Испарение и распыление относятся кфизическое осаждение из паровой фазы (PVD). Оба переносят металл из исходного материала на поверхность образца. Однако «способность образовывать покрытие» не означает, что полученные пленки идентичны.
Различия можно изучить, ответив на три ключевых вопроса: Как материал покидает источник? Как частицы перемещаются по вакуумной камере? Какая часть их энергии и информации о направлении сохраняется после достижения поверхности?
01｜Не спешите сравнивать достоинства и недостатки - Сначала поймите, как образуются металлы
Термическое испарение основано на использовании лодочек, нитей или тиглей с резистивным нагревом, которые нагревают исходный материал до тех пор, пока он не разовьет достаточное давление пара.
При электронно-лучевом испарении используется сфокусированный электронный луч для концентрации энергии на локализованных участках исходного материала, что делает его пригодным для материалов, требующих гораздо более высоких температур источника.
Хотя их механизмы нагрева различаются, последующий фундаментальный процесс аналогичен: исходный материал переходит в газовую фазу, проходит через камеру низкого давления к более холодной поверхности образца, где он адсорбируется, образует зародыши и постепенно объединяется в тонкопленочный слой.
Магнетронное распыление не «кипит» материал мишени. Рабочий газ возбуждается с образованием плазмы. Ионы набирают энергию вблизи поверхности цели и бомбардируют ее. Каскады столкновений выбивают атомы мишени с поверхности. Выброшенные частицы затем проходят через рабочий газ и достигают образца. Основная функция магнитного поля — более эффективно удерживать электроны вблизи поверхности мишени, повышая эффективность ионизации и разряда.
Фактический поток, нанесенный на образец, по-прежнему зависит от геометрии мишени, распределения магнитного поля, рабочего давления, расстояния от мишени до подложки, положения приспособления и режима движения образца.
02｜Направленность — это не характеристика устройства, а следствие транспорта частиц
При традиционном испарении в высоком вакууме столкновения газовой фазы между источником и образцом редки. Частицы движутся почти по прямым линиям. Поверхности образца, обращенные к источнику, легко воспринимают поток частиц, тогда как области, затененные ступенями или боковыми стенками фоторезиста, могут испытывать эффект затенения. Это хорошо известное «осаждение на прямой видимости».
Однако направленность определяется не только термином «испарение». Размеры источника, расстояние между источником и образцом, угол наклона образца, затенение приспособления и режим вращения — все это изменяет угол падения прибывающих частиц. При наклонном размещении подложки или планетарном движении одна и та же система испарения может активно улучшить покрытие боковой стенки для определенных функций.
Распыление требует устойчивого электрического разряда в определенной среде рабочего газа. После того как атомы мишени покинут поверхность мишени, они могут столкнуться с атомами газа, в результате чего их траектории перераспределятся. Более того, сама цель не является идеальным точечным источником. Следовательно, обычное распыление обычно обеспечивает более широкое угловое распределение падающих на образец частиц по сравнению со стандартным испарением. Тем не менее, столь же неточно и утверждение, что «распыление не имеет направленности». Понижение или повышение рабочего давления, регулировка расстояния между мишенью и подложкой, использование коллимирующих структур и изменение положения образца — все это изменяет частоту столкновений и распределение углов падения. Более высокое давление может расширить угловой разброс частиц, а также может привести к тому, что прилетающие частицы потеряют больше энергии.
03｜Почему один процесс предпочтителен для отрыва, а другой лучше подходит для пошагового покрытия
Различия в направленности усиливаются при столкновении с трехмерными структурами. Фундаментальный принцип отрыва заключается в том, чтобы сначала создать рисунок отверстий в слое фоторезиста, нанести пленку на всю подложку, а затем растворить фоторезист, чтобы вместе снять пленку поверх резиста.
Для успешного отрыва целевая пленка на подложке внутри отверстий предпочтительно не должна образовывать непрерывное соединение с пленкой поверх резиста вдоль боковых стенок. Испарение с сильной направленностью по прямой видимости имеет тенденцию создавать разрыв толщины вблизи боковых стенок резиста.
