Appartengono entrambi all'evaporazione e allo sputteringdeposizione fisica da vapore (PVD). Entrambi trasferiscono il metallo da un materiale di partenza sulla superficie di un campione. Tuttavia, "essere in grado di formare un rivestimento" non significa che le pellicole risultanti siano identiche.
Le differenze possono essere esaminate rispondendo a tre domande chiave: come esce il materiale dalla fonte? Come viaggiano le particelle attraverso la camera a vuoto? Dopo aver raggiunto la superficie, quanta energia e informazione direzionale vengono conservate?
01｜Non affrettarti a confrontare pregi e demeriti - Comprendi innanzitutto come vengono generati i metalli
L'evaporazione termica si basa su imbarcazioni, filamenti o crogioli riscaldati in modo resistivo per riscaldare il materiale sorgente fino a quando non sviluppa una pressione di vapore sufficiente.
L'evaporazione a fascio di elettroni utilizza un fascio di elettroni focalizzato per concentrare l'energia su regioni localizzate del materiale sorgente, rendendolo adatto a materiali che richiedono temperature della sorgente molto più elevate.
Sebbene i loro meccanismi di riscaldamento differiscano, il successivo processo fondamentale è simile: il materiale sorgente passa alla fase gassosa, viaggia attraverso la camera a bassa pressione verso la superficie più fredda del campione, dove viene adsorbito, nucleante e gradualmente si coalesce in uno strato di film sottile.
Lo sputtering del magnetron non "fa bollire" il materiale target. Il gas di lavoro viene eccitato per formare plasma. Gli ioni guadagnano energia vicino alla superficie del bersaglio e bombardano il bersaglio. Le cascate di collisione fanno uscire gli atomi bersaglio dalla superficie. Le particelle espulse viaggiano quindi attraverso il gas di lavoro e raggiungono il campione. La funzione primaria del campo magnetico è quella di confinare gli elettroni in modo più efficace vicino alla superficie del bersaglio, aumentando la ionizzazione e l'efficienza di scarica.
Il flusso effettivo depositato sul campione è ancora influenzato dalla geometria del target, dalla distribuzione del campo magnetico, dalla pressione di esercizio, dalla distanza dal target al substrato, dalla posizione del dispositivo e dalla modalità di movimento del campione.
02｜La direzionalità non è una specifica del dispositivo, ma una conseguenza del trasporto di particelle
Nell'evaporazione convenzionale ad alto vuoto, le collisioni in fase gassosa tra la sorgente e il campione sono rare. Le particelle viaggiano quasi in linea retta. Le superfici del campione rivolte verso la sorgente ricevono facilmente il flusso di particelle, mentre le aree ombreggiate da gradini o pareti laterali di fotoresist possono subire effetti d'ombra. Questa è la famosa "deposizione in linea di vista".
Tuttavia la direzionalità non è determinata semplicemente dal termine “evaporazione”. Le dimensioni della sorgente, la distanza sorgente-campione, l'angolo di inclinazione del campione, l'ombreggiatura del dispositivo e la modalità di rotazione alterano tutti l'angolo di incidenza delle particelle in arrivo. Con il posizionamento del substrato inclinato o il movimento planetario, lo stesso sistema di evaporazione può migliorare attivamente la copertura delle pareti laterali per determinate caratteristiche.
Lo sputtering richiede una scarica elettrica prolungata all'interno di uno specifico ambiente di gas di lavoro. Dopo che gli atomi bersaglio lasciano la superficie bersaglio, possono entrare in collisione con gli atomi di gas e le loro traiettorie vengono ridistribuite. Inoltre, il target stesso non è una sorgente puntiforme ideale. Di conseguenza, lo sputtering convenzionale fornisce tipicamente una distribuzione angolare più ampia di particelle incidenti sul campione rispetto all'evaporazione standard. Tuttavia, l'affermazione secondo cui "lo sputtering non ha direzionalità" è altrettanto imprecisa. L'abbassamento o l'aumento della pressione di lavoro, la regolazione della distanza dal bersaglio al substrato, l'utilizzo di strutture di collimazione e il riposizionamento del campione modificano la frequenza di collisione e la distribuzione dell'angolo incidente. Una pressione più elevata può ampliare la diffusione angolare delle particelle e può anche far sì che le particelle in arrivo perdano più energia.
03｜Perché un processo favorisce il decollo mentre l'altro ha prestazioni migliori per la copertura dei passaggi
Le differenze di direzionalità vengono amplificate quando si incontrano strutture tridimensionali. Il principio fondamentale del lift-off è quello di modellare prima le aperture nello strato di fotoresist, depositare la pellicola sull'intero substrato e quindi sciogliere il fotoresist per rimuovere insieme la pellicola sopra il fotoresist.
