الاخرق المغنطروني: طريقة PVD الأكثر شيوعًا

هذه المقالة هي جزء من سلسلة أساسيات PVD. ابدأ من هنا أو شاهد جميع المقالات.

الإجابة المختصرة

يعد الرش بالمغناطيس المغنطروني أكثر طرق تقنية PVD استخدامًا في بيئات الإنتاج. وهي تعمل عن طريق إنشاء بلازما بالقرب من المادة المستهدفة (المصدر)، ثم استخدام المغناطيس لحبس الإلكترونات بالقرب من سطح الهدف. وهذا يجعل البلازما أكثر كثافة، مما يتيح الترسيب بضغوط أقل ومعدلات أعلى من الترسيب بالرش البسيط.

إذا كنت تعمل في مجال تصنيع أشباه الموصلات أو إنتاج الطلاء البصري أو تطبيقات الطلاء الصلب، فمن المؤكد أنك استخدمت الرش المغنطروني.

كيف يعمل

يعتمد الاخرق المغنطروني على الاخرق الأساسي مع إضافة رئيسية واحدة: المغناطيس.

الاخرق الأساسي (بدون مغناطيس). تقوم بتطبيق جهد عالٍ بين الهدف (القطب السالب) والركيزة (الأنود) في بيئة غازية منخفضة الضغط - عادةً ما يكون الأرجون. يعمل الجهد على تأيين غاز الأرجون. تتسارع أيونات الأرجون الموجبة نحو الهدف سالب الشحنة وتطرد الذرات من سطحه. تنتقل هذه الذرات إلى الركيزة وتشكل طبقة رقيقة.

المشكلة: تهرب معظم الإلكترونات المنطلقة من الهدف على الفور. وتبقى البلازما ضعيفة. وتكون معدلات الترسيب منخفضة.

يضيف الرش المغنطروني المغناطيسي مغناطيساً، حيثتخلق مجموعة مغناطيسية قوية خلف الهدف مجالاً مغناطيسياً يحبس الإلكترونات بالقرب من سطح الهدف. تؤين الإلكترونات المحتجزة المزيد من ذرات الأرجون. يصطدم المزيد من أيونات الأرجون بالهدف. يتحرر المزيد من ذرات الهدف.

والنتيجة: تزيد معدلات الترسيب بمعامل 10 إلى 100 مقارنةً بالرش البسيط. يمكنك أيضًا العمل بضغوط أقل - حتى 10^-3 تور بدلاً من 10^-1 تور - مما يعني تصادمات غازية أقل وأفلام أنظف.

غوبتا، جيوتي وشايك، حبيب الدين وكومار، كيلاري. (2021). مراجعة حول بروز المسامية في الأغشية الرقيقة لأكسيد التنغستن من أجل اللونية الكهربائية. Ionics. 27. 1-28. 10.1007/s11581-021-04035-8.

مشكلة مسار التآكل

المجال المغناطيسي ليس منتظمًا. إنه الأقوى في حلقة مغلقة على سطح الهدف. تحبس الإلكترونات هناك. تتركز البلازما هناك. يحدث التآكل هناك.

وهذا يخلق مسار سباقمميز - وهو عبارة عن أخدود تآكل على شكل حلقة على سطح الهدف.

ما يعنيه هذا بالنسبة لك:

• استخدام الهدف محدود. يستخدم الهدف المغنطروني المستوي النموذجي المستوي من 25% إلى 35% فقط من مادته قبل أن يصل التآكل إلى اللوحة الخلفية.
• أما باقي الهدف فلا يُستخدم. تتخلص منه.
• هذا هو الجانب السلبي الرئيسي لرش المغنطرون المغنطروني. تحل الأهداف الدوارة هذه المشكلة ولكنها تأتي بمقايضات خاصة بها.

المعلمات الرئيسية المهمة

إذا كنت تقوم بتحديد أو تشغيل نظام رش المغنطرون المغنطروني، فهذه هي المعلمات التي تحتاج إلى التحكم فيها.

نوع مصدر الطاقة. تعمل طاقةالتيار المستمر مع الأهداف الموصلة (المعادن). تعمل طاقة التردد اللاسلكي مع الأهداف العازلة (السيراميك والأكاسيد). التيار المستمر النبضي هو حل وسط يعمل مع الاخرق التفاعلي. لكل منها مقالته الخاصة في هذه السلسلة.

الضغط. يتراوح ضغط التشغيل النموذجي لرش المغنطرون المغنطروني من 2 إلى 20 ملي طن من الضغط. يعطي الضغط المنخفض تصادمات غازية أقل وأغشية أكثر كثافة، ولكن الترسيب أبطأ. الضغط الأعلى يعطي تشتتًا أكبر وترسيبًا أقل اتجاهًا.

المادة المستهدفة. تؤثر كل من النقاء وحجم الحبيبات والكثافة على جودة الفيلم. الهدف المسامي ينثر الجسيمات. هدف خشن الحبيبات يتآكل بشكل غير متساوٍ.

