ترسيب الاخرق: كيف يعمل وأين يُستخدم

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

الإجابة المختصرة

إن الترسيب بالترسيب بالرش هو طريقة ترسيب بالترسيب بالرش الضوئي بتقنية PVD تستخدم أيونات نشطة لإخراج الذرات من هدف صلب. ثم تنتقل هذه الذرات عبر غرفة تفريغ وتتكثف على ركيزة لتشكيل طبقة رقيقة.

وعلى عكس التبخير، الذي يقوم بتسخين المادة حتى تتحول إلى بخار، يستخدم الرش بالتبخير عملية نقل الزخم الفيزيائي - مثل لعبة مجهرية لكرات البلياردو. ويمنح هذا الاختلاف مزايا فريدة من نوعها لعملية الاخرق: التصاق أفضل، والتحكم الدقيق في التركيب الدقيق للسبائك، والقدرة على ترسيب مواد ذات درجة انصهار عالية.

إذا كنت بحاجة إلى أغشية كثيفة وجيدة الالتصاق من أي مادة صلبة تقريبًا - معدن أو سبيكة أو سيراميك أو أشباه الموصلات - فمن المحتمل أن يكون الترسيب بالرشّ هو الخيار الصحيح.

مخطط عملية الترسيب بالتناثر. Martins, R.M.S.. (2008). دراسات حيود الأشعة السينية في الموقع أثناء نمو أفلام سبائك ذاكرة الشكل Ni-Ti من سبائك Ni-Ti وتوصيفها التكميلي خارج الموقع.

كيف يعمل الاخرق

تصف كلمة "الاخرق" العملية الفيزيائية. إليك ما يحدث خطوة بخطوة.

الخطوة 1: إنشاء بلازما. يتم ملء غرفةتفريغ الهواء بكمية صغيرة من الغاز الخامل - وهو الأرجون دائمًا تقريبًا. يتم تطبيق جهد عالٍ بين الهدف (الكاثود) وجدران الغرفة أو حامل الركيزة (الأنود) لتأيين غاز الأرجون، مما يؤدي إلى تكوين بلازما.

الخطوة 2: تسريع الأيونات. تنجذب أيونات الأرجون موجبة الشحنة إلى الهدف سالب الشحنة. يعمل فرق الجهد على تسريعها.

الخطوة 3: تفريغ الذرات. عندما يصطدم أيون الأرجون بسطح الهدف، فإنه ينقل زخمه. إذا كان النقل كبيرًا بما فيه الكفاية، يتم إخراج ذرة الهدف. يمكن لأيون واحد قادم أن يطرد عدة ذرات هدف من خلال سلسلة تصادمات متتالية.

الخطوة 4: النقل عبر الفراغ. تنتقل ذرات الهدف المقذوفة عبر غرفة التفريغ. وعند ضغط الاخرق النموذجي (بضعة ميليتور)، تنتقل الذرات في خطوط مستقيمة تقريباً مع تصادمات غازية قليلة.

الخطوة 5: التكثيف على الركيزة. تصل الذرات إلى الركيزة وتتكثف لتكوين طبقة رقيقة. وتساعد طاقة الذرات الواصلة - أعلى بكثير من طاقة التبخير - على تحريكها على السطح وتشكيل أغشية كثيفة متلاصقة بشكل جيد.

هذا هو الاخرق. لا ذوبان. لا تبخر. فقط ذرات تتحرك الذرات بفعل تأثير الأيونات.

طريقة بسيطة للتفكير في الأمر

تخيل أن كرة بلياردو (أيون أرجون) تصطدم بحامل كرات معبأة بإحكام (السطح المستهدف). يرسل التصادم عدة كرات تتطاير في اتجاهات مختلفة. تهبط بعض هذه الكرات على الركيزة.

والرش هو نقل الزخم وليس التبخر الحراري. وهذا هو السبب في أنه يمكنك رش المواد التي تذوب عند درجة حرارة 3000 درجة مئوية - فأنت لا تحتاج إلى إذابتها.

الاخرق مقابل التبخر: الاختلافات الرئيسية

غالبًا ما تتم مقارنة هاتين الطريقتين PVD. إليك الفرق العملي.

طاقة الوصول الأعلى في الاخرق هي الميزة الرئيسية. يمكن للذرات النشطة إعادة ترتيبها على سطح الركيزة وملء الفراغات وتشكيل أغشية أكثر كثافة مع التصاق أفضل.

المفاضلة هي التعقيد. يتطلب التبخير توليد البلازما وإدارة الهدف. بينما يحتاج التبخير إلى بوتقة ساخنة فقط.

أنواع الاخرق

الاخرق ليس تقنية واحدة. إنها عائلة. تغطي سلسلة أساسيات PVD أساسيات كل منها في مقالات منفصلة.

إذا كنت جديدًا على الرش بالمغناطيسية، فابدأ بالرش المغنطروني (يتم تناولها بشكل منفصل في هذه السلسلة). إنها طريقة الإنتاج الأكثر شيوعًا. ثم تعرف على مصادر طاقة التيار المستمر والترددات اللاسلكية، لأنها تحدد المواد التي يمكنك ترسيبها.

ما الذي يؤثر على جودة الفيلم في الاخرق

نقاء الهدف. انخفاض النقاء يعني المزيد من الشوائب في الفيلم الخاص بك. لعمل أشباه الموصلات، تحتاج إلى 99.95% أو أفضل. أما بالنسبة للطلاءات الزخرفية، فلا بأس بنسبة 99.9%.

