کندوپاش مگنترون چیست؟
کندوپاش مگنترون زیرمجموعهای از لایهنشانی کندوپاشی است که در آن از یک کاتد مگنترون برای افزایش برخورد یون-هدف استفاده میشود و در نتیجه سرعت کندوپاش و لایهنشانی را افزایش میدهد. مزیت لایهنشانی کندوپاش مگنترونی نسبت به لایهنشانی کندوپاش معمولی این است که، کاتدهای مگنترون را به بخش حیاتی یک سیستم کندوپاش معمولی تبدیل کرده است.
کندوپاش مگنترونی چگونه کار میکند؟
جزء اصلی یک سیستم پوششدهی کندوپاش مگنترونی که با یک دستگاه کندوپاش معمولی متفاوت است، کاتد مگنترون است که حاوی آهنرباهایی با پیکربندیهای مختلف است.
این آهنرباها به حفظ میدان مغناطیسی روی کاتد و سطح هدف کمک میکنند. ذرات باردار (الکترونها و یونهای گاز فرآیند، معمولاً آرگون) در پلاسمای تخلیه تابشی که در طول فرآیند کندوپاش نزدیک سطح هدف ایجاد میشوند، در خطوط میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنرباهای کاتد به دام میافتند. این امر به افزایش بمباران سطح هدف توسط یونهای پرانرژی کمک میکند و در نتیجه کنده شدن بیشتر اتمهای هدف و سرعت لایهنشانی بالاتر را به همراه دارد.
انواع کاتدهای مگنترون اسپاترینگ
آرایههای مغناطیسی مختلف، انواع کاتد و اشکال مختلف، مسطح، دایرهای یا مستطیلی، میتوانند منجر به میدانهای مغناطیسی متفاوت و در نتیجه، تغییر پارامترهای مختلف فرآیند لایهنشانی اسپاترینگ، مانند یکنواختی و فرسایش هدف، شوند.
کاتدهای فلزی، کاتدهای اکسیدی و کاتدهای Ba-W رایجترین انواع مواد کاتدی هستند که به دلیل ویژگیهایشان، مانند تابع کار، دمای عملیاتی، انتشار الکترون حرارتی و طول عمر، مطابق با توان و فرکانس مورد نیاز فرآیند اسپاترینگ مگنترون انتخاب میشوند.
تولید میدان مغناطیسی روی کاتد میتواند با استفاده از آهنرباهای دائمی یا مدارهای مغناطیسی (مانند کویلها) انجام شود.
مزایا و چالشهای پوششدهی کندوپاش مگنترونی
لایهنشانی کندوپاش مگنترونی به دلیل محدود شدن پلاسما به مجاورت کاتد که برخوردهای یونیزهکننده را در نزدیکی سطح هدف افزایش میدهد، مزایای متعددی دارد. این تکنیک بر محدودیتهای روش لایهنشانی اسپاترینگ مرسوم، از جمله نرخ لایهنشانی پایین، راندمان یونیزاسیون پایین و گرم شدن کاتد و زیرلایه در حین پوششدهی، غلبه میکند.
با این حال، اسپاترینگ مگنترونی هنگام کندوپاش اهداف فرومغناطیسی با چالشهایی روبرو است، زیرا خطوط مغناطیسی ضعیف ناشی از ماده هدف ممکن است با میدان مغناطیسی کاتد مگنترون تداخل داشته باشد.
تکنیکها و کاربردهای اسپاترینگ مگنترون
با توجه به ویژگیهای برجسته اسپاترینگ مگنترون، میتوان از آن برای ایجاد پوششهای کاربردی با کیفیت بالا برای اهداف تحقیقاتی و کاربردهای صنعتی، مانند پوششهای مقاوم در برابر خوردگی و سایش، پوششهای تزئینی، پوششهای کم اصطکاک یا پوششهای ویژه با خواص نوری یا الکتریکی خاص استفاده کرد.
کندوپاش مگنترون نامتعادل
کندوپاش مگنترون نامتعادل به دلیل توزیع نامتقارن میدان مغناطیسی بر روی سطح کاتد نامگذاری شده است. این ویژگی را میتوان با استفاده از پیکربندی فضایی نامتقارن آهنرباها یا با استفاده از میدانهای مغناطیسی قابل تنظیم ایجاد کرد. این روش برای فرسایش کنترلشدهی هدف به منظور افزایش کارایی هدف یا ایجاد پوششهای بسیار متراکم قابل استفاده است.
کندوپاش مگنترون پالسی
این تکنیک برای ایجاد لایههای نازک از مواد اکسیدی با نرخ رسوب بالا، قابل مقایسه با رسوب پاشش هدف فلزی، استفاده میشود.
کندوپاش مگنترون ضربهای با توان بالا (HiPIMS)
کندوپاش مگنترون ضربهای با توان بالا یک روش لایهنشانی لایههای نازک است که از منابع پالس کوتاه با چگالی توان بالا برای تولید پلاسمای بسیار یونیزه شده برای تولید لایههای با چگالی بالا با چسبندگی مضاعف به زیرلایه استفاده میکند.
کندوپاش مگنترون RF
لایهنشانی کندوپاشی مگنترون RF با استفاده از منبع تغذیه جریان متناوب برای تولید پلاسما، به منظور تولید پوششهای معدنی سازگار با محیط زیست، مانند پوششهای سرامیکی، شیشهای و نیتریدی و همچنین پوششهای پایه پلیمری استفاده میشود.
کندوپاش مگنترون یک تکنیک کلیدی است که فرآیند کندوپاش معمولی را با افزایش نرخ کندوپاش و لایهنشانی در فشارهای محفظه پایینتر، بهبود میبخشد. در تمام دستگاههای اسپاترینگ تک و چند کاتدی شرکت پوششهای نانوساختار، مانند DSR1، DST1 و DST3، به همراه پوششدهندههای چندکاره مانند DSCR و DSCT، از کاتدهای مگنترون برای لایهنشانی کندوپاشی با کیفیت بالا برای تولید سریع لایه نازک، استفاده میشود.
برخی سیستمهای خلاء پوششهای نانوساختار
منابع
- Kelly, Peter J., and R. Derek Arnell. “Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications.” Vacuum 56.3 (2000): 159-172.
- Janarthanan, B., et al. “Basic deposition methods of thin films.” Journal of Molecular Structure 1241 (2021): 130606.
- Kylián, Ondřej, et al. “Magnetron sputtering of polymeric targets: From thin films to heterogeneous metal/plasma polymer nanoparticles.” Materials 12.15 (2019): 2366.
- Liu, Zheng, et al. “Cathodes in magnetrons: A review.” MetalMat 1.2 (2024): e14.
- Bräuer, G. “Magnetron sputtering.” (2014).
- Bräuer, 4.03 – Magnetron Sputtering, Comprehensive Materials Processing, Elsevier, 2014, Pages 57-73, ISBN 9780080965338, https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096532-1.00403-9.
- Park, Jang Sick, et al. “Cathode unit of magnetron sputter for high target utilization.” Molecular Crystals and Liquid Crystals 514.1 (2009): 201-531.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Sputter_deposition
- https://en.wikipedia.org/wiki/High-power_impulse_magnetron_sputtering