Fordampning og sputtering hører begge tilfysisk dampavsetning (PVD). Begge overfører metall fra et kildemateriale til overflaten av en prøve. "Å være i stand til å danne et belegg" betyr imidlertid ikke at de resulterende filmene er identiske.
Forskjellene kan undersøkes ved å ta opp tre sentrale spørsmål: Hvordan forlater materialet kilden? Hvordan beveger partikler seg gjennom vakuumkammeret? Etter å ha nådd overflaten, hvor mye av energien og retningsinformasjonen beholdes?
01｜Ikke skynd deg å sammenligne fordeler og ulemper - Forstå først hvordan metaller genereres
Termisk fordampning er avhengig av resistivt oppvarmede båter, filamenter eller digler for å varme opp kildematerialet til det utvikler tilstrekkelig damptrykk.
Elektronstrålefordampning bruker en fokusert elektronstråle for å konsentrere energi til lokaliserte områder av kildematerialet, noe som gjør den egnet for materialer som krever mye høyere kildetemperaturer.
Selv om deres oppvarmingsmekanismer er forskjellige, er den påfølgende grunnleggende prosessen lik: kildematerialet går over i gassfasen, beveger seg gjennom lavtrykkskammeret mot den kjøligere prøveoverflaten, hvor det adsorberer, kimdannelser og gradvis koaleserer til et tynnfilmlag.
Magnetronsputtering "koker" ikke målmaterialet. Arbeidsgassen eksiteres for å danne plasma. Ioner får energi nær måloverflaten og bombarderer målet. Kollisjonskaskader slår målatomer ut fra overflaten. De utkastede partiklene beveger seg deretter gjennom arbeidsgassen og når prøven. Den primære funksjonen til magnetfeltet er å begrense elektroner mer effektivt nær måloverflaten, noe som øker ioniserings- og utladningseffektiviteten.
Den faktiske fluksen avsatt på prøven påvirkes fortsatt av målgeometri, magnetfeltfordeling, arbeidstrykk, mål-til-substrat-avstand, fiksturposisjon og prøvebevegelsesmodus.
02｜Direksjonalitet er ikke en enhetsspesifikasjon, men en konsekvens av partikkeltransport
Ved konvensjonell høyvakuumfordampning er gassfasekollisjoner mellom kilden og prøven sjeldne. Partikler beveger seg nesten i rette linjer. Overflater på prøven som vender mot kilden mottar lett partikkelfluks, mens områder skygget av trinn eller fotoresist-sidevegger kan oppleve skyggeeffekter. Dette er den velkjente "sightline-deponeringen".
Retningsevnen bestemmes imidlertid ikke bare av begrepet "fordampning". Kildedimensjoner, kilde-til-prøve-avstand, prøvehellingsvinkel, armaturskyggelegging og rotasjonsmodus endrer alle innfallsvinkelen til ankommende partikler. Med skrå substratplassering eller planetbevegelse kan det samme fordampningssystemet aktivt forbedre sideveggdekningen for visse funksjoner.
Sputtering krever vedvarende elektrisk utladning i et spesifikt arbeidsgassmiljø. Etter at målatomer forlater måloverflaten, kan de kollidere med gassatomer og få banene omfordelt. Videre er målet i seg selv ikke en ideell punktkilde. Følgelig gir konvensjonell sputtering typisk en bredere vinkelfordeling av innfallende partikler til prøven sammenlignet med standard fordampning. Likevel er påstanden om at "sputtering ikke har noen retningsbestemthet" like unøyaktig. Å senke eller øke arbeidstrykket, justere mål-til-substrat-avstanden, bruke kollimerende strukturer og reposisjonere prøven endrer alle kollisjonsfrekvens og innfallsvinkelfordeling. Høyere trykk kan utvide partikkelvinkelspredningen og kan også føre til at ankommende partikler mister mer energi.
03｜Hvorfor en prosess favoriserer løfte-av mens den andre gir bedre ytelse for trinndekning
Forskjeller i retningsbestemmelse blir forsterket når man møter tredimensjonale strukturer. Det grunnleggende prinsippet for lift-off er å mønstre åpninger i fotoresistlaget først, legge film over hele underlaget og deretter løse opp fotoresisten for å strippe bort filmen på toppen av resisten sammen.
