Physical Vapor Deposition Introducere
Caracteristică generală care descrie PVD este faptul că peliculele sunt depuse atomar prin intermediul fluxurilor de individuale de specii neutre sau ionice.
Termenul de depunere de vapori fizice apare iniţial în cartea "Vapor Deposition" 1966 de către CF Powell, JH Oxley şi JM Blocher Jr.
Tehnici PVD Tehnici de PVD include toate tehnicile bazate pe depunerile prin evaporare, cum ar fi e-beam sau evaporare de la barca caldă, prin evaporare reactivă si depunere asistată de ioni. Tehnici de PVD, de asemenea, includ toate procesele bazate pe pulverizare, fie printr-o plasmă sau de către un fascicul de ioni. PVD este de asemenea, folosit pentru a descrie depunerile din surse de arc.
Procesul substractiv Unul din procesele litografiece este un proces substractiv bazat pe depunerea de planare plane şi şablonarea ulterioare prin intermediul de extragere cu ioni reactivi (RIE)
.
Procesul "Damaschin“ Clasa a II generală a tehnicilor de depunere prin umplerea cu metal şi lustruite, într-o tehnică cunoscută în industria ca "Damaschin“.
1. Bazele depunerii prin evaporare 1.1 Evaporare (depunere)
Vacuum evaporation
1.1.1 Principiul fizic Evaporarea implică două procese de bază: •de evaporare de material de la sursa fierbinte •condensare pe substrat. La o presiune tipică de 10-4 Pa, o particulă 0.4-nm, are o cale liberă medie de 60 m.
1.1.2 Echipamente Orice sistem de evaporare include o pompă de vid, o sursă de energie pentru a evaporă materialul. Diferite surse de energie există: •În metoda termica, conductor de metal alimentează boilere incalzite din semimetal (ceramică), cunoscut sub numele de "nave" din cauza formei lor. •În metoda fascicul-de-electroni, sursa este încălzită de către un fascicul de electroni, cu o energie de până la 15 keV. • În evaporare flash, un fir fin de materie primă este alimentat în permanenţă pe un bar fierbinte de ceramică, şi se evaporă de pe contact. •Evaporarea rezistiva se realizeaza prin trecerea de curent mare printr-un fir rezistiv, sau folii .
1.1.3 Caracteristici evaporare in vid •Materialul este încălzit pentru a atinge stare gazoasă •Evaporarea este efectuata in vid înalt (10-7 torr, sau 10-4 ~ 10-5Pa) Avantaje •Filme pot fi depuse la rate mari (~ 0.5 μm / min) •Atomii de energie scăzuta (~ 0.1 eV) lasă daune putine de suprafaţă •Putine gaze reziduale şi contaminarea de impurităţi din cauza vidului inlat •Nu se încălzeste substratul •Inexpensiv Limitari •Dificil de controlat compuşi aliaj •Acoperire saraca de prag •Acoperire neuniformă de placheta sau mai multe plachete
1.1.4 Cerinţe de sistem de evaporare
•Vid:
-10-6 Torr pentru filme de calitate medie •Apă de răcire - Hearth - Bell Jar •Shutter mecanice - Rata de evaporare este stabilita de către temperatura de sursă, nu poate să fie activată şi dezactivată rapid. O obturator mecanic permite un control al pornirii şi opririi. •Putere electrică - Fie înaltă tensiune sau curent mare: de obicei 1-10kW
1.1.5 Materiale de sprijin de evaporare •Metale - Wolfram (W): MP = 3380 ° C - Tantal (Ta): MP = 3000 ° C - Molibden (Mo): MP = 2620 ° C •Ceramica - Graphitic de carbon (C): MP = 3700 ° C - Nutrida de Bor (BN): MP = 2500 ° C - Alumina (Al2O3) MP = 2030 ° C
1.2 Evaporare cu încălzire rezistiva •Simplu, robust, ieftin •Pot să ajungă până la temperaturi de 1800 ° C •Utilizeaza filamente W, Ta, Mo pentru a incalzi surse •Curenţii tipici de filament sunt 200-300A •Substraturi expuse la radiaţii vizibile şi IR •Ratele de tipice sunt 0.1-2 nm / sec • Materiale - Au, Ag, Al, Sn, Cr, Ti, Cu Resistive heating elements
1.3 Optimizare proceselor de evaporare •Calitatea de vid, precum şi puritatea materialului sursă. •Geometriei camera de evaporare. •Dimensiunile filamentului limitează cantitatea de material care poate fi depusă. •În scopul de a depune un material, sistem de evaporare trebuie să fie capabil să-l topească. •Fascicul de electroni-evaporare permite un control strict al ratei de evaporare. •Acoperire de praguri.
1.4 Comparaţie cu alte metode de depunere •Pulverizare şi chimice, au o acoperire de prag mai bună. •Pulverizare tinde să depună material mai încet decât de evaporare. •Fascicule de electroni tind să producă raze X şi electroni de dispersie, pot deteriora, de asemenea, substratul.
2. Depunerea fizică din vapori cu fascicule de electroni
2.1 Introducere Depunerea fizică din vapori cu fascicule de electroni sau EBPVD este o forma de PVD în care un anod ţintă este bombardat cu un fascicul de electroni emanate de un filament de wolfram sub vid înalt. Atomi apoi precipitează în formă solidă, acoperind totul în camera de vid (în termen de linie de vedere), cu un strat subţire de material de anod.
2.2 Proprietăţi electroni
sisteme
fascicule
de
•Mai complexe decât încălzirea rezistiv, dar extrem de versatilă •Poate atinge temperaturi > 3000 ° C •Utilizează creuzete de evaporare într-o vatră de cupru •Tensiuni tipice de emisie: 8-10 kV poate produce raze X •Ratele tipice de depunere 1-10 nm / sec •Materiale evaporat: -
Toate folosite in încălzire rezistivă, plus Ni, Pt, Ir, RH, Ti, V, Zr, W, Ta, Mo Al2O3, SiO, SiO2, SnO2, TiO2, ZrO2
Electron Beam Physical Vapor Deposition
2.3 Procesul de depunere EBPVD Caracteristici tehnice:
-4
Într-un sistem de EBPVD, camera de depunere este pompată până la o presiune de 10
Torr.
Materialul care urmează să fie evaporat este în formă de lingouri (bulk). Există şase surese (tunuri) de electroni, fiecare având o putere de la zeci la sute de kW. În cazul în care tensiunea de accelerare este cuprinsă între 20 kV - 25 kV şi curentul
fasciculului este câţiva amperi, 85% din energia cinetică a electronilor este convertită în energie termică când fasciculul bombardează suprafaţa lingou. Lingou în sine este închis într-un creuzet de-2cupru,2 care este răcit de circulaţiea apei.. Rata de evaporare poate fi de ordinul a 10 g/cm sec.
2.4 Particularităţi depunere aliaje prin EBPVD
Carburi precum carbură de titan şi boruri cum ar fi borid de titan şi borid de zirconiu se pot evapora, fără a suferi o descompunere în faza de vapori. Aceşti compuşi sunt depuse prin evaporare directă. Anumiţi oxizi de refractare şi carburi supuse fragmentării în timpul evaporării lor de către fasciculului de electroni, rezultând într-o stoichiometrie, care este diferită de materialul iniţial. De exemplu, alumina, atunci când evaporat de fascicul de electroni, disociază în aluminiu, AlO3 şi Al2O. Unele carburi refractare, cum ar fi carbura de siliciu şi carbură de wolfram se descompun la încălzire şi elemente disociate au volatilitate diferite. (Aceşti compuşi pot fi depuşi pe substrat, fie prin evaporare reactivă sau prin co-evaporare)
- Evaporare reactivă:
Vaporii sunt transportaţi de gaze reactive, care este oxigen în caz de oxizi metalici sau de acetilenă în caz de carburi metalice. Atunci când condiţiile termodinamice sunt îndeplinite, vaporii reacţionează cu gazul din apropiere de substrat, pentru a forma pelicole.
- Co-evaporare:
Pelicule carburi metalice pot fi, de asemenea, depuse prin co-evaporare. În acest proces, două blocuri sunt folosite, unul pentru metal si alte de carbon. Fiecare bloc este încălzit cu un fascicul de energie diferit, astfel încât rata lor de evaporare poate fi controlată.
2.5 Substratul Suportul pe care depunerile de film are loc este curăţat prin ultrasunet şi fixat. Titularul substratului este ataşat la arborele manipulator. O polarizare negativă de curent continuu de tensiune de 200 V - 400 V pot fi aplicate la substrat. De multe ori, electroni focusaţi de mare energie de la unul din tunuri de electroni sau de lumină în infraroşu de la lămpile de încălzire este folosit pentru a preîncălzi substratul.
