-
Physical Vapor Deposition Introducere
Caracteristic general care descrie PVD este faptul c peliculele
sunt depuse atomar prin intermediul fluxurilor de individuale de
specii neutre sau ionice.
Termenul de depunere de vapori fizice apare iniial n cartea
"Vapor Deposition" 1966 de ctre CF Powell, JH Oxley i 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 cald, prin evaporare reactiv si
depunere asistat de ioni. Tehnici de PVD, de asemenea, includ toate
procesele bazate pe pulverizare, fie printr-o
plasm sau de ctre 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 i ablonarea ulterioare prin intermediul de extragere cu
ioni reactivi (RIE)
.
Procesul "Damaschin Clasa a II general a tehnicilor de depunere
prin umplerea cu metal i lustruite, ntr-o
tehnic cunoscut n industria ca "Damaschin.
1. Bazele depunerii prin evaporare 1.1 Evaporare (depunere)
Vacuum evaporation
-
1.1.1 Principiul fizic
Evaporarea implic dou procese de baz: de evaporare de material
de la sursa fierbinte condensare pe substrat.
La o presiune tipic de 10-4 Pa, o particul 0.4-nm, are o cale
liber medie de 60 m.
1.1.2 Echipamente Orice sistem de evaporare include o pomp de
vid, o surs de energie pentru a evapor
materialul. Diferite surse de energie exist: n metoda termica,
conductor de metal alimenteaz boilere
incalzite din semimetal (ceramic), cunoscut sub numele de "nave"
din cauza formei lor.
n metoda fascicul-de-electroni, sursa este nclzit de ctre un
fascicul de electroni, cu o energie de pn la 15 keV.
n evaporare flash, un fir fin de materie prim este alimentat n
permanen pe un bar fierbinte de ceramic, i se evapor 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 nclzit
pentru a atinge stare gazoas Evaporarea este efectuata in vid nalt
(10-7 torr, sau 10-4 ~ 10-5Pa) Avantaje Filme pot fi depuse la rate
mari (~ 0.5 m / min) Atomii de energie sczuta (~ 0.1 eV) las daune
putine de suprafa Putine gaze reziduale i contaminarea de impuriti
din cauza vidului inlat Nu se nclzeste substratul Inexpensiv
Limitari
Dificil de controlat compui aliaj Acoperire saraca de prag
Acoperire neuniform de placheta sau mai multe plachete 1.1.4 Cerine
de sistem de evaporare
-
Vid: -10
-6 Torr pentru filme de calitate medie
Ap de rcire - Hearth - Bell Jar
Shutter mecanice - Rata de evaporare este stabilita de ctre
temperatura de surs, nu poate s fie activat i dezactivat rapid. O
obturator mecanic permite un control al pornirii i opririi.
Putere electric - Fie nalt 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 nclzire rezistiva
Simplu, robust, ieftin Pot s ajung pn la temperaturi de 1800 C
Utilizeaza filamente W, Ta, Mo pentru a incalzi surse Curenii
tipici de filament sunt 200-300A Substraturi expuse la radiaii
vizibile i 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
i puritatea materialului surs. Geometriei camera de evaporare.
Dimensiunile filamentului limiteaz cantitatea de material care
poate fi depus. n scopul de a depune un material, sistem de
evaporare trebuie s fie capabil s-l topeasc. Fascicul de
electroni-evaporare permite un control strict al ratei de
evaporare. Acoperire de praguri.
1.4 Comparaie cu alte metode de depunere Pulverizare i chimice,
au o acoperire de prag mai bun. Pulverizare tinde s depun material
mai ncet dect de evaporare. Fascicule de electroni tind s produc
raze X i electroni de dispersie, pot deteriora, de
asemenea, substratul. 2. Depunerea fizic din vapori cu fascicule
de electroni
-
2.1 Introducere Depunerea fizic din vapori cu fascicule de
electroni sau EBPVD este o forma de PVD n care un anod int este
bombardat cu un fascicul de electroni emanate de un filament de
wolfram sub vid nalt.
