Magnetron-Sputtering: Die häufigste PVD-Methode

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Die kurze Antwort

Das Magnetron-Sputtern ist das in der Produktion am häufigsten verwendete PVD-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird ein Plasma in der Nähe eines Zielmaterials (der Quelle) erzeugt, das dann mithilfe von Magneten Elektronen in der Nähe der Zieloberfläche einfängt. Dadurch wird das Plasma dichter und ermöglicht die Abscheidung bei niedrigerem Druck und höheren Raten als beim einfachen Sputtern.

Wenn Sie in der Halbleiterfertigung, in der Herstellung optischer Beschichtungen oder in der Hartstoffbeschichtung tätig sind, haben Sie mit Sicherheit schon einmal das Magnetronsputtern eingesetzt.

Wie funktioniert es?

Das Magnetronsputtern baut auf dem einfachen Sputtern auf, mit einem wichtigen Zusatz: Magneten.

Beim einfachen Sputtern (ohne Magnete) wird eine Hochspannung zwischen einem Target (Kathode) und dem Substrat (Anode) in einer Niederdruckgasumgebung - in der Regel Argon - angelegt. Durch die Spannung wird das Argongas ionisiert. Die positiven Argon-Ionen beschleunigen in Richtung des negativ geladenen Targets und schlagen Atome von dessen Oberfläche ab. Diese Atome wandern auf das Substrat und bilden einen dünnen Film.

Das Problem: Die meisten der vom Target freigesetzten Elektronen entweichen sofort. Das Plasma bleibt schwach. Die Abscheideraten sind niedrig.

Beim Magnetronsputtern kommen Magnete hinzu: Eine starke Magnetanordnung hinter dem Target erzeugt ein Magnetfeld, das die Elektronen in der Nähe der Targetoberfläche einfängt. Die eingefangenen Elektronen ionisieren mehr Argonatome. Mehr Argon-Ionen treffen auf das Target. Es werden mehr Target-Atome herausgeschlagen.

Das Ergebnis: Die Abscheideraten steigen im Vergleich zum einfachen Sputtern um den Faktor 10 bis 100. Außerdem kann mit niedrigeren Drücken gearbeitet werden - bis zu 10^-3 Torr anstelle von 10^-1 Torr -, was weniger Gaszusammenstöße und sauberere Schichten bedeutet.

Gupta, Jyothi & Shaik, Habibuddin & Kumar, Kilari. (2021). A review on the prominence of porosity in tungsten oxide thin films for electrochromism. Ionics. 27. 1-28. 10.1007/s11581-021-04035-8.

Das Problem der Erosionsspuren

Das Magnetfeld ist nicht gleichmäßig. Es ist am stärksten in einer geschlossenen Schleife auf der Oberfläche des Targets. Dort bleiben die Elektronen hängen. Das Plasma konzentriert sich dort. Dort findet Erosion statt.

Dadurch entsteht ein charakteristischer Racetrack - eineringförmige Erosionsrille auf der Oberfläche des Targets.

Was das für Sie bedeutet:

• Die Nutzung des Targets ist begrenzt. Ein typisches planares Magnetron-Target nutzt nur 25 bis 35 % seines Materials, bevor die Erosion die Trägerplatte erreicht.
• Der Rest des Targets bleibt unangetastet. Sie werfen es weg.
• Dies ist der Hauptnachteil des Magnetron-Sputterns. Rotationstargets lösen dieses Problem, sind aber mit eigenen Nachteilen verbunden.

Wichtige Parameter, auf die es ankommt

Wenn Sie ein Magnetronsputtersystem spezifizieren oder betreiben, müssen Sie die folgenden Parameter kontrollieren.

Stromversorgungsart: Gleichstrom eignet sich für leitende Targets (Metalle). HF-Strom eignet sich für isolierende Targets (Keramiken, Oxide). Gepulster Gleichstrom ist ein Kompromiss, der für reaktives Sputtern geeignet ist. Zu jedem Thema gibt es einen eigenen Artikel in dieser Serie.

Druck. Der typische Betriebsdruck für die Magnetronzerstäubung beträgt 2 bis 20 mTorr. Ein niedrigerer Druck führt zu weniger Gaszusammenstößen und dichteren Schichten, aber zu einer langsameren Abscheidung. Höherer Druck führt zu mehr Streuung und weniger gerichteter Abscheidung.

Targetmaterial: Reinheit, Korngröße und Dichte beeinflussen die Schichtqualität. Ein poröses Target spuckt Partikel aus. Ein grobkörniges Target erodiert ungleichmäßig.