2.6 Adsorbţia Adsorbţiea este lipirea unei particule la suprafata Physisorption: - Molecula pierde energia cinetică in energie termica în o perioadă de timp, ce nu îi permite acesteia să depăşească pragul necesar pentru a se evacua. Chemisorption: - Molecula pierde energia cinetică la o reacţie chimică care formează o legătură chimica între acesta si alti atomi substrat.
2.7 Condensarea •Moleculele ajuse pe suprafaţa pot:
Adsorbi şi a se alipi permanent, în locul în care au aterizat (rar) Adsorbi şi difuza în jurul suprafeţei pentru a găsi un site apropriat Adsorbi şi desorbi dupa o durată de viaţă de şedere. Imediat reflectă în afara suprafeţei
•Molecule Incidente de vapori în mod normal, au o energie cinetică mult mai mare decât kT din suprafaţa substratului •Daca se vor lipi sau nu depinde de cât de bine se poate echilibra cu suprafaţa de substrat transmitind suficienta energie, astfel încât să ea nu poate părăsi substratul. \
2.8 Control de condensare.
Controlul de condensare se realizează printr-un control al temperaturii substratului Temperatura inalta a substratului: •Mareste energia termică a moleculelor adsorbite •Scurtează timpul de rezidenţă •Mareste diffusivitatea de suprafata a moleculelor adsorbite •Efectueaza recoacerea peliculelor depozitate Incalzitoare de suport •Lămpile de IR frontale •Bobine de incalzire din reversul plachetei
2.8 Depunere asistată de fascicul de Ioni – particularităţi Sistemele EBPVD sunt echipate cu surse de ioni utilizate pentru extragere şi curăţare de substrat, pulverizare ţintă şi controlul microstructurii substratului. Fascicole de Ioni bombardeze suprafaţa şi modifică microstructura a filmului. Bombardamentul de Ioni, de asemenea, măreşte densitatea de film, schimbă granulaţia şi modifică filme amorfe în filme policristaline. Ionii de energie scăzută sunt utilizaţi pentru suprafeţele de pelicole semiconductoare.
2.9 Avantajele EBPVD Rata de depunere în acest proces poate fi la fel de mici ca 1 nm, pe minut şi la fel de ridicat ca câţiva micrometri pe minut. Eficienţa de utilizare materialului este mare comparativ cu alte metode, Precum şi procesul oferă un control structural şi morfologic de filme.
2.10 Dezavantaje EBPVD Costul inalt al echipamentului, EBPVD este un proces cu o depunere linie-de-vedere, deci acest proces nu poate fi
folosit pentru a acoperi suprafaţa interioară a geometrii complexe. O altă problemă potenţială este faptul de degradare de filament al tunului de electroni ce rezultată într-o rată ne-uniformă evaporare.
3. Molecular Beam epitaxia (MBE) Particularităţi: •Este de fapt de evaporare, nu CVD •Necesită vid ultra înalt (10-10 Torr) •Celule conţin mostre foarte pure a materialul ţintă. •Jaluzele sunt deschise şi expuse la un fascicul de electroni care vaporizeaza materialul ţintă. •Suprafaţă plachetei este încălzită pentru a promova creşterea epitaxiala a filmului. •Placheta este rotita pentru a îmbunătăţi creştere uniformă de film. •MBE permite crearea de dispozitive foarte specializate: - sandwich de Mono-straturi atomice sunt posibile •O jucarie preferata a laboratoarelor de cercetare, dar este de asemenea folosita, în mass-producţia de dispozitive în bază de arseniură de galiu. Procese MBE: •Inserare eşantion si incalzirea
materialul surselor •Deschiderea obloane •Monitorzarea condensari şi
sublimarii •Inchiderea obloane •Eliminarea mostră
4. Pulverizare catodică 4.1 Introducere Surse de pulverizare sunt, de obicei magnetroane care utilizeaza câmpurile electrice şi magnetice puternice pentru a crea o capcană pentru electroni aproape de suprafaţa magnetron, care este cunoscut sub numele de ţintă. Electronii crculă pe căi elicoidale în jurul liniilor de câmp magnetic în curs de coliziuni ionizante, mai mult cu gaze neutre aproape de suprafaţă ţintei. Gazul de pulverizare este inert, de obicei argon. Ionii suplimentari de argon creaţi ca rezultat al acestor coliziuni duce la o rată mai mare de depunere. De asemenea, înseamnă că plasma poate fi susţinută la o presiune mai mică. Atomii pulverizaţi sunt neutri şi astfel nu sunt afectaţi de capcana magnetică. Pulverizare: •Utilizeaza particule de mare energie (plasmă) pentru a disloca atomi de la suprafaţă de sursa •Se efectuază în vid scăzut-mediu (~ 10-2 Torr) Avantaje o Pot folosi surse mari pentru uniformitatea de film o Control de grosime usor in timp, o Usor de depozitat aliaje şi compuşi o Aacoperire buna de Pas o Lipsa daunarii X-ray
4.2 Pulverizare cu fascicul de ioni Pulverizare cu fascicul de Ioni (IBS) este o metodă în care ţinta este expuse la sursa externe de ioni. O sursă poate funcţiona fără nici un câmp magnetic . Într-o sursă de ioni Kaufman ionii sunt generaţi de coliziunile cu electroni, care sunt limitate de un câmp magnetic ca într-un magnetron. Ei sunt apoi acceleraţi de câmp electric ce provine de la o grilă spre o ţintă. Cum ionii părăsesc sursă ei sunt neutralizaţi de electroni de la un al doilea filament extern. Avantaje IBS are un avantaj în faptul că energia şi fluxul de ioni pot fi controlate independent. Dat fiind faptul că fluxul ce loveste ţinta este format din atomi neutri, materiale fie izolante sau conductoare pot fi pulverizate. Dezavantaje Dezavantajul principal al IBS este cantitatea mare de întreţinere necesară pentru a menţine operarea sursei de ioni. [1]
4.3 Pulverizare reactivă In pulverizare reactivă, filmul depus este format prin reacţia chimică între materialele ţintă şi un gaz care este introdus în camera de vid. Oxide şi filme de nitrură sunt adesea fabricate cu ajutorul pulverizării reactive. Compoziţia de film poate fi controlată prin diferite presiuni relative a gazelor inerte şi reactive. Oxid de indiu conductor transparent care este utilizat în celulele optoelectronice şi solare se face prin pulverizare reactivă.
4.4 Depunere asistată de ioni
Depunere asistată de ioni (IAS), este o tehnica care simultan combină implantarea ionică
cu alte tehnici de depunere. Pe lângă furnizarea de control independent de parametri, aceasta tehnica este utilă în special pentru a crea o tranziţie treptată între substrat şi pelicula depusă, precum şi pentru depozitarea filmelor mai puţin încorporate în substrat decât este posibil prin alte tehnici. Aceste două proprietăţi poate duce la pelicule cu o legătură mult mai durabilă la substrat.
IAS poate fi utilizat pentru depozita carbon în formă de diamant pe un substrat. NASA a folosit aceasta tehnica de a experimenta cu depunerea de filme de diamant pe paletele turbinelor în anii 1980. IAS este utilizat în alte aplicaţii industriale importante, cum ar fi crearea de straturi de carbon amorf tetrahedral pe suprafaţă pe hard disk si acoperire cu nitrură de metal dur de tranziţie pe implanturi medicale.
4.5 Pulverizare de utilizare înaltă a ţintei Pulverizare poate fi, de asemenea, efectuata de către generaţie de la distanţă de o plasmă de densitate mare. Plasma este generată într-o cameră laterală deschisă spre camera procesului principal, care conţine ţintă şi substrat pe care urmează să fie depusă pelicula.
4.6 Pulverizare în impuls de mare putere magnetron (HIPIMS) High Power Impulse Magnetrone pulverizare HIPIMS este o metodă pentru depuneri fizice din vapori de filme subtiri, care se bazează pe depunere magnetron prin pulverizare catodică. HIPIMS utilizeaza densităţi extrem de mare de putere de ordinul a kW/cm2 în impulsuri scurte (impulsuri) a zeci de microsecunde .
