Metoda pulverizarii termice (sputtering)

Metoda pulverizarii termice (sputtering)

Intre tehnologiile de baza pentru realizarea straturilor subtiri prin metode fizice in vid se afla si pulverizarea (sau sputtering-ul) cu o multitudine de variante practice.

Pulverizarea este fenomenul fizic de ejectare a atomilor din suprafata unui material solid, ca urmare a bombardarii acestuia cu particule energetice. Ca particule energetice de bombardament se pot utiliza: atomi neutri, electroni de foarte inalta energie, neutroni si ioni.

Fig.1.2.1 Ilustrarea procesului de pulverizare

De obicei se folosesc ioni grei de gaz inert (ioni pozitivi), cel mai adesea fiind folosit argonul. In cazul utilizarii ionilor pozitivi de gaz inert ca particule de bombardament, sursa de generare a acestora este descarcarea luminiscenta, iar fenomenul de pulverizare are denumirea de pulverizare catodica. Accelerarea si sporirea energiei ionilor pozitivi de bombardament, se realizeaza in acest caz, prin polarizarea tintei la un potential negativ de pana la 5kV.

Metoda pulverizarii termice este una dintre cele mai obisnuite metode pentru depunerea de straturi si filme subtiri. Popularitatea sa provine din simplitatea procesului fizic implicat, versatilitatea tehnicii si flexibilitatea pentru adaptare la cerinte particulare. Tehnica este utilizata pe larg in industria semiconductorilor, celulelor fotovoltaice si cea de automobile.

Tehnicile de pulverizare, din punct de vedere al ratelor de evaporare, rivalizeaza cu cele mai performante metode. Unul dintre dezavantajele sputtering-ului il reprezinta slaba utilizare a tintei in anumite conditii. Ratele de depunere mari sunt uneori dezavantajate de faptul ca regiunea in care plasma este concentrata de interactia campului electric si magnetic este limitata in raport cu aria totala a tintei. Corespunzator tinta se va consuma preferential dintr-o anumita zona, de obicei inelara.

Bombardamentul ionic (figura 1.2.2) in timpul depunerii determina, prin energia comunicata atomilor de la suprafata stratului, o crestere a mobilitatii atomilor pe suprafata depusa, si astfel o mai buna aranjare a lor in strat. Interactia fluxului de ioni cu suprafata va conduce atat la imbunatatirea performantelor ansamblului strat-substrat (aderenta) cat si la compactizarea suplimentara a stratului depus, in comparatie cu procedee clasice.

Fig.1.2.2 Ilustrare schematica a depunerilor asistate cu bombardament ionic

In multe domenii de aplicatii pulverizarea se afla inca in stadiul incipient, in timp ce in altele constituie un procedeu industrial bine definit. In domeniul acoperirilor industriale cu rol de protectie anticoroziva sau termica, de durificare a suprafetelor sau lubrifiante, pulverizarea ca tehnica moderna de depunere, isi largeste continuu gama de aplicatii, permitand realizarea de acoperiri cu calitati deosebite.

Pulverizarea in general si pulverizarea catodica in special, constituie o tehnologie de viitor in domeniul acoperirilor functionale si decorative.

Pulverizarea magnetron

Termenul de "magnetron" a fost initial folosit pentru descrierea tuburilor folosite pentru a genera puterea microundelor pentru aplicatiile radar. Este inca folosit in acest scop, iar constructorul sistemului cu microunde in plasma foloseste puterea sursei "magnetron" pentru a da nastere la plasma.

Acelasi efect de magnetron care se gaseste in aceste tuburi poate fi modificat astfel incat sa devina un catod foarte eficient de pulverizare. Acest catod functioneaza ca o dioda.

Magnetii sau electromagnetii ce creeaza un camp magnetic in fata catodului sunt astfel aranjati incat sa existe cel putin o regiune in fata catodului in care locul geometric al liniilor campului magnetic, paralel la suprafata tintei, este o curba inchisa.

Prin adaugarea la un catod de pulverizare a unui sistem magnetic se obtine un dispozitiv de pulverizare numit "catod Penning" si prin adaugarea la acesta a unui anod care sa asigure o anumita configuratie a campului electric, se realizeaza un dispozitiv special de pulverizare, cu campurile electric si magnetic incrucisate, numit sistem de pulverizare tip magnetron, sau magnetron.

In esenta, la pulverizarea catodica tip magnetron se porneste de la aranjamentul pulverizarii clasice, ce consta dintr-un catod plan sau cilindric (fig.1.2.3), prevazut cu ecran de limitare a plasmei si un anod, la care se adauga, imediat in spatele catodului un sistem magnetic si la o distanta in fata catodului (tintei de pulverizare), in mod optional, un anod suplimentar.

