Pulvérisation magnétron : La méthode de dépôt en phase vapeur la plus courante

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La réponse courte

La pulvérisation cathodique magnétron est la méthode de dépôt en phase vapeur la plus utilisée dans les environnements de production. Elle consiste à créer un plasma à proximité d'un matériau cible (la source), puis à utiliser des aimants pour piéger les électrons à proximité de la surface de la cible. Le plasma devient ainsi plus dense, ce qui permet un dépôt à des pressions plus faibles et à des vitesses plus élevées qu'avec la simple pulvérisation.

Si vous travaillez dans la fabrication de semi-conducteurs, la production de revêtements optiques ou les applications de revêtements durs, vous avez certainement utilisé la pulvérisation magnétron.

Comment cela fonctionne-t-il ?

La pulvérisation magnétron s'appuie sur la pulvérisation de base avec un ajout essentiel : les aimants.

Pulvérisation de base (sans aimants) : vous appliquez une tension élevée entre une cible (cathode) et le substrat (anode) dans un environnement gazeux à basse pression, généralement de l'argon. La tension ionise le gaz argon. Les ions positifs de l'argon accélèrent vers la cible chargée négativement et détachent des atomes de sa surface. Ces atomes se déplacent vers le substrat et forment une fine pellicule.

Le problème : la plupart des électrons libérés par la cible s'échappent immédiatement. Le plasma reste faible. Les taux de dépôt sont faibles.

La pulvérisation magnétron ajoute des aimants : un réseau d'aimants puissants placé derrière la cible crée un champ magnétique qui piège les électrons à proximité de la surface de la cible. Les électrons piégés ionisent davantage d'atomes d'argon. Davantage d'ions argon frappent la cible. Plus d'atomes de la cible sont détachés.

Résultat : les taux de dépôt augmentent d'un facteur de 10 à 100 par rapport à la pulvérisation simple. Il est également possible d'opérer à des pressions plus basses - jusqu'à 10^-3 Torr au lieu de 10^-1 Torr - ce qui signifie moins de collisions entre les gaz et des films plus propres.

Gupta, Jyothi & Shaik, Habibuddin & Kumar, Kilari. (2021). Une revue sur l'importance de la porosité dans les films minces d'oxyde de tungstène pour l'électrochromisme. Ionics. 27. 1-28. 10.1007/s11581-021-04035-8.

Le problème de la piste d'érosion

Le champ magnétique n'est pas uniforme. Il est le plus fort dans une boucle fermée à la surface de la cible. Les électrons y sont piégés. Le plasma s'y concentre. L'érosion se produit à cet endroit.

Cela crée un "racetrack"caractéristique , unerainure d'érosion en forme d'anneau sur la surface de la cible.

Ce que cela signifie pour vous :

• L'utilisation de la cible est limitée. Une cible magnétron planaire typique n'utilise que 25 à 35 % de son matériau avant que l'érosion n'atteigne la plaque de support.
• Le reste de la cible est intact. Vous la jetez.
• C'est le principal inconvénient de la pulvérisation magnétron. Les cibles rotatives résolvent ce problème mais présentent leurs propres inconvénients.

Les paramètres clés qui comptent

Si vous spécifiez ou utilisez un système de pulvérisation magnétron, voici les paramètres que vous devez contrôler.

Type d'alimentation électrique : l 'alimentation en courant continu fonctionne pour les cibles conductrices (métaux), tandis que l'alimentation en courant radiofréquence fonctionne pour les cibles isolantes (métaux). L'alimentation RF fonctionne pour les cibles isolantes (céramiques, oxydes). Le courant continu pulsé est un compromis qui fonctionne pour la pulvérisation réactive. Chaque type d'alimentation fait l'objet d'un article spécifique dans cette série.

Pression. La pression de fonctionnement typique pour la pulvérisation magnétron est de 2 à 20 mTorr. Une pression plus faible entraîne moins de collisions entre les gaz et des films plus denses, mais un dépôt plus lent. Une pression plus élevée donne plus de diffusion et un dépôt moins directionnel.

Matériau de la cible : la pureté, la taille des grains et la densité ont une incidence sur la qualité du film. Une cible poreuse crache des particules. Une cible à gros grains s'érode de manière inégale.

