مگنترون اسپاترینگ پالسی

مگنترون اسپاترینگ پالسی چیست؟

مگنترون اسپاترینگ پالسی یک روش لایه نشانی بخار فیزیکی است که برای تولید لایه‌های نازک از مواد مختلف رسانا یا نارسانا به کار می‌رود. این روش به خصوص در اسپاترینگ یونی واکنشی که ریسک بالایی برای وقوع آسیب تخلیه قوس الکتریکی (Arc Discharge) دارد، مورد توجه است. تخلیه قوس الکتریکی، در اثر تجمع بار روی سطح هدف ایجاد می‌شود و باعث کنده شدن غیر یکنواخت اتم‌ها از ماده هدف، ایجاد قطرات بزرگ و لایه‌نشانی ناصاف و غیریکنواخت شده و کیفیت لایه را از بین می‌برد.

در بسیاری از موارد، غیریکنواخت بودن لایه نازک نشانده شده، به منزله عدم کارایی آن است. علاوه بر موارد ذکر شده، جرقه‌ها (Arc) می‌توانند موجب آسیب رساندن به منبع تغذیه شوند.

اسپاترینگ (کندوپاش)

اسپاترینگ به عنوان روشی ساده و قابل اعتماد، امروزه یکی از رایج‌ترین روش‌های لایه‌نشانی در عرصه لایه‌های نازک است. در یک فرآیند اسپاترینگ نوعی، یون‌های شتاب گرفته در میدان الکتریکی با برخورد با ماده هدف (تارگت)، اتم‌های آن را به بیرون پرتاب می‌کنند. ذرات ساطع شده با انرژی جنبشی خود به سمت زیرلایه حرکت می‌کنند و با نشستن روی آن لایه نازک را تشکیل می‌دهند.

اسپاترینگ جریان مستقیم (DC)

اسپاترینگ جریان مستقیم، اولین و ساده‌ترین روش اسپاترینگ توسعه یافته است. در این روش با اعمال یک ولتاژ (DC) به هدف، الکترون‌های آن کنده شده و سطح هدف دارای بار مثبت می‌شود. این الکترون‌ها با گاز نجیب داخل محفظه (اغلب آرگون) برخورد و آن را یونیزه می‌کنند. یون‌های آرگون با سطح تارگت برخورد کرده و ذرات هدف را به بیرون پرتاب می‌کنند. این ذرات جدا شده روی زیرلایه ساکن شده و لایه نازکی تشکیل می‌دهند.

اسپاترینگ DC، معمولا برای لایه نشانی فلزات خالص مثل آهن، مس و نیکل با نرخ لایه نشانی بالا به کار می‌رود. با وجود اینکه اسپاترینگ DC فلزات به سادگی قابل کنترل است و هزینه پایینی برای تولید لایه‌های با مساحت زیاد دارد، این روش برای ایجاد لایه‌های غیرفلزی (نیم‌رسانا یا دی‌الکتریک) مناسب نیست.

چنانچه ولتاژ DC به هدف دی‌الکتریک اعمال شود، تجمع بار روی سطح هدف، دما را بالا می‌برد و در کوتاه مدت منجر به قطع جریان و جرقه می‌شود. برای پوشش مواد دی الکتریک با روش اسپاترینگ، روش اسپاترینگ RF به وجود آمد.

اسپاترینگ فرکانس رادیویی (RF)

به منظور جلوگیری از مشکلات مطرح شده برای اسپاترینگ مواد دی‌الکتریک یا نیمه رسانا، منابع تغذیه RF پیشنهاد شدند. در این منابع توان با فرکانس ۱۳.۵۶ مگاهرتز به ماده هدف اعمال می‌شود. البته به منظور انتقال حداکثر توان باید از جعبه تطبیق امپدانسی (Matching Box) استفاده شود.

در این مکانیزم، ماده هدف و نگهدارنده زیرلایه به عنوان دو الکترود عمل می‌کنند. با اعمال توان، الکترون‌ها با فرکانس اعمالی بین این دو الکترود به نوسان درمی‌آیند. از آنجا که تحرک پذیری (Mobility) یون‌ها کمتر از الکترون‌ها است، یون‌ها بین دو الکترود باقی می‌مانند. در نیم سیکل مثبت، ماده هدف به عنوان آند عمل کرده و الکترون‌ها را به سمت خود جذب می‌کند اما به علت تحرک‌پذیری کم یون‌ها، الکترود منفی بار مثبت زیادی جذب نمی‌کند و این روند برای نیم سیکل منفی نیز صادق است.

