Sputteren

Uit Technotheek
Ga naar: navigatie, zoeken
Sputteren
Sputteren2.png
Eigenschappen
Categorie: Technieken
Originele auteur: Irene Hof en Nora Roebers
Jaar: 2011
Wikipedia link: Sputtering

Inhoud

Beschrijving

Voordat we de exacte methode van het sputteren uitleggen, zullen we eerst kort het principe ervan uitleggen. Sputteren is een techniek waarbij er een deklaagje wordt aangebracht op allerlei soorten materialen. Hierbij zullen deeltjes van het dekmateriaal, het target, afgeschoten worden. Een deel van deze targetdeeltjes zal terechtkomen op het substraat, het materiaal waarop je het deklaagje wilt aanbrengen. Door de hoge snelheid van de targetdeeltjes, zullen deze een Vanderwaalsbinding vormen met het substraat. Op deze manier ontstaat er een deklaagje.

Proces

Omstandigheden

De omstandigheden waaronder dit proces gebeurt zijn als volgt:

  • Vacuümruimte
Het proces vindt plaats in een vacuüm ruimte. Dit brengt twee voordelen met zich mee:
Weinig verontreiniging
In een vacuüm ruimte heb je geen last van verontreinigende deeltjes, die je in lucht wel hebt. Je voorkomt zo dat niet gewenste deeltjes in het deklaagje belanden en deze op die manier vervuilen.
Geen nevenreacties
In een vacuüm ruimte heb je bovendien geen last van nevenreacties. In lucht kunnen deze nevenreacties wel optreden met bijvoorbeeld waterstof of zuurstof.
  • Lage druk
De lage druk zorgt ervoor dat er dunne lagen geproduceerd kunnen worden met weinig verontreinigingen. Er wordt gebruik gemaakt van een druk van ongeveer 5 millibar.
  • Spanning:
Over de twee onderdelen (target en substraat) staat een spanning van ongeveer 100 tot 400 V.
  • Stroom
Bovendien loopt er door de stroomkring een stroom van tussen de 100 en 400 A.
  • Edelgas
In de vacuümruimte wordt het edelgas Argon (Ag) ‘gespoten’.

Proces

Nu de omstandigheden waaronder dit proces plaatsvindt op een rijtje zijn gezet, zullen we stapsgewijs het proces uitleggen. Allereerst is het belangrijk om te weten dat het substraat in dit proces de positieve elektrode is (anode) en het target de negatieve elektrode (kathode).

Het sputter-proces
  • Kathode (-): target
  • Anode (+): substraat = werkstuk

Aangezien er een spanningsverschil heerst, bevinden zich vrije elektronen in de ruimte. Wanneer hier het edelgas Argon aan toegevoegd wordt, vindt er een redoxreactie plaats. Een elektron uit de buitenste schil verlaat hierbij het Argonatoom en er ontstaat een positief Argonion. De reactievergelijking ziet er dan als volgt uit: Ag -> Ag+ + e-. Door de (weliswaar lage) druk botsen de Ag+-ionen veel tegen elkaar en ontstaat er een plasma van Ag+-ionen met een hoge kinetische energie. Deze positieve ionen uit het plasma worden aangetrokken door de negatieve elektrode, het target. Door de hoge kinetische energie, komen de ionen met hoge snelheid bij het targetmateriaal aan. Tijdens dit contact wordt de kinetische energie overgedragen op de losgeraakte targetatomen. Hierdoor worden de targetatomen alle kanten opgeschoten. Een deel van deze targetatomen belanden ook op het substraat. Door de hoge snelheid waarmee deze atomen het substraat bereiken, worden Vanderwaalsbindingen gevormd tussen de targetatomen en het substraat. Op die manier ontstaat er een dun deklaagje.

Varianten

Naast het zojuist uitgelegde sputterproces, bestaan er ook twee varianten hierop.

Een variatie in het sputter-proces
  • Magnetron sputtering
Hierbij worden aan de buitenkant tegen het substraat en het target aan magneten geplaatst. Dit brengt twee grote voordelen met zich mee:
Het proces wordt versneld:
Door het magnetische veld dat nu ontstaat tussen het substraat en het target, worden de Ag+-ionen sneller aangetrokken richting het target en worden de targetatomen sneller aangetrokken door het substraat. Dit versnelt het hele sputterproces en heeft dus indirect ook invloed op de kosten die het proces met zich meebrengt.
Atomen worden in slechts één en de juiste richting afgeschoten:
Hoewel de targetatomen bij het normale sputterproces alle kanten op worden geschoten, zullen de targetatomen bij magnetronsputtering die kant op worden geschoten waar het magnetische veld het grootst is. Op die manier zullen veel meer targetatomen het substraat bereiken en hiermee een Vanderwaalsbinding aangaan.
Bij normale sputtering is het weliswaar mogelijk dat targetatomen via de wand van de ruimte het substraatmateriaal bereiken. Echter is de kans groot dat de snelheid dan niet meer groot genoeg is om een Vanderwaalsbinding aan te gaan met het substraat.
Dit alles maakt magnetronsputtering een meer rendabel proces dan normale sputtering.
  • Reactief sputtering:
Bij reactief sputtering wordt er naast het edelgas Argon nog een ander gas de vacuüm ruimte ingespoten. De deeltjes uit dit andere gas komen ook in de deklaag terecht, samen met de targetatomen. Door te varieren in het soort gas dat je de vacuüm ruimte inspuit, kunnen allerlei soorten deklagen worden gemaakt.

