مگنترون اسپاترینگ تعادلی و غیرتعادلی

مگنترون اسپاترینگ تعادلی و غیرتعادلی

روش لایه نشانی اسپاترینگ برای اولین بار در سال ۱۸۵۲ معرفی شد و توسط شخصی به نام گرو مورد استفاده قرار گرفت. گرو توانست با استفاده از تخلیه الکتریکی، لایه فلز را روی کاتد سرد لایه نشانی کند. در ابتدا از اسپاترینگ برای لایه نشانی فلزات دیرگداز که لایه نشانی آنها با روش تبخیر حرارتی ممکن نبود استفاده می‌شد اما به تدریج و با استفاده از امواج فرکانس رادیویی (اسپاترینگ RF)، امکان لایه نشانی دی‌الکتریک‌ها نیز با استفاده از روش اسپاترینگ فراهم شد.

لایه نشان مگنترون اسپاترینگ چطور کار می‌کند؟

اسپاترینگ در حقیقت فرآیند انتقال اندازه حرکت ذرات فرودی (معمولا یون‌های گازهای خنثی) به سطح برخوردی می‌باشد. پارامترهایی مانند انرژی، زاویه و جرم ذره فرودی و همچنین انرژی پیوندی بین اتم‌های هدف در راندمان آن موثرند. یون‌های فرود آمده بر سطح ماده هدف، جذب سطح و یا بازتاب می‌شوند. با افزایش انرژی، یون‌ها به داخل شبکه ماده هدف نفوذ کرده و تخریب فیزیکی سطح آغاز می‌شود و زمانی که مقدار انرژی به بیشتر از آستانه انرژی پیوندی برسد، اتم‌ها شروع به کنده شدن از سطح می‌کنند.

کم‌ترین انرژی مورد نیاز برای کنده شدن یک اتم از سطح ماده هدف، مقدار انرژی است که به آن انرژی اولیه می‌گویند. معمولا مقدار انرژی اولیه حدود ۳ الی ۴ برابر انرژی پیوندی اتم‌های سطح ماده هدف است. با ایجاد اختلاف پتانسیل بین کاتد (جایی که ماده هدف قرار داده می‌شود) و آند (که درحقیقت دیواره محفظه و زیرلایه متصل به زمین می‌باشند)، گاز خنثی موجود در محفظه (مانند آرگون) یونیزه شده و پلاسما شکل می‌گیرد.

یون‌های مثبت تولید شده، به سمت کاتد که در پتانسیل منفی قرار گرفته است شتاب می‌گیرند. در صورتی که انرژی منتقل شده از یون‌های فرودی به سطح ماده هدف (که در کاتد قرار گرفته است) از انرژی اولیه بیشتر باشد، اتم‌های کنده شده نیز با سایر اتم‌ها برخورد کرده و انرژی به صورت آبشاری تقسیم می‌شود. اتم‌های کنده شده از سطح ماده هدف، در مسیر رسیدن به سطح زیرلایه پس از چند برخورد، با انرژی باقیمانده خود به سطح زیرلایه می‌رسند.

از دیگر نتایج بمباران یونی هدف، خروج الکترون‌های ثانویه از هدف است که نقش مهمی در پایداری پلاسما ایفا می‌کنند. از محدودیت‌های این روش در لایه‌نشانی میتوان به نرخ لایه‌نشانی کم، بهره کم یونیزاسیون در پلاسما و افزایش دمای زیرلایه اشاره کرد. این محدودیت‌ها توسط مگنترون اسپاترینگ و اخیرا مگنترون اسپاترینگ غیرتعادلی تا حد زیادی برداشته شده است.

Gencoa Circular FFE Magnetron

مگنترون اسپاترینگ

در مگنترون‌ها با استفاده از میدان مغناطیسی موازی با سطح هدف، حرکت الکترون‌های ثانویه در مجاورت هدف محدود می‌شود. این میدان توسط آهنرباهایی که در شکل و اندازه‌های گوناگون در پشت کاتد گذاشته می‌شوند، ایجاد می‌شود. توسط این میدان مغناطیسی میتوان الکترون‌های ثانویه را که در حین بمباران یونی سطح هدف گسیل می‌شوند در نزدیکی آن به دام انداخت، تا قبل از جذب مجدد، موجب یونیزاسیون اتم‌های آرگون بیشتری شوند و بدین ترتیب موجب شکل‌گیری پلاسما در فشارهای کم و پایداری پلاسمای شکل گرفته شده شوند.

چینش آهنرباها به شکلی است که یک قطب در محور مرکزی هدف و قطب دیگر توسط حلقه‌ای از آهنرباها در اطراف لبه خارجی هدف قرار گرفته است (شکل ۱). این دو قطبی با استفاده از چینش ردیف‌هایی از آهن رباهای دائمی ایجاد می‌شود. قرار گرفتن آهنرباها به گونه‌ای است که ترکیب های S-N-S یا N-S-N شکل بگیرد و آهنربای مرکزی (داخلی) دارای قطبش مخالف دو ردیف دیگر باشد.