در نتیجه هر دو الکترود نسبت به پلاسما دارای بار منفی می‌شوند. این بایاس منفی موجب می‌شود ماده هدف در نیم سیکل مثبت الکترون جذب نکند و فقط در نیم سیکل منفی تمایل به جذب یون‌های 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 فرآیند 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 اتم‌ها از سطح ماده هدف و نشانده شدن آنها روی زیرلایه، باید ماده هدف مقصد یون‌های مثبت باشد و ازین جهت ابعاد الکترودها (ماده هدف و زیرلایه) متفاوت در نظر گرفته می‌‌شود. علاوه بر امکان لایه‌نشانی دی‌الکتریک‌ها در کنار فلزات، فشار پایین‌تر محفظه و ولتاژ کاری کمتر از مزایای اسپاترینگ RF نسبت به اسپاترینگ DC به حساب می‌آید.  از آنجا که در این روش توان بین دو الکترود تقسیم می‌شود، 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 می‌باشد. همچنین به علت هزینه بالای منابع تغذیه RF و جعبه تطبیق امپدانس و پیچیدگی آنها، اسپاترینگ RF، روشی گران قیمت و اغلب محدود به پوشش زیرلایه‌های کوچک است.

مگنترون اسپاترینگ DC پالسی

مگنترون اسپاترینگ پالسی به عنوان جایگزینی برای اسپاترینگ RF، با هدف جلوگیری از وقوع جرقه‌های مخرب و تخلیه قوس الکتریکی مطرح شد. در اسپاترینگ پالسی، از یک منبع تعذیه تولیدکننده پالس با فرکانس‌های میانی (۱۰-۳۵۰ kHz) استفاده می‌شود؛ شدت، شکل و دوره تناوب پالس با توجه به کاربرد تنظیم می‌شود و می‌تواند متفاوت باشد. مگنترون اسپاترینگ DC پالسی به خصوص در اسپاترینگ واکنشی، که احتمال وقوع تخلیه قوس الکتریکی بالاست، کاربرد دارد.

در اسپاترینگ پالسی، توان به مدت  τ_on به ماده هدف اعمال می‌شود. در این بازه زمانی که به آن “on-time” می‌گویند، 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 ۱۰ ولت و معمولا بین ۱۰ تا ۲۰ درصد از ولتاژ پلاریته منفی) تغییر پیدا می‌کند. ولتاژ اعمالی به مدت τ_off در این ولتاژ باقی می‌ماند که به این بازه زمانی “off-time” می‌گویند.

به دلیل معکوس شدن پلاریته ولتاژ اعمالی در بازه زمانی “off-time” به این بازه زمانی (reverse time (τ_rev نیز گفته می‌شود. سطح ماده دی‌الکتریک که در زمان “on-time” باردار شده در طول بازه زمانی “off-time” تخلیه می‌شود. 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.

نسبت طول بازه زمانی “off-time” به مجموع “on-time” و “off-time” در مگنترون اسپاترینگ DC پالسی، چرخه کاری (Duty Cycle) نام دارد و مقدار آن برای اسپاترینگ DC پالسی بین ۵۰ تا ۹۰ درصد است. مجموع زمان‌های τ_on و τ_off مشخص کننده دوره تناوب پالس است که با استفاده از آن میتوان فرکانس پالس را به دست آورد (f_c=۱/ τ_cycle). به کمترین فرکانس پالس، فرکانس بحرانی می‌گویند که زمان متناظر آن برابر است با بیشترین دوره تناوب برای داشتن فرایند اسپاترینگ بدون جرقه. 

منابع تغذیه اسپاترینگ DC پالسی در مد جریان ثابت، کار می‌کنند. این امر موجب می‌شود که در زمان “on-time” و با اعمال ولتاژ منفی با دامنه زیاد، بلافاصله مقدار زیادی از یون‌ها به سمت ماده هدف شتاب بگیرند و نرخ اسپاترینگ پالسی را افزایش دهند. در غیر این صورت، مدت زمانی طول می‌کشید تا جریان زیاد شده و بر امپدانس پلاسما که در زمان “off-time” افزایش یافته است، چیره شود. مدت زمانی که طول می‌کشد تا پلاسما ایجاد شده و پایدار شود به فاکتورهای گوناگونی وابسته است از جمله: طول پالس، فرکانس پالس، توان و فشار.

اگر در پالس‌هایی با طول کمتر و فرکانس بیشتر، فاز شکل‌گیری پلاسما (Plasma Build-Up Phase) غالب شود، مگنترون اسپاترینگ پالسی در مد ولتاژ عمل خواهد کرد. در پالس‌هایی با طول بیشتر و فرکانس کمتر، فاز پلاسمای پایدار (Stationary Plasma Phase) غالب است و مگنترون  DC پالسی، در مد جریان کار می‌کند.

