A reaktív porlasztás végső útmutatója
A reaktív porlasztás áttöri a hagyományos porlasztás korlátait. A reaktív gázt inert gázkörnyezetbe vezetik, és a célatomok és a reaktív gáz közötti kémiai reakciók révén egy meghatározott kémiai összetételű és szerkezetű vegyületfilm keletkezik az aljzat felületén.
- Vegyületek: TiN, TiC, ZrO₂ stb.
- Fémek: arany, ezüst, króm, titán, alumínium stb.
- Ötvözetek: nikkel-króm, kobalt-króm, titán-alumínium stb.
Wstitanium műhely
Hatékony létesítményeink
Minden, amit a reakciós porlasztásról tudni kell
A reaktív porlasztási technológia mindenhol jelen van, szilárd műszaki támogatást nyújtva számos iparág fejlődéséhez. A reaktív porlasztási technológia mélyreható ismerete nemcsak az anyagkutatás és -fejlesztés innovációjában segít, hanem erős elméleti alapot biztosít a technológia optimalizálásához és a filmminőség javításához is. Ez a blog átfogóan és mélyrehatóan feltárja a reaktív porlasztás minden aspektusát, beleértve a történelmi eredetét, működési elveit, módjait, anyagait, technikai előnyeit és hátrányait, valamint alkalmazási területeit, azzal a céllal, hogy teljes és világos képet adjon a reaktív porlasztással kapcsolatos összes információról.
Mi a reaktív porlasztás?
A reaktív porlasztás a fizikai gőzfázisú leválasztás (PVD) egyik típusa. A porlasztás során az inert gázok (például argon Ar) mellett reaktív gázokat (például oxigént O₂, nitrogént N₂, metánt CH₄ stb.) is bevezetnek. Nagy energiájú plazmakörnyezetben a reaktív gáz kémiailag reagál a céltárgyról porlasztott atomokkal, vegyületeket hozva létre, amelyek a hordozó felületére rakódnak le, vékony filmet képezve.
A hagyományos porlasztás főként a céltárgyatomokat közvetlenül az aljzatra porlasztja és rakja le, így egy vékony filmet képezve, amelynek összetétele megegyezik a céltárgyéval. A reaktív porlasztás kémiai reakciók révén megváltoztatja a lerakódott film kémiai összetételét, összetett filmmé téve azt, ami jelentősen kibővíti a vékonyréteg-anyagok típusait és tulajdonságait. Például egy fém-titán céltárgy felhasználásával, argon és nitrogén kevert atmoszférájában történő reaktív porlasztással titán-nitrid (TiN) filmet kaphatunk. Argon és oxigén kevert atmoszférájában történő reaktív porlasztással titán-dioxid (TiO₂) filmet kaphatunk.
A reaktív porlasztás elve
A reaktív porlasztás során először plazmát kell létrehozni vákuumkamrában. Általában inert gázt (például argont (Ar)) használnak munkagázként. Ezután egy elektromos mező (például egyenáramú elektromos mező, rádiófrekvenciás elektromos mező vagy impulzusos elektromos mező) segítségével ionizálják az argonatomokat. Az elektromos mező hatására az elektronok felgyorsulnak és ütköznek az argonatomokkal, kiütve az argonatomokban lévő elektronokat, argonionokat (Ar⁺) és szabad elektronokat képezve, amelyek plazmát alkotnak. A plazmában lévő részecskék nagy energiájúak és nagy aktivitásúak.
Célpont porlasztása
A keletkezett argonionok nagy sebességgel bombázzák a céltárgy felületét az elektromos tér gyorsulása alatt. Mivel az ionok nagy mozgási energiával rendelkeznek, amikor eltalálják a céltárgy atomokat, az impulzusátadás lehetővé teszi, hogy a céltárgy atomok elegendő energiát szerezzenek ahhoz, hogy elhagyják a céltárgy felületét. Ezt a folyamatot porlasztásnak nevezik. A porlasztott céltárgy atomok gáz halmazállapotban vannak a vákuumkamrában, és minden irányban mozognak. Például, amikor egy fém-réz céltárgyat használnak, az argonionok bombázzák a réz céltárgy felületét, és rézatomokat (Cu) porlasztanak ki.
Reakció és lerakódás
A reakciógázokat (például oxigén O₂, nitrogén N₂ stb.) vákuumkamrába vezetik. A porlasztott céltárgyatomok és a reakciógáz molekulái a vákuumkamrában találkoznak és kémiai reakcióba lépnek. Vegyük például az oxid vékonyrétegek előállítását, ha a céltárgy anyaga titán (Ti), a reakciógáz pedig oxigén (O₂), a porlasztott titánatomok reakcióba lépnek az oxigénmolekulákkal, titán-dioxidot (TiO₂) képezve. Az ezen reakciók során keletkező vegyületek végül lerakódnak az aljzat felületén. A vegyületfilm fokozatosan növekszik. A lerakódás során a film növekedési sebességét, kémiai összetételét és szerkezetét számos tényező befolyásolja, például a reakciógáz áramlása, a porlasztási teljesítmény, az aljzat hőmérséklete, a vákuum foka stb.
A reaktív porlasztás típusai
A különböző típusú reaktív porlasztási technológiáknak megvannak a saját, egyedi alapelveik, működési jellemzőik és alkalmazási területük. Az egyenáramú reaktív porlasztás előnye a magas lerakódási sebesség és az egyszerű berendezés, de hajlamos a céltárgy mérgeződésére. Az RF reaktív porlasztás megoldja a szigetelő céltárgyak porlasztásának problémáját, kiváló filmminőséget, de alacsony sebességet és magas költségeket biztosítva. A magnetron reaktív porlasztás ötvözi a magas lerakódási sebesség és a kiváló minőségű film előnyeit. Az impulzus-reaktív porlasztás kiváló minőségű filmeket készíthet és rugalmasan szabályozhatja a lerakódást. A középfrekvenciás reaktív porlasztás hatékonyan megoldja a céltárgy mérgeződésének problémáját, és magas költséghatékonysággal rendelkezik.
DC reaktív porlasztás
Az egyenáramú reaktív porlasztás a reaktív porlasztási technológia egy viszonylag alapvető típusa. Egy egyenáramú reaktív porlasztási rendszerben a céltárgy katódként működik, és inert gázt (például argont Ar) és reaktív gázt (például oxigént O₂, nitrogént N₂ stb.) vezetnek a rendszerbe vákuumkörnyezetben. Amikor egyenáramú feszültséget alkalmaznak a céltárgy és az anód között, az inert gázatomok ionizálódnak, és a keletkezett argonionok (Ar⁺) nagy sebességgel bombázzák a céltárgy felületét az elektromos tér gyorsulása alatt. Miután a céltárgy atomok elegendő energiát nyernek, kiporlasztódnak a céltárgy felületéről és gázfázisba kerülnek. A porlasztott céltárgy atomok kémiailag reagálnak a reaktív gázzal, vegyületeket képezve, amelyek végül a hordozóra rakódnak le, filmet képezve.
RF reaktív porlasztás
Az RF reaktív porlasztás RF tápegységet használ (általában 13.56 MHz frekvencián) a plazma előállításához. A plazmában lévő elektronok és ionok felváltva gyorsulnak, hogy a célpont felé mozogjanak. A pozitív félciklusban az elektronok vonzódnak a célpont anyagához, semlegesítik a pozitív töltést, miközben a célpont anyaga negatív töltésűvé válik; a negatív félciklusban a munkagáz részecskéit vonzza a célpont anyagának negatív töltése, és a célpont anyag felé mozognak, porlasztás történik, és bevonat képződik. A szigetelő célpontok, például oxidok és nitridek hatékony porlasztása megoldja azt a problémát, hogy az egyenáramú reaktív porlasztás nem képes szigetelő célpontok feldolgozására.
