اسپاترینگ فرکانس رادیویی (RF)

اسپاترینگ فرکانس رادیویی (RF) چیست؟

اسپاترینگ جریان مستقیم (DC) متداول، روشی ارزان برای لایه‌نشانی هدف‌های فلزی رسانای جریان الکتریکی است. اما در لایه‌نشانی اهداف نارسانا کاربرد ندارد و نمیتوان لایه‌ نازکی از اهداف نارسانای دی‌الکتریک را به روش اسپاترینگ ایجاد نمود؛ زیرا با بمباران هدف نارسانا توسط یون‌های مثبت، بار الکتریکی مثبت بر روی سطح تجمع پیدا می‌کند و یون‌های مثبت را دفع می‌کند که در طول زمان این امر موجب جرقه‌زدن داخل پلاسما و توقف فرآیند کندوپاش می‌شود. بنابراین برای غلبه بر نارسایی‌های اسپاترینگ DC در لایه‌نشانی اهداف نارسانای الکتریکی، از اسپاترینگ RF استفاده می‌شود.

برای حل این مشکل از یک جریان با پتانسیل الکتریکی متناوب (منبع تغذیه AC) به جای DC در محیط خلاء استفاده می‌شود. در این روش قطب‌های مثبت و منفی منبع تغذیه AC به طور متناوب تغییر می‌کند، در نتیجه با قرار گرفتن هدف در قطب مثبت در نیمی از دوره تناوب، الکترون‌ها به سمت هدف حرکت می‌کنند و بار مثبت جمع شده بر روی سطح را خنثی می‌کنند؛ و در نیمه دیگر دوره تناوب با بمباران هدف با یون‌های مثبت اتم‌های هدف کندوپاش شده و بر روی زیرلایه قرار گرفته و تشکیل لایه می‌دهند (شکل ۱ و ۲).

سیستم‌های اسپاترینگ DC و اسپاترینگ RF
شکل ۱. سیستم‌های اسپاترینگ DC و RF

برای تخلیه الکتریکی مداوم نیاز به فرکانس MHz 1 و بالاتر است. اعمال جریان متناوب به یک هدف نارسانا در این محدوده فرکانسی معادل عبور جریان از دی‌الکتریک خازن‌های بسته شده به صورت سری است. از آنجا که معمولا فرکانس مورد استفاده در این روش در محدوده MHz 5-30 است، این روش به عنوان اسپاترینگ فرکانس رادیویی شناخته می‌شود.

فرآیند اسپاترینگ RF
شکل ۲. فرآیند اسپاترینگ RF

علت استفاده از فرکانس MHz ۱۳.۵۶

به منظور جلوگیری از تداخل با فرکانس‌های مورد استفاده در ارتباطات رادیویی، فرکانس استاندارد رادیویی مورد استفاده در دستگاه‌های صنعتی (I: Industrial)، علمی (S: Scientific) و پزشکی (M:Medical)، که به عنوان باند ISM خوانده می‌شود، توسط متولیان ارتباطات بین‌المللی بر اساس قوانین رادیویی ITU در سال ۲۰۱۲، معادل MHz 13.56 با پهنای باندKHz 14 تعیین شده است.

همچنین، این فرکانس به اندازه کافی کم هست تا فرصت کافی برای انتقال تکانه یون‌های آرگون به هدف را در اختیار قرار دهد. در فرکانس‌های بالاتر یون‌های +Ar عملا بی‌تحرک شده و تنها الکترون‌ها در فرآیند کندوپاش نقش ایجاد می‌کنند (مشابه روش لایه‌نشانی با پرتو الکترونی).

تفاوت‌های اسپاترینگ RF و DC

در اینجا مزایا و معایب اسپاترینگ RF نسبت به اسپاترینگ DC بررسی شده‌اند.

