser inden for fotoelektrisk konvertering, optisk lagring og biomedicin. CdSe-tyndfilm bruges til at fremstille CdSe-baserede solceller, fotodetektorer og biosensorer. Ved RF-sputtering skal man være opmærksom på krystallinitet og optiske egenskaber. Derudover er CdSe's toksicitet også en bekymring.

Cadmium tellurid (CdTe)

Cadmiumtellurid har en bred vifte af anvendelser inden for solceller. Det er det centrale absorptionslagsmateriale i CdTe-tyndfilmssolceller. Ved RF-sputtering skal sputtering af CdTe-mål være opmærksom på materialernes støkiometriske forhold og krystallinitet. Derudover er CdTe's toksicitet også en bekymring.

Zinkoxid (ZnO)

Zinkoxid er et vigtigt halvledermateriale med bredt båndgab og gode optiske, elektriske og piezoelektriske egenskaber. Det anvendes i vid udstrækning i transparente ledende film, UV-detektorer, lysdioder og piezoelektriske enheder. Ved RF-sputtering skal der lægges vægt på doping og krystalorientering.

Siliciumcarbid (SiC)

Siliciumcarbid har fremragende elektrisk, termisk og kemisk stabilitet og anvendes i elektroniske apparater med høj temperatur, høj frekvens og høj effekt samt til detektion af nuklear stråling. Siliciumcarbid, såsom kubisk fase (3C-SiC), hexagonal fase (4H-SiC, 6H-SiC) osv., har forskellige elektriske og optiske egenskaber. Enheder baseret på siliciumcarbid anvendes i vid udstrækning inden for luftfart, energi og biler.

Tinoxid (SnO₂)

Tinoxid har god optisk, elektrisk og kemisk stabilitet og anvendes i vid udstrækning i transparente ledende film, gassensorer og lithiumbatterielektroder. Tinoxids elektriske egenskaber kan reguleres ved hjælp af doteringselementer som fluor og antimon for at opnå meget ledende transparente ledende film.

Indiumtinoxid (ITO)

Indium-tinoxid er et transparent, ledende oxidmateriale med fremragende optiske og elektriske egenskaber. Det anvendes i vid udstrækning i fladskærme, solceller, berøringsskærme og elektromagnetisk afskærmning. Indholdet af indiumoxid er normalt omkring 90 % og tinoxid er omkring 10 %.

Galliumoxid (Ga₂O₃)

Galliumoxid har et ekstremt højt gennembrudselektrisk felt og god termisk stabilitet og har brede anvendelsesmuligheder i effektelektroniske enheder og ultraviolette detektorer. Galliumoxid har en række forskellige krystalstrukturer, såsom β-Ga₂O₃, α-Ga₂O₃ osv., hvoraf β-Ga₂O₃ er den mest stabile og har fremragende elektriske egenskaber. Galliumoxidbaserede effektelektroniske enheder har fordele såsom lav tændingsmodstand og høj koblingshastighed.

Vanadiumoxid (V₂O5)

Vanadiumoxid har unikke faseovergangsegenskaber som metalisolator. Vanadiumoxidbaserede smarte vinduer har høj transmittans ved lave temperaturer, hvilket tillader sollys at trænge ind i rummet og øger indetemperaturen. Ved høje temperaturer falder transmittansen, hvilket blokerer sollys fra at trænge ind i rummet og reducerer indetemperaturen.

Aluminiumnitrid (AlN)

Aluminiumnitrid har fremragende elektriske, optiske og piezoelektriske egenskaber og anvendes i vid udstrækning i højfrekvente elektroniske enheder, akustiske overfladebølgeenheder og ultraviolette detektorer. Aluminiumnitrid har en hexagonal wurtzitstruktur, og dens piezoelektriske egenskaber gør det meget anvendt i akustiske overfladebølgeenheder. Kommunikation, radar, elektronisk krigsførelse osv.

