Deposito di un film sottile via magnetron sputtering

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1 Deposito di un film sottile via magnetron sputtering Brevi cenni sullo sputtering Lo sputtering è una tecnica mediante la quale atomi e ioni Argon o di altri gas, contenuti in un plasma bombardano un bersaglio erodendolo. Gli atomi vengono quindi scalzati dal bersaglio, per azione meccanica e si depositano sul substrato che, di solito è posizionato di fronte al bersaglio. E necessario pertanto, provvedere un flusso di ioni abbondante ed uniforme sulla superficie del bersaglio. Vi sono 3 tecniche di sputtering: Sputtering a diodo planare Sputtering a triodo Magnetron Sputtering Sputtering a diodo planare L apparecchiatura è costituita essenzialmente di 2 elettrodi, un anodo ed un catodo, con un diametro di cm e posti ad una distanza di 5 10 cm, come mostrato in figura. La dimensione degli elettrodi rispetto alla loro distanza è importante poiché è necessario mantenere un plasma elettricamente carico in modo da facilitare il movimento di elettroni ioni ed atomi. Il substrato è ancorato all anodo, mentre il catodo è costituito dal bersaglio del materiale che si vuole depositare. Il catodo è circondato da uno schermo messo a terra in modo da prevenire lo sputtering laterale e sul lato posteriore. Schema di un diodo planare Il plasma che si forma tra i due elettrodi consiste di ioni che vengono generati per bombardamento elettronico e vengono accelerati tra anodo e catodo provocando quindi l erosione del materiale del bersaglio. Il materiale che viene eroso dal bersaglio si muove attraverso il plasma e colpisce la superficie del substrato dove si impianta formando un film. I valori tipici di velocità di deposizione sono circa di 40 nm/min che corrispondono a 2.4 mm/hr. Questi valori sono piuttosto bassi, per delle applicazioni industriali ed inoltre c è lo svantaggio che il substrato diventa troppo caldo a causa del trasferimento di energia causato dagli elettroni e dagli atomi (gli elettroni sono accelerati verso il substrato). 37

2 Sputtering a triodo Questi dispositivi funzionano in modo simile ai dispositivi a diodo se non per il fatto che ci sono tre elettrodi invece che due. L elettrodo extra ha la funzione di sostenere la scarica del plasma glow discharge anche in condizione di bassa pressione. Il metodo più comune di sputtering a triodo è quello a catodo caldo schematizzato nella figura sotto riportata. Gli elettroni vengono emessi per effetto termoionico da un catodo (elettrodo di sinistra). Il funzionamento è lo stesso del dispositivo a diodo con l unica differenza che la grande efficienza con cui vengono prodotti gli ioni positivi permette al dispositivo di funzionare a basse pressioni e con una velocità di deposizione elevata (centinaio di nm/min). Tuttavia, possono insorgere dei problemi a causa della sensibilità dell emettitore termoionico ai gas reattivi (deposizione di ossidi in atmosfera di ossigeno). Magnetron Sputtering Si può capire bene l utilità di tali dispositivi nelle applicazioni tecnologiche se si considerano le limitazioni dello sputtering a diodo planare descritto in precedenza. In questa configurazione gli elettroni emessi dal catodo, per bombardamento ionico, sono accelerati ed entrano nella zona del plasma (come elettroni primari) dove collidono con le molecole del gas producendo gli ioni positivi necessari per sostenere la scarica e per ottenere l erosione del bersaglio. Il cammino libero medio degli elettroni primari aumenta all aumentare del potenziale di accelerazione e al diminuire della pressione. A basse pressioni gli ioni sono prodotti abbastanza lontano dalla superficie del catodo, cosicché la possibilità di essere perduti in seguito agli urti con le pareti del reattore è elevata. Inoltre, gli elettroni collidono con l anodo ad alta energia provocandone il riscaldamento. Il risultato è che al di sotto di una certa pressione (10 mtorr) non è possibile mantenere la scarica. Viceversa, all aumentare della pressione si ha un aumento degli ioni prodotti e quindi della corrente di scarica, ma la velocità di deposizione è fortemente limitata dagli urti del materiale eroso con le molecole del gas. Questa situazione è riassunta nel grafico riportato nella figura dove è possibile vedere come la velocità di deposizione raggiunga un massimo ad una pressione di circa 120 mtorr. Per esempio, la velocità di deposizione del Ni in un plasma di Ar, con una distanza tra gli elettrodi di 4.5 cm ed un voltaggio applicato di 3000 V ad una pressione di 75 mtorr è pari a 360 Å/min. 38

3 I dispositivi a magnetron usano dei campi magnetici e la superficie del catodo, per formare delle trappole di elettroni cosicché le correnti (di elettroni) si chiudono su se stesse e gli elettroni restano confinati in prossimità della superficie del catodo. Il risultato è un aumento della velocità di sputtering e quindi di crescita molto elevato. Vi sono molte configurazioni diverse per i magnetron: planari, tipo-cannone, cilindrici postmagnetron). Nella figure sottostanti sono riportati alcuni esempi di magnetron. è riportato un postmagnetron cilindrico. Il catodo è il barilotto cilindrico costituito dal materiale da erodere. Gli anelli dell anodo sono invece posizionati su entrambi i lati del catodo in prossimità dei piatti di chiusura. 39