مزایای اسپاترینگ RF

  • پلاسمای تشکیل شده در این روش به جای متمرکز شدن در اطراف کاتد یا ماده هدف در تمام محفظه گسترش می‌یابد.
  • پلاسما در فشار کار کمتری (mTorr 1-15) می‌تواند تشکیل شود که منجر به برخورد کمتر اتم‌های کندوپاش شده با ذرات محفظه و طول پویش آزاد بزرگ‌تر اتم‌های هدف است. همچنین توسط میدان مغناطیسی یک تونل مرزی ایجاد می‌شود که الکترون‌ها را در نزدیکی سطح کاتد به دام می‌اندازد و نرخ لایه‌نشانی را در فشار کمتر افزایش می‌دهد.
  • با از بین رفتن بارهای تجمیعی بر روی سطح کاتد امکان جرقه زدن و ایجاد مشکلات در کنترل کیفیت لایه از بین می‌رود. بدین ترتیب لایه‌نشانی یکنواخت‌تری صورت می‌گیرد.
  • در اسپاترینگ RF سطح بیشتری از هدف در فرآیند اسپاترینگ درگیر شده که موجب کاهش خوردگی خطی (چگونه لایه نازک‌های یکنواخت با روش اسپاترینگ بسازیم؟) در سطح هدف می‌شود. لذا مدت زمان بیشتری پیش از پایان عمر هدف میتوان از آن استفاده نمود.

معایب اسپاترینگ RF 

  • برای افزایش نرخ لایه‌نشانی باید از ولتاژهای بالاتری نسبت به روش DC استفاده نمود، در نتیجه دمای بیشتری روی سطح زیرلایه ایجاد می‌کند که یکی از مشکلات این روش است.
  • این روش پیچیده‌تر و پرهزینه‌تر از روش متداول DC است.
  • جریان RF بر روی سطح یا پوسته رساناها منتقل می‌شود، در نتیجه نیاز به اتصالات و کابل‌های خاصی دارد.
  • با کاهش الکترون‌های ثانویه بالای کاتد، نرخ لایه‌نشانی نسبت به روش DC کاهش یافته و توان بالاتری برای دستیابی به نرخ لایه‌نشانی بیشتر مورد نیاز است که هزینه‌بر است.
  • با توجه به اینکه RF معمولا برای اهداف نارسانا استفاده می‌شود و بهره اسپاترینگ این مواد نسبت به فلزات بسیار پایین است، علاوه بر پایین بودن نرخ لایه‌نشانی، نیاز به منبع تغذیه‌ای با توان‌های بالاتری در مقایسه با منابع تغذیه DC است.

دستگاه‌های اسپاترینگ RF شرکت پوشش‌های نانوساختار

دستگاه‌های اسپاترینگ شرکت پوشش‌های نانوساختار، که از روش اسپاترینگ برای لایه نشانی استفاده می‌کنند شامل مدل‌ تک کاتده DST1-300 و مدل‌های سه کاتده DST3 و DST3-T، قابلیت لایه‌نشانی به روش اسپاترینگ فرکانس رادیویی را دارا هستند. در این اسپاترکوترها قابلیت استفاده از منبع تغذیه W600 جریان مستقیم یا منبع تغذیه فرکانس رادیویی W300، به همراه یک مچینگ باکس اتوماتیک وجود دارد.

همچنین امکان تمیز کردن سطح زیرلایه با پلاسما یا Plasma Cleaning نیز وجود دارد. این سیستم‌های لایه‌نشانی در خلاء با دارا بودن منابع تغذیه RF و DC امکان لایه‌نشانی گروه وسیعی از مواد رسانا و نارسانا، شامل فلزات (اکسیدی و غیر اکسیدی)، نیمه هادی‌ها و سرامیک‌ها، برای کاربردهای میکرو-نانو الکترونیک و آماده‌سازی نمونه‌های FESEM را فراهم می‌آورند (SEM کوترها).

منابع

  1. https://www.sputtertargets.net/sputter-coating-technologies-radio-frequency-rf-sputtering.html
  2. https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/radio-frequency-sputtering
  3. “The Low Pressure Plasma Processing Environment” Donald M. Mattox, in Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing (Second Edition), 2010
  4. https://baalkikhaal.github.io
  5. http://www.semicore.com/news/92-what-is-rf-sputtering
  6. Improved electrochromic performance of a radio frequency magnetron sputtered NiO thin film with high optical switching speed” RSC Adv., 2016, ۶, ۷۹۶۶۸-۷۹۶۸۰, https://doi.org/10.1039/C5RA27099E
  7. https://www.rfwireless-world.com/Terminology/RF-sputtering-vs-DC-sputtering.html

10 Thoughts to “اسپاترینگ فرکانس رادیویی (RF)”

  1. علی احمدی

    سلام
    ممنون از مطلبتون.
    آیا امکان لایه‌نشانی PTFE (تفلون) با استفاده از اسپاترینگ RF وجود دارد؟

