Verdamping en sputteren horen er allebei bijfysieke dampafzetting (PVD). Beide brengen metaal van een bronmateriaal over op het oppervlak van een monster. Het "kunnen vormen van een coating" betekent echter niet dat de resulterende films identiek zijn.
De verschillen kunnen worden onderzocht door drie belangrijke vragen te beantwoorden: Hoe verlaat materiaal de bron? Hoe reizen deeltjes door de vacuümkamer? Hoeveel van hun energie- en richtingsinformatie blijft behouden nadat ze het oppervlak hebben bereikt?
01｜Haast je niet om voor- en nadelen te vergelijken - Begrijp eerst hoe metalen worden gegenereerd
Thermische verdamping is afhankelijk van resistief verwarmde boten, filamenten of smeltkroezen om het bronmateriaal te verwarmen totdat het voldoende dampdruk ontwikkelt.
Bij verdamping van elektronenbundels wordt gebruik gemaakt van een gefocusseerde elektronenbundel om energie te concentreren op gelokaliseerde gebieden van het bronmateriaal, waardoor het geschikt is voor materialen die veel hogere brontemperaturen vereisen.
Hoewel hun verwarmingsmechanismen verschillen, is het daaropvolgende fundamentele proces vergelijkbaar: het bronmateriaal gaat over in de gasfase, reist door de lagedrukkamer naar het koelere monsteroppervlak, waar het adsorbeert, kiemvorming veroorzaakt en geleidelijk samenvloeit tot een dunne filmlaag.
Magnetronsputteren "kookt" het doelmateriaal niet. Het werkgas wordt opgewonden om plasma te vormen. Ionen winnen energie nabij het doeloppervlak en bombarderen het doel. Botsingscascades slaan doelatomen uit het oppervlak. De uitgestoten deeltjes reizen vervolgens door het werkgas en bereiken het monster. De primaire functie van het magnetische veld is om elektronen effectiever op te sluiten in de buurt van het doeloppervlak, waardoor de ionisatie- en ontladingsefficiëntie wordt vergroot.
De daadwerkelijke flux die op het monster wordt afgezet, wordt nog steeds beïnvloed door de doelgeometrie, de verdeling van het magnetische veld, de werkdruk, de afstand tussen doel en substraat, de positie van de armatuur en de bewegingsmodus van het monster.
02｜Directionaliteit is geen apparaatspecificatie, maar een gevolg van deeltjestransport
Bij conventionele hoogvacuümverdamping zijn gasfasebotsingen tussen de bron en het monster zeldzaam. Deeltjes reizen vrijwel in rechte lijnen. Oppervlakken van het monster die naar de bron zijn gericht, ontvangen gemakkelijk deeltjesflux, terwijl gebieden die overschaduwd worden door treden of zijwanden van fotoresist schaduweffecten kunnen ervaren. Dit is de bekende ‘line-of-sight-depositie’.
De directionaliteit wordt echter niet alleen bepaald door de term "verdamping". Bronafmetingen, afstand tussen bron en monster, kantelhoek van het monster, schaduw van het armatuur en rotatiemodus veranderen allemaal de invalshoek van binnenkomende deeltjes. Met gekantelde plaatsing van het substraat of planetaire beweging kan hetzelfde verdampingssysteem de dekking van de zijwanden voor bepaalde kenmerken actief verbeteren.
Sputteren vereist aanhoudende elektrische ontlading binnen een specifieke werkgasomgeving. Nadat doelatomen het doeloppervlak hebben verlaten, kunnen ze in botsing komen met gasatomen, waardoor hun trajecten opnieuw worden verdeeld. Bovendien is het doel zelf geen ideale puntbron. Bijgevolg levert conventioneel sputteren doorgaans een bredere hoekverdeling van invallende deeltjes op het monster op vergeleken met standaardverdamping. Niettemin is de bewering dat "sputteren geen directionaliteit heeft" even onnauwkeurig. Het verlagen of verhogen van de werkdruk, het aanpassen van de afstand tussen doel en substraat, het gebruik van collimerende structuren en het herpositioneren van het monster wijzigen allemaal de botsingsfrequentie en de verdeling van de invalshoek. Een hogere druk kan de hoekspreiding van de deeltjes vergroten en kan er ook voor zorgen dat aankomende deeltjes meer energie verliezen.
03｜Waarom het ene proces de voorkeur geeft aan lancering, terwijl het andere beter presteert wat betreft stapdekking
Verschillen in directionaliteit worden versterkt wanneer we driedimensionale structuren tegenkomen. Het fundamentele principe van lift-off is om eerst openingen in de fotoresistlaag te patrooneren, film over het gehele substraat aan te brengen en vervolgens de fotoresist op te lossen om de film bovenop de resist samen te verwijderen.
Voor een succesvolle lift-off mag de doelfilm op het substraat binnen de openingen bij voorkeur geen doorlopende verbinding vormen met de film bovenop de resist langs de zijwanden. Verdamping met een sterke richtingsgevoeligheid heeft de neiging een diktebreuk te creëren nabij de zijwanden van de resist.
04｜Wat de ondergrond ervaart gaat veel verder dan ‘gewoon bedekt worden met een metaallaag’
Verdamping wordt vaak losjes omschreven als "zacht", terwijl sputteren wordt beschouwd als een "sterk bombardement".
Beide percepties hebben een feitelijke basis, maar geen van beide geldt onafhankelijk van apparatuur en procesomstandigheden.
Tijdens de verdamping kan het monster nog steeds een temperatuurstijging ervaren als gevolg van thermische straling, blootstelling aan hittebronnen en de duur van de afzetting.
Bij elektronenbundelsystemen moet ook rekening worden gehouden met aanvullende factoren zoals elektronen, röntgenstraling, spatten van het bronmateriaal en deeltjes.
Polymeren, fotoresisten, lagen met een laag smeltpunt of stralingsgevoelige apparaten mogen niet als veilig worden beschouwd louter op basis van de procesnaam. In een sputteromgeving kunnen naast doelatomen ook stromen van ionen, elektronen, gereflecteerde neutrale stoffen en onzuiverheden aanwezig zijn. Substraatbias, plasmalocatie en werkdruk veranderen de daadwerkelijke energie-input die aan het monster wordt geleverd. Gematigde energie kan oppervlaktemigratie en grensvlakbinding bevorderen, terwijl overmatige energie kan leiden tot temperatuurverhoging, oppervlaktemodificatie, hersputtering of schade aan gevoelige lagen.
Daarom moet men bij het bespreken van monstertolerantie niet alleen maar vragen "of de temperatuur hoog is". Het is ook noodzakelijk om te overwegen waaruit het monsteroppervlak bestaat, of er dunne oxidelagen of tweedimensionale materialen onder liggen, of de fotoresist nog steeds aanwezig is, of de fabricage van het apparaat voltooid is en of uitgloeien of reinigen na het proces toegestaan is.
05｜Waarom ‘gesputterde films dichter zijn’ is slechts een uitgangspunt
Een dunne film daalt niet neer als een massief blok metaal. In plaats daarvan adsorberen binnenkomende deeltjes eerst en vormen ze kernen om eilanden te vormen. Deze eilanden groeien vervolgens uit en vloeien samen, en ontwikkelen zich uiteindelijk tot een doorlopende film. De energie van aankomende deeltjes, de temperatuur van het substraat, de afzettingssnelheid, de invalshoek, de reinheid van het oppervlak en het resterende gas bepalen allemaal de mobiliteit van deeltjes aan het oppervlak en wijzigen de korrelgrootte, porositeit, ruwheid, textuur en restspanning. De energetische gesputterde deeltjes en de daarmee samenhangende energiestromen leiden over het algemeen tot verwachtingen van verbeterde oppervlaktemobiliteit en relatief dichte films.
Niettemin kunnen gesputterde films ook poreuze kolomvormige structuren, aanzienlijke spanningen of hoge ruwheid ontwikkelen onder omstandigheden van hoge werkdruk, aanzienlijk botsingsenergieverlies, ongunstige invalshoeken of inadequate oppervlakteomstandigheden. Evenmin zijn verdampte films inherent poreus. Wijzigingen in de substraattemperatuur, de depositiesnelheid, de oppervlaktebehandeling en de aanvullende energie-input zullen eveneens het nucleatie- en groeigedrag veranderen.
Een hogere filmdichtheid vertaalt zich niet automatisch in beter presterende apparaten. Metalen elektroden kunnen een hogere prioriteit geven aan contactweerstand en randintegriteit; optische structuren kunnen zich meer richten op ruwheid en optische constanten; hangende constructies zijn zeer gevoelig voor spanning; diffusiebarrièrelagen besteden veel aandacht aan continuïteit en defectpaden. "Dense" is slechts een materiële beschrijving. Uiteindelijk moeten de prestaties worden beoordeeld aan de hand van de functionele vereisten van de dunnefilmtoepassing.
Samenvatting
Zowel door verdamping als door sputteren kunnen metalen worden afgezet, maar het zijn geen verwisselbare drukknopopties. Door verdamping verdampen materialen via verwarming in de gasfase en vertonen ze onder typische omstandigheden een sterke zichtlijnrichting. Sputteren maakt doelatomen vrij door middel van ionenbombardement; Botsingen binnen de geometrie van het werkgas en de apparatuur leveren over het algemeen een breder scala aan aankomsthoeken op.
Beweringen als ‘verdampen is beter’ of ‘sputteren is beter’ zijn voorbarig. Een geschikt procestraject moet uitleggen hoe de deeltjes bij de kenmerken terechtkomen, specificeren welke locatie zal worden geïnspecteerd op de minimale filmdikte, welke soorten storingen moeten worden verwacht en welke uiteindelijke criteria zullen worden gebruikt om te beoordelen of de dunne filmlaag werkelijk zijn beoogde functie heeft vervuld.