4.7 Pulverizare în flux de gaz Procesul face uz de efectul de catod tubular, prin care un flux de un gaz de lucru ca argon este condus printr-o deschidere într-un metal supus la un potenţial electric negativ. Densităţi plasmă enhanced apar la catodul tubular, în cazul în care presiunea din camera p şi o caracteristica de dimensiune L a catodului tubular îndeplineşte cerinţa Paschen 0.5 Pa • m < p • L < 5 Pa • M. Aceasta determină un flux ridicat de ioni de pe suprafeţe înconjurătoare şi un mare efect prin pulverizare catodică. Pulverizare bazate pe catod tubular în flux de gaze poate fi, astfel, asociate cu rate mari de depunere până la valori de câţiva μm / min [4].
4.8 Elemente de bază de pulverizare Pentru PVD bazate pe tehnici de pulverizare, marea majoritate a cazurilor de interes va folosi bombardamentul de catod negativ-bias, cu ioni de gaz inert de mare energie. Efectul acestor ioni de intrare este de a disloca fizic unul sau mai mulţi atomi din ţintă, care apoi se muta la rândul său şi izbeşte de alţi atomi în cadrul structurii de suprafaţă. Această cascadă de coliziuni poate duce în cele din urmă că unul sau mai mulţi atomi din apropierea straturile superficiale care au suficienta energie cinetică (şi direcţia corespunzătoare) pentru a depăşi energia obligatorie de suprafaţa şi părăsesc suprafaţa. Acest atom este apoi descris ca fiind pulverizat de la suprafata, deşi ar putea avea originea de mai jos de la suprafaţa iniţială cu 1-2 straturi. Succesiunea exactă a coliziunilor este, după cum s-ar putea să fie evident din schita, foarte dependente de traiectoria exactă şi site-ul de impact al ionilor incident. Deoarece aceste caracteristici nu sunt controlabile, pulverizarea este, de obicei descrisă prin efecte medii: resultatul (impactul) de multe milioane de ciocniri şi media emisiilor de particule pulverizate. Acest lucru este cunoscut generic ca randamentul pulverizării catodice, şi este pur şi simplu raportul dintre numărul de particule emise, pulverizate şi numărul de incidente cauzate de ioni de mare energie. Randamentul variază de la nedetectabile, în esenţă, energii de ioni foarte mici (zeci de eV), la numerele de ordinul de 1-5 pentru energii de ioni de multe sute şi mii de electronvolţi. Un grafic de randamente pentru anumite materiale de interes pentru prelucrarea de materiale semiconductoare este prezentată în figura 15.4
Presiunea pe parcursul pulverizării: Cele mai multe sisteme de depunere prin pulverizare
catodică magnetron sunt operate la presiuni în intervalul scăzut milli-Torr, cazul în care drumul liber pentru coliziuni în faza de gaz este în general mai mare decât distanţa dintre catod şi probă. La presiuni mai mari decât câţiva milli-Torr, acest lucru nu se mai petrece, şi La presiuni de circa 30 mTorr sau mai sus, în esenţă, toţi atomii pulverizaţi au numeroase coliziuni de fază de gaz şi pierd în esenţă, toată energia lor cinetică iniţială şi direcţia din procesul de pulverizare [ 12-16]. Procesul "thermalization" : Acest proces este cunoscut sub numele de "thermalization" din punctul de vedere al atomului pulverizat, care devine echilibrat termic cu gazul de fundal. Procesul, de asemenea, rezultă în încălzire semnificativă, deşi, rezultând într-o rarefiere locală a gazului de fond în regiunea de la catod. Pentru niveluri semnificative de putere aplicate la magnetron, densitatea rezultantă de gaz poate fi micşorată, cu 20% din densitatea de pornire, cu o temperatură echivalentă de gaz de 1500 K sau mai mult [17]. Probabilitatea de transport: O depunere semnificativă va apărea pe pereţii laterali a camerei, precum şi alte componente ale sistemului.
Probabilitatea de transport poate fi caracterizată printr-un număr între 0 şi 1, unde 1 înseamnă că toţi atomii pulverizaţi de pe catod sunt depozitaţi pe suprafaţa probei si 0 implică faptul că atomii nu sunt depozitate [17]. Cu toate că sunt rareori măsurate, datele arată tendinţele influienţei presiunii, parcusului liber şi de gaz utilizat, precum şi de specii ţintă (Tabelul 15.1). Eficienţa depunerii: În acest ultim caz, este de aşteptat că, atunci când greutate atomică a ţintei depăşeşte greutatea atomică de gaze, transportul va fi mai eficient. O mai frecventă caracteristică metrică utilizată pentru a caracteriza eficienţa de depunere este de a calcula rata de unitate de depunere per watt de putere aplicată. Rezultatele sunt de obicei prezentate în unităţi de Angstroms / sec / Watt. Un exemplu de acest tip de date este prezentată în Tabela 15.2 pentru camera de pulverizare Applied Materials Endura.
Notă: În general, un număr tipic pentru eficienţa acestui tip de depunere este de ordinea de 1 Angstrom / sec / Watt, cu numere mai mari pentru astfel de materiale ca Cu, care au un randament ridicat prin pulverizare catodică.
4.8 Sisteme de SD Pentru aplicaţii de semiconductoare, în esenţă, cca 100% a sistemelor de depunere se bazează pe o variaţie a unui dispozitiv DC cunoscut ca un magnetron. Există rapoarte de activităţi efectuate prin utilizarea de sisteme de depunerile cu RF, dar acestea sunt de obicei folosite în cazuri de materiale dielectrice, cum ar fi high-k dielectric, şi nu sunt în utilizarea pe scară largă. •Câmp magnetic este utilizat pentru a limita plasma şi câmp electric folosit pentru accelerare; •Plasmă DC utilizate pentru metale conductive •Plasmă RF utilizate pentru dielectrice nonconductive •Mai multe surse pot fi mixate
DC pulverizare •utilizează plasmă pentru a pulveriza ţinta, dislocarea de atomi care apoi depozitează pe plachete, pentru a forma pelicula. •presiuni mai ridicate decât de evaporare 1-100 mtorr. •o mai bună solutie de depozitare de aliaje şi de compuşi decât evaporare . RF pulverizare •Pentru DC pulverizare, electrozii-ţintă sunt conductori. •Pentru a folosi materiale dielectrice RF pulverizare este folosita. •În cazul în care zonele de electrozi nu sunt egale, cimpul trebuie să fie mai mare la electrodul mai mici (mai mare densitate de curent), pentru a menţine continuitattea de curent.
Pulverizare magnetron Un catod magnetron diferă de la un catod convenţional, planar, prin faptul că există un câmp magnetic local paralel cu suprafata de catod. Efectul de câmp tangenţial este de aşa natură încât electronii secundari, care sunt emişi de la suprafaţa catodului din cauza bombardamentului de ioni (care este cauza pulverizării), supus unui ”ExB” Drift în jurul suprafaţei catodului. Aceşti electroni derivaţi sunt prinşi aproape de regiunea de catod şi pot duce la niveluri foarte înalte de ionizare de gaze, ceea ce duce la descărcarea de foarte mari a curenţilor (Ioni).
.
Pulverizare magnetron - semiconductori Magnetroane utilizate în sisteme de producţie din materiale semiconductoare derivă din acest design de bază. Diametrul de catod este, de obicei cu 50% mai mare decât proba pe care urmează să se depună (30-32 cm, pentru un eşantion de plachete de 200 mm). Această scalare este probabil să se deţină astfel cum plachetele migrează spre generaţia de 300 mm, care conduce la diametre de catod de ordinea 45 cm. Pulverizare magnetron–distanţa catod-probă Distanţa catod-probă, sau "aruncarea“, variază de la distanţa de la circa 3 la 10 cm, cu cele mai multe instrumente de operat la circa 5 cm. În cele mai multe instrumente de producţie, magnetroane sunt configurate pentru a emite în jos pe plachetă. Initial, au existat aşteptări că această configuraţie ar avea drept rezultat maxim de particule contaminare pe probe, pur şi simplu din cauza gravitaţiei. Cu toate acestea, cele mai multe particule sub-micronice, în sistemele de vid, sunt mult mai influenţate de sarcină statică, forţele Van-der Wahl, şi turbulenţe în faza de gaz decât sunt de gravitaţie.
Fixare plachete Plachetele sunt fixate pe platforme substrat în unul din trei moduri: •o clemă fizică, (reduce suprafaţă utilă de plachetă cu câteva procente, însă tinde la un cuplu fizic şi termic al plachetei cu piedestalul, oferind un control moderat al temperaturii). •fără strângere prin amplasarea plachetei în locaţii speciale (oferă o acoperire completă de plachetă, dar se pierde orice fel de control a condiţiilor termice sau electrice a plachetei) şi •prindere electrostatică (Prinderea electrostatică poate oferi avantajele ambele metode anterioare).