Kobberoxid (CuO)

Kobberoxid har gode optiske, elektriske og katalytiske egenskaber og anvendes i vid udstrækning i gassensorer, fotoelektrokemiske celler og fotokatalyse. Kobberoxid anvendes i vid udstrækning inden for miljøovervågning, industriel sikkerhed og medicinsk diagnose inden for gassensorer.

Nikkeloxid (NiO)

Nikkeloxid er et vigtigt p-type halvledermateriale med gode optiske, elektriske og magnetiske egenskaber. Det anvendes i vid udstrækning i elektrokrome enheder, sensorer og batterielektroder. Derudover gør nikkeloxids elektrokrome egenskaber det til en bred anvendelse i elektrokrome enheder.

Jernoxid (Fe₂O₃)

Jernoxid er et vigtigt n-type halvledermateriale med en bred vifte af anvendelser inden for fotokatalyse, gassensorer og magnetisk optagelse. Jernoxids fotokatalytiske egenskaber bruges til at nedbryde organiske forurenende stoffer, nedbryde vand for at producere hydrogen og reducere kuldioxid.

Wolframoxid (WO₃)

Wolframoxid har gode optiske, elektriske og katalytiske egenskaber og anvendes i vid udstrækning i elektrokrome enheder, gassensorer og fotokatalyse. Wolframoxid har en række forskellige krystalstrukturer, såsom monoklin fase, orthorhombisk fase, tetragonal fase osv. Wolframoxid anvendes i vid udstrækning i smarte vinduer, displays og bakspejle i biler.

Zirconiumoxid (ZrO₂)

Zirconiumoxid er et isolationsmateriale med høj kemisk stabilitet, termisk stabilitet og mekanisk styrke. Det anvendes i vid udstrækning i højtemperaturbelægninger, fastoxidbrændselsceller og iltsensorer. Derudover giver zirconiumoxids høje iltionledningsevne det brede anvendelsesmuligheder i fastoxidbrændselsceller og iltsensorer.

Aluminiumoxid (Al₂O₃)

Aluminiumoxid har høj kemisk stabilitet, termisk stabilitet og elektriske isoleringsegenskaber og anvendes i vid udstrækning i mikroelektronisk emballage, optiske belægninger og slidstærke belægninger. Emballagematerialer baseret på aluminiumoxid har høje elektriske isoleringsegenskaber og god varmeledningsevne, hvilket effektivt beskytter chips og afleder varme.

Siliciumoxid (SiO₂)

Siliciumoxid har god kemisk stabilitet, termisk stabilitet og elektriske isoleringsegenskaber og anvendes i vid udstrækning i mikroelektronik, optik og halvledere. Siliciumoxidfilm isolerer effektivt forskellige kredsløbskomponenter for at sikre chipens pålidelighed og stabilitet.

Siliciumnitrid (Si₃N₄)

Siliciumnitrid har høj hårdhed, slidstyrke, kemisk stabilitet og termisk stabilitet og anvendes i vid udstrækning i mikroelektronik, optik og maskiner. Derudover giver siliciumnitrids høje hårdhed og slidstyrke det brede anvendelsesmuligheder inden for det mekaniske område.

Borkarbid (B₄C)

Borkarbid har ekstremt høj hårdhed, slidstyrke og neutronabsorptionsevne og anvendes i vid udstrækning i atomindustrien, luftfart og slidstærke belægninger. Borkarbid bruges til at fremstille kontrolstænger og afskærmningsmaterialer for effektivt at kontrollere forløbet af nukleare reaktioner.

Bornitrid (BN)

Bornitrid har en grafitlignende lagstruktur, høj varmeledningsevne, god elektrisk isolering og kemisk stabilitet og anvendes i vid udstrækning i elektronisk emballage, varmeafledningsmaterialer og højtemperatursmøremidler. Bornitrid afleder effektivt den varme, der genereres af elektroniske enheder. Fremstillingsomkostningerne for bornitridfilm er relativt høje.