Per un distacco efficace, la pellicola target sul substrato all'interno delle aperture non dovrebbe preferibilmente formare una connessione continua con la pellicola sopra il resist lungo le pareti laterali. L'evaporazione con una forte direzionalità della linea di vista tende a creare una rottura dello spessore vicino alle pareti laterali del resist.
04｜Ciò che il substrato sperimenta va ben oltre il "semplice rivestimento con uno strato di metallo"
L'evaporazione è spesso vagamente descritta come "delicata", mentre lo sputtering è considerato avente un "forte bombardamento".
Entrambe le percezioni hanno basi fattuali, ma nessuna delle due è vera indipendentemente dalle attrezzature e dalle condizioni del processo.
Durante l'evaporazione, il campione potrebbe ancora subire un aumento di temperatura causato dalla radiazione termica, dall'esposizione a una fonte di calore e dalla durata della deposizione.
Per i sistemi a fascio di elettroni è necessario tenere conto anche di fattori aggiuntivi come elettroni, raggi X, schizzi di materiale sorgente e particelle.
Polimeri, fotoresist, strati a basso punto di fusione o dispositivi sensibili alle radiazioni non dovrebbero essere considerati sicuri semplicemente in base al nome del processo. In un ambiente di sputtering, oltre agli atomi bersaglio, possono essere presenti anche flussi di ioni, elettroni, neutri riflessi e impurità. La polarizzazione del substrato, la posizione del plasma e la pressione di esercizio alterano l'effettivo input energetico fornito al campione. Un'energia moderata può favorire la migrazione superficiale e il legame interfacciale, mentre un'energia eccessiva può portare ad un aumento della temperatura, alla modificazione della superficie, al re-sputtering o al danneggiamento degli strati sensibili.
Pertanto, quando si parla di tolleranza del campione, non ci si dovrebbe semplicemente chiedere "se la temperatura è alta". È inoltre necessario considerare in cosa consiste la superficie del campione, se sotto si trovano sottili strati di ossido o materiali bidimensionali, se il fotoresist è ancora presente, se la fabbricazione del dispositivo è completa e se è consentita la ricottura o la pulizia post-processo.
05｜Perché "le pellicole sputterizzate sono più dense" è solo un punto di partenza
Una pellicola sottile non scende come un solido blocco di metallo. Invece, le particelle in arrivo prima vengono adsorbite e nucleate per formare isole. Queste isole poi crescono e si uniscono, sviluppandosi infine in una pellicola continua. L’energia delle particelle in arrivo, la temperatura del substrato, il tasso di deposizione, l’angolo di incidenza, la pulizia della superficie e il gas residuo governano tutti la mobilità superficiale delle particelle e modificano la dimensione dei grani, la porosità, la ruvidità, la struttura e lo stress residuo. Le particelle energetiche spruzzate e i flussi di energia associati generalmente portano ad aspettative di maggiore mobilità superficiale e film relativamente densi.
Tuttavia, i film spruzzati possono anche sviluppare strutture colonnari porose, stress sostanziale o elevata rugosità in condizioni di elevata pressione di esercizio, significativa perdita di energia collisionale, angoli di incidenza sfavorevoli o condizioni superficiali inadeguate. Né i film evaporati sono intrinsecamente porosi. Anche le modifiche alla temperatura del substrato, al tasso di deposizione, al trattamento superficiale e agli input di energia ausiliaria altereranno la nucleazione e il comportamento di crescita.
Una maggiore densità della pellicola non si traduce automaticamente in dispositivi con prestazioni migliori. Gli elettrodi metallici possono dare maggiore priorità alla resistenza del contatto e all'integrità del bordo; le strutture ottiche possono concentrarsi maggiormente sulla rugosità e sulle costanti ottiche; le strutture sospese sono altamente sensibili alle sollecitazioni; Gli strati della barriera alla diffusione prestano molta attenzione alla continuità e ai percorsi dei difetti. "Dense" è semplicemente una descrizione materiale. In definitiva, le prestazioni devono essere valutate rispetto ai requisiti funzionali dell'applicazione a film sottile.
Riepilogo
Sia l'evaporazione che lo sputtering possono depositare metalli, ma non sono opzioni a pulsante intercambiabili. L'evaporazione vaporizza i materiali nella fase gassosa tramite riscaldamento e mostra una forte direzionalità della linea di vista in condizioni tipiche. Lo sputtering libera gli atomi bersaglio attraverso il bombardamento ionico; le collisioni all'interno del gas di lavoro e della geometria dell'apparecchiatura generalmente producono una gamma più ampia di angoli di arrivo.
Affermazioni come "l'evaporazione è migliore" o "lo sputtering è migliore" sono premature. Un percorso di processo adeguato dovrebbe spiegare come le particelle arrivano alle caratteristiche, specificare in quale posizione verrà ispezionato lo spessore minimo del film, quali tipi di guasti anticipare e quali criteri finali verranno utilizzati per giudicare se lo strato di film sottile ha veramente soddisfatto la sua funzione prevista.