Magneţi - configuraţii Magnetroane de producţie sunt configurate cu magneţi în mişcare, mai degrabă decât magneţii fix din figura 15.5. Aşa cum se arată în figura 15.6, magnetul se află în spatele suprafaţei catodului şi se roteşte în jur în baie de apă de răcire. FIGURE 15.6 Magnetron design with moving-magnet, heart-shaped etch track. (From Powell, R. A. and S. M. Rossnagel, PVD for Microelectronic , Academic Press, Boston, NY, 1998.)
Particularităţi magnetron Pista de extragereeste de obicei in forma de inima cu indentarea în partea de sus a inimii aproximativ pe centrala catodului. Această sistem de magnet este acţionat de un motor extern pentru a ciclului în jurul suprafaţa catodului la câţiva Hertz. Toţi catozi magnetron sunt răciţi cu apă. Practica şi probleme de siguranţă limitează temperatura apei de racire de la catod la 60 C. Presupunând un excelent transfer de caldura, acest lucru duce la o cerinţă de aproximativ 1 / 4 galon-pe minut. Cavitatea din spatele catodului conţine magneţi şi, de asemenea, apă de răcire, de obicei cu linia de apă de aproximativ 2 cm diametru.
Modelele de catod recente au migrat spre o configurare de ţintă, care conţine canale de apă. Această permite de a obţine mai mari dimensiuni de catod şi permite magneţilor să opereze în aer, reducând corozia inevitabilă atât a magneţilor cât şi de pieselor, ce aduce la faptul că asamblul-ţintă devine mai scump.
4.9 Particularităţi SD: Reflow Problema fundamentală a depune atomi într-o groapă profundă pot fi rezolvate in 2 moduri: •utilizând fie mobilităţi sporite de suprafata de atomi depuşi, sau, •directionalitate sporită de atomi depuşi. Mobilitate de suprafata Prima abordare este mai apropiată de cereri de depunere planară de film discutat mai sus şi utilizează, în esenţă, acelaşi set de instrumente, cu toate că nu abordează fundamental, natura non-directională de depunere prin pulverizare catodică. Douiă tehnici în general au evoluat pentru a se adresa de mobilitate de suprafata de atomi:
primul este pur şi simplu creşterea temperaturii eşantionului, iar a doua se bazează pe o extrudare mai macroscopică de material de film în gropi profunde.
Temperatura de suprafaţă Efectele temperatură a eşanţionului măresc difuzia de suprafaţă, formarea de granule şi creşterea activităţii chimice a materialului de film, de asemenea şi caracteristici negative, cum ar fi aglomerare de film, formarea de goluri, re-evaporare, precipitaţii, precum şi a interdiffusion film cu straturi subiacente. Scopul unui proces de Reflow termic este că atomii trec de la suprafeţe plane în adîncituri profunde, cum ar fi tranşee sau VIAS. Mişcarea acestor atomi înseamnă că traiectoria lor iniţială de depunere (şi condiţii) sunt lipsite de importanţă, şi acest lucru este în concordanţă cu PVD convenţional, tehnologie de depunere magnetron de rata de înaltă. Umplerea fântânilor Având în vedere că partea de jos a unui şanţ are o forma concava, acest lucru va tinde să fie o chiuveta pentru atomi de difuziune termică. Cu toate acestea, acest lucru presupune că tranşee rămâne deschisă în partea de sus în timpul procesului de reflow. În cazul în care partea de sus este închisă şi un gol format, apoi mişcare ulterioare de atom este, prin difuzie în bulk, mai degrabă decât de difuzie de suprafaţă, şi este caracterizată printr-o energie de activare mult mai mare. Acest lucru înseamnă că, la orice temperatura eşantionului dat, un proces bulk-difuziedominat va fi cu mult mai lent decât un proces de suprafaţă de difuzie. Cerinţe Reflow În general, este necesar ca primul strat a filmului să wet suprafaţa şi să aibă o bună aderenţă, sau, altfel efectul temperaturii suplimentare a probei - se vor forma grupuri şi picături, mai degrabă decât un film continuu.
Acest lucru este, un proces de 2 paşi, în care stratul de germeni este depozitate la temperatura scăzută şi temperatura probei este mărită, astfel încât restul depunerilor este la temperatură înaltă pentru a facilita Reflow rapidă. Mai multe modificări ale acestui proces includ utilizarea de pulverizare collimată sau depunerilor lungă-aruncare sau chiar utilizarea unui strat CVD pentru stratul de germeni.
Reflow - Puritatea Procesele Reflow termice necesita un nivel ridicat de puritate, deoarece contaminarea suprafeţei de plachetă sau a impurităţilor de gaze, cum ar fi oxigen sau apă pot împiedica în mod semnificativ procesul de difuzie de suprafata. -7 Pentru cazul Al Reflow, cantităţi foarte mici de oxigen (presiune de la 10 Torr) sunt suficiente pentru a forma insule mici de oxid, care apoi împiedica difuzia. Reflow – straturi intermediare Straturi subţiri de Ti depus chiar înainte de Al Reflow poate conduce o mai bună Reflow de Al, precum şi de aderenţă mai bună. Acest Ti poate fi apoi încorporate în Al ca TiAl3 din cauza temperaturii crescute, iar acest lucru poate servi la reducerea stresului de film şi posibilitatea de electromigraţie redusă [23]. Această TiAl3, cu toate acestea, are o rezistivitate înaltă care poate duce la creşterea rezistenţei linie.
Reflow – preocupări Prima preocupare se referă la cerinţa ca, gropi sau tranşee rămân deschise în timpul procesului de reflow, astfel încât energia de activare pentru difuzie de suprafaţă, spre deosebire de difuzie în bulk, este dominantă. Acest lucru limitează atât rata de depunere, precum şi dimensiunea minimă a gropi. Interacţiunea este între non-incidenţa normală a procesului de depunere prin pulverizare catodică, care tinde să formeze golurile, şi rata de mobilitate de suprafaţă, care tinde să umple cele mai mici VIAS şi tranşee prima şi, de asemenea, să le păstreze deschise Compromisul este determinat de cea mai mare temperatura substratului acceptabil, ca rezultat al temperaturi ridicate este difuzia mai rapidă. Tipic, in procese semiconductoare în baza de oxid este o temperatură maximă de 400 C, şi că temperatura va scădea în mod semnificativ cu introducerea unui mai nou, low-k dielectric. Al doilea aspect se referă atât la dimensiunea de gropi, precum şi densitatea gropilor pe
suprafaţa de pe plachetă. Dat fiind că pur şi simplu este nevoie de mai mult timp, şi de atomi de mai mulţi, pentru a umple o gropiţă mai mare ca spre deosebire de una mică, gropile mai mari vor rămâne în urmă în timpul prelucrării. Reflow – variante O variantă pe tehnologii Reflow care au fost dezvoltat recent este cunoscut drept "umplere sub presiune înaltă". Acest proces utilizează pulverizare convenţională de pelicule, urmată de expunerea la aceste filme la presiuni extrem de mari statice a unui gaz inert, cum ar fi Ar. Cheia acestui proces este, spre deosebire de depunere Reflow convenţional, este de dorit foarte mult să depună filme într-un mod care golurile sunt formate. Probele sunt apoi eliminate din camera de pulverizare şi introduse într-o cameră de înaltă presiune. Temperatura se ridică la aproximativ 400 C, iar Ar este introdus în camera la un nivel de 600-700 atm. Presiune mare, împreună cu
natura elastică a Al la 400 C (0,75 de la temperatura de topire), permite Al să fie împins în jos, în VIAS (Figura 15.8).
4.10 SD - Depunere direcţională 4.10.1 Distanţe de parcurgere lungi Generalităţi Cele mai multe sisteme de PVD sunt concepute pentru rata maximă, distanţe scurte de parcurgere. Acest lucru duce, de asemenea, la cele mai puţin număr de atomi pierduţi pe pereţii camerei. Prin deplasarea eşantionului mai departe de catod un procent tot mai mare de atomi pulverizaţi sunt pierduţi pe pereţii laterali ai camerei. Aceasta are ca rezultat o reducere netă a ratei de depunere, şi, de asemenea, duce la o schimbare netă în directionalitatea medie a atomilor de depozitare. Distanţa ţintă-plachetă
Atomii, care sunt pulverizaţi de la suprafaţa ţintă la unghiuri mici (departe de incidenţa normale) sunt mai susceptibili de a ateriza pe pereţii laterali camera decât pe placheta eşantion. Atomi ce ajung la eşantion sunt mai susceptibile de a fi mai aproape de incidenţă normală decât cele convenţionale, depunerile de scurt-aruncare. Acest proces de filtrare geometrică este cunoscut generic drept depunere prin pulverizare catodică “long throw“. Procesul este limitat de presiunea de funcţionare a sistemului de şi împrăştiere de gaze. Pentru a reduce împrăştierea de zbor, drumul liber pentru atomi pulverizate ar trebui să depăşească distanţă de parcurgere.
