Introduzione
Il magnetron sputtering si è sviluppato rapidamente negli ultimi vent’anni, seguendo la crescente domanda industriale di film funzionali di alta qualità. Oggi, il magnetron sputtering spesso supera altre tecniche utilizzate per la deposizione di rivestimenti di interesse industriale.
I magnetron convenzionali, sviluppati all’inizio degli anni ’70, hanno rappresentato un passo importante nel superamento dei limiti del primo processo di sputtering, noto e utilizzato per molti anni nonostante la sua limitata capacità industriale. Successivamente, l’avvento del magnetron sbilanciato alla fine degli anni ’80 e lo sviluppo di sistemi a “campo chiuso” (closed-field) multi-sorgente all’inizio degli anni ’90 hanno cambiato nuovamente le carte in tavola, offrendo all’industria un insieme di tecnologie di deposizione eccezionalmente versatili e performanti. Un ulteriore e recente sviluppo, il pulsed magnetron sputtering (PMS), ha portato alla capacità di depositare rivestimenti completamente densi e privi di difetti di materiali isolanti, in particolare ossidi ad alte velocità di deposizione, evitando la formazione di archi e migliorando la qualità del deposito.
Magnetron sputtering
Nel primo e basilare processo di sputtering, una piastra bersaglio (o catodo) viene bombardata da ioni energetici provenienti da un plasma a scarica a bagliore: essenzialmente, gli ioni agiscono come minuscoli meteoriti che colpiscono la superficie del target, portando all’espulsione, ovvero lo “sputtering”, degli atomi del target. Questi ultimi, essendo solitamente neutri, possono allontanarsi liberamente dal target, finendo per impattare sulla superficie di un substrato, dove condensano come film sottile. Gli impatti ionici portano anche all’emissione di elettroni secondari dalla superficie del target, il che aiuta a sostenere il plasma. Questo primo processo soffre di basse velocità di deposizione e di elevati effetti di riscaldamento del substrato, e non è adatto allo sputtering di materiali isolanti.
Il magnetron sputtering supera questi limiti utilizzando un campo magnetico parallelo alla superficie del target per catturare gli elettroni secondari, mantenendoli nelle vicinanze del target stesso. Questo effetto di intrappolamento aumenta la densità del plasma in prossimità del target, portando a un numero maggiore di meteoriti che colpiscono il target stesso, di atomi sputterati e, infine, a velocità di deposizione più elevate sul substrato.
In un magnetron convenzionale il plasma è confinato nella regione vicina al target: il substrato può essere posizionato all’interno di questa regione o all’esterno di essa. Nel primo caso, sarà sottoposto a un bombardamento ionico concomitante, che può avere una forte influenza sulla struttura del film depositato, rendendolo eventualmente più denso e privo di difetti. Se, invece, il substrato viene posto al di fuori della regione del plasma, il bombardamento ionico e i suoi effetti cessano. Se deve essere rivestito un componente di grandi dimensioni, esso può essere polarizzato negativamente, aumentando così l’effetto del bombardamento ionico. Spesso, tuttavia, ciò porta a film più difettosi e tensionati, a causa dell’aumentata energia cinetica degli ioni.
Per risolvere il problema di avere un alto flusso di ioni a bassa energia, che è la condizione ideale per ottenere film densi e di alta qualità, sono stati inventati i magnetron sbilanciati.
Sputtering a magnetron sbilanciato
I magnetron sbilanciati hanno un campo magnetico “disperso”, nel senso che non tutte le linee di campo sono chiuse tra i poli centrale ed esterno. Alcune linee di campo si estendono fino al substrato, permettendo ad alcuni elettroni secondari di seguirle. Di conseguenza, il plasma si estende verso il substrato, portando a elevate correnti ioniche che fluiscono verso di esso. Inoltre, questi ioni sono particelle a bassa energia, ovvero le più adatte per la ristrutturazione del rivestimento e ideali per ottenere le migliori proprietà del deposito. Window e Savvides sono stati gli scienziati che per primi hanno studiato a fondo questa tecnologia, dimostrando che con il magnetron sbilanciato il flusso ionico può essere fino a dieci volte superiore a quello ottenibile con i magnetron convenzionali.
Come nota finale, va osservato che con il magnetron sbilanciato, il rapporto di arrivo ioni-atomi sul substrato non cambia al variare della velocità di deposizione, semplificando così la gestione del processo.
Sputtering a magnetron sbilanciato a campo chiuso
Per rivestire uniformemente componenti complessi a velocità accettabili, è necessario considerare sorgenti multiple. In un sistema a magnetron multipli, i campi magnetici possono essere disposti con polarità magnetiche identiche o opposte. Nel primo caso, abbiamo una configurazione “a specchio”, in cui le linee di campo divergono verso le pareti della camera a vuoto, portando così a una bassa densità di plasma intorno al substrato. Nel secondo caso, abbiamo invece una configurazione “a campo chiuso”, in cui le linee di campo sono collegate tra i magnetron. Ciò porta a una regione di plasma ad alta densità intorno al substrato, che può essere circa 2-3 volte superiore a quella ottenuta nelle stesse condizioni nelle configurazioni a specchio o a singolo magnetron sbilanciato.
I sistemi a magnetron multipli sono idealmente adatti alla deposizione di materiali multicomponente, poiché ciascuno dei target del magnetron può, in linea di principio, essere di un materiale diverso. Ciò può essere fatto anche utilizzando gas reattivi, portando alla possibilità di depositare nitruri, ossidi, ecc. di alta qualità.
Inoltre, effettuando lo sputtering dei target a velocità diverse, è possibile ottenere qualsiasi composizione di lega desiderata. Inoltre, variando le velocità di sputtering o la composizione della miscela di gas durante la deposizione, la composizione e, quindi, le proprietà possono essere graduate attraverso lo spessore del rivestimento, ottimizzando così le proprietà desiderate del rivestimento.
Pulsed magnetron sputtering
La deposizione per sputtering di materiali isolanti presenta alcune difficoltà: caricamento del target e formazione di archi, controllo della stechiometria e avvelenamento nei sistemi di sputtering reattivo, bassa velocità di deposizione e costi elevati per lo sputtering RF (Radio Frequenza). Il processo di pulsed magnetron sputtering (PMS) è stato sviluppato appositamente per superare questi problemi, e quindi per la produzione di film altamente isolanti.
Pulsando la scarica del magnetron nell’intervallo delle medie frequenze (10–200 kHz), la formazione di archi può essere fortemente ridotta, portando a una migliore qualità del deposito, pur raggiungendo velocità di deposizione vicine a quelle del metallo puro (decine di micron all’ora). Gli alimentatori PMS sono apparecchiature sofisticate e costose, con una varietà di modalità operative e parametri di processo regolabili disponibili; tuttavia, per alcuni materiali isolanti difficili da depositare, sono diventati la scelta d’elezione. La ragione di ciò è evidente nelle immagini seguenti, dove è possibile confrontare visivamente il deposito risultante di Al2O3 con sputtering reattivo DC rispetto al PMS: il rivestimento PMS ha una composizione stechiometrica di Al2O3 ed è estremamente denso, con una bassa densità di difetti e disomogeneità strutturali.
Bibliografia
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