Principio di funzionamento e modalità di Sputtering Magnetron a impulsi

La sputtering a impulsi magnetronici utilizza l'alimentazione a impulsi con tensione d'onda rettangolare anziché l'alimentazione DC convenzionale per la deposizione di sputtering di magnetron. La tecnologia di sputtering a impulsi magnetronici può sopprimere efficacemente la generazione di arco e quindi eliminare i difetti di rivestimento risultanti. Allo stesso tempo, può aumentare la velocità di deposizione dello sputtering e ridurre la temperatura di deposizione.

Gli impulsi possono essere divisi in impulsi bidirezionali e impulsi unidirezionali (come mostrato nella Figura 1). L'impulso bidirezionale ha due fasi in un ciclo: tensione positiva e tensione negativa. Nel segmento di tensione negativa, l'alimentatore funziona per lo sputtering del target. E nel segmento di tensione positiva, gli elettroni vengono introdotti per neutralizzare la carica positiva che si accumula sulla superficie target e rende la superficie pulita per esporre la superficie metallica. La tensione di impulso applicata al target è la stessa di quella di sputtering generale del magnetron (400-500 V). Lo sputtering a impulsi magnetronici di solito utilizza una forma d'onda a impulsi ad onda quadra. La scarica anormale dell'arco può essere efficacemente eliminata nella banda di frequenze medie (20-200 kHz) e il tempo di scarica target viene controllato per garantire che il bersaglio non sia avvelenato e che non si verifichi la formazione di archi, quindi disconnettere la tensione target o persino rendere l'obiettivo positivamente carica. Poiché la velocità degli elettroni nel plasma è molto più alta della velocità dello ione, la tensione positiva del bersaglio generalmente richiede solo dal 10% al 20% della polarizzazione negativa e la scarica dell'arco può essere prevenuta. Si ritiene che l'ampiezza dell'impulso (rapporto tra tensioni positive e negative) giochi un ruolo chiave, l'ampiezza dell'impulso di 1: 1 abbia il miglior effetto di soppressione. La tensione positiva non ha alcun effetto significativo sul verificarsi della scarica dell'arco, ma influisce notevolmente sulla velocità di deposizione. Se la tensione positiva aumenta dal 10% al 20% (rapporto alla tensione negativa), la velocità di deposizione sarà aumentata del 50%.

Principio di funzionamento dello sputtering a impulsi magnetronici

Fig. 1 (a) impulso unidirezionale (b) impulso bidirezionale

Gli impulsi bidirezionali sono più spesso utilizzati per i sistemi di sputtering di magnetron sbilanciati chiusi a doppio bersaglio come mostrato nella Figura 2, due target di magnetron sono collegati alla stessa alimentazione di impulsi nel sistema, simile al target del gemello MF, due obiettivi funzionano alternativamente come catodo e l'anodo, quando il bersaglio del catodo viene spruzzato, il bersaglio dell'anodo completa la pulizia della superficie, quindi la variazione periodica della polarità del bersaglio del magnetron produce un effetto "autopulente".

I principali parametri dello sputtering a magnetron pulsato includono la tensione di sputtering, la frequenza degli impulsi e il duty rate. Poiché gli elettroni nel plasma hanno maggiori capacità rispetto agli ioni, il valore di tensione positivo richiede solo dal 10% al 20% del valore di tensione negativo per neutralizzare efficacemente le cariche positive accumulate sulla superficie target. La frequenza degli impulsi è solitamente nell'intervallo di frequenza medio. Il limite di frequenza inferiore è determinato dal valore critico che è inferiore all'intensità del campo di rottura che assicura la formazione della forza di campo dalla carica accumulata sulla superficie target. E il limite superiore è determinato dalla velocità di deposizione. Generalmente, si suggerisce una minore frequenza con la premessa di garantire una scarica stabile. Per il ciclo di lavoro, in base alla premessa della carica accumulata sulla superficie target può essere completamente neutralizzata nella fase di tensione positiva durante lo sputtering, il ciclo di lavoro deve essere aumentato il più possibile per ottenere la massima efficienza di alimentazione.

Fig. 2 Schema dello sputtering pulsato bidirezionale bidirezionale a magnetron

C'è un nuovo sviluppo, che applica il bias pulsato al substrato. La polarizzazione pulsata può aumentare notevolmente la corrente del fascio ionico sul substrato. Nello sputtering con magnetron, la polarizzazione negativa DC viene generalmente applicata a -100 V e il fascio di ioni substrato è saturo. Aumentare la polarizzazione negativa non aumenta la corrente del fascio di ioni substrato. Questa corrente di saturazione è generalmente considerata come la corrente del fascio ionico. E gli elettroni non possono accedere alla superficie del substrato. Ma l'uso del bias pulsato può superare questa carenza, gli studi hanno dimostrato che la polarizzazione degli impulsi non solo può migliorare la corrente di saturazione del substrato, ma anche aumentare la corrente di saturazione all'aumentare della tensione di polarizzazione negativa. Quando la frequenza degli impulsi aumenta, questo effetto è più significativo. La polarizzazione negativa pulsata del substrato fornisce un nuovo metodo per controllare efficacemente la densità di corrente del substrato. Questo effetto può essere applicato per ottimizzare la struttura del film e l'adesione e ridurre il tempo di pulizia dello sputtering e il riscaldamento del substrato.