Geschiedenis van PVD-coatings

Oorsprong van de term Physical Vapor Deposition, PVD
De term fysieke dampdepositie, PVD, lijkt oorspronkelijk te zijn genoemd door de auteurs CF Powell, JH Oxley en JM Blocher Jr. in hun boek 'Vapor deposition' uit 1966. PVD-processen zijn echter veel eerder uitgevonden.

De ontwikkeling van vacuümtechnologie, elektriciteit en magnetisme en gasachtige chemie
De geschiedenis van PVD is nauw verbonden met de ontwikkeling van vacuümtechnologie, de ontdekking van elektriciteit en magnetisme en het inzicht in gasvormige chemie.

Vacuümtechnologie, gloeiontlappen en sputteren
De eerste vacuümpomp met zuigertype is uitgevonden door Otto van Guericke om al in 1640 water uit mijnen te pompen. De eerste persoon die een vacuümpomp gebruikte om een glimontlading (plasma) in een "vacuümbuis" te kunnen vormen, was M. Faraday in 1838, die messingelektroden en een vacuüm van ongeveer 2 Torr gebruikte. In 1852 was WR Grove de eerste die bestudeerde wat bekend werd als "sputteren", hoewel anderen het effect hadden waargenomen tijdens het bestuderen van glimontladingen. Grove gebruikte een punt van draad als coatingbron en sputterde een afzetting op een sterk gepolijst zilveroppervlak dat dicht bij de draad werd gehouden bij een druk van ongeveer 0,5 Torr. Hij merkte een coating op het zilveren oppervlak op toen het de anode was en de draad de kathode van een elektrisch circuit. In 1858 publiceerde prof. AW Wright van Yale University een artikel in het American Journal of Science and Arts over het gebruik van een "elektrisch depositie-apparaat" dat hij gebruikte om spiegels te maken. Deze vorm van depositie is mogelijk gebaseerd op verdamping van de boog in plaats van op te sputteren, zoals het Amerikaanse octrooibureau zijn werk citeerde toen hij de octrooiaanvraag van T. Edison voor vacuümbekledingsapparatuur betwistte om bekledingen op zijn wascilinder-fonografen te deponeren voordat hij vervolgens opnieuw galvaniseerde. Edison beweerde met succes dat zijn uitvinding een continue boog was, terwijl het proces van Wright een gepulseerde boog was. Van Edison kan dus gezegd worden dat hij de eerste persoon is die commercieel gebruik maakt van sputteren.

Elektriciteit en magnetisme
Aan het einde van de jaren dertig ontwikkelde Penning een "elektronenval" om elektronen op te sluiten in de buurt van een oppervlak met behulp van een combinatie van elektrische en magnetische velden. Deze combinatie van elektrische en magnetische velden verhoogde de ionisatie van het plasma nabij het oppervlak en werd een "Penning Discharge" genoemd naar zijn uitvinder. Penning gebruikte zijn uitvinding om vanaf de binnenkant van een cilinder te sputteren. Dit was een belangrijke ontwikkeling in de geschiedenis van sputteren en is een basismagnetron.

Lagere drukken, lagere voltages en hogere depositiesnelheden
Een dergelijke combinatie van elektrische en magnetische velden maakte het mogelijk dat sproeien werd uitgevoerd bij lagere drukken en lagere spanningen en bij hogere afzettingssnelheden dan voorheen mogelijk was met DC-verstuiving zonder magneten. Variaties van de Penning-magnetron zijn vervolgens ontwikkeld, met name de na-kathodeamagnet die is uitgevonden door Penfold en Thornton in de jaren 1970 en Mattox, Cuthrell, Peeples en Dreike in de late jaren tachtig.

RF sputteren
Het gebruik van radiofrequentie, RF tot sputtermateriaal werd in de jaren zestig onderzocht. Davidse en Maiseel gebruikten RF-sputtering om in 1966 diëlektrische films te produceren van een diëlektrisch doelwit. In 1968 sputterde Hohenstein glas samen met RF en metalen (Al, Cu, Ni) met DC om cermet-weerstandsfilms te vormen. RF-sputterafzetting wordt om verschillende redenen niet op grote schaal gebruikt voor commerciële PVD. De belangrijkste redenen zijn dat het niet economisch is om grote RF-voedingen te gebruiken vanwege hun hoge kosten en het feit dat u hoge temperaturen invoert, vanwege de hoge zelfbelastingsspanning in verband met RF-vermogen, in isolatiematerialen.

