Pulvérisation - Sputtering

Un système commercial de pulvérisation cathodique AJA Orion à l'installation scientifique et technologique Cornell NanoScale

En physique, la pulvérisation cathodique est un phénomène dans lequel des particules microscopiques d'un matériau solide sont éjectées de sa surface, après que le matériau est lui-même bombardé par des particules énergétiques d'un plasma ou d'un gaz . Il se produit naturellement dans l' espace extra-atmosphérique et peut être une source d' usure indésirable dans les composants de précision. Cependant, le fait qu'il peut être fait agir sur des couches extrêmement fines de matériaux est utilisé dans la science et l' industrie-là, il est utilisé pour effectuer précise la gravure , effectuer des techniques d' analyse, et déposer en couches minces couches dans la fabrication de revêtements optiques , dispositifs semi - conducteurs et produits nanotechnologiques . C'est une technique de dépôt physique en phase vapeur .

La physique

Lorsque des ions énergétiques entrent en collision avec des atomes d'un matériau cible, un échange de quantité de mouvement a lieu entre eux.

Pulvérisation à partir d'une cascade de collision linéaire. La ligne épaisse illustre la position de la surface, avec tout ce qui se trouve en dessous étant des atomes à l'intérieur du matériau, et les lignes plus fines les chemins de mouvement balistique des atomes depuis le début jusqu'à ce qu'ils s'arrêtent dans le matériau. Le cercle violet est l'ion entrant. Les cercles rouges, bleus, verts et jaunes illustrent respectivement les reculs primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. Deux des atomes sortent de l'échantillon, c'est-à-dire qu'ils sont pulvérisés.

Ces ions, appelés « ions incidents », déclenchent des cascades de collisions dans la cible. De telles cascades peuvent emprunter de nombreux chemins ; certains reculent vers la surface de la cible. Si une cascade de collision atteint la surface de la cible et que son énergie restante est supérieure à l' énergie de liaison à la surface de la cible , un atome sera éjecté. Ce processus est connu sous le nom de "sputtering". Si la cible est mince (à l'échelle atomique), la cascade de collisions peut atteindre sa face arrière ; on dit que les atomes éjectés de cette façon échappent à l'énergie de liaison de surface "en transmission".

Le nombre moyen d'atomes éjectés de la cible par ion incident est appelé "rendement de pulvérisation". Le rendement de pulvérisation dépend de plusieurs choses : l'angle auquel les ions entrent en collision avec la surface du matériau, la quantité d'énergie avec laquelle ils le frappent, leurs masses, les masses des atomes cibles et l'énergie de liaison à la surface de la cible. Si la cible possède une structure cristalline , l'orientation de ses axes par rapport à la surface est un facteur important.

Les ions qui provoquent la pulvérisation proviennent de diverses sources - ils peuvent provenir de plasma , de sources d'ions spécialement construites , d' accélérateurs de particules , de l'espace (par exemple le vent solaire ) ou de matières radioactives (par exemple le rayonnement alpha ).

Un modèle pour décrire la pulvérisation cathodique dans le régime en cascade pour les cibles plates amorphes est le modèle analytique de Thompson. Un algorithme simulant la pulvérisation cathodique basé sur un traitement de mécanique quantique incluant un arrachement d'électrons à haute énergie est implémenté dans le programme TRIM .

Un autre mécanisme de pulvérisation physique est appelé « pulvérisation cathodique par pic de chaleur ». Cela peut se produire lorsque le solide est suffisamment dense et l'ion entrant suffisamment lourd pour que les collisions se produisent très proches les unes des autres. Dans ce cas, l'approximation binaire de collision n'est plus valide et le processus collisionnel doit être compris comme un processus à plusieurs corps. Les collisions denses induisent un pic de chaleur (également appelé pic thermique), qui fait fondre essentiellement une petite partie du cristal. Si cette partie est suffisamment proche de sa surface, un grand nombre d'atomes peut être éjecté, en raison de l'écoulement de liquide à la surface et/ou de microexplosions. La pulvérisation cathodique par pic de chaleur est plus importante pour les ions lourds (par exemple Xe ou Au ou les ions en grappe) avec des énergies dans la gamme keV-MeV bombardant des métaux denses mais mous avec un point de fusion bas (Ag, Au, Pb, etc.). La pulvérisation de pointe de chaleur augmente souvent de manière non linéaire avec l'énergie et peut, pour les petits ions d'amas, conduire à des rendements de pulvérisation spectaculaires par amas de l'ordre de 10 000. Pour les animations d'un tel processus, voir "Re: Displacement Cascade 1" dans la section des liens externes .