Filtrare de direcţională Pentru a avea un grad semnificativ de filtrare de direcţie, distanţa trebuie să fie de ordinea de diametrul catodului, de 25 cm pentru un sistem cu placheta de 200 de mm. Acest lucru pune o limită practică de presiune de cateva zecimi de milliTorr de presiunea de operare, cum presiuni mai mari vor duce la distanţe liberă mai scurte cale decât distanţă de parcurgere. Cererile de fabricare de depunere de lungă distanţă tind să aibă distanţă de aproximativ 25 cm, care limitează fluxul depunerii la aproximativ 45o. Direcţionalitate mai mare se poate obţine numai cu distanţe mai lungi, care necesită presiuni mai mici. Asimetrie intrinsecă În cazul unei poziţii de probă în apropierea centrală a sistemului, depunerea este uniformă din toate unghiurile de până la unghiul cutoff. Cu toate acestea, aproape de marginea de plachetă, depunerilor este mai puternică din regiunile interioare ale catod, rezultand o acumularea mai mare pe pereţii laterali exteriori (Figura 15.10).
Asimetrie intrinsecă – limitări Argumente similare geometrice limitează extendibilitatea de depunere la distanţe lungi la generaţii de plachete de 300 mm. Având în vedere că catodul creşte în mărime până 30 - 45 cm în diametru, pentru a atinge aceeaşi nivel de directionalitate ar fi nevoie de o majorare de distanţă cu 50%, şi în acelaşi timp, reducerea presiunii de 2 ori. În general, aceasta tehnologie nu se adaptează bine la 300 mm şi este puţin probabil să fie disponibilă comercial.
4.10.2 Pulverizare colimată Generalităţi Într-un mediu de depunere cu distanţa liberă mare (drumul liber mediu >> distanţă), filtrare geometrică a fluxului poate fi, de asemenea, obţinută prin plasarea unui colimator între ţintă şi proba. Colimatorul serveşte ca un filtru simplu direcţional prin simpla colectare a atomilor, care afectează zidurile sale. Acest lucru este prezentată schematic în figura 15.11. FIGURE 15.11 Collimated sputter deposition.
Gradul de filtrare Gradul de filtrare este pur şi simplu funcţie de raport de aspect colimator, în cazul în care raportul aspect este definit ca grosimea colimator împărţită la diametrul de o celulă. Efectul asupra pulverizate de flux este prezentată în figura 15.12, care prezintă distribuţia de emisie convenţională ca o sferă centrată de la un site de impact pe suprafaţa catodului. FIGURE 15.12 Schematic of the emission distribution (shown as a sphere) and the subsequent filtering by collimator
Gradul de filtrare Sfera este domeniul de colectare a tuturor
traiectoriilor posibile pentru atomi pulverizaţi. Prin creşterea raport de aspect de colimator, distribuţia atomică transmisă este afişată ca un con centrat spre suprafaţa normală. Cât este mai mare gradul de collimare, este mai mic jumătate de unghi al conului de depunere. Rata de depunere, evident, suferă în timpul depunere prin pulverizare catodică colimată. Pentru fiecare creştere 1:1 al raportului de aspect de colimator, rata de depunere scade cu aproximativ 3 ori (Figura 15.13). FIGURE 15.13 Deposition rate as a function of pressure through a variety of collimators.
Depunere colimată – distanţa ţintă/substrat În pulverizare colimată, în general, nu este necesar să se mărească distanţa în mod semnificativ, altele decât grosimea colimator (de obicei 2-3 cm) Aceasta este distanţa de aproximativ 8-9 cm, care necesită un vid care funcţionează în gama 0.5-1 mTorr astfel că există puţine coliziuni în timpul zborului în faza de gaze. Această presiune de funcţionare este în raza de acoperire pentru majoritatea magnetroane comerciale. Durata de viaţă colimator Durata de viaţă a colimatorului este de obicei limitată de închiderea eventuala al celulei colimator, mai degrabă decât exfoliere pe durata de viaţă şi este de aproximativ de ordinea de jumătate din viaţă ţintei, dar acest lucru depinde puternic de materialul utilizat. Iniţial colimatoare au fost reciclate şi recurăţite, dar acest lucru este rareori făcut astăzi în producţie. O foaie-colimator de metal pentru pentru cerinţe de 200 mm costă de $ 600-2000.
4.10.3 SD Depunere ionizata RF Generalităţi
Pulverizarea fizică este predominantă de un proces de atom de emisie neutru: aproape nici un ion nu sunt formaţi în timpul procesului de pulverizare, şi chiar dacă o ioni au fost formaţi, ar fi avut loc pe suprafaţa de înveliş a plasmei. Ocazional, ioni negativi sunt formaţi în cazurile cu materiale foarte electronegative, dar acest lucru nu este o problemă pentru aproape toate materialele semiconductoare [38]. Atomii pulverizaţi sunt emişi cu gamă larga de unghiuri, şi deoarece acestea sunt neutre, nu există nici o altă cale decât simpla filtrare substractivă pentru a controla directionalitatea lor.
Plasme – ioni metal La sfârşitul anilor 1980, a devenit evident că totuşi e destul de uşor de a contamina aceste plasmă cu atomi de metal care au fost evaporaţi prin pulverizare pe pereţii interni a sistemului. Aceste atomi de metal au fost uşor ionizaţi şi ar putea fi folosite pentru a diagnostica extragerea de plasmă. În general, însă, acest lucru a fost considerat o mare bătaie de cap, deoarece ionii de metal ar strata diverse suprafeţe izolator şi ferestre în instrumente cu plasmă de înaltă densitate şi ruina eficacitatea lor. Nu a trecut mult timp, însă, înainte de a oamenii au început să introducă în mod intenţionat metal în plasme ca modalitate de depozitare intenţionată de filme, Plasma – întroducere ioni Erau întroduşi ioni metalici în primul rând, spre deosebire de atomi de metal. Avantajul depunere intrinsecă de Ion de metal este că, din cauza naturii plasmei, care este paralelă cu suprafaţa eşantion, toţi ionii sunt depozitate la exact incidenţă normală. Indiferent de traiectoria iniţială a atomilor de metal (care ar fi putut fi pulverizate de pe suprafaţă în apropiere, la un unghi aleator), ioni de metal au fost accelerată în eşantion la 90o şi energia cinetică a fost stabilită complet cu diferenţa dintre potenţialul de plasmă precum şi potenţialul de plachetă, ambele din care poate fi, în general, uşor de controlat (I-PVD). Plasma - rezonanta electroni-ciclotron Cele mai timpurii lucrări utilizau atât surse de pulverizare cât şi evaporare [39,40] şi o plasmă de înaltă densitate formată prin rezonanta electroni-ciclotron (ECR), care este acţionată de o sursă de microunde, la 2.45 GHz. Este necesar să se indice punctul de intrare pentru microunde la depunere de metal. Acest instrument este operat de deschidere a unei descărcări ECR în Ar, şi apoi incepand sursa de evaporare (de obicei Al sau Cu). Atomi de metal pot fi apoi ionizaţi de plasmă de gaz inert, iar la un moment dat argonul poatet fi eliminat prin pompare şi plasmă susţinută complet de sursă prin evaporare. Direcţionare ioni Având în vedere că locaţia probei nu este într-o linie directă-de-vedere la sursa prin evaporare, numai ioni sunt depozitaţi. Acest sistem a fost folosit pentru depuneri directă ionizată din Cu pentru materiale semiconductoare la un raport de aspect de 4:1 [40]. Din păcate entuziasm a fost putin pentru reintroducerea evaporarii ca o tehnologie materiale semiconductoare pe scara de fabricaţie, astfel încât această abordare a fost convertită la o abordare de pulverizare fizică [41,42]
Sisteme cu plasme inductiv cuplate RF
În paralel cu activitatea de elaborarea a sistemelor cu plasmă de înaltă densitate cu microunde, a existat interes semnificativ, de asemenea, în sisteme cu plasme inductiv cuplate RF de înaltă densitate, de obicei care operează la 1.9-13.56 MHz şi couplarea acestora cu plasme pe bază de metal. Este obţinută o combinare de o sursă de pulverizare de metal cu o plasmă densă de gaz inert, cu cuplaj inductiv, care este folosită pentru ionizare de metal. Schema generală a abordării RF inductiv cuplate la I-PVD este prezentată în figura 15.15. Catod magnetron este conventional, de exemplu, este acelaş catod utilizat pentru depunere magnetron prin pulverizare catodică. În locul de colimator,
bobina cu 1-3 rânduri de RF este poziţionată. FIGURE 15.15 Experimental configuration for rf-based I-PVD. (From Rossnagel, S. M., J. Va c. Sci. Te chnol., B16, (1998): 2585.)