Atomi apoi precipiteaz n form solid, acoperind totul n camera de
vid (n termen de linie de vedere), cu un strat subire de material
de anod.
2.2 Proprieti sisteme fascicule de
electroni Mai complexe dect nclzirea rezistiv, dar extrem de
versatil Poate atinge temperaturi > 3000 C Utilizeaz creuzete de
evaporare ntr-o vatr 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 nclzire rezistiv, 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: ntr-un sistem de EBPVD, camera de
depunere este pompat pn la o presiune de 10-4
Torr. Materialul care urmeaz s fie evaporat este n form de
lingouri (bulk). Exist ase surese (tunuri) de electroni, fiecare
avnd o putere de la zeci la sute de kW. n cazul n care tensiunea de
accelerare este cuprins ntre 20 kV - 25 kV i curentul
fasciculului este civa amperi, 85% din energia cinetic a
electronilor este convertit n energie termic cnd fasciculul
bombardeaz suprafaa lingou.
Lingou n sine este nchis ntr-un creuzet de cupru, care este rcit
de circulaiea apei.. Rata de evaporare poate fi de ordinul a 10
-2 g/cm
2 sec.
2.4 Particulariti depunere aliaje prin EBPVD
-
Carburi precum i boruri cum ar fi carbur de titan borid de titan
i borid de zirconiu
, fr a suferi o descompunere n faza de vapori. Aceti compui sunt
depuse se pot evaporaprin evaporare direct.
Anumii oxizi de refractare i carburi supuse fragmentrii n timpul
evaporrii lor de ctre fasciculului de electroni, rezultnd ntr-o
stoichiometrie, care este diferit de materialul
De exemplu, alumina, atunci cnd evaporat de fascicul de
electroni, disociaz n iniial. aluminiu, AlO3 i Al2O.
Unele carburi refractare, cum ar fi carbura de siliciu i carbur
de wolfram se (Aceti compui pot fi depui pe descompun la nclzire i
elemente disociate au volatilitate diferite.
substrat, fie prin evaporare reactiv sau prin co-evaporare) -
Evaporare reactiv: Vaporii sunt transportai de gaze reactive, care
este oxigen n caz de oxizi metalici sau de acetilen
n caz de carburi metalice. Atunci cnd condiiile termodinamice
sunt ndeplinite, vaporii reacioneaz cu gazul din apropiere
de substrat, pentru a forma pelicole. - Co-evaporare: Pelicule
carburi metalice pot fi, de asemenea, depuse prin co-evaporare. n
acest proces, dou blocuri sunt folosite, unul pentru metal si alte
de carbon. Fiecare bloc este nclzit cu un fascicul de energie
diferit, astfel nct rata lor de evaporare poate fi
controlat. 2.5 Substratul Suportul pe care depunerile de film
are loc este curat prin ultrasunet i fixat.
Titularul substratului este ataat la arborele manipulator. O
polarizare negativ de curent continuu de tensiune de 200 V - 400 V
pot fi aplicate la
substrat. De multe ori, electroni focusai de mare energie de la
unul din tunuri de electroni sau
de lumin n infrarou de la lmpile de nclzire este folosit pentru
a prenclzi substratul.
2.6 Adsorbia
Adsorbiea este lipirea unei particule la suprafata
Physisorption:
- Molecula pierde energia cinetic in energie termica n o perioad
de timp, ce nu i permite acesteia s depeasc pragul necesar pentru a
se evacua. Chemisorption: - Molecula pierde energia cinetic la
o
reacie chimic care formeaz o legtur chimica ntre acesta si alti
atomi substrat. 2.7 Condensarea
Moleculele ajuse pe suprafaa pot: Adsorbi i a se alipi
permanent, n locul n care au aterizat (rar) Adsorbi i difuza n
jurul suprafeei pentru a gsi un site apropriat Adsorbi i desorbi
dupa o durat de via de edere. Imediat reflect n afara suprafeei
Molecule Incidente de vapori n mod normal, au o energie cinetic
mult mai mare dect kT din suprafaa substratului
Daca se vor lipi sau nu depinde de ct de bine se poate echilibra
cu suprafaa de substrat transmitind suficienta energie, astfel nct
s ea nu poate prsi substratul.
