Випаровування та розпилення належать дофізичне осадження з парової фази (PVD). Обидва переносять метал з вихідного матеріалу на поверхню зразка. Однак «можливість утворити покриття» не означає, що отримані плівки є ідентичними.
Відмінності можна дослідити, звернувшись до трьох ключових запитань: як матеріал залишає джерело? Як частинки рухаються через вакуумну камеру? Скільки енергії та інформації про напрямок зберігається після досягнення поверхні?
01｜Не поспішайте порівнювати переваги та недоліки - Спочатку зрозумійте, як генеруються метали
Термічне випаровування покладається на резистивно нагріті човни, нитки або тиглі для нагрівання вихідного матеріалу, поки він не створить достатній тиск пари.
Електронно-променеве випаровування використовує сфокусований електронний промінь для концентрації енергії на локалізованих областях вихідного матеріалу, що робить його придатним для матеріалів, які вимагають значно вищих температур джерела.
Хоча їхні механізми нагрівання відрізняються, подальший фундаментальний процес подібний: вихідний матеріал переходить у газову фазу, рухається через камеру низького тиску до більш холодної поверхні зразка, де він адсорбується, утворює зародки та поступово об’єднується в тонкоплівковий шар.
Магнетронне розпилення не «кип'ятить» матеріал мішені. Робочий газ збуджується з утворенням плазми. Іони отримують енергію поблизу поверхні мішені та бомбардують мішень. Каскади зіткнень вибивають цільові атоми з поверхні. Потім викинуті частинки проходять через робочий газ і досягають зразка. Основна функція магнітного поля полягає в тому, щоб більш ефективно утримувати електрони біля поверхні мішені, підвищуючи ефективність іонізації та розряду.
Фактичний потік, що наноситься на зразок, усе ще залежить від геометрії мішені, розподілу магнітного поля, робочого тиску, відстані від мішені до підкладки, положення кріплення та режиму руху зразка.
02｜Спрямованість — це не специфікація пристрою, а наслідок транспортування частинок
У звичайному високовакуумному випаровуванні зіткнення газової фази між джерелом і зразком трапляються рідко. Частинки рухаються майже прямолінійно. Поверхні зразка, звернені до джерела, легко сприймають потік частинок, тоді як ділянки, затінені східцями або бічними стінками фоторезисту, можуть відчувати ефект тіні. Це добре відоме «осадження прямої видимості».
Однак спрямованість не визначається лише терміном «випаровування». Розміри джерела, відстань від джерела до зразка, кут нахилу зразка, затінення приладу та режим обертання змінюють кут падіння частинок, що надходять. При нахиленому розміщенні підкладки або планетарному русі та сама система випаровування може активно покращувати покриття бічних стінок для певних функцій.
Для розпилення потрібен тривалий електричний розряд у певному середовищі робочого газу. Після того як атоми мішені залишають поверхню мішені, вони можуть зіткнутися з атомами газу, і їхні траєкторії перерозподіляються. Крім того, сама ціль не є ідеальним точковим джерелом. Отже, звичайне розпилення зазвичай забезпечує ширший кутовий розподіл падаючих частинок на зразок порівняно зі стандартним випаровуванням. Тим не менш, твердження про те, що «розпилення не має спрямованості», є однаково неточним. Зниження або підвищення робочого тиску, регулювання відстані між мішенню та підкладкою, використання колімуючих структур і зміна положення зразка змінюють частоту зіткнень і розподіл кутів падіння. Більш високий тиск може розширити кутове розповсюдження частинок і також може спричинити втрату енергії частинками, що прибувають.
03｜Чому один процес віддає перевагу підйому, тоді як інший працює краще для покриття кроків
Різниця в спрямованості посилюється при зустрічі з тривимірними структурами. Фундаментальний принцип підйому полягає в тому, щоб спочатку створити візерунок прорізів у шарі фоторезисту, нанести плівку на всю підкладку, а потім розчинити фоторезист, щоб разом видалити плівку поверх резисту.
Для успішного відриву цільова плівка на підкладці всередині отворів переважно не повинна утворювати безперервне з’єднання з плівкою на верхній частині резиста вздовж бічних стінок. Випаровування з сильною спрямованістю прямої видимості створює розрив товщини біля бічних стінок резиста.