La pulvérisation physique a un seuil d'énergie minimum bien défini, égal ou supérieur à l'énergie ionique à laquelle le transfert d'énergie maximum de l'ion à un atome cible est égal à l'énergie de liaison d'un atome de surface. C'est-à-dire que cela ne peut se produire que lorsqu'un ion est capable de transférer plus d'énergie dans la cible qu'il n'en faut pour qu'un atome se libère de sa surface.

Ce seuil est typiquement quelque part dans la gamme de dix à cent eV .

Une pulvérisation préférentielle peut se produire au début lorsqu'une cible solide à plusieurs composants est bombardée et qu'il n'y a pas de diffusion à l'état solide. Si le transfert d'énergie est plus efficace vers l'un des composants cibles, ou s'il est moins fortement lié au solide, il pulvérisera plus efficacement que l'autre. Si, dans un alliage AB, le composant A est pulvérisé préférentiellement, la surface du solide s'enrichira, au cours d'un bombardement prolongé, en composant B, augmentant ainsi la probabilité que B soit pulvérisé de telle sorte que la composition du matériau pulvérisé revienne finalement à UN B.

Pulvérisation électronique

Le terme pulvérisation cathodique peut désigner soit une pulvérisation cathodique induite par des électrons énergétiques (par exemple dans un microscope électronique à transmission), soit une pulvérisation cathodique due à des ions lourds à très haute énergie ou très chargés qui perdent de l'énergie au solide, principalement par puissance d'arrêt électronique , où le les excitations électroniques provoquent des pulvérisations. La pulvérisation cathodique électronique produit des rendements de pulvérisation cathodiques élevés à partir des isolants , car les excitations électroniques qui provoquent la pulvérisation cathodique ne sont pas immédiatement éteintes, comme elles le seraient dans un conducteur. Un exemple de ceci est la lune couverte de glace de Jupiter Europa , où un ion de soufre MeV de la magnétosphère de Jupiter peut éjecter jusqu'à 10 000 molécules de H 2 O.

Pulvérisation potentielle

Un système de pulvérisation commerciale

Dans le cas d'ions projectiles chargés multiples, une forme particulière de pulvérisation électronique peut avoir lieu, appelée pulvérisation potentielle . Dans ces cas, l'énergie potentielle emmagasinée dans les ions à charges multiples (c'est-à-dire l'énergie nécessaire pour produire un ion de cet état de charge à partir de son atome neutre) est libérée lorsque les ions se recombinent lors de l'impact sur une surface solide (formation d' atomes creux ). Ce processus de pulvérisation est caractérisé par une forte dépendance des rendements de pulvérisation observés sur l'état de charge de l'ion incident et peut déjà avoir lieu à des énergies d'impact ionique bien inférieures au seuil de pulvérisation physique. La pulvérisation potentielle n'a été observée que pour certaines espèces cibles et nécessite une énergie potentielle minimale.

Gravure et pulvérisation chimique

L'élimination des atomes par pulvérisation cathodique avec un gaz inerte est appelée broyage ionique ou gravure ionique .

La pulvérisation cathodique peut également jouer un rôle dans la gravure par ions réactifs (RIE), un procédé plasma réalisé avec des ions et des radicaux chimiquement actifs, pour lequel le rendement de pulvérisation peut être considérablement amélioré par rapport à la pulvérisation physique pure. Les ions réactifs sont fréquemment utilisés dans les équipements de spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS) pour améliorer les vitesses de pulvérisation. Les mécanismes à l'origine de l'amélioration de la pulvérisation ne sont pas toujours bien compris, bien que le cas de la gravure au fluor du Si ait été bien modélisé théoriquement.

La pulvérisation cathodique observée se produisant en dessous du seuil d'énergie de la pulvérisation cathodique physique est également souvent appelée pulvérisation cathodique chimique. Les mécanismes derrière une telle pulvérisation ne sont pas toujours bien compris et peuvent être difficiles à distinguer de la gravure chimique . À des températures élevées, la pulvérisation chimique du carbone peut être comprise comme étant due aux liaisons d'affaiblissement des ions entrants dans l'échantillon, qui se désorbent ensuite par activation thermique. La pulvérisation cathodique induite par l'hydrogène des matériaux à base de carbone observée à basse température a été expliquée par des ions H entrant entre les liaisons CC et ainsi les cassant, un mécanisme appelé pulvérisation chimique rapide .