Fig. 1.2.3 Forme de catod folosite la magnetron

Uneori anodul care asigura o anumita configuratie campului electric dintre acesta si catod, nu este integrat in constructia dispozitivului de pulverizare ci apartine sistemului de pulverizare numit "sistem de pulverizare magnetron".

Existenta campurilor electric si magnetic incrucisate duce la modificarea substantiala a distributiei spatiale a sarcinilor electrice ce apar in descarcarea luminiscenta, prin configurarea acestora la suprafata tintei de pulverizare.

Particulele incarcate din plasma pulverizarii catodice sprijinite de camp magnetic, influentata sensibil de existenta campurilor electric si magnetic incrucisate sunt:

- ionii pozitivi de argon si eventual azot, de regula simplu ionizati (Ar+ si N₂+), generati in numar mare si care bombardeaza catodul, respectiv anodul, in timpul pulverizarii magnetron reactive.

- electronii secundari eliberati din tinta de pulverizare sub bombardamentul ionic;

- electronii secundari rezultati la anod ca urmare a bombardamentului electronic si electronii rezultati prin ionizarea gazului de lucru (Ar).

Parametrii de baza ai pulverizarii catodice magnetron sunt:

a) tensiunea intre electrozi (tensiunea anod-catod)

b) curentul (sau densitatea de curent) in descarcare, respectiv puterea medie

disipata in descarcare

c) marimea inductiei campului magnetic

d) presiunea de lucru.

De marimea si stabilitatea parametrilor enumerati, care se interconditioneaza intre ei, depinde stabilitatea descarcarii si eficienta procesului de depunere.

Sistemele de pulverizare magnetron sunt sisteme de pulverizare la tensiune scazuta. Tensiunea de alimentare in sistemele de pulverizare magnetron nu depaseste 1000 V c.c. Tensiunea practica de lucru pentru pulverizarea tintei este de (300-700) V. Tinta cu rol de catod, este polarizata negativ, iar anodul de regula este la potential nul.

Sistemele de pulverizare magnetron pot lucra la presiuni de lucru de la 10^-2 Pa la   1 Pa si chiar mai mult. Pentru a elimina impurificarea peliculelor depuse, cu gaze reziduale, precum si a asigura distante mari intre tinta de pulverizare si substrat, este util sa se foloseasca presiuni de lucru cat mai scazute. Prin alegerea corespunzatoare a campului magnetic la suprafata tintei de pulverizare, a geometriei si configuratiei electrozilor, precum si a tensiunilor de lucru in pulverizarea catodica magnetron, presiunea poate sa fie scazuta pana la 10^-2 Pa.

Tensiunea limita de aprindere a pulverizarii catodice magnetron este mai scazuta decat la pulverizarea catodica tip dioda in c.c., datorita campului magnetic care asigura o concentrare a electronilor mai mare, in zona capcanei magnetice, decat in restul spatiului tehnologic.

Sistemele de pulverizare magnetron, fata de celelalte sisteme clasice de pulverizare catodica, au doua avantaje esentiale si anume :

a) rata de pulverizare a tintei (si implicit rata de depunere pe substrat) este foarte ridicata, fiind cu doua ordine de marime mai mare decat la pulverizarea catodica tip dioda.

b) incalzirea substratului este mult mai redusa decat la pulverizarea catodica de tip dioda (respectiv evaporarea termica), datorita reducerii bombardamentului cu electroni secundari a substratului prin retinerea acestora de catre capcana magnetica si captarea celor «termalizati» si scapati din plasma de catre anodul suplimentar.

Reducerea incalzirii substratului in pulverizarea magnetron, in anumite conditii, face posibila utilizarea avantajoasa a sistemelor de pulverizare magnetron la acoperirea straturilor cu rezistenta termica scazuta (plastice, polimeri, sticle etc.).

Pentru a cunoaste limitarile ce asigura o incalzire a substratului este necesara o analiza asupra resurselor termice de incalzire a substratului si a raspunsului termic al substraturilor in timpul acoperirii.

Sursele termice principale de incalzire a substratului in pulverizarea catodica magnetron sunt:

1) energia de condensatie a atomilor depusi pe substrat

2) energia cinetica a atomilor depusi pe substrat

3) radiatia plasmei

4) energia cedata la catod de catre ionii neutralizati sau reflectati de aceasta

5) energia electronilor "scapati din capcana magnetica" si necapturati de anodul suplimentar.

In cazul materialelor refractare (de exemplu W) ratele de incalzire pentru pulverizarea magnetron sunt mai mici decat cele obtinute prin evaporarea acestora. In plus, in cazul evaporarii, in perioada de incalzire a sursei de evaporare (premergatoare fazei de evaporare) substratul si peretii camerei tehnologice se degazeaza puternic sub actiunea surselor de evaporare, gazele astfel evaporate ducand la scaderea reflectivitatii depunerilor obtinute prin evaporare.