04｜Що підкладка виходить далеко за межі «простого покриття металевим шаром»
Випаровування часто називають "м'яким", тоді як розпилення вважається "сильним бомбардуванням".
Обидва уявлення мають фактичні підстави, але жодне не є істинним незалежно від обладнання та умов процесу.
Під час випаровування зразок все ще може відчувати підвищення температури, викликане тепловим випромінюванням, впливом джерела тепла та тривалістю осадження.
Для електронно-променевих систем також необхідно враховувати додаткові фактори, такі як електрони, рентгенівське випромінювання, розбризкування вихідного матеріалу та частинки.
Полімери, фоторезисти, шари з низькою температурою плавлення або чутливі до випромінювання пристрої не можна вважати безпечними лише на основі назви процесу. У середовищі розпилення, крім цільових атомів, також можуть бути присутні потоки іонів, електронів, відбитих нейтралів і домішок. Зміщення підкладки, розташування плазми та робочий тиск змінюють фактичну енергію, що надходить до зразка. Помірна енергія може сприяти поверхневій міграції та міжфазному з’єднанню, тоді як надмірна енергія може призвести до підвищення температури, модифікації поверхні, повторного розпилення або пошкодження чутливих шарів.
Тому, обговорюючи толерантність зразка, не слід просто запитувати, «чи висока температура». Необхідно також розглянути, з чого складається поверхня зразка, чи лежать під нею тонкі оксидні шари або двовимірні матеріали, чи все ще присутній фоторезист, чи завершено виготовлення пристрою та чи допустимі післяпроцесовий відпал або очищення.
05｜Чому «Плівки з напиленням щільніші» є лише початковим твердженням
Тонка плівка не опускається, як суцільний металевий блок. Натомість вхідні частинки спочатку адсорбуються та утворюють ядра, утворюючи острівці. Потім ці острівці ростуть і зливаються, зрештою перетворюючись на суцільну плівку. Енергія надходження частинок, температура підкладки, швидкість осадження, кут падіння, чистота поверхні та залишковий газ – усе це визначає рухливість поверхні частинок і змінює розмір зерен, пористість, шорсткість, текстуру та залишкову напругу. Енергійні розпорошені частинки та пов'язані з ними потоки енергії зазвичай призводять до очікувань підвищеної рухливості поверхні та порівняно щільних плівок.
Тим не менш, напилені плівки також можуть утворювати пористі стовпчасті структури, значну напругу або високу шорсткість в умовах високого робочого тиску, значних втрат енергії при зіткненні, несприятливих кутів падіння або неадекватних умов поверхні. Крім того, випарені плівки за своєю суттю не є пористими. Зміни температури підкладки, швидкості осадження, обробки поверхні та допоміжних джерел енергії також змінять поведінку зародження та росту.
Вища щільність плівки автоматично не означає кращу продуктивність пристроїв. Металеві електроди можуть надавати більший пріоритет контактному опору та цілісності краю; оптичні структури можуть більше зосереджуватися на шорсткості та оптичних константах; підвісні конструкції мають високу чутливість до навантажень; дифузійно-бар’єрні шари приділяють пильну увагу безперервності та шляхам дефектів. «Щільний» — це лише матеріальний опис. Зрештою, продуктивність повинна бути оцінена відповідно до функціональних вимог тонкоплівкового застосування.
Резюме
Як випаровування, так і напилення можуть осаджувати метали, але вони не є взаємозамінними кнопковими варіантами. Випаровування перетворює матеріали в газову фазу шляхом нагрівання та демонструє сильну спрямованість прямої видимості за типових умов. Розпилення звільняє цільові атоми через іонне бомбардування; зіткнення в межах робочого газу та геометрії обладнання зазвичай дають більш широкий діапазон кутів приходу.
Твердження на кшталт «краще випаровування» або «краще розпилення» передчасні. Відповідний маршрут процесу повинен пояснювати, як частинки потрапляють до елементів, вказувати, у якому місці перевірятимуть мінімальну товщину плівки, які типи несправностей слід передбачити та які кінцеві критерії використовуватимуться для визначення того, чи справді тонкоплівковий шар виконав свою призначену функцію.