\
2.8 Control de condensare.
-
Controlul de condensare se realizeaz printr-un control al
temperaturii substratului Temperatura inalta a substratului:
Mareste energia termic a moleculelor adsorbite Scurteaz timpul de
reziden Mareste diffusivitatea de suprafata a moleculelor adsorbite
Efectueaza recoacerea peliculelor depozitate Incalzitoare de suport
Lmpile de IR frontale Bobine de incalzire din reversul plachetei
2.8 Depunere asistat de fascicul de Ioni particulariti Sistemele
EBPVD sunt echipate cu surse de ioni utilizate pentru extragere i
curare
de substrat, pulverizare int i controlul microstructurii
substratului. Fascicole de Ioni bombardeze suprafaa i modific
microstructura a filmului. Bombardamentul de Ioni, de asemenea,
mrete densitatea de film, schimb granulaia
i modific filme amorfe n filme policristaline. Ionii de energie
sczut sunt utilizai pentru suprafeele de pelicole semiconductoare.
2.9 Avantajele EBPVD Rata de depunere n acest proces poate fi la
fel de mici ca 1 nm, pe minut i la fel de
ridicat ca civa micrometri pe minut. Eficiena de utilizare
materialului este mare comparativ cu alte metode, Precum i procesul
ofer un control structural i 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 suprafaa interioar a geometrii
complexe. O alt problem potenial este faptul de degradare de
filament al tunului de electroni
ce rezultat ntr-o rat ne-uniform evaporare.
3. Molecular Beam epitaxia (MBE)
Particulariti:
Este de fapt de evaporare, nu CVD Necesit vid ultra nalt (10-10
Torr) Celule conin mostre foarte pure a materialul int. Jaluzele
sunt deschise i expuse la un fascicul de
electroni care vaporizeaza materialul int. Suprafa plachetei
este nclzit pentru a promova
creterea epitaxiala a filmului. Placheta este rotita pentru a
mbunti cretere
uniform 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, n mass-producia de dispozitive n baz de arseniur
de galiu. Procese MBE:
Inserare eantion si incalzirea materialul surselor Deschiderea
obloane Monitorzarea condensari i
-
sublimarii Inchiderea obloane Eliminarea mostr
4. Pulverizare catodic
4.1 Introducere Surse de pulverizare sunt, de obicei
magnetroane care utilizeaza cmpurile electrice i magnetice
puternice pentru a crea o capcan pentru electroni aproape de
suprafaa magnetron, care este cunoscut sub numele de int.
Electronii crcul pe ci elicoidale n jurul liniilor de cmp
magnetic n curs de coliziuni ionizante, mai mult cu gaze neutre
aproape de suprafa intei.
Gazul de pulverizare este inert, de obicei argon.
Ionii suplimentari de argon creai ca rezultat al acestor
coliziuni duce la o rat mai mare de depunere. De asemenea, nseamn c
plasma poate fi susinut la o presiune mai mic.
Atomii pulverizai sunt neutri i astfel nu sunt afectai de
capcana magnetic.
Pulverizare: Utilizeaza particule de mare energie (plasm)
pentru a disloca atomi de la suprafa de sursa Se efectuaz n vid
sczut-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 i compui 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 metod
n care inta este expuse la sursa
externe de ioni. O surs poate funciona fr nici un cmp magnetic .
ntr-o surs de ioni Kaufman ionii sunt generai de coliziunile cu
electroni, care sunt
limitate de un cmp magnetic ca ntr-un magnetron. Ei sunt apoi
accelerai de cmp electric ce provine de la o gril spre o int. Cum
ionii
prsesc surs ei sunt neutralizai de electroni de la un al doilea
filament extern. Avantaje IBS are un avantaj n faptul c energia i
fluxul de ioni pot fi controlate independent. Dat fiind faptul c
fluxul ce loveste inta este format din atomi neutri, materiale
fie
izolante sau conductoare pot fi pulverizate. Dezavantaje
Dezavantajul principal al IBS este cantitatea mare de ntreinere
necesar pentru a
menine operarea sursei de ioni. [1]
4.3 Pulverizare reactiv
In pulverizare reactiv, filmul depus este format prin reacia
chimic ntre materialele int i un gaz care este introdus n camera de
vid.
