Odpařování a rozprašování patří kfyzikální depozice z plynné fáze (PVD). Oba přenášejí kov ze zdrojového materiálu na povrch vzorku. Avšak "schopnost vytvořit povlak" neznamená, že výsledné filmy jsou identické.
Rozdíly lze prozkoumat vyřešením tří klíčových otázek: Jak materiál opouští zdroj? Jak se částice pohybují přes vakuovou komoru? Kolik z jejich energie a směrových informací zůstane po dosažení povrchu zachováno?
01｜Nespěchejte s porovnáváním předností a nedostatků - Nejprve pochopte, jak vznikají kovy
Tepelné odpařování závisí na odporově vyhřívaných člunech, vláknech nebo kelímcích, které zahřívají zdrojový materiál, dokud nevyvine dostatečný tlak par.
Odpařování elektronovým paprskem využívá fokusovaný elektronový paprsek ke koncentraci energie na lokalizované oblasti zdrojového materiálu, takže je vhodné pro materiály, které vyžadují mnohem vyšší teploty zdroje.
Přestože se jejich zahřívací mechanismy liší, následný základní proces je podobný: zdrojový materiál přechází do plynné fáze, prochází nízkotlakou komorou směrem k chladnějšímu povrchu vzorku, kde se adsorbuje, nukleuje a postupně srůstá do tenké vrstvy.
Magnetronové naprašování „nevaří“ materiál terče. Pracovní plyn je excitován za vzniku plazmy. Ionty získávají energii blízko povrchu cíle a bombardují cíl. Srážkové kaskády srážejí cílové atomy z povrchu. Vyvržené částice pak putují pracovním plynem a dostávají se ke vzorku. Primární funkcí magnetického pole je účinněji omezovat elektrony v blízkosti cílového povrchu, čímž se zvyšuje účinnost ionizace a výboje.
Skutečný tok nanesený na vzorek je stále ovlivněn geometrií cíle, rozložením magnetického pole, pracovním tlakem, vzdáleností mezi cílem a substrátem, polohou přípravku a režimem pohybu vzorku.
02｜Směrovost není specifikací zařízení, ale důsledkem transportu částic
Při konvenčním vysokovakuovém odpařování jsou kolize v plynné fázi mezi zdrojem a vzorkem vzácné. Částice se pohybují téměř přímočaře. Povrchy vzorku obrácené ke zdroji snadno přijímají tok částic, zatímco oblasti zastíněné stupni nebo bočními stěnami fotorezistu mohou zaznamenat stínící efekty. Jedná se o dobře známou "nápravu z přímé viditelnosti".
Směrovost však není určena pouze pojmem „vypařování“. Rozměry zdroje, vzdálenost mezi zdrojem a vzorkem, úhel naklonění vzorku, stínování zařízení a režim rotace – to vše mění úhel dopadu přilétajících částic. S nakloněným umístěním substrátu nebo planetárním pohybem může stejný systém odpařování aktivně zlepšit pokrytí bočních stěn pro určité prvky.
Rozprašování vyžaduje trvalý elektrický výboj v prostředí specifického pracovního plynu. Poté, co cílové atomy opustí povrch cíle, mohou se srazit s atomy plynu a jejich trajektorie se přerozdělí. Navíc cíl sám o sobě není ideálním bodovým zdrojem. V důsledku toho konvenční naprašování typicky poskytuje širší úhlovou distribuci dopadajících částic do vzorku ve srovnání se standardním odpařováním. Nicméně tvrzení, že „naprašování nemá směrovost“, je stejně nepřesné. Snížení nebo zvýšení pracovního tlaku, úprava vzdálenosti cíle od substrátu, použití kolimačních struktur a přemístění vzorku – to vše mění frekvenci kolize a rozložení úhlu dopadu. Vyšší tlak může rozšířit úhlové šíření částic a může také způsobit, že přilétající částice ztratí více energie.
03｜Proč jeden proces upřednostňuje lift-off, zatímco druhý má lepší výkon pro pokrytí kroků
Rozdíly ve směrovosti se zesílí při setkání s trojrozměrnými strukturami. Základním principem lift-off je nejprve vzorovat otvory ve vrstvě fotorezistu, nanést film na celý substrát a poté rozpustit fotorezist, aby se film na povrchu rezistu společně sebral.
Pro úspěšné odlepování by cílová fólie na substrátu uvnitř otvorů neměla tvořit souvislé spojení s fólií na vrchu rezistu podél bočních stěn. Odpařování se silnou směrovostí přímé viditelnosti má tendenci vytvářet tloušťkový zlom poblíž bočních stěn rezistu.
