Dazu gehören sowohl das Verdampfen als auch das Sputternphysikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Beide übertragen Metall von einem Ausgangsmaterial auf die Oberfläche einer Probe. „Eine Beschichtung bilden zu können“ bedeutet jedoch nicht, dass die resultierenden Filme identisch sind.
Die Unterschiede können untersucht werden, indem drei Schlüsselfragen beantwortet werden: Wie verlässt Material die Quelle? Wie bewegen sich Partikel durch die Vakuumkammer? Wie viel von ihrer Energie und Richtungsinformation bleibt nach Erreichen der Oberfläche erhalten?
01｜Beeilen Sie sich nicht, Vor- und Nachteile zu vergleichen. - Verstehen Sie zunächst, wie Metalle erzeugt werden
Bei der thermischen Verdampfung werden widerstandsbeheizte Schiffchen, Filamente oder Tiegel eingesetzt, um das Ausgangsmaterial zu erhitzen, bis es einen ausreichenden Dampfdruck entwickelt.
Bei der Elektronenstrahlverdampfung wird ein fokussierter Elektronenstrahl verwendet, um die Energie auf lokalisierte Bereiche des Quellmaterials zu konzentrieren, wodurch sie für Materialien geeignet ist, die viel höhere Quellentemperaturen erfordern.
Obwohl sich ihre Heizmechanismen unterscheiden, ist der nachfolgende grundlegende Prozess ähnlich: Das Ausgangsmaterial geht in die Gasphase über, wandert durch die Niederdruckkammer zur kühleren Probenoberfläche, wo es adsorbiert, Keime bildet und allmählich zu einer dünnen Filmschicht zusammenläuft.
Beim Magnetronsputtern kommt es nicht zum „Kochen“ des Targetmaterials. Das Arbeitsgas wird zur Bildung von Plasma angeregt. Ionen gewinnen in der Nähe der Zieloberfläche an Energie und bombardieren das Ziel. Kollisionskaskaden schleudern Zielatome von der Oberfläche. Die ausgeschleuderten Partikel wandern dann durch das Arbeitsgas und erreichen die Probe. Die Hauptfunktion des Magnetfelds besteht darin, Elektronen effektiver in der Nähe der Zieloberfläche einzuschließen und so die Ionisierungs- und Entladungseffizienz zu steigern.
Der tatsächlich auf die Probe aufgebrachte Fluss wird immer noch von der Targetgeometrie, der Magnetfeldverteilung, dem Arbeitsdruck, dem Target-zu-Substrat-Abstand, der Befestigungsposition und dem Probenbewegungsmodus beeinflusst.
02｜Direktionalität ist keine Gerätespezifikation, sondern eine Folge des Partikeltransports
Bei der konventionellen Hochvakuumverdampfung sind Gasphasenkollisionen zwischen Quelle und Probe selten. Teilchen bewegen sich nahezu geradlinig. Oberflächen der Probe, die der Quelle zugewandt sind, nehmen leicht einen Partikelfluss auf, wohingegen Bereiche, die durch Stufen oder Fotolackseitenwände abgeschattet werden, Schatteneffekte erfahren können. Dies ist die bekannte „Sichtliniendeposition“.
Die Direktionalität wird jedoch nicht allein durch den Begriff „Verdunstung“ bestimmt. Die Abmessungen der Quelle, der Abstand zwischen Quelle und Probe, der Neigungswinkel der Probe, die Abschattung der Vorrichtung und der Rotationsmodus verändern alle den Einfallswinkel der ankommenden Partikel. Bei geneigter Substratplatzierung oder Planetenbewegung kann dasselbe Verdunstungssystem die Seitenwandabdeckung für bestimmte Merkmale aktiv verbessern.
Beim Sputtern ist eine anhaltende elektrische Entladung in einer bestimmten Arbeitsgasumgebung erforderlich. Nachdem Zielatome die Zieloberfläche verlassen haben, können sie mit Gasatomen kollidieren und ihre Flugbahnen werden neu verteilt. Darüber hinaus ist das Ziel selbst keine ideale Punktquelle. Folglich liefert herkömmliches Sputtern im Vergleich zur Standardverdampfung typischerweise eine breitere Winkelverteilung der einfallenden Partikel auf die Probe. Dennoch ist die Aussage, dass „Sputtern keine Richtungsabhängigkeit hat“, ebenso unzutreffend. Das Verringern oder Erhöhen des Arbeitsdrucks, das Anpassen des Abstands zwischen Ziel und Substrat, der Einsatz kollimierender Strukturen und das Neupositionieren der Probe verändern die Kollisionsfrequenz und die Verteilung des Einfallswinkels. Ein höherer Druck kann die Winkelausbreitung der Partikel vergrößern und auch dazu führen, dass ankommende Partikel mehr Energie verlieren.
03｜Warum ein Prozess das Abheben begünstigt, während der andere bei der Stufenabdeckung eine bessere Leistung erbringt
Unterschiede in der Richtung verstärken sich, wenn man auf dreidimensionale Strukturen trifft. Das Grundprinzip des Abhebens besteht darin, zunächst Öffnungen in der Fotolackschicht zu strukturieren, einen Film auf das gesamte Substrat aufzutragen und dann den Fotolack aufzulösen, um gemeinsam den Film auf dem Fotolack abzuziehen.