Magnetron reaktív porlasztás
A magnetronos reaktív porlasztás összetett vékonyrétegek előállítása reaktív gázok bevezetésével, magnetronos porlasztás alapján. A porlasztott célatomok kémiai reakcióba lépnek a bevezetett reaktív gázokkal, így összetett vékonyréteget raknak le az aljzatra. A mágneses tér elektronokra való korlátozása miatt a plazma sűrűsége jelentősen megnő, a gázionizáció megfelelőbbé válik, és a célatomok porlasztási sebessége jelentősen megnő. A nagy plazma sűrűség és az egyenletes porlasztási környezet jobb egyenletességet, tapadást és sűrűséget eredményez, a film szerkezete pedig stabilabb.
Impulzusreaktív porlasztás
Az impulzus-reaktív porlasztás impulzus tápegységet használ a porlasztásos bevonathoz, és a film lerakódási sebességét és vastagságát olyan paraméterek beállításával szabályozza, mint az impulzusszélesség, a frekvencia és a kitöltési tényező. Az impulzus nagy teljesítményű fokozatában rövid ideig tartó, nagy sűrűségű plazma keletkezik, ami nagyszámú céltárgyatom porlasztását okozza; az alacsony teljesítményű fokozatban a reakciógáz kémiai reakcióba lép a porlasztott atomokkal, és lerakódik az aljzaton. Hatékonyan csökkenti a film hibáit és feszültségét. Az impulzus tápegység jellemzői hatékonyan szabályozzák a töltés felhalmozódását a céltárgy felületén, csökkentve a céltárgy mérgezésének és az ívkisülésnek az előfordulását.
Közepes frekvenciájú reaktív porlasztás
A középfrekvenciás reaktív porlasztás középfrekvenciás tápegységet (általában 1 és 200 kHz között) használ, és két céltárgyat váltakozva katódként és anódként használva oldja meg a céltárgy mérgezési és ívképződési problémáit az egyenáramú reaktív porlasztás során. Az egyik ciklusban, amikor az egyik céltárgyat katódként porlasztják, a másik céltárgyat anódként használják az elektronok összegyűjtésére és a céltárgy felületén felhalmozódott pozitív töltés semlegesítésére, így a porlasztási folyamat stabilan végbemehet. Ez hatékonyan elkerüli a céltárgy mérgezési jelenségét, amelyet a vegyületek felhalmozódása okoz a céltárgy felületén az egyenáramú reaktív porlasztás során.
Reaktívan porlasztott anyagok példái
| Összetétel típusa | Kezdeti reagensek | Összetett példák |
| oxid | Fém céltárgy (pl. Al, Ti, Zn, Sn, In stb.) + Oxigén (O₂) | Alumínium-oxid (Al₂O₃), Titán-dioxid (TiO₂), Cink-oxid (ZnO), Ón-oxid (SnO₂), Indium-oxid (In₂O₃) |
| oxid | Ötvözet céltárgy (pl. ITO ötvözet, Zn-Al ötvözet stb.) + Oxigén (O₂) | Indium-ón-oxid (ITO, In₂O₃:Sn), cink-alumínium-oxid (ZnO:Al) |
| Nitrid | Fém célpont (pl. Ti, Cr, Zr, Ta stb.) + Nitrogén (N2) | Titán-nitrid (TiN), króm-nitrid (CrN), cirkónium-nitrid (ZrN), tantál-nitrid (TaN) |
| Nitrid | Félvezető céltárgy (pl. Si, Ge stb.) + Nitrogén (N₂) | Szilícium-nitrid (Si₃N₄), germánium-nitrid (Ge₃N₄) |
| Karbid | Fém céltárgy (pl. Ti, Cr, W stb.) + Szénhidrogén gáz (pl. Metán CH₄, Acetilén C₂H₂ stb.) | Titán-karbid (TiC), króm-karbid (Cr₃C₂), volfrám-karbid (WC) |
