Sputtering de magnetrón: El método PVD más común

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La respuesta breve

El sputtering por magnetrón es el método de PVD más utilizado en entornos de producción. Funciona creando un plasma cerca de un material objetivo (la fuente) y, a continuación, utilizando imanes para atrapar electrones cerca de la superficie objetivo. Esto hace que el plasma sea más denso, permitiendo la deposición a presiones más bajas y velocidades más altas que con el simple sputtering.

Si trabaja en la fabricación de semiconductores, en la producción de recubrimientos ópticos o en aplicaciones de recubrimientos duros, es casi seguro que ha utilizado el sputtering por magnetrón.

Cómo funciona

El sputtering por magnetrón se basa en el sputtering básico con un añadido clave: los imanes.

Pulverización catódica básica (sin imanes ): se aplica un alto voltaje entre un objetivo (cátodo) y el sustrato (ánodo) en un entorno de gas a baja presión, normalmente argón. La tensión ioniza el gas argón. Los iones positivos de argón aceleran hacia el blanco cargado negativamente y desprenden átomos de su superficie. Estos átomos se desplazan hasta el sustrato y forman una fina película.

El problema: la mayoría de los electrones liberados del blanco escapan inmediatamente. El plasma permanece débil. La velocidad de deposición es baja.

El sputtering por magnetrón añade imanes. Un potente conjunto de imanes detrás del blanco crea un campo magnético que atrapa los electrones cerca de la superficie del blanco. Los electrones atrapados ionizan más átomos de argón. Más iones de argón golpean el blanco. Se desprenden más átomos del blanco.

El resultado: la velocidad de deposición se multiplica por un factor de 10 a 100 en comparación con el sputtering simple. También se puede trabajar a presiones más bajas (hasta 10^-3 Torr en lugar de 10^-1 Torr), lo que significa menos colisiones de gas y películas más limpias.

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.

El problema de la pista de erosión

El campo magnético no es uniforme. Es más intenso en un bucle cerrado en la superficie del blanco. Los electrones quedan atrapados allí. El plasma se concentra allí. Allí se produce la erosión.

Esto crea un característico "racetrack", unsurco de erosión en forma de anillo en la superficie del blanco.

Lo que esto significa para usted:

• La utilización del blanco es limitada. Un blanco de magnetrón plano típico utiliza sólo entre el 25% y el 35% de su material antes de que la erosión alcance la placa de apoyo.
• El resto del blanco queda intacto. Se tira.
• Éste es el principal inconveniente del sputtering por magnetrón. Los cátodos rotatorios resuelven este problema, pero tienen sus propias desventajas.

Parámetros clave importantes

Si está especificando u operando un sistema de sputtering por magnetrón, estos son los parámetros que necesita controlar.

Tipo de fuente de alimentación: la alimentación de CC funciona con cátodos conductores (metales). La potencia de RF funciona con objetos aislantes (cerámicas, óxidos). La corriente continua pulsada es una solución intermedia para el sputtering reactivo. Cada uno tiene su propio artículo en esta serie.

Presión. La presión de funcionamiento típica para el sputtering por magnetrón es de 2 a 20 mTorr. Una presión más baja produce menos colisiones de gas y películas más densas, pero la deposición es más lenta. A mayor presión, mayor dispersión y deposición menos direccional.

La pureza, el tamaño de grano y la densidad afectan a la calidad de la película. Un blanco poroso escupe partículas. Un blanco de grano grueso erosiona de forma desigual.

Predisposición del sustrato. Aplicar un voltaje negativo al sustrato atrae iones positivos durante la deposición. Esto densifica la película y mejora la adherencia, pero también puede aumentar la tensión de la película.

Ventajas del sputtering por magnetrón

Alta velocidad de deposición: el confinamiento magnético hace que el sputtering por magnetrón sea mucho más rápido que otros métodos de sputtering.

Bajo calentamiento del sustrato. La mayor parte de la energía permanece en el plasma cerca del blanco, no en el sustrato. Se pueden depositar películas sobre materiales sensibles a la temperatura, como los plásticos.

Buena adherencia: los átomos pulverizados llegan con mayor energía que los evaporados, lo que se traduce en una mejor adherencia de la película.

Escalable: el sputtering por magnetrón sirve tanto para pequeñas muestras de investigación como para grandes series de producción. Los cátodos pueden tener una longitud de entre 2,5 y 3 metros.

Películas de aleaciones y compuestos: se puede pulverizar a partir de cátodos de aleación y obtener la misma composición en la película. También se pueden introducir gases reactivos (oxígeno, nitrógeno) para formar óxidos o nitruros.

Limitaciones

La utilización de los cátodos es escasa: el efecto de pista de carreras desperdicia la mayor parte del cátodo. Esta es la mayor queja sobre el sputtering planar por magnetrón.

Deposición en la línea de visión. Como todos los métodos de PVD, el sputtering por magnetrón es un proceso de línea de visión. No puede recubrir eficazmente las caras posteriores de formas complejas o zanjas profundas.

Generación de partículas:los arcos voltaicos o los defectos del blanco pueden generar partículas que caen sobre el sustrato y provocan defectos. Se trata de un problema importante en la fabricación de semiconductores.

Los cátodos aislantes requieren RF. No se puede pulverizar un aislante con corriente continua. Se necesita energía de RF, que es más cara y menos eficaz.

Aplicaciones comunes

Semiconductores: el sputtering magnetrón deposita capas metálicas (aluminio, cobre, titanio, tantalio) y barreras de difusión (TiN, TaN) en la fabricación de chips.

Recubrimientos ópticos: los recubrimientos antirreflectantes , los espejos y los filtros se fabrican a menudo mediante pulverización catódica por magnetrón debido al control de la densidad y el espesor de la película.

Recubrimientos duros: los recubrimientos de TiN, CrN y DLC sobre herramientas de corte y moldes se aplican mediante pulverización catódica por magnetrón.

Recubrimientos decorativos: el oro, el negro y los colores del arco iris en cajas de relojes, grifos y molduras de automóviles se aplican a menudo mediante pulverización catódica por magnetrón.

Células solares. Los óxidos conductores transparentes (ITO, AZO) y los contactos metálicos de las células solares de película fina utilizan el pulverizado por magnetrón.

Sputtering por magnetrón frente a otros métodos de PVD

Para entornos de producción en los que la velocidad es importante, el sputtering por magnetrón es la mejor opción. Para la investigación o aplicaciones que requieren películas extremadamente lisas sin partículas, el pulverizado con haz de iones puede ser mejor, pero mucho más lento.

En resumen

El sputtering con magnetrón es el método PVD por defecto por una razón. Es rápido, versátil y funciona con todo tipo de materiales, desde obleas de investigación de 2 pulgadas hasta paneles de vidrio arquitectónico de 3 metros.

El principal inconveniente -la escasa utilización del blanco- es un coste real. Pero para la mayoría de las aplicaciones de producción, la velocidad y la calidad de la película justifican el desperdicio. Si la utilización del cátodo es su principal preocupación, considere los cátodos rotativos (tratados en otro artículo).

De lo contrario, empiece por aquí. El sputtering con magnetrón es el método de PVD más común porque, para la mayoría de los trabajos, es simplemente la herramienta adecuada.

Presentado por Stanford Advanced Materials, proveedor de cátodos para sputtering y materiales de evaporación.