04｜Что впечатления от подложки выходят далеко за рамки «простого покрытия металлическим слоем»
Испарение часто называют «мягким», тогда как распыление считается «сильной бомбардировкой».
Оба мнения имеют фактическую основу, однако ни одно из них не верно независимо от оборудования и условий процесса.
Во время испарения образец может по-прежнему испытывать повышение температуры, вызванное тепловым излучением, воздействием источника тепла и продолжительностью осаждения.
Для электронно-лучевых систем необходимо также учитывать дополнительные факторы, такие как электроны, рентгеновские лучи, разбрызгивание исходного материала и частицы.
Полимеры, фоторезисты, слои с низкой температурой плавления или радиационно-чувствительные устройства не следует считать безопасными только на основании названия процесса. В среде распыления помимо атомов мишени могут присутствовать потоки ионов, электронов, отраженных нейтралов и примесей. Смещение подложки, расположение плазмы и рабочее давление изменяют фактическую энергию, передаваемую образцу. Умеренная энергия может способствовать поверхностной миграции и межфазному соединению, тогда как чрезмерная энергия может привести к повышению температуры, модификации поверхности, повторному распылению или повреждению чувствительных слоев.
Поэтому, обсуждая толерантность образца, не следует просто спрашивать, «высока ли температура». Также необходимо учитывать, из чего состоит поверхность образца, лежат ли под ней тонкие оксидные слои или двумерные материалы, присутствует ли еще фоторезист, завершено ли изготовление устройства, допустим ли постпроцессный отжиг или очистка.
05｜Почему «напыленные пленки плотнее» — это только отправная точка
Тонкая пленка не опускается как твердый кусок металла. Вместо этого поступающие частицы сначала адсорбируются и зарождаются, образуя островки. Эти острова затем растут и сливаются, в конечном итоге превращаясь в сплошную пленку. Энергия прибывающих частиц, температура подложки, скорость осаждения, угол падения, чистота поверхности и остаточный газ определяют поверхностную подвижность частиц и изменяют размер зерна, пористость, шероховатость, текстуру и остаточное напряжение. Энергичные распыляемые частицы и связанные с ними потоки энергии обычно приводят к ожиданиям повышенной поверхностной подвижности и сравнительно плотных пленок.
Тем не менее, напыленные пленки также могут образовывать пористую столбчатую структуру, значительные напряжения или высокую шероховатость в условиях высокого рабочего давления, значительных потерь энергии при столкновении, неблагоприятных углах падения или неадекватных состояниях поверхности. Испаренные пленки также не являются пористыми по своей природе. Изменения температуры подложки, скорости осаждения, обработки поверхности и дополнительных энергетических затрат также изменят поведение зародышеобразования и роста.
Более высокая плотность пленки не приводит автоматически к повышению производительности устройств. Металлические электроды могут уделять больше внимания контактному сопротивлению и целостности кромок; оптические структуры могут больше фокусироваться на шероховатости и оптических константах; подвесные конструкции очень чувствительны к нагрузкам; Слои диффузионного барьера уделяют пристальное внимание путям непрерывности и дефектов. «Плотный» — это просто материальное описание. В конечном итоге производительность должна оцениваться в соответствии с функциональными требованиями тонкопленочного приложения.
Краткое содержание
Как испарение, так и распыление могут осаждать металлы, однако они не являются взаимозаменяемыми вариантами нажатия кнопки. При испарении материалы испаряются в газовую фазу посредством нагрева и демонстрируют сильную направленность по прямой видимости в типичных условиях. Распыление освобождает атомы мишени посредством ионной бомбардировки; Столкновения внутри рабочего газа и геометрии оборудования обычно приводят к более широкому диапазону углов прихода.
Утверждения типа «испарение лучше» или «распыление лучше» преждевременны. Подходящий технологический маршрут должен объяснять, как частицы достигают элементов, указывать, какое место будет проверяться на предмет минимальной толщины пленки, какие типы отказов следует ожидать и какие окончательные критерии будут использоваться для оценки того, действительно ли тонкопленочный слой выполнил свою намеченную функцию.