Sisteme cu plasme inductiv cuplate RF În locul de colimator bobina cu 1-3 rânduri de RF este poziţionată aproximativ echidistant faţă de catod şi eşantion, de obicei 3-4 cm de la fiecare. Diametrul bobinei variază în funcţie de furnizorul şi de grup, şi tinde să fie aproximativ acelaşi diametru sau puţin mai mare decât diametrul de magnetron ţintă. Este important ca bobina nu intercepta linie directă magnetron-probă, deoarece acest lucru va duce la Shadowing aproape de marginea plachetă.
Potenţial plachetă Funcţia bobinei RF este de a crea o plasmă densă, cu cuplaj inductiv în gazul de fundal, care este de obicei Ar. Funcţia de magnetron este de a împroşca atomi în această descărcare. La proba, de obicei potenţialul de probă este deţinut, prin intermediul unui inel clemă, care, impreuna cu postamentul de proba, pot fi alimentate fie RF sau DC la un nivel de câteva sute de waţi cel mult. Potenţialul de plachetă va fi de obicei negativ, iar acest lucru va accelera ioni din plasmă, care au un potenţial pozitiv plasmatic de câţiva volţi. Folosind o bias RF, sunt exluse probleme cu izolator pe suprafeţa plachetei, dar rezultă într-o incapacitate de a măsura curenţii reali pe proba. Bobina RF Bobina RF a fost construită prin tubulatura de Cu, şi apă de răcire a fost furnizată, pentru a controla temperatura. Fire de dimensiuni mai mari dimensiuni şi au fost explorate: număr variat de rotaţii, bobine de spirala, etc. Cele mai bune rezultate au fost obţinute cu un număr minim de fire (1-2) şi cel mai mare diametru de tubulatură. Acestea măresc nivelul de cuplare inductivă cu plasma, resultând într-o densitate mai mare de plasmă. Monitorizare depunere Ionizare relativă în I-PVD sistem de RF a fost măsurată prin utilizarea unui analizor grid de energie la locul de probă. În loc de un colecţionar planar, detectorul a folosit o micro balanţă de cristal de cuarţ (Figura 15.16). Acest lucru permite detectorului de a face diferenţa între ionii de gaz inert şi ioni metalici. Datele de la acest tip de detector este nu sunt direct legate de un nivel relativ de ionizare în plasmă, deoarece presheath are tendinţa de a trage ioni metalici la proba. Cu toate acestea, este în conformitate cu raportul de depozitare de flux de ionizare.
FIGURE 15.16 Retarding grid energy analyzer used to measure relative ionization of the deposition flux. (From Rossnagel, S. M. and Hopwood, J. J. Va c. Sci. Te chnol., B12, 449, 1994.)
Majorare Presiune Ionizare relativă, după cum s-ar putea fi de aşteptat, au avut tendinţa de a creşte pe măsură ce presiune a camerei a fost majorată la descărcarea cu cuplaj inductiv (Figura 15.17). A fost o uşoară diferenţă de la Ar la Ne care pot fi atribuite, posibil la o temperatură mai mare de electroni pentru Ne. Cu toate acestea, se poate observa din figura ca nivelurile de ionizare relativă de 80-90% sunt posibile. Ionizare maximă a fost observată la presiuni de ordinul de gama zecilor mTorr. La aceste presiuni atomii pulverizaţi tind să aibă mai multe coliziuni în faza de gaz, şi, ca atare, au tendinţa de a rămâne mai lung în regiune de plasmă. FIGURE 15.17 Relative ionization at the sample location for inductively coupled I-PVD as a function of increasing pressure. (From Rossnagel, S. M. and J. Hopwood, J. Va c. Sci. Te chnol., B12, (1994): 449.)
Putere ionizare RF Ionizare relativă a fost, de asemenea, măsurată în funcţie de creşterea puterii RF la bobina cu cuplaj inductiv, după cum se arată în figura 15.18. În acest caz, magnetron a fost operat la trei niveluri diferite putere, iar aceste niveluri ar fi la scară aproximativ cu cantitatea sau numărul de atomi de metal adaugaţi la descărcare. La fluxuri de metal mici (putere de magnetron 1 kW), ionizarea ar putea fi susţinută la peste 80%. FIGURE 15.18 Relative ionization at the sample location for rf-based I-PVD as a function of chamber pressure for Ar and Ne. (From Rossnagel, S.M. and J. Hopwood, J. Va c. Sci. Technol., B12, (1994): 449.)
Reducere densitate gaz Cu toate acestea, astfel cum a fluxului de metal creşte, ionizare relativă a fost suprimată şi nu au putut fi recuperate prin simpla adăugare de putere RF. Acest lucru a fost observat, de asemenea, măsurarea de curent de Ioni la proba: creşterea fluxului de metal pentru plasmă a determinat o reducere a curentului de ioni la eşantion, în concordanţă cu o reducere a densităţii plasmatice sau temperatură electroni [48]. Un exemplu al acestei date este prezentată în figura 15.19, care arată modul în care creşterea numărului atomi de metal calzi, pulverizaţi rezultă în o scădere măsurabilă în densitatea de gaz din regiunea plasmă. Figure 15.19
Reducere densitate gaz Modelul parcuge după cum urmează. Aşa cum atomi de metal sunt pulverizaţi în plasmă inductiv-cuplată, de înaltă densitate de gaz inert, unii dintre aceşti atomi de metal transferă energia lor cinetică către gazele de fundal. Rezultatul de încălzire a gazului (într-o cameră deschisă) este că densitatea de gaz scade uşor. Este aproape ca şi cum atomii de metal suplimentari conduce la o scădere de presiune de funcţionare, care, conform datelor din figura 15.18, rezultată într-un proces de ionizare mai puţin eficient.
4.11 Comparaţie cu alte metode de depunere O geometrie tipică-inel de ţintă prin pulverizare catodică, (în figura 15.20 este ilustrat din materialul aur ca catod fabricate care urmează să fie depozitat), anod contra-electrod şi un inel exterior menit de a preveni pulverizare laterală şi care deţine ţintă. FIGURE 15.20 A typical ring-geometry sputter target, here gold showing the cathode made of the material to be deposited, the anode counter-electrode and an outer ring meant to prevent sputtering of the hearth that holds the target
Avantaje pulverizare: •Un avantaj important al depunerii prin pulverizare catodică este că, chiar şi materialele cu cel mai înalt punct de topire sunt usor de pulverizate în timp ce evaporare a acestor materiale într-un evaporator rezistenţă sau de celule Knudsen este problematică sau imposibilă. • Prin pulverizare catodică filme depuse au o compoziţie aproape de cea a materialului sursă. Diferenţa se datorează unor elemente diferite ce se raspandesc diferit din cauza masei lor diferite (elemente uşoare sunt mai uşor deviat de gaz), dar această diferenţă este constantă. • Filme pulverizate de obicei au o aderenta mai buna pe substrat decât filmele evaporate. O ţintă conţine o cantitate mare de material şi este întreţinut liber de luare a tehnicii potrivite pentru aplicaţii de vid ultraînalt. • Surse de pulverizare nu conţin piese fierbinţi (pentru a evita încălzirea acestea sunt de obicei răcire cu apă) şi sunt compatibile cu gaze reactive, cum ar fi de oxigen. • Pulverizări pot fi efectuate de sus în jos în timp ce evaporare trebuie să fie efectuate de jos în sus. • Procese avansate cum ar fi creşterea epitaxială sunt posibile. Dezavantaje: •Este mult mai dificil de a combina cu un procesul de structurare a filmului lift-off. •De asemenea, control activ pentru strat-by-strat de creştere este dificil în comparaţie cu depunerea Impuls de laser şi •Gaze inerte pulverizare sunt implementate în filmul în creştere sub formă de impurităţi.
http://www.syngraphics.com/whatsnew_PVD.html http://www.heraeus-targets.com/en/technology/_sputteringbasics/sputtering.aspx
4.12 Depunerea cu arc catodic Generalităţi Depunerea cu arc catodic sau Arc-PVD este o tehnica de depunere fizică în vapori în care un arc electric este folosit pentru a vaporiza materiale de la o ţintă-catod. Materialul vaporizat apoi se condensează pe un suport, formează o peliculă subţire. Tehnică poate fi folosită pentru a depune filme metalice, ceramice, şi compozit.