Magnesiumfluorid (MgF₂)

Magnesiumfluorid har gode optiske egenskaber, kemisk stabilitet og elektriske isoleringsegenskaber og anvendes i vid udstrækning i optiske belægninger, ultraviolette detektorer og elektroniske apparater. Magnesiumfluoridfilm kan bruges til at fremstille antirefleksfilm, antirefleksfilm og beskyttelsesfilm osv. for at forbedre ydeevnen og pålideligheden af optiske apparater.

Lithiumfluorid (LiF)

Lithiumfluorid har gode optiske egenskaber, kemisk stabilitet og ionledningsevne og anvendes i vid udstrækning i optiske belægninger, lithium-ion-batterier og i atomindustrien. Lithiumfluorid opnår effektiv lithium-ion-transmission og forbedrer batteriets ydeevne. Lithiumfluoridfilm har høj transmission og lavt absorptionstab for ultraviolet lys.

Ceriumoxid (CeO₂)

Ceriumoxid har en fluoritstruktur, et smeltepunkt på omkring 2600 ℃ og en densitet på 7.13 g/cm³. Det har fremragende iltionledningsevne (især ved høje temperaturer), kemisk stabilitet og optiske egenskaber. Ceriumoxidfilm bruges ofte som elektrolytter eller elektrolyttadditiver. Ceriumoxid er isolerende.

Titaniumdioxid (TiO₂)

Titandioxid har tre krystalformer: anatasfase, rutilfase og brookitfase, hvoraf anatasfase og rutilfase har gode fotokatalytiske egenskaber. Smeltepunktet er omkring 1843 ℃, og dens densitet er 4.26 g/cm³. Titandioxidfilmen har et højt brydningsindeks og god kemisk stabilitet.

Lithiumniobat (LiNbO₃)

Lithiumniobat har en trigonal krystalstruktur, et smeltepunkt på omkring 1250 °C og en densitet på 4.64 g/cm³. Det har fremragende piezoelektriske egenskaber (høj elektromekanisk koblingskoefficient), elektrooptisk effekt (ændringer i brydningsindeks med påført elektrisk felt) og ikke-lineære optiske egenskaber.

Fordele ved RF-sputtering

RF-sputteringsteknologi har mange betydelige fordele inden for fremstilling af tyndfilm på grund af dens unikke arbejdsprincip og ydeevneegenskaber:

Bredt udvalg af materialer

Dette er en af de mest fremtrædende fordele ved RF-sputtering. Det omfatter forskellige metaller, legeringer, keramik, forbindelser osv., hvilket i høj grad udvider udvalget.

Høj filmkvalitet

RF-sputtering kan producere film med høj densitet, god ensartethed og høj renhed. Under sputtering kan atomer bedre diffundere og arrangere sig, når de afsættes på substratoverfladen, for at danne en tæt struktureret film.

Stærk kontrollerbarhed

Nøgleparametre i RF-sputteringsprocessen, såsom RF-effekt, sputtergastryk, gasflow, substrattemperatur, afstand mellem mål og substrat osv., kan styres præcist.

Opnå ensartet aflejring i store områder

RF-sputtering er velegnet til strukturen af store substrater og kan producere film med god ensartethed på store substrater. Denne fordel gør den til en vigtig anvendelsesværdi i fladskærme, solceller, store optiske belægninger osv.

Stærk vedhæftning til underlaget

Ved RF-sputtering vil de sputterede højenergiatomer, når de aflejres på substratoverfladen, interagere stærkt med substratet og kan endda danne grænsefladelegeringer eller -forbindelser, hvorved vedhæftningen mellem filmen og substratet forbedres betydeligt.

Flerlags kompositfilm

RF-sputtering kan producere flerlagskompositfilm ved at udskifte forskellige mål eller ændre gassammensætningen under sputtering. Flerlags optiske filmsystemer opnår specifikke optiske funktioner (høj refleksion, smalbåndsfiltrering osv.). Flerlags metalisolerende lagfilm kan bruges til at fremstille magnetoresistanceenheder osv.