Vorspannung des Substrats. Durch Anlegen einer negativen Spannung an das Substrat werden während der Abscheidung positive Ionen angezogen. Dies verdichtet die Schicht und verbessert die Haftung, kann aber auch die Spannung der Schicht erhöhen.

Vorteile des Magnetronsputterns

Hohe Abscheiderate: Durch den magnetischen Einschluss ist das Magnetronsputtern viel schneller als andere Sputterverfahren.

Geringe Erwärmung des Substrats: Der größte Teil der Energie verbleibt im Plasma in der Nähe des Targets, nicht im Substrat. Sie können Schichten auf temperaturempfindliche Materialien wie Kunststoffe aufbringen.

Gute Haftung:Die gesputterten Atome kommen mit höherer Energie an als die verdampften Atome, was eine bessere Schichthaftung bedeutet.

Skalierbar: Magnetronsputtern eignet sich für kleine Forschungsproben und große Produktionsserien. Einzelne Targets können zwischen 1 Zoll und 10 Fuß lang sein.

Legierungs- und Verbundschichten: Sie können von Legierungstargets sputtern und erhalten die gleiche Zusammensetzung in der Schicht. Sie können auch reaktive Gase (Sauerstoff, Stickstoff) einführen, um Oxide oder Nitride zu bilden.

Beschränkungen

Die Ausnutzung des Targets ist schlecht, da der Racetrack-Effekt den größten Teil des Targets verschwendet. Dies ist die größte Einzelkritik am planaren Magnetronsputtern.

Abscheidung in Sichtweite. Wie alle PVD-Verfahren ist auch das Magnetronsputtern ein Sichtlinienverfahren. Es kann die Rückseiten komplexer Formen oder tiefe Gräben nicht effektiv beschichten.

Partikelbildung: Durch Lichtbogenbildung oder Zieldefekte können Partikel entstehen, die auf dem Substrat landen und Defekte verursachen. Dies ist ein großes Problem bei der Halbleiterherstellung.

Isolierende Targets erfordern RF. Man kann einen Isolator nicht mit Gleichstrom sputtern. Sie benötigen HF-Energie, die teurer und weniger effizient ist.

Gängige Anwendungen

Halbleiter:Durch Magnetronsputtern werden Metallschichten (Aluminium, Kupfer, Titan, Tantal) und Diffusionsbarrieren (TiN, TaN) bei der Chipherstellung aufgebracht.

Optische Beschichtungen: Antireflexionsbeschichtungen , Spiegel und Filter werden häufig durch Magnetronsputtern hergestellt, da die Schichtdichte und -dicke kontrolliert werden kann.

Hartstoffschichten: TiN-, CrN- und DLC-Beschichtungen auf Schneidwerkzeugen und Gussformen werden durch Magnetronsputtern aufgebracht.

Dekorative Beschichtungen: Die Gold-, Schwarz- und Regenbogenfarben auf Uhrengehäusen, Armaturen und Fahrzeugverkleidungen werden häufig durch Magnetronsputtern hergestellt.

Solarzellen. Transparente leitfähige Oxide (ITO, AZO) und Metallkontakte in Dünnschicht-Solarzellen werden durch Magnetronsputtern hergestellt.

Magnetronsputtern im Vergleich zu anderen PVD-Verfahren

In Produktionsumgebungen, in denen es auf Geschwindigkeit ankommt, ist das Magnetron-Sputtern die beste Lösung. Für Forschungszwecke oder Anwendungen, die extrem glatte Schichten ohne Partikel erfordern, ist das Ionenstrahlsputtern möglicherweise besser, aber auch viel langsamer.

Die Quintessenz

Das Magnetronsputtern ist nicht umsonst das Standard-PVD-Verfahren. Es ist schnell, vielseitig und eignet sich für alle Arten von Anwendungen, von 2-Zoll-Forschungswafern bis hin zu 10 Fuß langen Architekturglasplatten.

Der größte Nachteil - die schlechte Targetausnutzung - ist ein echter Kostenfaktor. Aber für die meisten Produktionsanwendungen rechtfertigen die Geschwindigkeit und die Filmqualität den Aufwand. Wenn die Targetausnutzung Ihr Hauptanliegen ist, sollten Sie rotierende Targets in Betracht ziehen (die in einem separaten Artikel behandelt werden).

Ansonsten sollten Sie hier beginnen. Die Magnetronzerstäubung ist das am weitesten verbreitete PVD-Verfahren, weil es für die meisten Aufgaben einfach das richtige Werkzeug ist.

Dieser Artikel wurde von Stanford Advanced Materials, einem Anbieter von Sputtertargets und Aufdampfmaterialien, zur Verfügung gestellt .