| Karbid | Szén céltárgy (pl. grafit) + Fém céltárgy (pl. Ti, Zr stb.) + Argon (Ar) (Támogatott porlasztás) | Titán-karbid (TiC), cirkónium-karbid (ZrC) |
| -szulfid | Fém céltárgy (pl. Cd, Zn, Pb stb.) + Kénhidrogén (H₂S) gáz | Kadmium-szulfid (CdS), cink-szulfid (ZnS), ólom-szulfid (PbS) |
| -szulfid | Fém-szulfid céltárgy (pl. MoS₂ stb.) + Argon (Ar) (Támogatott porlasztás, esetleg kis mennyiségű reaktív gázzal) | Molibdén-diszulfid (MoS₂) |
| Fluorid | Fém céltárgy (pl. Ca, Mg, Al stb.) + Fluorid gáz (pl. Kén-hexafluorid SF₆ stb.) | Kalcium-fluorid (CaF₂), Magnézium-fluorid (MgF₂), Alumínium-fluorid (AlF₃) |
| Fluorid | Fém-fluorid céltárgy (pl. LiF, stb.) + Argon (Ar) (Támogatott porlasztás) | Lítium-fluorid (LiF) |
| Fém vegyület | Fém céltárgy A (pl. Cu) + Fém céltárgy B (pl. Al) + Argon (Ar) (Kis mennyiségű reaktív gázt tartalmazhat a tulajdonságok beállításához) | Réz-alumínium ötvözetből készült kompozit film (Különböző arányú vegyületek képződnek a porlasztási körülményektől függően) |
| Fém vegyület | Fém céltárgy (pl. Fe) + Ritkaföldfém céltárgy (pl. Nd) + Argon (Ar) (Reaktív gázt tartalmazhat) | Neodímium-vas-bór (NdFeB) rokonságú összetett filmek (Speciális mágneses filmkészítéshez használják) |
A reaktív porlasztás előnyei
Sztöchiometrikus arány
A pontos sztöchiometrikus arányú összetett filmeket a reaktív gázok (például oxigén, nitrogén stb.) és az inert gázok (például argon) áramlási arányának pontos beállításával állítják elő.
Változatos filmek
Készítsen különféle összetett filmeket, és változtassa meg a filmek mikroszerkezetét és összetételét a paraméterek módosításával, ezáltal elérve a változatos filmteljesítményt.
Széles körű célpontok
A reaktív porlasztás különféle céltárgyakat használ, például fémeket, ötvözeteket, félvezetőket és kerámiákat. Legyen szó akár egyetlen elemből álló céltárgyról (például tiszta titán céltárgy, tiszta szilícium céltárgy) vagy összetett ötvözetű céltárgyról.
Aljzat anyaga
A reaktív porlasztás vékony filmeket képez különféle hordozóanyagokon, beleértve a hőmérséklet-érzékeny műanyagokat, szerves anyagokat stb., valamint a hagyományos hordozóanyagokat, például fémeket, kerámiákat és üveget.
Jó filmegyenletesség
A mágneses tér eloszlásának, a gázáramlás eloszlásának, valamint a porlasztóberendezés céltárgyának és hordozójának relatív helyzetének ésszerű kialakítása jól szabályozhatja a film vastagságát és összetételének egyenletességét egy nagy felületű hordozón.
Nagy filmtisztaság
A reaktív porlasztás során használt célanyagok és reaktív gázok általában nagy tisztaságúak, ami elősegíti a nagy tisztaságú összetett filmek előállítását. Biztosítja a chip teljesítményét és megbízhatóságát.
Magas lerakódási sebesség
Különösen a középfrekvenciás reaktív porlasztási mód rendelkezik magas lerakódási sebességgel, amely megfelel az ipari nagyüzemi termelés hatékonysági követelményeinek. Az építészeti üvegbevonó iparban rövid idő alatt kell nagyszámú üvegfelületet funkcionális fóliával bevonni. A középfrekvenciás reaktív porlasztás magas lerakódási sebessége lehetővé teszi a nagyüzemi termelést.