افزایش بهره یونیزاسیون موجب تشکیل پلاسمای چگال‌تر، در نتیجه افزایش بمباران یونی هدف و نرخ اسپاترینگ بالاتر و در نهایت نرخ لایه‌نشانی بیشتر بر روی زیرلایه می‌شود. همچنین با افزایش بهره یونیزاسیون میتوان تخلیه الکتریکی را در فشار کمتر محفظه (یک مرتبه بزرگی کمتر از حالت اسپاترینگ معمولی-۱۰^-۳ mbar) و در ولتاژهای کمتر (حدود ۵۰۰ ولت به جای ۲-۳ کیلوولت) نسبت به حالت اسپاترینگ عادی ایجاد کرد.

مگنترون اسپاترینگ تعادلی یا غیرتعادلی؟

با اینکه تفاوت‌ها در طراحی مگنترون کاتدهای غیرتعادلی و تعادلی ناچیز است اما تفاوت کارآیی آنها قابل توجه است. در مگنترون تعادلی قطب‌های آهنرباهای مگنترون دارای قدرت یکسانی هستند، بنابراین پلاسما در مگنترون تعادلی کاملا مقید به محدوده هدف است، محدوده‌ای که پلاسمای چگال تا حدود ۶۰ mm بالای هدف گسترده می‌شود. اگر زیرلایه در این محدوده قرار بگیرد، ساختار و ویژگی‌های لایه تشکیل شده بر روی آن به شدت تحت تاثیر بمباران یونی همزمان قرار می‌گیرد.

از طرفی، جریان یونی راه یافته به زیرلایه‌ در‌ خارج از این محدوده، یعنی در منطقه پلاسمای کم چگال، معمولا برای اصلاح ساختار لایه کافی نیست ( <1 mA/cm^۲). البته با افزایش ولتاژ بایاس منفی اعمال شده بر زیرلایه میتوان انرژی یون‌‌های فرودی بر زیرلایه را افزایش داد، اما این کار موجب ایجاد نقایص و تنش در لایه می‌شود و در کل، ویژگی‌های لایه را تضعیف می‌کند. برای لایه‌نشانی لایه‌های چگال بدون ایجاد تنش‌های مضاعف در لایه، معمولا جریان یونی زیاد ( >  ۲ mA/cm^۲) با انرژی کم ( < 100eV) به کار برده می‌شود که این شرایط توسط مگنترون غیرتعادلی قابل دستیابی است [۳].

مگنترون اسپاترینگ غیرتعادلی

در یک مگنترون غیر تعادلی، حلقه بیرونی آهنرباها قوی‌تر از قطب مرکزی هستند. بدین ترتیب تمامی خطوط میدان مابین قطب‌های مرکزی و خارجی در مگنترون بسته نیستند، بلکه بعضی از آنها به سمت زیرلایه جهت می‌گیرند؛ در نتیجه بعضی از الکترون‌های ثانویه می‌توانند این خطوط میدان را دنبال کنند. همچنین پلاسما نیز دیگر به اطراف هدف محدود نشده است و می‌تواند به سمت زیرلایه جریان پیدا کند. بدین ترتیب بدون اعمال ولتاژ بایاس به زیرلایه میتوان جریان یونی زیادی از پلاسما خارج نمود.

علاوه بر این، از آنجا که جریان یونی ایجاد شده به سمت زیرلایه متناسب با جریان هدف است، نرخ لایه‌نشانی نیز مستقیما با جریان هدف متناسب است؛ در نتیجه، نسبت یون به اتم رسیده به زیرلایه با افزایش نرخ لایه‌نشانی ثابت می‌ماند.

طراحی مگنترون غیرتعادلی عمدتا به صورت گفته شده در بالا است (نوع ۲). البته حالت دیگری نیز وجود دارد که  قطب مرکزی آهنربا قوی‌تر از حلقه بیرونی باشد (نوع ۱). در این حالت خطوط میدان بسته نشده به سمت دیواره‌های محفظه جهت‌دهی می‌شوند و چگالی پلاسما در محدوده زیرلایه ناچیز است و معمولا به دلیل ایجاد جریانی یونی ناکافی در زیرلایه این چینش مورد استفاده قرار نمی‌گیرد (شکل ۴).