La polarisation du substrat. L'application d'une tension négative au substrat attire les ions positifs pendant le dépôt. Cela densifie le film et améliore l'adhérence, mais peut également augmenter la tension du film.

Avantages de la pulvérisation magnétron

Vitesse de dépôt élevée : le confinement magnétique rend la pulvérisation magnétron beaucoup plus rapide que les autres méthodes de pulvérisation.

Faible échauffement du substrat : la majeure partie de l'énergie reste dans le plasma près de la cible, et non dans le substrat. Vous pouvez déposer des films sur des matériaux sensibles à la température, comme les plastiques.

Bonne adhérence :les atomes pulvérisés arrivent avec une énergie plus élevée que les atomes évaporés, ce qui se traduit par une meilleure adhérence du film.

Évolutive : la pulvérisation magnétron convient aussi bien aux petits échantillons de recherche qu'aux grandes séries de production. La longueur des cibles individuelles varie de 1 pouce à 3 mètres.

Films d'alliages et de composés : vous pouvez pulvériser à partir de cibles d'alliages et obtenir la même composition dans le film. Il est également possible d'introduire des gaz réactifs (oxygène, azote) pour former des oxydes ou des nitrures.

Limites

L'utilisation de la cible est médiocre : l'effet de piste gaspille la majeure partie de la cible. C'est le principal reproche que l'on peut faire à la pulvérisation magnétron planaire.

Dépôt en visibilité directe. Comme toutes les méthodes de dépôt en phase vapeur (PVD), la pulvérisation magnétron est un procédé en ligne de mire. Elle ne permet pas de revêtir efficacement les faces arrière de formes complexes ou de tranchées profondes.

Génération de particules :les arcs électriques ou les défauts de la cible peuvent générer des particules qui atterrissent sur le substrat et provoquent des défauts. Il s'agit d'un problème majeur dans la fabrication des semi-conducteurs.

Les cibles isolantes nécessitent des RF. Il n'est pas possible de pulvériser un isolant en courant continu. Vous avez besoin d'une alimentation RF, qui est plus coûteuse et moins efficace.

Applications courantes

Semi-conducteurs :la pulvérisation magnétron dépose des couches métalliques (aluminium, cuivre, titane, tantale) et des barrières de diffusion (TiN, TaN) dans la fabrication des puces.

Revêtements optiques :les revêtements antireflets , les miroirs et les filtres sont souvent fabriqués par pulvérisation magnétron en raison de la densité du film et du contrôle de l'épaisseur.

Revêtements durs : les revêtements TiN, CrN et DLC sur les outils de coupe et les moules sont appliqués par pulvérisation magnétron.

Revêtements décoratifs : les couleurs or, noir et arc-en-ciel des boîtiers de montre, des robinets et des garnitures automobiles sont souvent appliquées par pulvérisation magnétron.

Cellules solaires. Les oxydes conducteurs transparents (ITO, AZO) et les contacts métalliques des cellules solaires à couche mince sont obtenus par pulvérisation magnétron.

Pulvérisation magnétron et autres méthodes de dépôt en phase vapeur (PVD)

Pour les environnements de production où la vitesse est importante, la pulvérisation magnétron l'emporte. Pour la recherche ou les applications nécessitant des films extrêmement lisses sans particules, la pulvérisation par faisceau d'ions peut être meilleure, mais beaucoup plus lente.

Le résultat final

La pulvérisation magnétron n'est pas la méthode PVD par défaut sans raison. Elle est rapide, polyvalente et fonctionne sur tous les supports, des plaquettes de recherche de 2 pouces aux panneaux de verre architecturaux de 10 pieds.

Le principal inconvénient - une mauvaise utilisation des cibles - est un coût réel. Mais pour la plupart des applications de production, la vitesse et la qualité du film justifient le gaspillage. Si l'utilisation des cibles est votre principale préoccupation, envisagez les cibles rotatives (qui font l'objet d'un article distinct).

Sinon, commencez ici. La pulvérisation cathodique magnétron est la méthode de dépôt en phase vapeur la plus courante, car pour la plupart des travaux, c'est tout simplement l'outil adéquat.

Cet article vous est présenté par Stanford Advanced Materials, fournisseur de cibles de pulvérisation et de matériaux d'évaporation.