4.12.1 Istorie Utilizarea Industrială de tehnologii moderne de depunerea cu arc catodic are originea în Uniunea Sovietică în jurul 1960-1970. Până la sfârşitul anilor '70 guvernul sovietic a lansat utilizarea acestei tehnologii la Vest. Printre multe modele în URSS, la acel moment proiectul lui L.P. Sablev, et al., a permis să fie utilizate în afara URSS.
4.12.2 Procesul Procesul de evaporare cu arc incepe cu izbire unui arc electric de mare curent, de joasă tensiune cu suprafaţa unui catod (cunoscut sub numele de ţintă) care dă naştere la o mică (de obicei câţiva micrometri lăţime), zonă energică foarte emiţătoare cunoscută ca picătură de catod.
Temperatura localizată la picătură de catod este extrem de mare (în jur de 15000 ° C), ceea ce duce la o viteză mare (10 km / s) cu fascicol de material catod vapourizat, lăsând în urmă un crater pe suprafaţa catodului. Picătura de catod este activă doar pentru o scurtă perioadă de timp, atunci aceasta se stinge şi re-aprinde într-o zonă aproape de craterul precedent. Acest comportament determină mişcarea aparentă a arcului. După cum arcul este în principiu, un conductor de curent care poate fi influenţat de aplicarea unui câmp electromagnetic, care, în practică este folosit pentru a muta rapid arcul pe întreaga suprafaţă a ţintei, astfel încât suprafaţa totală se erodează în timp. Arcul are o densitate extrem de mare de putere care rezultă într-un nivel ridicat de ionizare (30-100%), multiplică ioni incărcaţi, particule neutre, clustere şi macroparticule (picaturi). În cazul în care un gaz reactiv este introdus în timpul procesului de evaporare, disociere, ionizare şi excitare pot să apară în timpul interacţiune cu fluxul de ioni si un film compus va fi depus.
Dezavantaje: Un dezavantaj al procesului de evaporare cu arc este că, dacă o picătură de catod stă la un punct de evaporare pentru prea mult timp se poate scoate o cantitate mare de macro-particule sau picaturi. Aceste macroparticule sunt în detrimentul performanţei a stratului de depunere în care sunt aderate slab şi se pot extinde pe parcursul acoperirii. Mai rău, chiar dacă materialul catodului ţintă are un punct de topire scăzut, cum ar fi de aluminiu, picătura de catod poate evapora prin ţintă rezultând fie în evaporarea materialului de sprijin a ţintei sau în pătrunderea apei de răcire în cameră. Prin urmare, câmpuri magnetice după cum sa menţionat anterior, sunt utilizate pentru a controla mişcare a arcului. Soluţii depăşire În cazul în care catozi cilindrici sunt utilizaţi, catozii pot fi, de asemenea, rotiţi în timpul de depunere. Pentru a nu permite picăturei de catod de a se menţine într-o singură poziţie obiectivele de prea mult timp catod de aluminiu pot fi utilizate şi numărul de picături este redusă. Unele companii, de asemenea, utilizarea filtrate arce care utilizează câmpuri magnetice pentru a separa picăturile de la fluxul de acoperire.
4.12.3 Proiectare echipament Tipul Sablev de pulverizare catodica cu sursă de arc cu magnet pentru dirijarea cu
circulaţia a spotului arcului electric
Sursă de arc catodica de tipul Sablev, care este
cel mai utilizat pe scară largă în occident, constă într-o ţintă de formă cilindrică scurtă de conductor ca catod, cu un capăt deschis. Această ţintă are un inel float electric metalic care înconjoară ţinta de lucru ca un inel de mărginire de arc. Anod de sistem poate fi fie peretele camerei de vid sau un anod discrete. Arcul este generat de declanşare mecanice (sau de aprindere) frapant la capătul deschis al ţintă a unui scurt circuit temporar între catod si anod. Dupa ce spoturile cu arc fiind generate de acestea pot fi condus de câmp magnetic sau muta la întâmplare, în absenţa câmpului magnetic. Fascicul de plasma din sursa arc catodica conţine unele grupuri mai mari de atomi sau molecule (aşa-numite macro-particule), care îl împiedică să fie util pentru anumite aplicaţii, fără un fel de filtrare. Există mai multe modele pentru macro-filtre de particule, precum şi designul cel mai studiat care se bazează pe activitatea Aksenov II, et al. în 70's.
Acesta constă dintr-un sfert de tur de
conductă la 90 de grade de la sursa de arc şi plasmă este ghidată prin conducta de către principiul de plasmă optica.
Aksenov Quater-torus duct macroparticle filter using plasma optical principles which was developed by A. I. Morozov
Există, de asemenea, alte modele interesante, cum ar fi un design care încorporează un filtru de canal drept cu forma de catod ca trunchi de con, relatată de către DA Karpov în anii 90. Acest design a devenit destul de popular în depunerea de pelicule subţiri pentru cercetători atât din Rusia cât şi din ţările fostei URSS, până acum. Sursă de arc catodica se poate fi fabricată în forma tubulare lungă (Extended-arc) sau de formă dreptunghiulară lungă, dar ambele modele sunt mai puţin populare.
4.12.4 Aplicaţii
Depunerea cu arc catodic este utilizată în mod activ pentru a sintetiza film extrem de petrnic pentru a proteja suprafaţa de instrumente de tăiere şi a extinde durata de viaţă a acestora în mod semnificativ. O mare varietate de film subţire puternice, acoperiri Superhard şi acoperiri nanocompozite pot fi sintetizate de această tehnologie, inclusiv TiN, TiAlN, CRN, ZrN, AlCrTiN şi TiAlSiN. Aceasta este, de asemenea, destul de folositor pe scară largă în special pentru depunerile de ioni de carbon pentru a crea filme de carbon de tipul diamant. Pentru ca ionii sunt extraşi de la suprafata ballistically, aseste tehnici sunt comune pentru nu numai pentru atomi unici, ci grupuri mai mari de atomi de a fi scoşi. Astfel, acest tip de sistem necesită un filtru pentru a elimina grupurile atom din fascicul înainte de depunere. Filmul DLC de la filtrate-arc conţine procent extrem de mare de sp3 de diamant, care este cunoscut sub numele de carbon tetrahedral amorf, sau ta-C. Arcul catodic filtrat poate fi folosit ca sursă de ioni / plasmă de metal pentru implantare ionică şi Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition (PIII&D)
4.13 Pulsed laser deposition Generalităţi Pulsed laser deposition (PLD) este o tehnica depunere de film subţire (în mod special un depuneri fizice din vapori, PVD) în cazul în care o mare putere de fascicul laser în impulsuri este axat în interiorul camerei de vid pe o ţintă de materialul care urmează să fie depozitat. Materialul este vaporizat de la ţintă (într-un penaj de plasmă), care îl depozitează ca pe o peliculă subţire pe un substrat (cum ar fi o plachetă de siliciu în faţa ţintei). Acest proces poate apărea în vid foarte ridicat sau în prezenţa unui gaz de fundal, cum ar fi oxigen care este utilizat frecvent în momentul depunerii de oxizi de a oxida pe deplin filmele depuse. În timp ce-setup - ul de bază este simplu în
raport cu multe alte tehnici de depunere, fenomenele fizice de interacţiune laser-ţintă şi creşterea economă de film sunt destul de complexe. Când pulsul laser este absorbită de ţintă, energia este convertită în primul rând în excitaţie electronică şi apoi în energie termică, chimică şi mecanică care rezultă în evaporare, ablaţie, formarea de plasmă şi chiar exfolierea [1]. Speciile ejectate se extind în vid in vecinăte in forma unui val care conţine mai multe particule,
inclusiv atomi, molecule, electroni, ioni, grupuri, particule şi globule topite, înainte de depunerea pe substrat de obicei fierbinte. A plume ejected from a SrRuO3 target during pulsed laser deposition
4.13.1 Procesul
One possible configuration of a PLD deposition chamber
Mecanismele detaliate ale PLD sunt foarte complexe, inclusiv procesul de ablaţie a materialului ţintă prin iradiere cu laser, dezvoltarea unui val de plasmă, cu ioni de înaltă energie, electroni, precum şi neutri şi creşterea cristaline a filmului pe substrat încălzit.
