Reaktorin magne- nonsputteringin mekanismi ja ominaisuudet

Eri yhdistelmäfilmit ovat yhä useammin käyttäneet nykyaikaisen insinööritekniikan kehittämistä, ja yhdistelmäfilmit muodostavat noin 70% kaikista kalvomateriaaleista. Yhdistekalvo voidaan valmistaa erilaisilla kemiallisilla höyrykerrostumilla tai fysikaalisilla höyrykerrostumismenetelmillä. Aiemmin useimmat yhdistelmäkalvot valmistettiin CVD-menetelmällä. CVD-tekniikka on nyt kehittänyt uusia prosesseja, kuten plasmavalmennettua CVD: tä ja metalli-orgaanista yhdiste-CVD: tä. CVD-menetelmän edellyttämän korkean lämpötilan takia materiaalien lähteet ovat kuitenkin rajalliset, ja jotkut niistä ovat myrkyllisiä ja syövyttäviä ympäristön saastuttamiseksi, mikä rajoittaa yhdistelmäkalvon tuotantoa jossain määrin.

Jos käytetään PVD-menetelmää dielektrisen ohutkalvon ja yhdistetyn ohutkalvon tuottamiseksi, voidaan radiotaajuisen sputterointimenetelmän lisäksi käyttää myös reaktiivista sputterointimenetelmää. Toisin sanoen sputter-päällystysprosessissa jotkut aktiiviset reaktiiviset kaasut tuodaan keinotekoisesti ja reagoivat sputteroitujen kohdeaineiden kanssa ja sitten talletetaan substraatille kalvon saamiseksi, joka on eri kohdeaineissa. Esimerkiksi oksidi saadaan sputteroimalla O2: ssä, nitridiä saadaan N2: ssa tai NH3: ssa, oksinitridiä saadaan O2 + N2: n sekakaasussa, karbidi saadaan C2H2: ssa tai CH4: ssa, silisidi saadaan silaanissa ja Fluoridia saadaan HF: ssä tai CF4: ssä jne. Nykyisin teollisen mittakaavan yhdisteiden ohutkalvojen laajamittaisen tuotannon vaatimuksesta reaktiivisella magnetronipuhallustekniikalla on ilmeisiä etuja.

1. Reaktisen sputteroinnin mekanismi

Reaktion sputterointimenetelmä on esitetty kuviossa 1. Tyypillisiä reaktiokaasuja ovat happi, typpi, metaani, asetyleeni, hiilimonoksidi jne. Sputterointimenetelmän aikana reaktioprosessi voi tapahtua substraatille tai katodille (reaktio, se siirtyy yhdisteeksi alustalle) riippuen reaktiokaasun paineesta. Jos reaktiokaasun paine on korkea, on mahdollista reagoida katodisputterointikohteeseen ja sitten siirtää yhdisteeksi alustalle kalvon muodostamiseksi. Normaaleissa olosuhteissa reaktiivisen sputteroinnin paine on suhteellisen alhainen, joten kaasufaasireaktio ei ole merkittävä, ja se suoritetaan pääasiassa kiinteäfaasireaktiona substraatin pinnalle. Tavallisesti plasmassa virtaava suuri virta voi tehokkaasti edistää reagoivien kaasumolekyylien hajoamista, eksitaatiota ja ionisaatiota. Reaktiivisen sputterointimenetelmän aikana muodostuu voimakas hiukkasvirta, joka koostuu vapaista energiaa kuormitetuista atomeista, ja se virtaa katoditavasta substraattiin sputteredin kohdetomiin, ohittaen ohutkalvon diffuusiokasvun aktivaatiokynnysenergian energia substraatilla yhdistelmäkalvojen tuottamiseksi.

Kuva 1. Reaktiivisen sputteroinnin periaatekaavio

2. Reaktiivisen sputteroinnin ominaisuudet

Reaktiivinen magnetronisputterointi tarkoittaa reaktiokaasun syöttämistä reagoimaan sputteroituneiden hiukkasten kanssa sputteroinnin aikana yhdisteen ohutkalvon muodostamiseksi. Se voi reagoida reaktiivisen kaasun kanssa, kun se on yhdiste on täynnä . Se voi myös reagoida reaktiokaasun kanssa, kun metalli- tai metalliseoskohteita sputtered, jolloin saadaan yhdiste, jolla on ennalta määrätty kemiallinen koostumus. Yhdisteen ohutkalvojen reaktiivinen magnetronin sputterointi on ominaista:

◆ Suurta puhtautta voidaan helposti saada kohdemateriaaleista (yksittäiselementtikohteet tai monielementtiset kohteet) ja reaktiivisten kaasujen, joita käytetään reaktiivisen magnetronisusputteroinnin suhteen, ja siten on edullista valmistaa erittäin puhtaita yhdisteitä ohutkalvoja.

◆ Reaktiivisessa magnetronisputterissa säätelemällä kerrostusprosessiparametreja voidaan valmistaa yhdistelmäkalvo, jolla on stökiometrisiä mittasuhteita tai ei-stökiometrisiä mittasuhteita, jotta saavutettaisiin tarkoitus säätää kalvon ominaisuuksia säätämällä kalvon koostumusta.

◆ Kun reaktiivinen magnetronin sputterointikerrosta esiintyy, substraatin lämpötila ei yleensä ole liian korkea. Lisäksi kalvonmuodostusprosessi ei yleensä vaadi substraatin erittäin korkeaa läm- pötilaa, joten substraattimateriaalista on vähemmän rajoituksia.

◆ Reaktiivinen magnetronisputteraus soveltuu suurten yhtenäisten ohutkalvojen tuotantoon, ja se voi saavuttaa yhden koneen teollisen tuotannon, jonka vuosituotanto on miljoonia neliömetrejä.