Pulverizare magnetron in curent continuu

Pulverizarea magnetron in curent continuu este una din cele mai simple tehnici. Singura limitare este aceea ca tintele care nu sunt conductoare nu pot fi imprastiate cu aceasta tehnica. Aceasta nu se poate folosi si pentru pulverizari reactive, in special cand tinta este ,,otravita" si duce la izolarea legaturilor de pe suprafata tintei. Tinta, sub forma plata, este realizata din materialul cu care urmeaza sa fie acoperit substratul si este conectat la o sursa de putere capabila sa furnizeze o tensiune de ordinul kilovoltilor. Substratul se gaseste fata in fata cu tinta (fig. 1.2.4). In functie de filmul care este dorit, substratul poate fi racit cu apa sau incalzit la o anumita temperatura. Din punct de vedere electric poate fi cu impamantare. Dupa asigurarea presiunii de baza si umplerea cavitatii sputtering-ului cu gaz, in general argon, o tensiune negativa este aplicata la tinta pentru a da nastere la plasma. Ionii pozitivi din plasma sunt bombardati pe suprafata tintei si respinsi in mare majoritate atomii neutrii de pe tinta, care sunt apoi condensati pe substrat pentru a forma filmul subtire.

Fig. 1.2.4. Vedere schematica asupra functionarii pulverizarii magnetron

Pulverizare magnetron in radiofrecventa

Frecventele utilizate in pulverizarea de inalta frecventa sunt in domeniul transmisiei radio, ceea ce explica denumirea de pulverizare in radiofrecventa.

Cand se creste frecventa unui semnal dincolo de 50 KHz, oscilatiile electronilor furnizeaza suficienta energie pentru a produce ionizarea gazului si a sustine o descarcare fara a fi nevoie de emisie de electroni secundari.

Diferenta dintre mobilitatile electronilor si ionilor conduce la formarea unui potential negativ auto-bias pe tinta. La o frecventa tipica de 13,56 MHz, ionii sunt relativ imobili. De aceea pentru o tinta care este cuplata la o sursa de putere printr-un capacitor in serie, o data cu aplicarea semnalului RF electronii sunt extrasi la suprafata tintei in prima jumatate a alternantei. In a doua jumatate a alternantei, nu apare aceeasi cantitate de purtatori de sarcina (curent) pentru a curge in sens contrar datorita diferentei de mobilitate a purtatorilor de sarcina. Tinta atinge un potential net negativ auto-bias. Acest lucru se intampla pe ambii electrozi. Astfel daca se doreste doar imprastierea de pe catod, tinta trebuie sa fie un izolator.

O tinta conductiva poate fi imprastiata daca este legata capacitiv la sursa RF. De asemenea aria suprafetei tintei trebuie sa fie mai mica decat anodul pentru ca majoritatea tensiunii sa cada pe tinta.

Descarcarea RF poate fi mentinuta la o presiune mai mica, 1-15 mTorr, decat presiunea necesara pentru pulverizarea in curent continuu [10].

In descarcarea RF, intrucat ambii electrozi sunt la un potential negativ efectiv in raport cu plasma, electronii sunt in esenta reflectati si retinuti intre electrozi pana cand utilizeaza majoritatea din energia lor pentru ionizare. Se propune dezvoltarea de acoperiri cu diboruri de titan sau DLC (diamond like carbon).

Pulverizare magnetron - DLC

Definim DLC (diamond-like carbon) ca un carbon amorf (a-C) sau a-C:H cu o fractie semnificativa de legaturi sp³.

Metode de producere a filmelor DLC

In general sunt cunoscute trei metode de depunere a straturilor DLC:

. Depunere cu fascicul de ioni de carbon;

. Pulverizare magnetron cu sau fara flux de ioni;

. Depunere dintr-o plasma RF, ajutata de prezenta unei hidrocarburi pe substraturi cu potential negativ (plasma assisted chemical vapour deposition or PACVD).

Proprietatile acoperirilor Diamond-like Carbon

Filmele de carbon amorf (a-C) si carbon amorf hidrogenat (a-C:H) prezinta duritate ridicata, coeficient de frecare scazut, izolare electrica, inert chimic, transparenta optica, compatibilitate biologica, capacitate de a absorbi fotonii selectiv, netede si rezistente la uzura.

Aplicatii in motoare termice

De exemplu la aplicarea straturilor DLC pistoanelor si a semeringurilor in motoarele pentru formula I - motociclete s-a sperat intr-o crestere de putere de 0.5-1 bhp. S-a obtinut o crestere de 8 bhp, ceea ce in curse inseamna enorm [10].