مگنترون اسپاترینگ dc و مگنترون اسپاترینگ پالسی dc
مگنترون اسپاترینگ پالسی

در فرایند اسپاترینگ DC  مواد دی الکتریک،  با شتاب گرفتن یون های مثبت آرگون به سمت ماده هدف (که در پتانسیل منفی قرار دارد) و برخورد با سطح آن ، به علت عدم رسانایی الکتریکی سطح برای جابجا کردن بارها، بار مثبت در سطح ماده هدف انباشته می شود. به موجب این پدیده، تمایل یون های مثبت برای حرکت به سمت ماده هدف کم شده و فرایند انجام عمل کند و پاش به درستی صورت نمی پذیرد.

در فرایند اسپاترینگ DC مواد دی الکتریک، دیواره داخلی محفطه خلاء نیز با مواد نارسانا لایه نشانی می شود و بارهای الکتریکی را به دام می اندازد. این پدیده که به آن ناپدید شدن آند (disappearing anode) می گویند موجب می شود بارهای الکتریکی از پلاسما به سمت این لایه نارسانا متمایل شوند. به موجب این پدیده جرقه های  (Arc)کوچک و بزرگی در حین فرایند لایه نشانی ایجاد می شوند که باعث کنده شدن غیر یکنواخت اتم ها از تارگت و مهم تر از آن نشانده شدن ناصاف و غیر یکنواخت آن ها روی زیرلایه می شود. در بسیاری از موارد درفرایند تولید لایه های نازک، غیر یکنواخت بودن لایه نازک نشانده شده باعث عدم کارایی آن می شود. علاوه بر موارد ذکر شده، جرقه ها میتواند موجب آسیب رساندن به منبع تغذیه شوند. 

مگنترون اسپاترینگ dc و مگنترون اسپاترینگ پالسی dc

مقایسه فرآیند مگنترون اسپاترینگ dc در مقابل مگنترون اسپاترینگ پالسی dc

(https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/tc/c7tc02068f#!divAbstract)

به منظور جلوگیری از مشکلات مطرح شده برای اسپاترینگ مواد دی الکتریک یا نیمه رسانا، منابع تغذیه RF پیشنهاد شدند. در این منابع توان با فرکانس ۱۳.۵۶ مگا هرتز به ماده هدف اعمال می شود که البته به منظور انتقال حداکثر توان باید از جعبه تطبیق امپدانسی (Matching Box) استفاده شود. در این مکانیزم، ماده هدف و نگه دارنده زیرلایه به عنوان دو الکترود عمل می کنند. با اعمال توان، الکترون ها با فرکانس اعمالی بین این دو الکترود نوسان می کنند. از آنجا که تحرک پذیری(Mobility)  یون ها کمتر از الکترون ها است، یون ها وسط دو الکترود باقی می مانند. در نیم سیکل مثبت، ماده هدف به عنوان آند عمل کرده و الکترون ها را به سمت خود جذب می کند اما به علت تحرک پذیری کم یون ها، الکترود منفی بار مثبت زیادی جذب نمی کند و این روند برای نیم سیکل منفی نیز صادق است. در نتیجه هر دو الکترود نسبت به پلاسما دارای بار منفی می شوند. این بایاس منفی موجب می شود ماده هدف در نیم سیکل مثبت الکترون جذب نکند و فقط در نیم سیکل منفی تمایل به جذب یون های مثبت نشان دهد تا بارهای منفی روی سطح خنثی شوند. در این مرحله شرایط مانند وقتی است که ولتاژ DC منفی به ماده هدف اعمال شده است. در صورت متقارن بودن الکترودها فرایند کاملا به صورت متقارن صورت خواهد پذیرفت و هیچ یک از دو الکترود نسبت به یکدیگر دارای بایاس منفی نخواهند بود. به منظور کنده شدن اتم ها از سطح ماده هدف و نشانده شدن آن ها روی زیرلایه، باید ماده هدف مقصد یون های مثبت باشد و بدین جهت ابعاد الکترودها (ماده هدف و زیرلایه) را متفاوت در نظر می گیرند. از آنجا که در این روش از اسپاترینگ توان بین دو الکترود تقسیم می شود، توان موثر در سطح ماده هدف ۵۰ درصد توان اعمالی در اسپاترینگ به روش DC است. در نتیجه نرخ اسپاترینگ RF کمتر از اسپاترینگ DC می باشد. همچنین به علت هزینه بالای منابع تغذیه RF و جعبه تطبیق امپدانس و پیچیدگی آن ها، استفاده از RF اسپاترینگ خیلی مورد علاقه کاربران نیست. 