Gereedschap

Er bestaan twee bekende soorten gereedschap die worden gebruikt voor het sputteren.

Vlakke plaat

Doordat er atomen van het target (kathode) vrij gemaakt worden, kan men na verloop van tijd duidelijk erosie waarnemen. Bij normale sputtering is deze erosie op alle plekken van het target evenveel. Om deze reden kan er prima gebruik gemaakt worden van vlakke platen. Bij magnetron sputtering is dit echter niet het geval. Hierbij is de erosie namelijk maximaal op de plaatsen waar de magneten het grootste magnetisch veld ontwikkelen. De erosie is minimaal waar er weinig invloed van het magnetisch veld is; dit wordt de racetrack genoemd. Slechts een gedeelte in de omgeving van de magneten zal worden benut, en alles wat buiten de invloed van de magneten valt is onbruikbaar. Hierdoor is magnetron sputtering met behulp van vlakke platen een duur proces.

Vlakke plaat

Roterend target

Om bij magnetron sputtering te zorgen voor een meer gelijkmatige erosie, wordt gebruik gemaakt van een cilindrisch systeem. Hierbij wordt de magneet vast opgesteld en krijgt het target een cilindrische vorm. Het target roteert dan om het substraat en de magneten heen. Op die manier krijgt men een gelijkmatiger verloop van de erosie. Hierdoor kunnen de kosten gereduceerd worden en is een rendabeler proces gerealiseerd.

Roterend target

Voor beide plaatjes geldt:
Sputteren6.png

Materialen

Als het substraat (werkstuk) van metaal is, wordt gelijkspanning gebruikt. Maar ook niet-metalen kunnen gesputterd worden. Hierbij wordt dan wisselspanning gebruikt (met een frequentie van ca. 14 MHz).

Toepassingen

Enkele voobeelden van toepassingen van het sputterproces zijn als volgt:

  • Binnenkant chipszak: metaallaag (aluminium)
  • CD's: reflector laag
  • Dvd’s: reflector laag
  • (anti) Reflectielaag zonnebril

Voordelen

Enkele voordelen die bij het sputterproces horen, zijn de volgende:

  • Er kunnen met behulp van sputteren materialen gecombineerd worden die met andere technieken onmogelijk te combineren zijn. Dit komt doordat de kinetische energie van de targetatomen zo groot is, dat deze zich in het substraat kunnen gaan nestelen en zo een Vanderwaalsbinding kunnen vormen
  • Ook kunnen niet verdampbare materialen toch in de gasfase gebracht worden. Dit komt doordat Ag+-ionen met hoge energie op het targetmateriaal botsen en op die manier atomen vrijmaken

Nadelen

Ook zitten er helaas enkele nadelen aan dit proces:

  • Doordat er naast targetatomen ook Argonatomen in de vacuüm ruimte aanwezig zijn, zullen er in de gevormde deklaag naast targetatomen ook altijd Argonionen voorkomen. Dit is een vorm van verontreining
  • Daarnaast zijn de afzetsnelheden (snelheid waarmee targetatomen richting het substraat worden geschoten) sterk afhankelijk van het targetmateriaal. De afzetsnelheden zijn bovendien geringer dan bij opdampen

Milieuaspecten

Het proces zelf is in principe niet schadelijk voor het milieu. Er wordt weliswaar gebruik gemaakt van een spanningsbron. Echter is de spanning die over de opstelling staat erg klein, namelijk tussen de 100 en 400V. Echter is het laagje dat wordt gesputterd (bijvoorbeeld aluminiumlaagje op binnenkant chipszak) heel erg dun en kan daarom niet worden gerecycled. Dit is indirect wel schadelijk voor het milieu.

Overige

Het verschil met opdampen is als volgt:

  • Bij opdampen wordt het uitgangsmateriaal op verschillende manieren thermisch tot verdamping gebracht, bijv. door directe of indirecte verhitting.
  • Bij sputteren wordt het edelgas Argon aan de reactiekamer toegevoegd en op het target-materiaal een hoge gelijksspanning of radiofrequente spanning gezet. Hierdoor ontstaat er een gasontlading (plasma) tussen bron en substraten. De Argon-ionen die in dit plasma ontstaan botsen met hoge energie op het targetmateriaal en maken er atomen vrij.

Het verschil zit hem dus in de manier van het ontstaan van de damp.

Leveranciers en kenniscentra

Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen