Fordampning og sputtering hører begge tilfysisk dampaflejring (PVD). Begge overfører metal fra et kildemateriale til overfladen af en prøve. Men "at være i stand til at danne en belægning" betyder ikke, at de resulterende film er identiske.
Forskellene kan undersøges ved at behandle tre centrale spørgsmål: Hvordan forlader materiale kilden? Hvordan bevæger partikler sig gennem vakuumkammeret? Efter at have nået overfladen, hvor meget af deres energi og retningsbestemte information bevares?
01｜ Skynd dig ikke at sammenligne fordele og ulemper - Forstå først, hvordan metaller genereres
Termisk fordampning er afhængig af resistivt opvarmede både, filamenter eller digler til at opvarme kildematerialet, indtil det udvikler tilstrækkeligt damptryk.
Elektronstrålefordampning bruger en fokuseret elektronstråle til at koncentrere energi på lokaliserede områder af kildematerialet, hvilket gør det velegnet til materialer, der kræver meget højere kildetemperaturer.
Selvom deres opvarmningsmekanismer er forskellige, er den efterfølgende grundlæggende proces ens: kildematerialet går over i gasfasen, bevæger sig gennem lavtrykskammeret mod den køligere prøveoverflade, hvor det adsorberer, nukleerer og gradvist smelter sammen til et tyndfilmlag.
Magnetronsputtering "koger" ikke målmaterialet. Arbejdsgassen exciteres til at danne plasma. Ioner får energi nær måloverfladen og bombarderer målet. Kollisionskaskader slår målatomer ud fra overfladen. De udstødte partikler bevæger sig derefter gennem arbejdsgassen og når prøven. Den primære funktion af magnetfeltet er at begrænse elektroner mere effektivt nær måloverfladen, hvilket øger ioniserings- og udladningseffektiviteten.
Den faktiske flux, der afsættes på prøven, påvirkes stadig af målgeometri, magnetfeltfordeling, arbejdstryk, mål-til-substrat-afstand, fiksturposition og prøvebevægelsestilstand.
02｜Direktionalitet er ikke en enhedsspecifikation, men en konsekvens af partikeltransport
Ved konventionel højvakuumfordampning er gasfasekollisioner mellem kilden og prøven sjældne. Partikler bevæger sig næsten i lige linjer. Overflader af prøven, der vender mod kilden, modtager let partikelflux, hvorimod områder, der er skygget af trin eller fotoresist-sidevægge, kan opleve skyggeeffekter. Dette er den velkendte "line-of-sight-deposition".
Retningsevnen bestemmes imidlertid ikke blot af udtrykket "fordampning". Kildedimensioner, afstand fra kilde til prøve, prøvehældningsvinkel, armaturskygge og rotationstilstand ændrer alle indfaldsvinklen for ankommende partikler. Med skrå substratplacering eller planetbevægelse kan det samme fordampningssystem aktivt forbedre sidevægsdækningen for visse funktioner.
Sputtering kræver vedvarende elektrisk afladning i et specifikt arbejdsgasmiljø. Efter at målatomer forlader måloverfladen, kan de kollidere med gasatomer og få deres baner omfordelt. Desuden er målet i sig selv ikke en ideel punktkilde. Som følge heraf leverer konventionel sputtering typisk en bredere vinkelfordeling af indfaldende partikler til prøven sammenlignet med standardfordampning. Ikke desto mindre er udsagnet om, at "sputtering ikke har nogen retningsbestemthed" lige så unøjagtigt. Sænkning eller hævning af arbejdstrykket, justering af afstanden mellem mål og substrat, anvendelse af kollimerende strukturer og genplacering af prøven ændrer alt sammen kollisionsfrekvens og indfaldsvinkelfordeling. Højere tryk kan udvide partiklernes vinkelspredning og kan også forårsage, at ankommende partikler mister mere energi.
03｜Hvorfor én proces favoriserer ophævelse, mens den anden yder bedre for trindækning
Forskelle i retningsbestemmelse bliver forstærket, når man møder tredimensionelle strukturer. Det grundlæggende princip for lift-off er først at mønstre åbninger i fotoresistlaget, afsætte film over hele substratet og derefter opløse fotoresisten for at fjerne filmen oven på resisten sammen.
For vellykket afløftning bør målfilmen på underlaget inde i åbningerne helst ikke danne en kontinuerlig forbindelse med filmen på toppen af resisten langs sidevæggene. Fordampning med stærk sigtelinje har en tendens til at skabe et tykkelsesbrud nær resist-sidevæggene.
04｜Hvad substratoplevelserne går langt ud over "Simpelthen at blive belagt med et metallag"
Fordampning beskrives ofte løst som "skånsom", hvorimod sputtering anses for at have "stærkt bombardement".
Begge opfattelser har faktuelle grundlag, men ingen af dem gælder uafhængigt af udstyr og procesforhold.
Under fordampning kan prøven stadig opleve temperaturstigning forårsaget af termisk stråling, varmekildeeksponering og aflejringsvarighed.
For elektronstrålesystemer skal yderligere faktorer såsom elektroner, røntgenstråler, sprøjt af kildemateriale og partikler også tages i betragtning.
Polymerer, fotoresists, lag med lavt smeltepunkt eller strålingsfølsomme enheder bør ikke anses for sikre alene baseret på procesnavnet. I et sputtermiljø kan der, bortset fra målatomer, også være flux af ioner, elektroner, reflekterede neutrale og urenheder til stede. Substratforspænding, plasmaplacering og arbejdstryk ændrer den faktiske energiinput, der leveres til prøven. Moderat energi kan fremme overflademigrering og grænsefladebinding, hvorimod overdreven energi kan føre til temperaturstigning, overflademodifikation, genforstøvning eller beskadigelse af følsomme lag.
Når man diskuterer prøvetolerance, bør man derfor ikke blot spørge "om temperaturen er høj". Det er også nødvendigt at overveje, hvad prøveoverfladen består af, om der ligger tynde oxidlag eller todimensionelle materialer nedenunder, om fotoresisten stadig er til stede, om apparatets fremstilling er færdig, og om efterbehandlingsudglødning eller rensning er tilladt.
05｜Hvorfor "forstøvede film er tættere" kun er et udgangspunkt
En tynd film falder ikke ned som en solid metalblok. I stedet adsorberer de indkommende partikler først og danner kerne til øer. Disse øer vokser derefter og smelter sammen og udvikler sig til sidst til en kontinuerlig film. Energien fra ankommende partikler, substrattemperatur, aflejringshastighed, indfaldsvinkel, overfladerenhed og resterende gas styrer alle partiklernes overflademobilitet og ændrer kornstørrelse, porøsitet, ruhed, tekstur og resterende stress. De energetiske sputterede partikler og tilhørende energistrømme fører generelt til forventninger om forbedret overflademobilitet og forholdsvis tætte film.
Ikke desto mindre kan sputterede film også udvikle porøse søjlestrukturer, betydelig spænding eller høj ruhed under forhold med højt arbejdstryk, betydeligt kollisionsenergitab, ugunstige indfaldsvinkler eller utilstrækkelige overfladeforhold. Heller ikke fordampede film er iboende porøse. Ændringer af substrattemperatur, aflejringshastighed, overfladebehandling og hjælpeenergiinput vil ligeledes ændre nukleation og vækstadfærd.
Højere filmtæthed betyder ikke automatisk enheder, der yder bedre. Metalliske elektroder kan prioritere kontaktmodstand og kantintegritet højere; optiske strukturer kan fokusere mere på ruhed og optiske konstanter; suspenderede strukturer er meget følsomme over for stress; diffusionsbarrierelag er meget opmærksomme på kontinuitet og defekte veje. "Tæt" er blot en materialebeskrivelse. I sidste ende skal ydeevnen evalueres i forhold til de funktionelle krav til tyndfilmsapplikationen.
Oversigt
Både fordampning og sputtering kan aflejre metaller, men alligevel er de ikke udskiftelige trykknapper. Fordampning fordamper materialer ind i gasfasen via opvarmning og udviser stærk sigtelinje under typiske forhold. Sputtering befrier målatomer gennem ionbombardement; kollisioner inden for arbejdsgassen og udstyrsgeometrien giver generelt et bredere udvalg af ankomstvinkler.
Påstande som "fordampning er bedre" eller "forstøvning er bedre" er for tidlige. En passende procesrute bør forklare, hvordan partikler ankommer til funktionerne, specificere, hvilken placering der vil blive inspiceret for minimum filmtykkelse, hvilke typer fejl der skal forudses, og hvilke endelige kriterier der vil blive brugt til at bedømme, om tyndfilmlaget virkelig har opfyldt sin tilsigtede funktion.
