Należą do nich zarówno parowanie, jak i rozpylaniefizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD). Obydwa przenoszą metal z materiału źródłowego na powierzchnię próbki. Jednakże „zdolność do tworzenia powłoki” nie oznacza, że powstałe folie są identyczne.
Różnice można zbadać, odpowiadając na trzy kluczowe pytania: W jaki sposób materiał opuszcza źródło? W jaki sposób cząstki przemieszczają się przez komorę próżniową? Jaka część energii i informacji o kierunku zostaje zachowana po dotarciu na powierzchnię?
01｜Nie spiesz się z porównywaniem zalet i wad - Najpierw dowiedz się, jak powstają metale
Odparowanie termiczne wykorzystuje nagrzewane oporowo łodzie, włókna lub tygle, które podgrzewają materiał źródłowy do momentu wytworzenia w nim wystarczającej prężności pary.
Odparowanie wiązką elektronów wykorzystuje skupioną wiązkę elektronów do skoncentrowania energii w zlokalizowanych obszarach materiału źródłowego, dzięki czemu nadaje się do materiałów wymagających znacznie wyższych temperatur źródła.
Chociaż mechanizmy ich nagrzewania są różne, zasadniczy proces następujący po nich jest podobny: materiał źródłowy przechodzi w fazę gazową, przemieszcza się przez komorę niskociśnieniową w kierunku chłodniejszej powierzchni próbki, gdzie adsorbuje, zarodkuje i stopniowo łączy się w cienką warstwę.
Rozpylanie magnetronowe nie „wrze” materiału docelowego. Gaz roboczy jest wzbudzany, tworząc plazmę. Jony zyskują energię w pobliżu powierzchni celu i bombardują cel. Kaskady zderzeń wybijają docelowe atomy z powierzchni. Wyrzucane cząstki przemieszczają się następnie przez gaz roboczy i docierają do próbki. Podstawową funkcją pola magnetycznego jest skuteczniejsze zatrzymywanie elektronów w pobliżu powierzchni docelowej, co zwiększa wydajność jonizacji i wyładowań.
Na rzeczywisty strumień osadzony na próbce w dalszym ciągu wpływa geometria obiektu docelowego, rozkład pola magnetycznego, ciśnienie robocze, odległość obiektu od podłoża, położenie uchwytu i tryb ruchu próbki.
02｜Kierunkowość nie jest specyfikacją urządzenia, ale konsekwencją transportu cząstek
W konwencjonalnym odparowaniu pod wysoką próżnią zderzenia fazy gazowej pomiędzy źródłem a próbką są rzadkie. Cząsteczki poruszają się niemal po liniach prostych. Powierzchnie próbki zwrócone w stronę źródła łatwo przyjmują strumień cząstek, podczas gdy obszary zacienione przez stopnie lub ściany boczne fotorezystu mogą powodować efekt cienia. Jest to dobrze znane „zeznanie w linii wzroku”.
Jednakże kierunkowość nie jest określona jedynie przez termin „parowanie”. Wymiary źródła, odległość źródła od próbki, kąt nachylenia próbki, cieniowanie urządzenia i tryb rotacji zmieniają kąt padania przybywających cząstek. W przypadku nachylonego ułożenia podłoża lub ruchu planet ten sam system odparowywania może aktywnie poprawić pokrycie ścian bocznych w przypadku niektórych funkcji.
Rozpylanie wymaga długotrwałego wyładowania elektrycznego w określonym środowisku gazu roboczego. Gdy atomy docelowe opuszczą powierzchnię docelową, mogą zderzyć się z atomami gazu, powodując zmianę rozkładu ich trajektorii. Co więcej, sam cel nie jest idealnym źródłem punktowym. W rezultacie konwencjonalne rozpylanie zazwyczaj zapewnia szerszy rozkład kątowy cząstek padających na próbkę w porównaniu ze standardowym odparowaniem. Niemniej jednak stwierdzenie, że „rozpylanie nie ma kierunkowości” jest równie niedokładne. Obniżenie lub podniesienie ciśnienia roboczego, dostosowanie odległości celu od podłoża, zastosowanie struktur kolimacyjnych i zmiana położenia próbki modyfikują częstotliwość zderzeń i rozkład kąta padania. Wyższe ciśnienie może poszerzyć kąt rozproszenia cząstek i może również spowodować, że przybywające cząstki stracą więcej energii.
03｜Dlaczego jeden proces sprzyja odrywaniu, podczas gdy drugi lepiej radzi sobie z pokryciem kroków
Różnice w kierunkowości ulegają wzmocnieniu w przypadku napotkania struktur trójwymiarowych. Podstawową zasadą odrywania jest najpierw utworzenie wzoru otworów w warstwie fotomaski, nałożenie folii na całe podłoże, a następnie rozpuszczenie fotomaski w celu wspólnego usunięcia folii z wierzchu maski.
Aby oderwanie zakończyło się sukcesem, folia docelowa na podłożu wewnątrz otworów nie powinna tworzyć ciągłego połączenia z folią na wierzchu maski wzdłuż ścian bocznych. Parowanie przy silnej kierunkowości w linii wzroku ma tendencję do tworzenia pęknięć w pobliżu ścianek bocznych maski.