کاربردهای سیستم‌های مگنترون اسپاترینگ غیرتعادلی

مگنترون اسپاترینگ غیرتعادلی در تهیه لایه نازک به منظور استفاده در حوزه‌های متنوعی مورد بررسی قرار گرفته است:

• لایه‌نشانی لایه‌های تشکیل شده از عناصری مانند Fe، Mo، Nb و W
• لایه‌نشانی لایه‌های نازک TiN ،Ni/Cr و TiO_۲ برای کاربردهای الکترونیکی و اپتیکی
• لایه‌نشانی لایه‌های نازک مقاوم در برابر خوردگی از آلیاژهای Al-Mg
• لایه‌نشانی لایه‌های نازک مقاوم در برابر سایش از کربن شبه الماس، TiN و دیگر لایه‌های نازک از نیترید فلزات واسطه. یکی از برجسته‌ترین کاربردهای مگنترون اسپاترینگ غیرتعادلی در ایجاد لایه‌های سخت و مقاوم در برابر سایش مانند TiN یا TiC است. این ترکیبات بر پایه فلزات واسطه معمولا با استفاده از یک هدف فلز خالص (مانند Ti) و یک گاز فعال ( مانند N_۲) تشکیل می‌شوند.

مزایا و معایب مگنترون اسپاترینگ غیرتعادلی

به نظر می‌رسد بزرگترین مزیت استفاده از روش مگنترون اسپاترینگ غیرتعادلی در لایه‌نشانی، قابلیت ترکیب نرخ لایه‌نشانی بالای مگنترون اسپاترینگ با بمباران یونی با جریان زیاد و انرژی کم است. علاوه بر این، لایه‌نشانی در فاصله هدف-زیرلایه بیشتری می‌تواند انجام شود، بنابراین از زیرلایه‌هایی با هندسه متنوع‌تر میتوان برای لایه‌نشانی نسبت به روش مگنترون تعادلی بهره برد. این روش برای سیستم‌های مگنترون اسپاترینگ دارای کاتدهای چندگانه که محفظه‌های بسیار بزرگی دارند، مورد توجه است.

فناوری مگنترون اسپاترینگ غیرتعادلی، دارای محدودیت‌هایی نیز هست. این محدودیت‌ها شامل افزایش دمای زیرلایه حتی تا (حدود C̊ ۲۵۰) و همچنین ایجاد نقایص ساختاری زیاد ناشی از افزایش بمباران یونی به سطح زیر لایه است. همچنین در مگنترون اسپاترینگ غیرتعادلی، به دلیل تعدد پارامترهای کنترل بالقوه نسبت به مگنترون تعادلی، بهینه‌سازی شرایط لایه‌نشانی جهت دستیابی به ویژگی‌های مورد نظر در لایه برای کاربردهای گوناگون بسیار زمان‌بر است [۴].

دستگاه‌های اسپاترینگ شرکت پوشش‌های نانوساختار

شرکت پوشش‌های نانوساختار در زمینه طراحی و ساخت دستگاه‌های با کیفیت برای لایه‌نشانی بخار فیزیکی و لایه‌نشانی در خلاء فعالیت می‌کند. تولیدات این شرکت شامل سیستم‌های لایه‌نشانی اسپاترینگ، لایه‌نشانی تبخیر حرارتی، لایه‌نشانی لیزر پالسی و لایه‌نشانی کربن است. لایه‌های نازک در تمامی دستگاه‌های اسپاترینگ شرکت پوشش‌های نانوساختار با استفاده از مگنترون اسپاترینگ لایه‌نشانی می‌شوند. از جمله محبوب‌ترین لایه نشان‌های این شرکت، دستگاه اسپاترینگ رومیزی DSR1 است.

از دیگر لایه‌نشان‌های اسپاترینگ شرکت شامل لایه‌نشان سه کاتده همراه با تبخیرکننده حرارتی (DST3 و DST3-T)، مگنترون اسپاترینگ‌های خلاء بالا (DST1-300 و DST1-170) و اسپاترینگ‌های رومیزی به همراه لایه‌نشان کربن دارای پمپ روتاری یا توربو (DSCT و DSCR) هستند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفا به وبسایت شرکت مراجعه نمایید.

منابع

1. 1. Rossnagel, S.M.; Magnetron sputtering. Journal of Vacuum Science & Technology A 38, 060805 (2020). https://doi.org/10.1116/6.0000594
   2. A. Anders, “Discharge physics of high power impulse magnetron sputtering,” Surf. Coat. Technol. 205, S1 (2011)
   3. Kelly, Peter J., and R. Derek Arnell. “Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications.” Vacuum 56.3 (2000): 159-172. https://doi.org/10.1016/S0042-207X(99)00189-X
   4. Rohde, Suzanne L. “Unbalanced magnetron sputtering.” Physics of thin films. Vol. 18. Elsevier, 1994. 235-288. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-092513-4.50008-8
   5. http://www.gencoa.com/resources/documents/comparison-balanced-unbalancedarray-designs.pdf
   6. https://www.youtube.com/watch?v=R-oNxgmgbJg