مگنترون اسپاترینگ ضربه‌ای توان بالا

در سال ۲۰۰۱ روشی به نام (High-Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS ارائه و در قالب US Patent ثبت شد. در این روش با به کار بردن توان‌های بالا (۱۰۰ برابر بیشتر از توان‌های متداول استفاده شده) محیطی متشکل از درصد بالای یون‌ها ایجاد می‌شود. این یون‌ها نه تنها از یونیزه شدن گاز اسپاترینگ حاصل می‌شوند، بلکه مواد اسپاتر شده را نیز در این توان یونیزه می‌کنند. در نتیجه درصد بالای یونیزاسیون این پلاسما، لایه نازک به صورت یکنواخت روی زیرلایه نشانده می‌شود. پیک پالس‌های استفاده شده در این روش ۱ کیلووات تا ۱ مگاوات با پیک ولتاژی ۰.۵ کیلوولت تا ۵ کیلوولت و طول پالس‌ها کمتر از ۱ میلی‌ثانیه بود.

این روش اسپاترینگ مزایای زیادی نسبت به روش‌های دیگر دارد. به علت توان بالای پالس‌ها، ۹۰ درصد ذرات اسپاتر شده یونیزه می‌شوند که در اثر میدان الکتریکی و مغناطیسی مستقیما به سمت زیرلایه هدایت می‌شوند. در نتیجه میتوان درجه بالایی از کنترل را روی فرایند لایه نشانی اعمال کرد. لایه‌های نازک ایجاد شده با این روش دارای چگالی بالایی خواهند بود.

به عنوان مثال چگالی گزارش شده برای لایه نازک کربن ایجاد شده با  این روش،  g/cm۳۲.۷ است، در صورتی که چگالی گزارش شده برای لایه نازک ایجاد شده به روش اسپاترینگ جریان مستقیم، g/cm۳۲ است. در سال ۲۰۰۵ روشی معرفی شد که پالس‌ها را به دو فاز تقسیم می‌کرد. در فاز اول پلاسما با یونیزاسیون پایین ایجاد می‌شود و در دومین فاز، پلاسما به مرحله نهایی خود که درصد بالای یونیزاسیون بود ارتقا می‌یابد. این روش موجب کم شدن مصرف توان در HPIMS شد.

دستگاه‌های اسپاترینگ پوشش‌های نانوساختار

شرکت پوشش‌های نانوساختار، طراح و سازنده انواع دستگاه‌های لایه نشانی در خلاء است که از میان تولیدات این شرکت میتوان به دستگاه‌های اسپاترینگ اشاره کرد. این نوع از دستگاه‌های لایه نشانی در خلاء، از روش اسپاترینگ برای لایه نشانی استفاده می‌کنند و تمامی آنها قابلیت لایه نشانی به روش مگنترون اسپاترینگ DC پالسی را دارند (این قابلیت اختیاری است که در صورت نیاز باید هنگام سفارش به قابلیت اسپاترینگ پالسی اشاره شود).

این دستگاه‌های اسپاترینگ شامل، دستگاه اسپاترینگ رومیزی – DSR1،‌ دستگاه اسپاترینگ و تبخیر حرارتی (DST3 و DST3-T) هستند. به علاوه، دستگاه‌های اسپاترینگ خلاء بالا (DST1-170 و DST1-300) و دستگاه‌های ترکیبی اسپاترینگ و لایه نشان کربن (DSCR، DSCR-300، DSCT و DSCT-T) نیز قادر به انجام لایه نشانی به روش مگنترون اسپاترینگ DC پالسی هستند. برای مطالعه بیشتر در مورد روش اسپاترینگ و محصولات لایه نشانی در خلاء به سایت شرکت پوشش‌های نانو‌ساختار مراجعه نمایید.

منابع

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
4. Sivakumar, R., Kumar, M., Sanjeeviraja, C. et al.Tuning electro-optical properties of pulsed dc magnetron sputtered indium tin oxide thin films: effects of pulsing frequency and annealing. J Mater Sci: Mater Electron ۲۸,۱۴۰۹–۱۴۱۸ (۲۰۱۷), doi:1007/s10854-016-5675-y
5. Mroczyński, Robert, Daniel Iwanicki, Bartosz Fetliński, Monika Ożga, Michał Świniarski, Arkadiusz Gertych, Mariusz Zdrojek, and Marek Godlewski. 2020. “Optimization of Ultra-Thin Pulsed-DC Magnetron Sputtered Aluminum Films for the Technology of Hyperbolic Metamaterials” Crystals 10, no. 5: 384. https://doi.org/10.3390/cryst10050384
6. Bellardita, M., Di Paola, A., Yurdakal, S., Palmisano, L., Preparation of Catalysts and Photocatalysts Used for Similar Processes, Heterogeneous Photocatalysis, Elselvier, pp.25-56, 2019. DOI:10.1016/B978-0-444-64015-4.00002-X