Folyamatos termelés megvalósítása
A reaktív porlasztóberendezés integrálva van az automatizált gyártósorral a folyamatos termelés elérése érdekében. Az automatizált vezérlőrendszer pontosan szabályozza a porlasztás különböző paramétereit, biztosítja a filmminőség stabilitását, javítja a termelési hatékonyságot és csökkenti a termelési költségeket.
A reaktív porlasztás hátrányai
Több paraméter is befolyásolja egymást.
A reaktív porlasztás magában foglalja az inert gáz áramlását, a porlasztási teljesítményt, az aljzat hőmérsékletét, a vákuum mértékét stb. Ezek a paraméterek befolyásolják egymást. A film teljesítményének pontos szabályozásához ezeket a paramétereket finoman be kell állítani és optimalizálni, ami magas szintű műszaki színvonalat és tapasztalatot igényel a kezelő részéről.
Szűk folyamatablak
Bizonyos specifikus összetett filmek előállításához a kiváló minőségű filmek csak egy adott paramétertartományon belül állíthatók elő. Ezen tartományon kívül olyan problémákat okozhat, mint a film sztöchiometrikus arányának kiegyensúlyozatlansága, a szerkezeti hibák növekedése és a teljesítmény romlása.
Célzott mérgezés
Célmérgezési elv: Reaktív porlasztás, különösen egyenáramú reaktív porlasztás során a reaktív gáz kémiailag reagál a célanyag felületén lévő atomokkal, és szigetelő vegyületréteget képez a célfelület nem eróziós területén. Ez a célmérgezés jelensége.
Magas felszerelési költség
A reaktív porlasztóberendezéseket általában összetett alkatrészekkel kell felszerelni, mint például vákuumrendszer, porlasztó tápegység (például DC, RF, középfrekvenciás tápegység stb.), gázáramlás-szabályozó rendszer, felügyeleti rendszer stb. A berendezések drágák.
Fenntartási és üzemeltetési költségek
A berendezés karbantartása viszonylag bonyolult, és rendszeresen ellenőrizni és karbantartani kell a vákuumrendszer tömítését, meg kell tisztítani a porlasztási céltárgyat és a vákuumkamrát, kalibrálni kell a gázáramlás-szabályozó rendszert stb.
Környezetszennyezés
Néhány reakciógáz veszélyes, például a hidrogén-szulfid (H₂S), amely egy erősen mérgező gáz. A kén-hexafluorid (SF₆) egy mérgező anyag, amely magas hőmérsékleten lebomolhat. A biztonsági üzemeltetési eljárásokat szigorúan be kell tartani.
Reaktív porlasztás alkalmazása
A reaktív porlasztás, mint fontos vékonyréteg-előállítási technológia, egyedi elvekkel és változatos működési módokkal rendelkezik. Számos összetett film elkészítésére alkalmas, széleskörű alkalmazási lehetőségeket és nagy gyakorlati értéket mutat számos területen.
Elektronika
Az integrált áramkörök gyártásában a reaktív porlasztást széles körben alkalmazzák különféle vékonyréteg-anyagok, például fém összekötő rétegek, szigetelő rétegek és zárórétegek előállítására. A reaktív porlasztás kiváló minőségű fémrétegeket, például rezet (Cu), alumíniumot (Al) stb. rak le szilíciumlapokra, amelyeket integrált áramkörök összekötő vonalainak létrehozására és a chipen belüli különböző eszközök közötti elektromos kapcsolatok megvalósítására használnak. Ugyanakkor a reaktív porlasztással előállított szigetelőrétegeket, például szilícium-nitridet (Si₃N₄) és szilícium-dioxidot (SiO₂) használnak szigetelőrétegként a chipekben. Ezenkívül záróréteg-rétegeket, például titán-nitridet (TiN) használnak a fématomok diffúziójának megakadályozására, valamint az integrált áramkörök teljesítményének és megbízhatóságának biztosítására.