    1. پوشش‌های نانوساختار

      بله، PTFE (تفلون) با استفاده از سیستم‌های اسپاترینگ RF ساخت شرکت ما قابل لایه‌نشانی است. متغیرهای مورد استفاده دستگاه‌های مختلف ممکن است متفاوت باشد و لایه‌نشانی می‌تواند با استفاده از خلاء پایین یا بالا در فشار کار پایه لایه‌نشانی صورت پذیرد. معمولا به دلیل اثرات حرارتی و ذوب شدن هدف تفلون، از توان کمتر از ۲۰۰ وات در لایه‌نشانی استفاده می‌شود.

  2. ناهید ظفردوست

    با سلام
    آیا توان RF مورد نیاز برای ایجاد پلاسما در صورت استفاده از هدف متصل به صفحه پشت‌بند در مقایسه با هدف بدون صفحه پشت‌بند متفاوت است؟
    با تشکر

    1. پوشش‌های نانوساختار

      توان RF مورد نیاز برای لایه‌نشانی اسپاترینگ اهداف و پلاسمای ایجاد شده به وجود یا عدم وجود اتصال به صفحه پشت‌بند بستگی مستقیم ندارد. اصولا اتصال به صفحه پشت‌بند برای خنک‌سازی موثر هدف در حین لایه‌نشانی، به منظور لایه‌نشانی یکنواخت و کنترل‌پذیر و افزایش عمر هدف انجام می‌شود. خنک‌سازی نامناسب هدف در توان‌های لایه‌نشانی بالا، به دلیل ایجاد حرارت در هدف در حین فرآیند اسپاترینگ، منجر به ایجاد ترک در هدف می‌شود. معمولا به دلیل رسانش حرارتی بالای مس از آن به عنوان صفحه پشت‌بند استفاده می‌شود تا حرارت ایجاد شده در هدف در فرآیند اسپاترینگ را دفع کند.

  3. علی وزیری

    خاصیت آبگریزی و چسبندگی لایه PTFE (تفلون) لایه نشانی شده بر روی شیشه به روش اسپاترینگ چگونه است؟

    1. پوشش‌های نانوساختار

      با بهینه‌سازی پارامترهای موثر در لایه‌نشانی به روش اسپاترینگ RF مانند:
      نرخ و زمان لایه نشانی
      ضخامت لایه
      توان RF
      جریان گاز آرگون
      امکان لایه نشانی یک لایه نازک از تفلون بر روی زیرلایه شیشه با قابلیت آبگریزی و چسبندگی بالا وجود دارد. در صورت تمایل مطلب آبدوست و آبگریز را مطالعه نمایید.

  4. سهیلا جعفری

    سلام خسته نباشید
    چگونه می توان لایۀ نازک Si3N4 را لایه نشانی کرد؟

    1. پوشش های نانوساختار

      سلام. سپاس.لایه نازک Si3N4 نازک Si3N4 با استفاده از کاتد آبگرد RF و منبع تغذیه RF با استفاده از توانی در حدود ۱۰۰-۲۰۰ وات به دو روش قابل لایه نشانی است:
      ۱- با استفاده از هدف Si و انجام لایه نشانی واکنشی اسپاترینگ RF و کنترل نسبت جریان گازهای N2 به Ar+N2.
      ۲- با استفاده از هدف Si3N4 (با استفاده از صفحه پشت‌بند ایندیوم یا الاستومر) همراه با جریان گاز Ar/N2 برای حفظ استوکیومتری لایه تشکیل شده بر روی زیرلایه.
      با توجه به کاربرد لایه و ایجاد ویژگی‌های مورد نیاز در لایه، ممکن است نیاز به اعمال ولتاژ بایاس و حرارت‌دهی زیرلایه در حین لایه‌نشانی باشد.

  5. فریدون ایرجی

    شرایط مناسب یرای لایه نشانی اهداف SiO2 و SiN چیست؟

    1. پوشش‌های نانوساختار

      اسپاترینگ اهداف نیمه رسانای SiO2 و Si/SiN از طریق اسپاترینگ RF یا اسپاترینگ واکنشی RF با استفاده از خطوط لوله گازهای مختلف (اکسیژن و نیتروژن) و MFC های دقیق برای کنترل استوکیومتری لایه انجام می شود.

Leave a Comment