كثافة الهدف. الهدف الكثيف ينفث بشكل نظيف. أما الهدف المسامي فيخرج الغازات والأقواس ويولد جسيمات. لا تشتري أبدًا هدف منخفض الكثافة للعمل الحرج.

الضغط الأساسي. الضغط قبل إدخال الأرجون. الضغط الأساسي الأعلى يعني المزيد من بخار الماء المتبقي والهواء في الغرفة، مما قد يؤدي إلى أكسدة الفيلم أو التسبب في التلوث. استهدف 10 ⁶ تور أو أفضل.

ضغط الاخرق. النطاق النموذجي هو 2 إلى 20 ⃔ mTorr. يعطي الضغط المنخفض تصادمات غازية أقل وترسيباً أكثر اتجاهاً. يعطي الضغط الأعلى مزيدًا من التشتت ويمكن أن يحسن التوحيد على حساب المعدل.

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

التطبيقات الشائعة

أشباه الموصلات.يتم رش الطبقات المعدنية (Al، النحاس، Ti، Ti، Ta) وحواجز الانتشار (TiN، TaN). يهيمن الرش بالرش على ترسيب المعادن الأمامية والخلفية في تصنيع الرقائق.

محركات الأقراص الصلبة.يتم رش طبقات التسجيل المغناطيسية وهياكل رأس القراءة/الكتابة. ويعد هذا أحد أكبر تطبيقات الرش بالمبخرة ذات الحجم الكبير.

الطلاءات الضوئية.تستخدم الطلاءات المضادة للانعكاس والمرايا والمرشحات استخدام الاخرق عند الحاجة إلى كثافة ومتانة عالية.

الطلاءات الز خرفية.غالبًا ما يتم استخدام الطلاءاتالذهبيةوالسوداء وغيرها من الطلاءات الملونة على الساعات والحنفيات وزخارف السيارات.

الخلايا الشمسية.تستخدم الأكاسيد الموصلة الشفافة والتلامسات المعدنية في الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة الطلاء بالرش.

طلاءات الأدوات. يمكن تطبيق طلاءات TiN وAlTiN وCrN على أدوات القطع عن طريق الرش بالمبخر، على الرغم من أن التبخير القوسي شائع أيضًا.

متى تختار الاخرق

اختر الاخرق عندما:

• أنت بحاجة إلى أغشية كثيفة وجيدة الالتصاق
• تحتوي مادتك على نقطة انصهار عالية (التنغستن، التنتالوم، البلاتين)
• تحتاج إلى تحكم دقيق في التركيب في السبائك
• لا تتحمل الركيزة الخاصة بك درجات حرارة عالية
• تحتاج إلى أغشية موحدة على مساحات كبيرة

اختر التبخير عندما

• تحتاج إلى أعلى درجة نقاء ممكنة (بدون بلازما أو شوائب مستهدفة)
• تكون درجة انصهار المادة لديك منخفضة (الألومنيوم والذهب والفضة)
• تريد أبسط نظام ممكن
• تسخين الركيزة هو مصدر قلق كبير

القيود التي يجب معرفتها

الترسيب على خط البصر. الترسيب بالرش، مثل التبخير، هو ترسيب على خط البصر. لا يغطي جوانب الثقوب العميقة أو الأشكال المعقدة ثلاثية الأبعاد بشكل جيد. بالنسبة لهذه التطبيقات، ضع في اعتبارك تقنية CVD.

استخدام الهدف ضعيف في الأنظمة المستوية. يهدر نمط تآكل مسار السباق 65-75% من الهدف. تعمل الأهداف الدوارة على تحسين ذلك ولكنها تكلف أكثر.

يمثل توليد الجسيمات خطرًا، حيثيمكن أن ينتج عن تقوس الهدف أو عيوب الهدف أو تقشره من الدروع جسيمات تسبب عيوبًا. هذه معركة مستمرة في عملية رش أشباه الموصلات.

تتطلب العوازل طاقة الترددات اللاسلكية. لا يمكنك رش عازل بالتيار المستمر. تحتاج إلى طاقة تردد لاسلكي، وهي أبطأ وتتطلب مطابقة المعاوقة.

خلاصة القول

الترسيب بالترسيب الاخرق هو طريقة ترسيب بالترسيب بالرش بالرش متعدد الاستخدامات ومثبتة الإنتاج. وهي تعمل مع أي مادة صلبة تقريبًا، وتنتج أفلامًا كثيفة ذات التصاق ممتاز، وتتدرج من البحث إلى التصنيع بكميات كبيرة.

وتتمثل القيود الرئيسية في ترسيب خط البصر وضعف استخدام الهدف في الأنظمة المستوية. بالنسبة للعديد من التطبيقات، تعتبر هذه مقايضات مقبولة بالنسبة لجودة الفيلم ومرونة المواد التي يوفرها الرش بالمبيدات.

إذا كنت تقوم بالاختيار بين الرش بالتبخير والتبخر، اطرح سؤالين: هل تتمتع مادتك بنقطة انصهار عالية، وهل تحتاج إلى أفلام كثيفة؟ إذا كانت الإجابة على أي من السؤالين بنعم، فمن المحتمل أن يكون الاخرق هو إجابتك.

مقدمة إليك من شركة Stanford Advanced Materials، وهي مورد لأهداف الاخرق وم واد التبخير.