04｜To, czego doświadcza podłoże wykracza daleko poza „tylko pokrycie warstwą metalu”
Parowanie jest często luźno opisywane jako „łagodne”, podczas gdy rozpylanie jest uważane za powodujące „silne bombardowanie”.
Obie percepcje mają podstawy oparte na faktach, jednak żadna z nich nie jest prawdziwa niezależnie od sprzętu i warunków procesu.
Podczas parowania próbka może nadal podlegać wzrostowi temperatury spowodowanemu promieniowaniem cieplnym, narażeniem na źródło ciepła i czasem osadzania.
W przypadku systemów wiązek elektronów należy również wziąć pod uwagę dodatkowe czynniki, takie jak elektrony, promieniowanie rentgenowskie, rozpryski materiału źródłowego i cząstki.
Polimerów, fotomasek, warstw o niskiej temperaturze topnienia lub urządzeń wrażliwych na promieniowanie nie należy uważać za bezpieczne jedynie na podstawie nazwy procesu. W środowisku rozpylającym oprócz atomów docelowych mogą występować również strumienie jonów, elektronów, odbitych gazów neutralnych i zanieczyszczeń. Odchylenie podłoża, lokalizacja plazmy i ciśnienie robocze zmieniają rzeczywistą energię dostarczaną do próbki. Umiarkowana energia może sprzyjać migracji powierzchniowej i wiązaniom międzyfazowym, natomiast nadmierna energia może prowadzić do podwyższenia temperatury, modyfikacji powierzchni, ponownego napylania lub uszkodzenia wrażliwych warstw.
Dlatego też omawiając tolerancję próbki, nie należy po prostu pytać „czy temperatura jest wysoka”. Należy również wziąć pod uwagę, z czego składa się powierzchnia próbki, czy znajdują się pod nią cienkie warstwy tlenków lub materiały dwuwymiarowe, czy fotomaska jest nadal obecna, czy produkcja urządzenia została zakończona oraz czy dopuszczalne jest wyżarzanie lub czyszczenie po procesie.
05｜Dlaczego „filmy napylane są gęstsze” to tylko stwierdzenie będące punktem wyjścia
Cienka warstwa nie opada w postaci solidnego bloku metalu. Zamiast tego napływające cząstki najpierw adsorbują i zarodkują, tworząc wyspy. Wyspy te następnie rosną i łączą się, ostatecznie przekształcając się w ciągły film. Energia przybywających cząstek, temperatura podłoża, szybkość osadzania, kąt padania, czystość powierzchni i gaz resztkowy regulują ruchliwość powierzchni cząstek i modyfikują wielkość ziaren, porowatość, chropowatość, teksturę i naprężenia szczątkowe. Energiczne rozpylane cząstki i związane z nimi strumienie energii generalnie prowadzą do oczekiwań zwiększonej ruchliwości powierzchni i stosunkowo gęstych warstw.
Niemniej jednak na napylanych foliach mogą również powstawać porowate struktury kolumnowe, znaczne naprężenia lub duża chropowatość w warunkach wysokiego ciśnienia roboczego, znacznych strat energii kolizyjnej, niekorzystnych kątów padania lub nieodpowiednich warunków powierzchniowych. Folie naparowane również nie są z natury porowate. Modyfikacje temperatury podłoża, szybkości osadzania, obróbki powierzchni i nakładów energii pomocniczej również zmienią zachowanie zarodkowania i wzrostu.
Większa gęstość folii nie przekłada się automatycznie na lepszą wydajność urządzeń. Elektrody metaliczne mogą stawiać większy nacisk na rezystancję styku i integralność krawędzi; struktury optyczne mogą bardziej skupiać się na chropowatości i stałych optycznych; konstrukcje podwieszane są bardzo wrażliwe na naprężenia; W warstwach bariery dyfuzyjnej szczególną uwagę zwraca się na ciągłość i ścieżki defektów. „Gęsty” to jedynie opis materialny. Ostatecznie wydajność należy ocenić pod kątem wymagań funkcjonalnych aplikacji cienkowarstwowej.
Streszczenie
Zarówno parowanie, jak i rozpylanie mogą osadzać metale, jednak nie są to opcje zamienne, które można zastosować za pomocą przycisku. Parowanie powoduje odparowanie materiałów do fazy gazowej poprzez ogrzewanie i wykazuje silną kierunkowość w typowych warunkach. Rozpylanie uwalnia atomy docelowe poprzez bombardowanie jonami; zderzenia w obrębie gazu roboczego i geometrii sprzętu generalnie dają szerszy zakres kątów nadejścia.
Twierdzenia takie jak „lepsze parowanie” lub „lepsze rozpylanie” są przedwczesne. Odpowiedni przebieg procesu powinien wyjaśniać, w jaki sposób cząstki docierają do cech, określać, które miejsce będzie sprawdzane pod kątem minimalnej grubości powłoki, jakiego rodzaju awarie należy przewidzieć i jakie ostateczne kryteria zostaną zastosowane do oceny, czy cienka warstwa rzeczywiście spełniła swoją zamierzoną funkcję.