Procesul de PLD, în general, poate fi împărţit în patru etape: • ablaţia materialului ţintă de laser şi crearea plasmei • dinamica de plasmă • depunere a materialului ablaţie pe substrat • nuclearea şi creşterea filmului pe suprafata substratului Fiecare dintre aceste etape este crucială pentru cristalinitate, omogenitatea şi stoichiometrie a filmului rezultat.
4.13.2 Ablaţia laser a materialului ţintă şi crearea plasmei Îndepărtarea de atomi de material din bulk se face prin vaporizare de bulk la regiune suprafaţă într-o stare de non-echilibru şi este cauzat de o explozie Coulomb. În acest incident puls de laser pătrunde în suprafaţa materialului în adâncimea de penetrare. Această dimensiune depinde de lungimea de undă laser şi indicele de refracţie al materialului ţintă la lungimea de undă laser aplicat şi este de obicei în regiunea de 10 nm, de cele mai multe materiale. Câmp electric puternic generat de lumina laser este suficient de puternic pentru a elimina electronii din material în cea mai mare parte a volumului pătruns. Acest proces are loc în termen de 10 ps de un puls laser ns şi este cauzat de procese nonlineare, cum ar fi procese de ionizare multiphoton, care sunt accentuate de fisuri microscopice la suprafata, golurile, şi noduli, care măresc câmpul electric. Electroni liberi oscilează în câmpul electromagnetic al luminii laser si se pot ciocni cu atomi de material în bulk, astfel să transfere o parte din energia lor la reţeaua de materialul ţintă în regiunea de suprafaţă. Suprafaţa ţintă este apoi incalzita şi în materialul este vaporizat.
4.13.3 Dinamica plasmei În a doua etapă materialul se extinde într-o plasmă paralel cu vectorul normal din suprafaţa ţintă faţă de substrat din cauza repulsie Coulomb şi de recul de la suprafaţa ţintă. Distribuţia spaţială a valului depinde de presiunea de fond din interiorul camerei de PLD. Densitatea valul poate fi descris printr-o lege cos ^ n (x), cu o formă similară cu o curba Gauss. Dependenţa formei valului de presiune poate fi descrisă în trei etape:
•etapă de vid, în cazul în care valul este foarte îngust şi forward directed; aproape nici o împrăştiere nu are loc cu gazele de fundal. •regiunea intermediară, în cazul în care o divizare a ionilor de mare energie din specii mai putin energetice pot fi observate. Datele despre timpul-de-zbor (TOF), pot fi montate pe un model de şoc al valurilor; cu toate acestea, alte modele ar putea fi, de asemenea, posibile. •regiunea de înaltă presiune în cazul în care vom găsi o expansiune de tipul-difuzie a materialului. Desigur acest împrăştiere este, de asemenea, depinde de masa de gaz de fond şi poate influenţa stoichiometric la filmul depuse.
4.13.4 Depunere a materialului pe substrat Specii de mare energie extrase de la ţintă bombardează suprafaţă substrat şi poate duce la deteriorarea suprafeţei prin pulverizare atomilor de la suprafaţă, ci şi provocând formarea defecte în filmul depus. Specii pulverizate de la substrat şi particule emise din ţintă formează o regiune de coliziune, care serveşte ca o sursă pentru condensare de particule.
4.13.5 Nuclearizarea şi creşterea filmului de pe suprafata substratului Procesul de nuclearizare şi cinetica de creştere a filmului depind de mai mulţi parametri de creştere, inclusiv: Parametrii laser - de mai mulţi factori, cum ar fi fluenţă laser [Joule/cm2], energie laser, precum şi gradul de ionizare a materialului de extragere va afecta calitatea de film, stoichiometria [2], precum şi fluxul de depunere. În general, creşterea densitatea de nuclearizare este atunci când fluxul de depunere creşte. Temperatura de Suprafaţă - temperatura suprafeţei are un efect mare densitate nucleare. În general, densitate nucleată scade când temperatura creşte [3]. Suprafata Substrat - nuclearea şi creşterea pot fi afectate de pregătirea de suprafaţă (cum ar fi chimice gravură [4]), precum şi rugozitatea substratului. Presiune de Fundal - comune în depunerea de oxid, un fond de oxigen este necesar pentru a se asigura transferul de stoichiometrie de la obiect la film. Dacă, de exemplu, fondul de oxigen este prea scăzut, filmul va creşte stoichiometric, care va afecta densitatea nucleată şi calitatea de film [5]. În PLD, în funcţie de parametrii de depunerile de mai sus, trei moduri de creştere sunt posibile: •creştere flux-de-pas - Toate substraturile au miscut asociate cu cristalul. Aceste miscuts dau naştere la paşi atomici la suprafaţă. În pasul de creştere flux-de-pas, atomi se aseaza pe suprafaţa şi difundeaza la o margine prag înainte ca acestea au o şansă de a nuclea o insulă de suprafaţă. Suprafaţa în creştere este privită ca paşi care călătoresc pe întreaga suprafaţă. Acest mod de creştere este obţinut prin depunere pe un substrat miscut mare, sau al depunerii la temperaturi ridicate [7]
• creştere Strat-de-strat - În acest mod de creştere, insulele nucleate pe suprafaţa până la o densitate de insula critică este atins. Aşa cum mai mult material se adaugă, insulele continua să crească până la insule începe să se contopeasca. Aceasta este cunoscut ca coalescent. Odată ce coalescent este atins, suprafaţa are o densitate mare de gropi. Când materiale suplimentare se adaugă la suprafaţa atomii difuză în aceste gropi pentru a finaliza stratul. Acest proces se repetă pentru fiecare strat ulterior. • 3D de creştere - Acest mod este similar cu modul de creştere Strat-de-strat, cu excepţia faptului că, o dată o insulă se formează o insula suplimentare vor nucleate pe partea de sus a primei insule. Prin urmare, creşterea nu persistă într-un mod strat de strat, precum şi suprafaţa roughens de fiecare dată când materialul este adăugată.
4.13.5 Aspecte tehnice Există mai multe modalităţi diferite de a construi o camera de depunere pentru PLD. Materialul-ţintă, care se evaporă de laser este în mod normal ca un disc rotativ ataşat la un suport. Cu toate acestea, poate fi, de asemenea, sinterizată într-o tija cilindrică, cu mişcare de rotaţie şi o translaţie în sus şi în jos de circulaţie de-a lungul axei sale. Această configuraţie specială permite nu numai de utilizare a un puls sincronizate de gaze reactive, ci şi de o bară ţintă multicomponent cu care filmele de multistrat diferite pot fi create.
4.12.6 Avantaje şi dezavantaje •Flexible, easy to implement •Growth in any environment •Exact transfer of complicated materials (YBCO) •Variable growth rate •Epitaxy at low temperature •Resonant interactions possible (i.e., plasmons in metals, •absorption peaks in dielectrics and semiconductors) •Atoms arrive in bunches, allowing for much more controlled deposition •Greater control of growth (e.g., by varying laser •parameters) – � Uneven coverage – � High defect or particulate concentration – � Not well suited for large-scale film growth – � Mechanisms and dependence on parameters not well understood •
4.12.7 PLD cu impuls ultrascurt 4.12.8 Optimizarea PLD � PLD technique is one of the most popular and effective techniques used in the present days for the deposition of thin films. In this technique, a pulsed laser is directed on a solid target. The nanosecond laser pulse is focused to give an energy density sufficient to vaporize a few hundredm angstroms of surface material in the form of neutral or ionic atoms and molecules with kinetic energies of a few eV, which then get deposited onto the substrate. � The plasma temperature is high (~ 103 K) and the evaporants become more energetic when they pass through the plume.This affects the film deposition in a positive manner due to increase in the adatom surface mobility. � Use of short pulses helps to maintain high laser power density in a small area of the target and produces congruent evaporation. � Deposition parameters: substrate temperature, laser fluence, pulse repetition rate, and target substrate distance.
4.13 Glancing Angle Deposition (GLAD) GLAD is based on thin film deposition, by evaporation or sputtering, and employs oblique angle deposition flux and substrate motion to allow nanometer scale control of structure in engineered materials. GLAD is based on thin film deposition, by evaporation or sputtering, and employs oblique angle deposition flux and substrate motion to allow nanometer scale control of structure in engineered materials.