Ulemper ved RF-sputtering

Selvom RF-sputtering har mange fordele, har det også nogle mangler, der skal overvejes og overvindes i praktiske anvendelser:

Høje udstyrsomkostninger

RF-sputteringssystemer kræver udstyr såsom RF-strømforsyninger og matchende netværk. Produktions- og vedligeholdelsesomkostningerne for disse enheder er relativt høje. I modsætning hertil er DC-sputteringsudstyr enklere og billigere. Dette gør den indledende investering i RF-sputteringsudstyr relativt stor.

Relativt lav sputteringshastighed

For mange materialer, især isoleringsmaterialer, er hastigheden af RF-sputtering normalt lavere end sputteringshastigheden af DC-sputtering på ledende mål. Accelerationen og energioverførselseffektiviteten af ioner i kappen er relativt lav, og sputteringsudbyttet af isolerende mål er normalt ikke højt.

Lav udnyttelse af målmaterialet

På grund af faktorer som plasmafordelingen og ionbombardementets retning er overfladen af målmaterialet tilbøjelig til ujævn "ætsning", hvilket danner "målforgiftning" eller "måloverfladedepression", hvilket resulterer i lav udnyttelse af målmaterialet.

RF -interferens

Når RF-strømforsyningen er i drift, genereres der elektromagnetisk stråling, som kan forstyrre omgivende elektronisk udstyr og måleinstrumenter. For at reducere denne interferens skal der træffes særlige afskærmningsforanstaltninger.

Anvendelser af RF-sputtering

Fordelene ved RF-sputteringsteknologi er blevet fuldt demonstreret. Inden for halvlederfremstilling leverer den nøgleteknologi til fremstilling af højtydende chips og integrerede kredsløb. Inden for optik har optiske film af høj kvalitet, der er fremstillet ved RF-sputtering, forbedret ydeevnen af optiske enheder betydeligt og opfyldt de høje krav til optiske systemer i forskellige anvendelsesscenarier. Inden for maskiner, luftfart osv. forbedrer den beskyttende belægning, der er fremstillet ved RF-sputtering, slidstyrken, korrosionsbestandigheden og den høje temperaturbestandighed på materialeoverfladen, forlænger levetiden for dele og komponenter og forbedrer udstyrets evne til at fungere i ekstreme miljøer.

Semiconductor

Inden for fremstilling af halvlederchips er RF-sputtering en af nøgleteknologierne til fremstilling af forskellige funktionelle film. For eksempel siliciumdioxid (SiO₂) og siliciumnitrid (Si₃N₄) film til isoleringslag, aluminium (Al) og kobber (Cu) film til metalforbindelseslag, titanium (Ti) og tantal (Ta) film til diffusionsbarrierelag osv. Kvaliteten af disse film påvirker direkte chippens ydeevne, pålidelighed og integration. RF-sputteringsteknologi kan opfylde halvlederindustriens strenge krav til filmtykkelse, ensartethed, renhed osv.

Optik

RF-sputtering spiller en vigtig rolle i fremstillingen af optiske film. Det bruges til at fremstille forskellige optiske komponenter såsom antireflektionsfilm, højreflektionsfilm, filtre og spektroskoper. For eksempel aflejres en flerlags antireflektionsfilm af skiftevis siliciumdioxid (SiO₂) og titandioxid (TiO₂) på overfladen af brilleglas og kameralinser for at forbedre linsens lysgennemstrømning betydeligt. Brugen af højreflekterende film (såsom metal-sølvfilm eller flerlags dielektriske film) i laserresonatorer kan forbedre laseres outputeffektivitet. Derudover kan RF-sputtering også fremstille specielle optiske film til infrarød detektion, optisk kommunikation og andre felter.

Elektronik

I fremstillingen af elektroniske apparater anvendes RF-sputteringsteknologi til at fremstille forskellige elektroder, sensorfilm, piezoelektriske film osv. For eksempel anvendes den transparente ledende film af indiumtinoxid (ITO) fremstillet ved RF-sputtering i fladskærme (LCD, OLED) som en elektrode, der har høj transmittans og god ledningsevne. Inden for sensorer kan de piezoelektriske og gasfølsomme egenskaber ved zinkoxid (ZnO) og aluminiumnitrid (AlN) film bruges til at fremstille tryksensorer, gassensorer osv. I piezoelektriske apparater giver anvendelsen af lithiumniobat (LiNbO₃) og lithiumtantalat (LiTaO₃) film dem en fremragende elektroakustisk konverteringsevne.

Overflademodifikation og -beskyttelse

RF-sputteringsteknologi kan bruges til at modificere og beskytte materialers overflade, hvilket forbedrer slidstyrken, korrosionsbestandigheden, højtemperaturbestandigheden og andre egenskaber ved materialerne. For eksempel kan sputtering af hårde film såsom titaniumnitrid (TiN) og titancarbid (TiC) på overfladen af værktøjer og forme forbedre deres levetid betydeligt; aflejring af termiske barrierebelægninger af zirconiumoxid (ZrO₂) på overfladen af dele til luftfart for at reducere delenes opvarmningstemperatur og forbedre deres højtemperaturbestandighed; sputtering af korrosionsbestandige film såsom aluminiumoxid (Al₂O₃) og siliciumdioxid (SiO₂) på overfladen af metalmaterialer for at forhindre metalkorrosion.

Ny Energi

I fremstillingen af solceller anvendes RF-sputtering til at fremstille forskellige funktionelle film, såsom kobberindium-galliumselenid (CIGS), cadmiumtellurid (CdTe) og andre absorptionslagsfilm. Transparente ledende film såsom zinkoxid (ZnO) og indiumtinoxid (ITO). Antireflektionsfilm og passiveringsfilm såsom siliciumnitrid (Si₃N₄). Disse film er nøglen til at forbedre solcellers fotoelektriske konverteringseffektivitet. Inden for lithium-ion-batterier anvendes RF-sputtering til at fremstille elektrodematerialefilm og membranbelægninger for at forbedre batteriers ydeevne og sikkerhed.

biomedicin

RF-sputteringsteknologi anvendes også i stigende grad inden for det biomedicinske område. Ved at udnytte sin evne til at fremstille biokompatible film, aflejres tynde film såsom titanium (Ti), titaniumnitrid (TiN) og zirconiumoxid (ZrO₂) på overfladen af medicinsk udstyr (såsom kunstige led og tandimplantater) for at forbedre udstyrets biokompatibilitet, slidstyrke og korrosionsbestandighed og reducere kroppens afvisning af fremmedlegemer. Derudover kan biosensorfilm med særlige funktioner fremstillet ved RF-sputtering bruges til detektion og diagnose af biologiske molekyler.

Konklusion

Denne artikel forklarer omfattende den relevante viden om RF-sputtering, herunder dens definition, arbejdsprincip og proces – plasma exciteres af et RF-elektrisk felt, ioner bombarderer målmaterialet for at sputtere atomer og aflejre sig på substratet for at danne en tynd film. Kompleksiteten af RF-spændingsberegning og påvirkningsfaktorer analyseres. Årsagerne til, at 13.56 MHz-frekvensen er bredt anvendt, forklares, såsom at undgå kommunikationsinterferens, høj plasma-excitationseffektivitet og modent udstyr. Ved at sammenligne med DC-sputtering fremhæves fordelene ved RF-sputtering i materialeanvendelighed. 30 almindeligt anvendte isolerende sputteringsmål introduceres i detaljer. Hvert materiale forklares ud fra perspektivet af egenskaber, anvendelse og sputteregenskaber. Samtidig opsummeres fordelene ved RF-sputtering, såsom et bredt udvalg af materialeanvendelser, høj filmkvalitet, stærk parameterstyrbarhed osv., og dets ulemper såsom høje udstyrsomkostninger og lav sputterhastighed påpeges også. Endelig skitseres dets brede anvendelse inden for forskellige områder.