Optika
A reaktív porlasztás fontos módszer különféle optikai filmek, például tükröződésgátló fóliák, fényvisszaverő fóliák, szűrőfóliák stb. előállítására. Például a reaktív porlasztás során egy vagy több vékony filmréteget, például szilícium-dioxidot és magnézium-fluoridot (MgF₂) visznek fel üveglencsék felületére, ami jelentősen csökkenti a lencsék fényvisszaverő képességét egy adott hullámhossztartományon belül. Reflektorok gyártásakor a reflektorok fényvisszaverő képessége javítható fémfilmek (például ezüst Ag, alumínium Al stb.) vagy fém-oxid filmek (például titán-dioxid TiO₂ stb.) reaktív porlasztással történő leválasztásával.
Optoelektronikus
A fénykibocsátó diódák (LED-ek) gyártása során összetett félvezető filmeket, például gallium-nitridet (GaN) választanak le reaktív porlasztással olyan hordozókra, mint a zafír, a LED-ek fénykibocsátó rétegeként. Lézerdiódák (LD-k) gyártása során a reaktív porlasztás felhasználható félvezető erősítőközeg filmek, optikai üregtükör filmek stb. előállítására. Ezenkívül a fotodetektorok gyártása során a reaktív porlasztással előállított filmek, például ólom-szulfid (PbS) és kadmium-szelenid (CdSe) fényelnyelő rétegként használhatók a fényjelek detektálására és átalakítására.
Anyagfelület módosítása
A reaktív porlasztás az anyagok felületének módosítására és a felületi tulajdonságok javítására is alkalmazható. Egy kerámia film, például alumínium-oxid (Al₂O₃) és cirkónium-oxid (ZrO₂) fémes anyagok felületére reaktív porlasztással történő felvitele javíthatja a fémes anyagok korrózióállóságát és magas hőmérséklettel szembeni ellenállását. Fém- vagy fém-oxid filmek műanyagok felületére történő felvitele új tulajdonságokat kölcsönözhet a műanyagoknak, például vezetőképességet és elektromágneses árnyékolást. Ezenkívül bioaktív filmek, például hidroxi-apatit (HA) biomedicinális anyagok felületére történő felvitele reaktív porlasztással javíthatja az anyagok biokompatibilitását, és elősegítheti a sejtek tapadását és növekedését.
Összegzés
Elvileg a reaktív porlasztás okosan ötvözi a porlasztást és a kémiai reakciókat, pontosan szabályozza a plazmát, a célpont porlasztását és a kémiai reakciók minden egyes láncszemét, és megvalósítja a filmösszetétel és -szerkezet pontos szabályozását. Alkalmazási szempontból a reaktív porlasztás kulcsfontosságú vékonyréteg-előállítási technológiát biztosít az integrált áramkörökhöz, síkképernyős kijelzőkhöz és érzékelőgyártáshoz az elektronika és a félvezetők területén, támogatva a modern elektronikai ipar gyors fejlődését; az optika területén különféle optikai filmek és optoelektronikai eszközök előállítására használják, elősegítve az optikai technológia fejlődését; a mechanikai és anyagfelület-mérnöki területen a kemény bevonatok előállításával és az anyagok felületének módosításával javul a mechanikai alkatrészek teljesítménye és az anyagok élettartama. A reaktív porlasztási technológia azonban nem tökéletes. Technikai bonyolultsága megnehezíti a paraméterek szabályozását, és a célpontmérgezés problémája továbbra is az egyik fontos tényező, amely korlátozza a további fejlesztését. A berendezések költségei és karbantartási követelményei magasak, és a reaktív gázok biztonsága és környezetvédelme nem hagyható figyelmen kívül.
Referenciák
- Musil, Jindrich, Jaroslav Vlcek és Pavel Baroch. „Magnetron kisülések vékonyrétegek plazmafeldolgozásához.” Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques 1 (2006): 67-110.
- Bishop, Charles. Vákuumlerakódás hálókra, fóliákra és fóliákra. William Andrew, 2011.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Sputter_deposition
Licari, James J. Hibrid mikroáramkör-technológiai kézikönyv: anyagok, eljárások, tervezés, tesztelés és gyártás. 3. fejezet: Vékonyréteg-eljárások, Elsevier, 1998.