استفاده از منبع تغذیه پالسی راهکاری است که جایگزین استفاده از منابع تغذیه RF شده است. در اسپاترینگ پالسی، توان به مدت  τon به ماده هدف اعمال می شود. در این بازه زمانی که به آن “on-time” می گویند، ولتاژ منفی به اندازه چند صد ولت به ماده هدف اعمال شده و در پایان این بازه زمانی ولتاژ به پلاریته مثبت با دامنه کمتر(حدود ۲۰ ولت) تغییر پیدا می کند. ولتاژ اعمالی به مدت τoff در این ولتاژ باقی می ماند که به این بازه زمانی “off-time” می گویند. به دلیل معکوس شدن پلاریته ولتاژ اعمالی در بازه زمانی “off-time” به این بازه زمانی (reverse time (τrev نیز می گویند. سطح ماده دی الکتریک که در زمان “on-time” باردار شده در طول بازه زمانی “off-time” تخلیه می شود. مدت زمان “on-time” باید به اندازه کافی کوتاه باشد تا بارهای روی سطح نتوانند در این بازه زمانی موجب ایجاد جرقه شوند و از طرف دیگر مدت زمان “off-time” نیز باید به اندازه کافی طولانی باشد که بارهای ذخیره شده روی سطح در مدت “on-time” کاملا تخلیه شوند تا در توالی چند باره زمان های “on-time” و “off-time” موجب انباشتگی بار روی سطح نشوند. معمولا طول بازه زمانی “off-time” یک دهم طول بازه زمانی “on-time” است. مجموع زمان های τon و τoff مشخص کننده کمترین فرکانس پالس است که به آن فرکانس بحرانی نیز می گویند (fc=۱/ τcycle). این زمان برابر است با بیشترین دوره تناوب (duty cycle) برای داشتن فرایند اسپاترینگ بدون جرقه. 

منابع تغذیه اسپاترینگ DC پالسی در مد جریان ثابت کار می کنند. این امر موجب می شود که در زمان “on-time” و با اعمال ولتاژ منفی با دامنه زیاد، بلافاصله مقدار زیادی از یون ها به سمت ماده هدف شتاب بگیرند و نرخ اسپاترینگ را افزایش دهند. در غیر این صورت، مدت زمانی طول می کشید تا جریان زیاد شده و بر امپدانس پلاسما که در زمان “off-time” افزایش یافته است، چیره شود. مدت زمانی که طول می کشد تا پلاسما ایجاد شده و پایدار شود به فاکتورهای گوناگونی وابسته است از جمله: طول پالس، فرکانس پالس، توان و فشار. به صورتی که در پالس هایی با طول کمتر و فرکانس بیشتر، فاز شکل گیری پلاسما (Plasma build-up phase) غالب می شود و مگنترون اسپاترینگ پالسی در مد ولتاژ عمل خواهد کرد. در پالس هایی با طول بیشتر و فرکانس کمتر، فاز پلاسمای پایدار (Stationary plasma phase) غالب است و مگنترون پالسی در مد جریان کار می کند.

مگنترون اسپاترینگ پالسی

شارژ و دشارژ مواد دی الکتریک در مگنترون اسپاترینگ پالسی

در اکتبر ۲۰۰۱ روشی به نام (High-Power Impulse Magnetron Sputtering (HPIMS ارائه شد که جایزه US patent را به خود اختصاص داد. در این روش نشان داده شده بود که به کار بردن توان های بالا (۱۰۰ برابر بیشتر از توان های متداول استفاده شده) موجب ایجاد محیطی متشکل از درصد بالای یون ها می شود. این یون ها نه تنها از یونیزه شدن گاز اسپاترینگ حاصل می شوند، بلکه مواد اسپاتر شده نیز در این توان یونیزه می شوند. نتیجه این پلاسمای با درصد یونیزاسیون بالا، لایه نشانی یکنواخت فیلم روی زیرلایه بود. پیک پالس های استفاده شده در این روش ۱ کیلو وات تا ۱ مگا وات با پیک ولتاژی ۰.۵ کیلو ولت تا ۵ کیلو ولت و طول پالس ها کمتر از ۱ میلی ثانیه بود. 

این روش اسپاترینگ مزایای زیادی نسبت به روش های دیگر دارد. به علت توان بالای پالس ها، ۹۰ درصد ذرات اسپاتر شده یونیزه می شوند که در اثر میدان الکتریکی و مغناطیسی مستقیما به سمت زیرلایه هدایت می شوند. در نتیجه می توان درجه بالایی از کنترل را روی فرایند لایه نشانی اعمال کرد. لایه های نازک ایجاد شده با این روش دارای چگالی بالایی خواهند بود. به عنوان مثال چگالی گزارش شده برای لایه نازک کربن ایجاد شده با روش HPIMS،  g/cm۳۲.۷ است در صورتی که چگالی گزارش شده برای لایه نازک ایجاد شده به روش اسپاترینگ DC،   g/cm۳۲ است. در سال ۲۰۰۵ روشی معرفی شد که پالس ها را به دو فاز تقسیم می کرد. در فاز اول پلاسما با یونیزاسیون پایین ایجاد می شود و در دومین فاز پلاسما به مرحله نهایی خود که درصد بالای یونیزاسیون بود ارتقا می یابد. این روش موجب کم شدن مصرف توان در HPIMS شد.

در صورت تمایل به مطالعه بیشتر به لینک های زیر مراجعه نمایید:

  1. Sputtering Sources, Matthew M. Waite, West Chester University of Pennsylvania, West Chester,Pennsylvania; S. Ismat Shah, University of Delaware, Newark, Delaware;David A. Glocker, Isoflux Incorporated, Rochester, New York
  2. Pulsed magnetron sputtering – process overview and applications, P. J. KELLY, J. W. BRADLEY, JOURNAL OF OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS, Vol. 11, No. 9, September 2009, p. 1101 – ۱۱۰۷
  3. Characterization of pulsed dc magnetron sputtering plasmas, A Belkind, A Freilich, J Lopez, Z Zhao, W Zhu and K Becker, New Journal of Physics 7 (2005) 90, doi:10.1088/1367-2630/7/1/090