Applications et phénomènes

La pulvérisation cathodique ne se produit que lorsque l'énergie cinétique des particules incidentes est beaucoup plus élevé que les énergies thermiques classiques ( » 1 eV ). Lorsque cela est fait avec du courant continu (sputtering DC), des tensions de 3 à 5 kV sont utilisées. Lorsqu'il est fait avec du courant alternatif ( pulvérisation RF ), les fréquences se situent autour de la plage de 14 MHz.

Nettoyage de pulvérisation

Les surfaces des solides peuvent être nettoyées des contaminants en utilisant une pulvérisation physique sous vide . Le nettoyage par pulvérisation est souvent utilisé dans la science des surfaces , le dépôt sous vide et le placage ionique . En 1955, Farnsworth, Schlier, George et Burger ont rapporté avoir utilisé le nettoyage par pulvérisation cathodique dans un système à ultra-vide pour préparer des surfaces ultra-propres pour des études de diffraction électronique à basse énergie (LEED). Le nettoyage par pulvérisation est devenu une partie intégrante du processus de placage ionique . Lorsque les surfaces à nettoyer sont grandes, une technique similaire, le nettoyage plasma , peut être utilisée. Le nettoyage par pulvérisation présente certains problèmes potentiels tels que la surchauffe, l'incorporation de gaz dans la région de la surface, les dommages par bombardement (rayonnement) dans la région de la surface et la rugosité de la surface, en particulier s'il est trop fait. Il est important d'avoir un plasma propre afin de ne pas recontaminer continuellement la surface lors du nettoyage par pulvérisation. La redéposition du matériau pulvérisé sur le substrat peut également poser des problèmes, en particulier à des pressions de pulvérisation élevées. La pulvérisation cathodique de la surface d'un composé ou d'un alliage peut entraîner une modification de la composition de la surface. Souvent, l'espèce ayant la masse la plus faible ou la pression de vapeur la plus élevée est celle qui est préférentiellement pulvérisée à partir de la surface.

Dépôt de film

Article principal: dépôt par pulvérisation

Le dépôt par pulvérisation cathodique est une méthode de dépôt de couches minces par pulvérisation cathodique qui implique l'érosion du matériau d'une source "cible" sur un "substrat", par exemple une plaquette de silicium , une cellule solaire, un composant optique ou de nombreuses autres possibilités. La repulvérisation , en revanche, implique une réémission du matériau déposé, par exemple du SiO 2 pendant le dépôt également par bombardement ionique.

Les atomes pulvérisés sont éjectés dans la phase gazeuse mais ne sont pas dans leur état d' équilibre thermodynamique et ont tendance à se déposer sur toutes les surfaces de la chambre à vide. Un substrat (comme une plaquette) placé dans la chambre sera recouvert d'un film mince. Le dépôt par pulvérisation utilise généralement un plasma d' argon car l'argon, un gaz noble, ne réagira pas avec le matériau cible.

Gravure

Dans l'industrie des semi-conducteurs, la pulvérisation cathodique est utilisée pour graver la cible. La gravure par pulvérisation est choisie dans les cas où un degré élevé d' anisotropie de gravure est nécessaire et la sélectivité n'est pas un problème. Un inconvénient majeur de cette technique est l'endommagement des plaquettes et l'utilisation à haute tension.

Pour l'analyse

Une autre application de la pulvérisation est de graver le matériau cible. Un tel exemple se produit dans la spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS), où l'échantillon cible est pulvérisé à une vitesse constante. Lorsque la cible est pulvérisée, la concentration et l'identité des atomes pulvérisés sont mesurées à l'aide de la spectrométrie de masse . De cette manière, la composition du matériau cible peut être déterminée et même des concentrations extrêmement faibles (20 µg/kg) d'impuretés détectées. En outre, étant donné que la pulvérisation cathodique grave continuellement plus profondément dans l'échantillon, des profils de concentration en fonction de la profondeur peuvent être mesurés.

Dans l'espace

La pulvérisation cathodique est l'une des formes d'altération spatiale, un processus qui modifie les propriétés physiques et chimiques des corps sans air, tels que les astéroïdes et la Lune . Sur les lunes glacées, en particulier Europe , la pulvérisation d'eau photolysée à partir de la surface entraîne une perte nette d'hydrogène et une accumulation de matériaux riches en oxygène qui peuvent être importants pour la vie. La pulvérisation cathodique est également l'une des raisons possibles pour lesquelles Mars a perdu la majeure partie de son atmosphère et pour que Mercure reconstitue continuellement son exosphère limitée à la surface .


Les références

Liens externes