04｜Jaké zkušenosti se substrátem jdou daleko za hranice „Jednoduché potažení kovovou vrstvou“
Odpařování je často volně popisováno jako „jemné“, zatímco rozprašování je považováno za „silné bombardování“.
Oba vjemy mají faktický základ, ale ani jeden neplatí nezávisle na zařízení a podmínkách procesu.
Během odpařování může vzorek stále zaznamenat nárůst teploty způsobený tepelným zářením, vystavením tepelnému zdroji a trváním depozice.
U systémů s elektronovým paprskem je třeba vzít v úvahu i další faktory, jako jsou elektrony, rentgenové záření, rozstřikování zdrojového materiálu a částice.
Polymery, fotorezisty, vrstvy s nízkou teplotou tání nebo zařízení citlivá na záření by neměly být považovány za bezpečné pouze na základě názvu procesu. V prostředí naprašování mohou být kromě atomů terče přítomny také toky iontů, elektronů, odražených neutrálů a nečistot. Předpětí substrátu, umístění plazmy a pracovní tlak mění skutečný energetický vstup dodávaný do vzorku. Střední energie může podporovat migraci povrchu a mezifázové vazby, zatímco nadměrná energie může vést ke zvýšení teploty, úpravě povrchu, opětovnému naprašování nebo poškození citlivých vrstev.
Proto při diskuzi o toleranci vzorku bychom se neměli pouze ptát „zda je teplota vysoká“. Je také nutné zvážit, z čeho se skládá povrch vzorku, zda pod ním leží tenké oxidové vrstvy nebo dvojrozměrné materiály, zda je stále přítomen fotorezist, zda je výroba zařízení dokončena a zda je přípustné následné žíhání nebo čištění.
05｜Proč jsou „naprašované filmy hustší“ je pouze výchozím bodem
Tenký film neklesá jako pevný blok kovu. Místo toho se příchozí částice nejprve adsorbují a nukleují za vzniku ostrovů. Tyto ostrovy pak rostou a splývají, až se nakonec vyvinou do souvislého filmu. Energie přicházejících částic, teplota substrátu, rychlost depozice, úhel dopadu, čistota povrchu a zbytkový plyn, to vše řídí povrchovou pohyblivost částic a modifikuje velikost zrna, pórovitost, drsnost, texturu a zbytkové napětí. Energetické rozprašované částice a související energetické toky obecně vedou k očekávání zvýšené mobility povrchu a poměrně hustých filmů.
Nicméně, naprašované filmy mohou také vyvinout porézní sloupcové struktury, značné napětí nebo vysokou drsnost za podmínek vysokého pracovního tlaku, značné ztráty energie při nárazu, nepříznivé úhly dopadu nebo nevhodné povrchové podmínky. Ani odpařené filmy nejsou ze své podstaty porézní. Modifikace teploty substrátu, rychlosti nanášení, povrchové úpravy a přídavné energie rovněž změní nukleační a růstové chování.
Vyšší hustota filmu se automaticky nepromítne do výkonnějších zařízení. Kovové elektrody mohou klást vyšší prioritu na kontaktní odpor a integritu hran; optické struktury se mohou více zaměřit na drsnost a optické konstanty; zavěšené konstrukce jsou vysoce citlivé na namáhání; vrstvy difúzní bariéry věnují velkou pozornost kontinuitě a defektním drahám. "Hustý" je pouze materiálový popis. Výkon musí být nakonec vyhodnocen podle funkčních požadavků tenkovrstvé aplikace.
Shrnutí
Odpařováním i naprašováním lze ukládat kovy, přesto nejde o zaměnitelné tlačítkové možnosti. Odpařování odpařuje materiály do plynné fáze prostřednictvím zahřívání a za typických podmínek vykazuje silnou směrovost přímé viditelnosti. Rozprašování uvolňuje cílové atomy prostřednictvím iontového bombardování; kolize v rámci geometrie pracovního plynu a zařízení obecně poskytují širší rozsah úhlů vstupu.
Tvrzení jako „odpařování je lepší“ nebo „odprašování je lepší“ jsou předčasná. Vhodná cesta procesu by měla vysvětlovat, jak se částice dostávají k prvkům, specifikovat, které místo bude kontrolováno na minimální tloušťku filmu, jaké typy poruch je třeba předvídat a jaká konečná kritéria se použijí k posouzení, zda tenkovrstvá vrstva skutečně splnila svou zamýšlenou funkci.