4 Tipo planare Cannone 40

5 In figura è rappresentato un post-magnetron cilindrico. Sono schematizzati il percorso degli elettroni primari, degli elettroni che sono attirrati verso l anodo e le linee del campo magnetico. In questa configurazione gli elettroni rilasciati dal catodo migrano radialmente per raggiungere l anodo. Si ha formazione di uno strato uniforme di elettroni in prossimità del catodo che producono un numero molto elevato di ioni (Ar+) e pertanto si ha una velocità di sputtering molto elevata. Il materiale eroso si muove attraverso il campo magnetico grazie anche al flusso continuo di elettroni che sono attirati verso l anodo e si deposita sul substrato, in prossimità degli anelli dell anodo. I vantaggi sono: 1 un erosione uniforme lungo tutta la lunghezza del catodo 2 modesto riscaldamento del substrato 3 possibilità di riscalare, mantenendo le stesse prestazioni, l anodo per la ricopertura di substrati di grandi dimensioni. Nel caso in cui il materiale da depositare non sia un conduttore si ricorre allo sputtering a Radio Frequenza (RF). In questo caso, la superficie dell anodo è accoppiata in modo capacitivo con la scarica del plasma ed assume una polarizzazione negativa rispetto a questo. Infatti, l accoppiamento capacitivo richiede che la corrente netta per ciascun ciclo di Radio Frequenza sia zero. Poiché gli elettroni sono dotati di una mobilità molto maggiore rispetto agli ioni si sviluppa una polarizzazione negativa rispetto al plasma cosicché durante un ciclo completo il flusso di cariche negative è esattamente uguale a quello degli ioni positivi. Il potenziale negativo è approssimativamente uguale all ampiezza del segnale di radiofrequenza e pertanto sufficiente a produrre sputtering. 41

6 Procedura sperimentale I film di TiNx sono stati studiati per lungo tempo a causa delle loro eccellenti proprietà chimiche e fisiche quali la durezza, la conducibilità elettrica, la resistenza all usura. Spesso gli utensili da taglio sono ricoperti con un sottile film di TiN per aumentarne la durezza e la resistenza. Le proprietà del TiN dipendono fortemente dalle condizioni in cui questo viene preparato, ossia dai parametri di processo. E possibile preparare dei film di TiN mediante magnetron sputtering utilizzando dell N2 come gas reattivo. In questo caso si parla di reactive deposition. Il TiNx può esistere in un margine molto ampio di composizione, con struttura tipo NaCl, e pertanto, è possibile variare le proprietà del materiale semplicemente cambiando il rapporto Ar/N2 nella camera di deposizione. 2 Lo strumento a nostra disposizione permette l immissione in camera di deposizione di Ar e N2 mediante 2 leak valves. La presente esperienza consiste quindi, nel preparare una serie di campioni preparati a partire da un plasma con pressioni parziali di N2 via via crescenti. Le operazioni da eseguire sullo strumento, sono semplici, ma saranno eseguite sotto stretto controllo (visivo) del personale di laboratorio. Alcune foto dello strumento con indicati i relativi componenti sono riportate di seguito. Vista 1: Pompa turbo-molecolare. La portata è di 60 L/sec. 2 Y-K. Lee, J-Y. Kim et al., J. Cryst. Growth 234 (2002)

7 Vista d insieme dello strumento 43

8 Fast entry Flangia posteriore: si notano il misuratore di pressione a range esteso (scatola), costituito da un lettore pirani e da un ion-gauge accoppiati ed il passante che consente la rotazione del portacampioni. A fianco una vista del pannello di controllo con gli interruttori per le pompe e le gate valves che isolano la fast entry e la camera principale. 44

9 Attenzione!!!! Non operare sulla macchina per magnetron sputtering in assenza del personale di laboratorio! Non agire sull elettronica della macchina! Non modificare in alcun modo le connessioni elettriche esistenti! Ricordarsi di chiudere durante la deposizione lo shutter della finestra frontale della camera di deposizione. Il limite massimo di pressione sostenibile dalla pompa turbomolecolare è 10-1 mbar. Non eccedere tale pressione! Agire sulle leak valve con attenzione controllando costantemente i cambiamenti osservabili nei lettori di pressione (mentre su ruota la manopola della leak valve è necessaria schiacciare la leva) I substrati (vetrini soda-lime da lavare come nell esperienza del dip coating) saranno montati nella camera di deposizione il giorno prima dell esperienza. Un buon punto di partenza può essere quello di: 1- partire con una pressione di Ar di circa 3 x 10-3 mbar. 2- accendere il magnetron, in modalità DC, con il target di Ti e quindi aumentare la pressione parziale di N2, aprendo lentamente la corrispondente leak valve, fino a quando il plasma passa da una colorazione azzurra a rossa (perché?). 3- in corrispondenza del cambio di colore si dovrebbe osservare un abbassamento della corrente a circa il 50% del suo valore iniziale. 4- regolare i parametri limite di voltaggio e corrente in modo da depositare con una potenza vicina ai 300 W. 5- depositare per circa depositare gli altri campioni aumentando via via la pressione parziale di N2, mantenendo costante il valore della corrente. 7- annotare, con cura, tutti i parametri di processo sul quaderno di laboratorio. I films ottenuti dovrebbero presentare una colorazione dorata. Ulteriori esperimenti: è possibile realizzare il contatto di catodo sul film di PVA in sostituzione dell eutettico di In-Ga per l esperienza di preparazione dell OLED. IN questo caso mascherare il film con il PVC con della pellicola di alluminio lasciando scoperti alcuni buchi dove verrà depositato un film metallico. Introdurre il vetrino nel magnetron sputtering e depositare alluminio o rame utilizzando come gas Ar. 45