For vellykket avløfting bør målfilmen på underlaget inne i åpningene helst ikke danne en kontinuerlig forbindelse med filmen på toppen av resisten langs sideveggene. Fordampning med sterk siktelinje har en tendens til å skape et tykkelsesbrudd nær resistsideveggene.
04｜Hva substratet opplever går langt utover "Bare belagt med et metalllag"
Fordampning beskrives ofte løst som "skånsom", mens sputtering anses å ha "sterkt bombardement".
Begge oppfatningene har faktagrunnlag, men ingen av dem gjelder uavhengig av utstyr og prosessforhold.
Under fordampning kan prøven fortsatt oppleve temperaturøkning forårsaket av termisk stråling, varmekildeeksponering og avsetningsvarighet.
For elektronstrålesystemer må tilleggsfaktorer som elektroner, røntgenstråler, kildematerialesprut og partikler også tas i betraktning.
Polymerer, fotoresister, lag med lavt smeltepunkt eller strålingsfølsomme enheter skal ikke anses som sikre bare basert på prosessnavnet. I et sputtermiljø, bortsett fra målatomer, kan flukser av ioner, elektroner, reflekterte nøytrale og urenheter også være tilstede. Substratskjevhet, plasmaplassering og arbeidstrykk endrer den faktiske energitilførselen som leveres til prøven. Moderat energi kan fremme overflatemigrering og grenseflatebinding, mens overdreven energi kan føre til temperaturøkning, overflatemodifisering, omforstøvning eller skade på sensitive lag.
Når man diskuterer prøvetoleranse, bør man derfor ikke bare spørre "om temperaturen er høy". Det er også nødvendig å vurdere hva prøveoverflaten består av, om tynne oksidlag eller todimensjonale materialer ligger under, om fotoresisten fortsatt er til stede, om enhetens fabrikasjon er fullført, og om etterbehandlingsgløding eller rengjøring er tillatt.
05｜Hvorfor "sprutede filmer er tettere" bare er et utgangspunkt
En tynn film faller ikke ned som en solid metallblokk. I stedet adsorberer og kjerner først innkommende partikler for å danne øyer. Disse øyene vokser og smelter sammen, og utvikler seg til slutt til en kontinuerlig film. Energien til ankommende partikler, substrattemperatur, avsetningshastighet, innfallsvinkel, overflaterenshet og gjenværende gass styrer alle overflatemobiliteten til partikler, og endrer kornstørrelse, porøsitet, ruhet, tekstur og gjenværende spenning. De energiske sputterte partiklene og tilhørende energiflukser fører generelt til forventninger om forbedret overflatemobilitet og relativt tette filmer.
Ikke desto mindre kan sputterede filmer også utvikle porøse søylestrukturer, betydelig spenning eller høy ruhet under forhold med høyt arbeidstrykk, betydelig kollisjonsenergitap, ugunstige innfallsvinkler eller utilstrekkelige overflateforhold. Heller ikke fordampede filmer er iboende porøse. Modifikasjoner av substrattemperatur, avsetningshastighet, overflatebehandling og hjelpeenergitilførsel vil likeledes endre kjernedannelse og vekstadferd.
Høyere filmtetthet oversettes ikke automatisk til enheter med bedre ytelse. Metalliske elektroder kan gi høyere prioritet på kontaktmotstand og kantintegritet; optiske strukturer kan fokusere mer på ruhet og optiske konstanter; suspenderte strukturer er svært følsomme for stress; diffusjonsbarrierelag følger nøye med på kontinuitet og defektveier. "Tett" er bare en materialbeskrivelse. Til syvende og sist må ytelsen evalueres i forhold til funksjonskravene til tynnfilmapplikasjonen.
Sammendrag
Både fordampning og sputtering kan avsette metaller, men de er ikke utskiftbare trykknappalternativer. Fordampning fordamper materialer inn i gassfasen via oppvarming og viser sterk siktelinje under typiske forhold. Sputtering frigjør målatomer gjennom ionebombardement; Kollisjoner innenfor arbeidsgassen og utstyrsgeometrien gir generelt et bredere spekter av ankomstvinkler.
Påstander som "fordampning er bedre" eller "sprut er bedre" er for tidlige. En passende prosessrute bør forklare hvordan partikler kommer til egenskapene, spesifisere hvilken plassering som skal inspiseres for minimum filmtykkelse, hvilke typer feil som skal forutses, og hvilke endelige kriterier som vil bli brukt for å bedømme om tynnfilmlaget virkelig har oppfylt sin tiltenkte funksjon.