Für ein erfolgreiches Abheben sollte der Zielfilm auf dem Substrat innerhalb der Öffnungen vorzugsweise keine durchgehende Verbindung mit dem Film oben auf dem Resist entlang der Seitenwände bilden. Verdunstung mit starker Sichtlinienrichtung führt tendenziell zu einem Dickenbruch in der Nähe der Resistseitenwände.
04｜Was das Substrat erfährt, geht weit über „einfaches Überziehen mit einer Metallschicht“ hinaus
Die Verdampfung wird oft grob als „sanft“ beschrieben, während das Sputtern als „starker Beschuss“ gilt.
Beide Auffassungen basieren auf Fakten, doch keine davon gilt unabhängig von den Anlagen- und Prozessbedingungen.
Während der Verdampfung kann es dennoch zu einem Temperaturanstieg der Probe kommen, der durch Wärmestrahlung, die Einwirkung von Wärmequellen und die Ablagerungsdauer verursacht wird.
Bei Elektronenstrahlsystemen müssen zusätzlich Faktoren wie Elektronen, Röntgenstrahlen, Quellmaterialspritzer und Partikel berücksichtigt werden.
Polymere, Fotolacke, Schichten mit niedrigem Schmelzpunkt oder strahlungsempfindliche Geräte sollten nicht allein aufgrund des Prozessnamens als sicher angesehen werden. In einer Sputterumgebung können neben den Zielatomen auch Ionenflüsse, Elektronenströme, reflektierte Neutralstoffe und Verunreinigungen vorhanden sein. Substratvorspannung, Plasmaposition und Arbeitsdruck verändern den tatsächlichen Energieeintrag, der der Probe zugeführt wird. Mäßige Energie kann die Oberflächenmigration und Grenzflächenbindung fördern, während übermäßige Energie zu Temperaturerhöhungen, Oberflächenmodifikationen, erneutem Sputtern oder Schäden an empfindlichen Schichten führen kann.
Daher sollte man bei der Diskussion der Probentoleranz nicht nur fragen, „ob die Temperatur hoch ist“. Außerdem muss berücksichtigt werden, woraus die Probenoberfläche besteht, ob sich darunter dünne Oxidschichten oder zweidimensionale Materialien befinden, ob der Fotolack noch vorhanden ist, ob die Gerätefertigung abgeschlossen ist und ob ein Nachglühen oder Reinigen zulässig ist.
05｜Warum „Sputterfilme dichter sind“ nur eine Ausgangspunktaussage ist
Ein dünner Film fällt nicht als fester Metallblock herab. Stattdessen werden ankommende Partikel zunächst adsorbiert und bilden Keime, um Inseln zu bilden. Diese Inseln wachsen und verschmelzen dann und entwickeln sich schließlich zu einem kontinuierlichen Film. Die Energie der ankommenden Partikel, die Substrattemperatur, die Abscheidungsrate, der Einfallswinkel, die Oberflächenreinheit und das Restgas bestimmen alle die Oberflächenmobilität der Partikel und verändern Korngröße, Porosität, Rauheit, Textur und Eigenspannung. Die energiereichen gesputterten Partikel und die damit verbundenen Energieflüsse lassen im Allgemeinen eine erhöhte Oberflächenmobilität und vergleichsweise dichte Filme erwarten.
Dennoch können gesputterte Filme unter Bedingungen von hohem Arbeitsdruck, erheblichem Kollisionsenergieverlust, ungünstigen Einfallswinkeln oder unzureichenden Oberflächenbedingungen auch poröse Säulenstrukturen, erhebliche Spannungen oder hohe Rauheit entwickeln. Auch sind aufgedampfte Filme nicht von Natur aus porös. Änderungen der Substrattemperatur, der Abscheidungsrate, der Oberflächenbehandlung und der Hilfsenergieeinträge verändern ebenfalls das Keimbildungs- und Wachstumsverhalten.
Eine höhere Filmdichte führt nicht automatisch zu einer besseren Leistung der Geräte. Bei metallischen Elektroden kann der Kontaktwiderstand und die Kantenintegrität eine höhere Priorität haben. Optische Strukturen konzentrieren sich möglicherweise stärker auf Rauheit und optische Konstanten. hängende Strukturen sind sehr spannungsempfindlich; Bei Diffusionsbarriereschichten wird besonders auf Kontinuität und Defektpfade geachtet. „Dicht“ ist lediglich eine materielle Beschreibung. Letztendlich muss die Leistung anhand der funktionalen Anforderungen der Dünnschichtanwendung bewertet werden.
Zusammenfassung
Sowohl durch Verdampfen als auch durch Sputtern können Metalle abgeschieden werden, sie sind jedoch keine austauschbaren Druckknopfoptionen. Durch die Verdampfung werden Materialien durch Erhitzen in die Gasphase verdampft und weisen unter typischen Bedingungen eine starke Sichtlinienrichtung auf. Beim Sputtern werden Zielatome durch Ionenbeschuss freigesetzt. Kollisionen innerhalb der Arbeitsgas- und Gerätegeometrie führen im Allgemeinen zu einem breiteren Bereich von Einfallswinkeln.
Behauptungen wie „Verdunstung ist besser“ oder „Sputtern ist besser“ sind verfrüht. Eine geeignete Prozessroute sollte erklären, wie Partikel zu den Merkmalen gelangen, angeben, an welcher Stelle die Mindestfilmdicke überprüft wird, welche Arten von Fehlern zu erwarten sind und welche abschließenden Kriterien verwendet werden, um zu beurteilen, ob die Dünnfilmschicht ihre beabsichtigte Funktion tatsächlich erfüllt hat.
