Características e Requisitos dos Alvos de Sputtering Cerâmico

Para aumentar a eficiência do sputtering e garantir a qualidade dos filmes depositados, experimentos extensivos mostraram que existem requisitos específicos para alvos de sputtering cerâmico:

PurezaA pureza dos alvos de sputtering cerâmico afeta significativamente o desempenho dos filmes sputtered. Maior pureza em alvos cerâmicos resulta em melhor uniformidade e consistência na deposição de filmes em batelada. Com o rápido desenvolvimento da indústria de semicondutores, onde os tamanhos de wafer de silício atingiram 12 polegadas e as larguras de fiação encolheram para 0,13 μm, há requisitos rigorosos para a uniformidade dos filmes depositados. Por exemplo, a pureza dos alvos cerâmicos deve ser maior que 4N. Os alvos ITO (Índio Óxido de Estanho) usados em painéis de exibição também exigem alta pureza, com In2O3 e Sn2O3 exigindo purezas superiores a 4N. No caso de alvos cerâmicos para filmes magnéticos, é necessária uma pureza não inferior a 3N. As impurezas dentro do alvo de sputtering podem servir como fonte primária de contaminação para filmes depositados. Por exemplo, íons metálicos alcalinos (Na+, K+) podem se tornar íons móveis dentro de camadas isolantes (SiO2), degradando o desempenho do dispositivo, e seu conteúdo deve ser mantido abaixo de 0,01 ppm (em peso).

1.2 DensidadePara reduzir a presença de poros dentro dos alvos de pulverização cerâmica e melhorar o desempenho do filme, geralmente é necessária uma alta densidade do alvo. A densidade do alvo não só afeta a taxa de deposição durante o sputtering, mas também influencia as propriedades elétricas e ópticas dos filmes sputtered. Alvos mais densos resultam em maior densidade de partículas durante o sputtering, redução dos fenômenos de descarga e melhor desempenho do filme. Além disso, aumentar a meta' A densidade e a resistência permitem que ele suporte tensões térmicas durante o processo de sputtering. Assim, a melhoria da densidade alvo é uma tecnologia chave na produção de alvos de sputtering cerâmico.

1.3 Composição e uniformidade estruturalPara garantir a uniformidade dos filmes sputtered, especialmente em aplicações complexas de revestimento de grande área, é crucial ter uma boa uniformidade na composição e estrutura dos alvos sputtering. Este é um indicador significativo da qualidade da cerâmica alvo. Por exemplo, alvos ITO requerem composições uniformes de In2O3 e SnO2, com proporções como 93:7 ou 91:9 (razão molecular) para garantir a qualidade. A microestrutura' A uniformidade nos alvos de sputtering também tem um impacto substancial nas taxas de deposição, qualidade do filme e distribuição de espessura durante o sputtering. A pesquisa mostrou que alvos de sputtering com estruturas de grão fino resultam em taxas de deposição mais altas do que aqueles com estruturas de grão grosso. Portanto, quando a distribuição de grãos no alvo' A superfície é irregular, leva a uma espessura de filme não uniforme.

Preparação de alvos de sputtering cerâmico

A produção de alvos de sputtering cerâmico segue o processo descrito na Figura 1. Além do controle rigoroso sobre a pureza e composição das matérias-primas e as dimensões de projeto dos materiais moldados, é essencial controlar o material' s métodos de conformação e sinterização. Os métodos de conformação comuns incluem prensagem a seco e prensagem isostática a frio. A prensagem a seco pode enfrentar desafios na produção de grandes alvos a granel, com problemas como desgaste do molde, processamento complexo, densidade de alvo irregular e potencial de fissuração e delaminação. A prensagem isostática a frio, por outro lado, oferece vantagens na produção de alvos de alta densidade devido à sua conveniência na fabricação de moldes, mas requisitos de alta pureza para alvos cerâmicos podem exigir a adição de auxiliares de sinterização. Usando este método, a sinterização ocorre em altas temperaturas (sob atmosferas de oxigênio puro), resultando em alvos de pulverização cerâmica ITO com densidades aparentes que atingem 95% da densidade teórica. No processo de conformação, a pressão de pré-formação também é um fator crítico. Uma baixa pressão de pré-formação leva a uma menor densidade alvo, o que é favorável para a sinterização, mas compromete a resistência mecânica e pode levar a fraturas, que não são propícias a processos de filme fino.

A sinterização de alvos cerâmicos é tipicamente alcançada através de métodos como sinterização sem pressão, prensagem isostática a quente e sinterização em atmosfera controlada. Entre elas, a prensagem isostática a quente combina as vantagens da prensagem a quente e da prensagem isostática. Este método envolve a aplicação de pressão no pó em estado termoplástico, resultando em baixa resistência à deformação, menores tempos de conformação e melhor controle sobre o crescimento dos grãos. É o principal método para a produção de alvos de sputtering cerâmico de alta densidade. No entanto, este método requer equipamentos caros e tem produtividade limitada. A sinterização de alvos de materiais não óxidos como Si3N4 e SiC é conduzida em atmosferas de nitrogênio e gases inertes para evitar a oxidação.

A temperatura de sinterização, a taxa de aquecimento, a taxa de resfriamento e a atmosfera de sinterização são fatores cruciais que influenciam o desempenho do alvo. Temperaturas de sinterização excessivamente altas podem levar ao derretimento ou sinterização excessiva de certas substâncias dentro do alvo, afetando tratamentos subsequentes com oxigênio e transições de fase. Por outro lado, a sinterização a uma temperatura muito baixa pode resultar em problemas de densificação do alvo. Processos de resfriamento lentos e tratamentos prolongados de atmosfera de alta temperatura podem efetivamente melhorar a qualidade dos alvos supercondutores de alta temperatura da YBCO, evitando problemas como sinterização incompleta devido a transições de fase, deformação do alvo, rachaduras finas na superfície alvo e até mesmo fratura do alvo. Pesquisadores do Instituto Geral de Pesquisa de Metais Não Ferrosos de Pequim, por exemplo, usaram pressões de pré-formação de 20-40 MPa/cm2, temperaturas de sinterização de 950-980°C por 10-15 horas e uma taxa de resfriamento lenta de 5°C/min para obter alvos supercondutores de alta temperatura YBCO de bom desempenho.

A preparação de lama cerâmica requer o uso de esferas de óxido de zircônia altamente duráveis devido aos longos tempos de moagem em um moinho de areia.