Bias sputteren en triode sputteren
In 1962 patenteerde Wehner het proces van opzettelijk gelijktijdig bombardement "voor en tijdens" sputterdepositie met behulp van een "bias sputter deposition" opstelling en kwikionen om de epitaxiale groei van siliciumfilms op germaniumsubstraten te verbeteren. Later werd dit proces bekend als bias-sputtering. De triode sputterconfiguratie maakt gebruik van een hulplasma dat wordt gegenereerd nabij de sputterkathode door een thermo-elektronen emitterende elektrode en een magnetisch beperkt plasma. Deze configuratie werd gebruikt om het niveau van ionisatie in het plasma te verhogen, maar werd achterhaald door de ontwikkeling van magnetronsputtering.

"Gesloten lus" magnetrons
De effecten van magnetische velden op de trajecten van elektronen waren al gerealiseerd voordat Penning's werk en studies werden voortgezet nadat Penning zijn werk had gepubliceerd. De vroege Penning ontlaadt gebruikte magnetische velden die parallel waren aan het sputtertrefplaatoppervlak. Magnetronbronnen die magnetische velden gebruiken die tevoorschijn komen en een oppervlak binnengaan in een "gesloten lus" patroon kunnen worden gebruikt om elektronen nabij het oppervlak te beperken in een gesloten patroon ("racebaan"). Deze opgesloten elektronen genereren een plasma met hoge dichtheid nabij het oppervlak en werden gebruikt bij de ontwikkeling van de sputterconfiguraties van het "oppervlakmagnetron" van de jaren zestig en zeventig.

De "S-gun" en vlakke magnetrons
In 1968 ontwikkelde Clarke een sputterbron met behulp van een magnetische tunnel aan de binnenkant van een cilindrisch oppervlak. Deze bron werd bekend als het "sputterpistool" of "S-pistool". Verschillende magnetronconfiguraties, waaronder de planaire magnetron, werden gepatenteerd door Corbani. Chapin ontwikkelde ook een planaire magnetronbron in 1974 en wordt gezien als de uitvinder van de planaire magnetronsputterbron. Grote voordelen van deze magnetronsputterbronnen waren dat ze een langlevend, hoogfrequent verdampingsbron met een groot oppervlak en lage temperatuur konden leveren die in staat was om bij een lagere gasdruk te werken en hogere sputterfrequenties bieden dan niet-magnetische sputterbronnen . Met deze superieure eigenschappen werd magnetronsputteren de meest wijdverspreide PVD-coatingtechniek.

Reactief sputteren
De term reactief sputteren werd geïntroduceerd door Veszi in 1953. Reactieve sputterafzetting van tantaalnitride voor dunne filmresistors was een vroege toepassing. Het duurde echter tot halverwege de jaren zeventig dat reactieve sputterafzetting harde coatings op gereedschappen begonnen te ontwikkelen en ze werden in de vroege jaren 80 commercieel verkrijgbaar.

Ongebalanceerde magnetron en "gesloten veld" magnetron opstelling
Eén van de nadelen van deze vroege magnetronbronnen was dat het plasma effectief opgesloten was nabij het oppervlak van het sputterdoel. Dit betekende dat de reactieve gassen niet effectief in de buurt van het substraat konden worden gedissocieerd en dat het ionenbombardement van het substraat laag was, wat resulteerde in films van slechte kwaliteit. Het probleem werd gedeeltelijk opgelost door hulpionisatiebronnen toe te voegen of RF te gebruiken. De uitvinding van de ongebalanceerde magnetron door Windows en Savvides in 1986 bood een betere oplossing. De ongebalanceerde magnetron laat sommige elektronen ontsnappen uit het opsluitende E x B veld en creëert plasma in gebieden weg van het doeloppervlak. Wanneer het ontsnappende magnetische veld is gekoppeld aan andere ongebalanceerde magnetronbronnen (noord- naar zuidpool), kan het plasmageneratiegebied aanzienlijk worden verhoogd.

Coatingstructuur en morfologie
Met de uitvinding van de scanning elektronenmicroscoop, SEM in 1965, kon de groeimorfologie van de afgezette coating worden onderzocht. In 1977 publiceerde Thornton een "structuurzonemodel" (SZM) met een patroon naar het Movchin- en Demichin-diagram voor verdampte coatings. Dit diagram staat bekend als het "Thornton-diagram" en illustreert de relatie tussen de coatingmorfologie, de depositietemperatuur en de druk in de sputterkamer. Natuurlijk bepaalt de sputterdruk de flux en de energie van de gereflecteerde neutronen met hoge energie van de sputterkathode, zodat het diagram de mate weergeeft dat het afzetmateriaal wordt gebombardeerd door energetische deeltjes tijdens depositie. In 1984 verfijnden Messier, Giri en Roy het structuurzonemodel verder.