تحيز الركيزة. يؤدي تطبيق جهد سالب على الركيزة إلى جذب أيونات موجبة أثناء الترسيب. يؤدي ذلك إلى تكثيف الفيلم وتحسين الالتصاق ولكن يمكن أن يزيد أيضًا من إجهاد الفيلم.

مزايا الاخرق المغنطروني المغناطيسي

معدل ترسيب عالٍ.يجعل الحصر المغناطيسي عملية الرش المغنطروني أسرع بكثير من طرق الرش الأخرى.

تسخين منخفض للركيزة. تبقى معظم الطاقة في البلازما بالقرب من الهدف، وليس في الركيزة. يمكنك ترسيب الأغشية على مواد حساسة للحرارة مثل البلاستيك.

التصاق جيد.تصل الذرات المنبثقة بطاقة أعلى من الذرات المتبخرة، مما يعني التصاق أفضل للفيلم.

قابل للتطوير. يعمل رش المغنطرون المغنطروني على عينات بحثية صغيرة وعمليات الإنتاج الكبيرة. يتراوح طول الأهداف الفردية من 1 بوصة إلى 10 أقدام.

أفلام السبائك والأفلام المركبة. يمكنك الاصطرار من أهداف السبائك والحصول على نفس التركيب في الفيلم. يمكنك أيضًا إدخال غازات تفاعلية (الأكسجين والنيتروجين) لتكوين أكاسيد أو نيتريدات.

القيود

الاستفادة من الهدف ضعيفة. تأثير مضمار السباق يهدر معظم الهدف. هذه هي أكبر شكوى منفردة حول الرش المغنطروني المستوي.

ترسيب خط البصر. مثل جميع طرق PVD، فإن الرش بالمغنترون المغنطروني هو عملية ترسيب على خط البصر. لا يمكنها طلاء الجوانب الخلفية للأشكال المعقدة أو الخنادق العميقة بفعالية.

توليد الجسيمات.يمكن أن يؤدي الانحناء أو العيوب المستهدفة إلى توليد جسيمات تهبط على الركيزة وتسبب عيوبًا. وهذا مصدر قلق كبير في تصنيع أشباه الموصلات.

تتطلب الأهداف العازلة الترددات اللاسلكية. لا يمكنك رش عازل بالتيار المستمر. تحتاج إلى طاقة الترددات اللاسلكية، وهي أكثر تكلفة وأقل كفاءة.

التطبيقات الشائعة

أشباه الموصلات.يرسب الاخرق المغنطروني الطبقات المعدنية (الألومنيوم والنحاس والتيتانيوم والتنتالوم) وحواجز الانتشار (TiN، TaN) في تصنيع الرقائق.

الطلاءات الضوئية.غالبًا ما يتم تصنيع الطلاءات المضادة للانعكاس والمرايا والمرشحات بواسطة الرش المغنطروني بسبب كثافة الفيلم والتحكم في السماكة.

الطلاءات الصلبة. يتم تطبيق طلاءاتTiN وCrN وDLC على أدوات القطع والقوالب بواسطة الاخرق المغنطروني.

الطلاءات الزخرفية.غالبًا ما يتم استخدامالطلاء الذهبي والأسود وألوان قوس قزح على علب الساعات والحنفيات وزخارف السيارات باستخدام الرذاذ المغنطروني.

الخلايا الشمسية. تستخدم الأكاسيد الموصلة الشفافة (ITO، AZO) والتلامسات المعدنية في الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة استخدام الاخرق المغنطروني.

رش المغنطرون المغنطروني مقابل طرق PVD الأخرى

بالنسبة لبيئات الإنتاج التي تكون فيها السرعة مهمة، يفوز الرش بالمغنترون. بالنسبة للأبحاث أو التطبيقات التي تتطلب أغشية ناعمة للغاية بدون جزيئات، قد يكون رش الحزمة الأيونية أفضل - ولكن أبطأ بكثير.

خلاصة القول

يعد الرش المغنطروني المغنطروني هو طريقة PVD الافتراضية لسبب ما. فهي سريعة ومتعددة الاستخدامات وتعمل على كل شيء بدءًا من رقاقات الأبحاث مقاس 2 بوصة إلى الألواح الزجاجية المعمارية التي يبلغ طولها 10 أقدام.

العيب الرئيسي - ضعف استخدام الهدف - هو التكلفة الحقيقية. ولكن بالنسبة لمعظم تطبيقات الإنتاج، فإن السرعة وجودة الفيلم تبرر الهدر. إذا كانت الاستفادة من الهدف هو شاغلك الأساسي، ففكر في الأهداف الدوارة (يتم تناولها في مقال منفصل).

خلاف ذلك، ابدأ من هنا. يعتبر رش المغنطرون المغنطروني هو الطريقة الأكثر شيوعًا للتقنية بالبطاريات البفديوية المجهرية لأنها ببساطة الأداة المناسبة لمعظم الوظائف.

مقدمة إليكم من قبل Stanford Advanced Materials، وهي مورد لأهداف الاخرق ومواد التبخير.