Oxide i filme de nitrur sunt adesea fabricate cu ajutorul
pulverizrii reactive. Compoziia de film poate fi controlat prin
diferite presiuni relative a gazelor inerte i
reactive. Oxid de indiu conductor transparent care este utilizat
n celulele optoelectronice i
solare se face prin pulverizare reactiv.
-
4.4 Depunere asistat de ioni
Depunere asistat de ioni (IAS), este o tehnica care simultan
combin implantarea ionic cu alte tehnici de depunere.
Pe lng furnizarea de control independent de parametri, aceasta
tehnica este util n special pentru a crea o tranziie treptat ntre
substrat i pelicula depus, precum i pentru
dect este posibil prin alte tehnici. depozitarea filmelor mai
puin ncorporate n substrat Aceste dou proprieti poate duce la la
substrat. pelicule cu o legtur mult mai durabil IAS poate fi
utilizat pentru depozita carbon n form de diamant pe un substrat.
NASA a folosit aceasta tehnica de a experimenta cu depunerea de
filme de diamant pe paletele
turbinelor n anii 1980. IAS este utilizat n alte aplicaii
industriale importante, cum ar fi crearea de straturi de carbon
amorf tetrahedral pe suprafa pe hard disk si acoperire cu nitrur
de metal dur de tranziie pe implanturi medicale.
4.5 Pulverizare de utilizare nalt a intei Pulverizare poate fi,
de asemenea, efectuata de
ctre generaie de la distan de o plasm de densitate mare.
Plasma este generat ntr-o camer lateral deschis spre camera
procesului principal, care conine int i substrat pe care urmeaz s
fie depus pelicula.
4.6 Pulverizare n impuls de mare putere
magnetron (HIPIMS) High Power Impulse Magnetrone pulverizare
HIPIMS este o metod pentru depuneri fizice din vapori de filme
subtiri, care se bazeaz pe depunere magnetron prin pulverizare
catodic.
HIPIMS utilizeaza densiti extrem de mare de putere de ordinul a
kW/cm
2 n impulsuri scurte (impulsuri)
a zeci de microsecunde .
4.7 Pulverizare n 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 ntr-un metal supus la un potenial electric
negativ.
Densiti plasm enhanced apar la catodul tubular, n cazul n care
presiunea din camera p i o caracteristica de dimensiune L a
catodului tubular ndeplinete cerina Paschen 0.5 Pa m < p L <
5 Pa M.
Aceasta determin un flux ridicat de ioni de pe suprafee
nconjurtoare i un mare efect prin pulverizare catodic. Pulverizare
bazate pe catod tubular n flux de gaze poate fi, astfel, asociate
cu rate mari de depunere pn la valori de civa m / min [4].
-
4.8 Elemente de baz 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 muli atomi din int, care apoi se muta la rndul su i izbete de
ali atomi n cadrul structurii de suprafa.
Aceast cascad de coliziuni poate duce n cele din urm c unul sau
mai muli atomi din apropierea straturile superficiale care au
suficienta energie cinetic (i direcia corespunztoare) pentru a depi
energia obligatorie de suprafaa i prsesc suprafaa. Acest atom este
apoi descris ca fiind pulverizat de la suprafata, dei ar putea avea
originea de mai jos de la suprafaa iniial cu 1-2 straturi.
Succesiunea exact a coliziunilor este, dup cum s-ar putea s fie
evident din schita, foarte dependente de traiectoria exact i
site-ul de impact al ionilor incident.
Deoarece aceste caracteristici nu sunt controlabile,
pulverizarea este, de obicei descris prin efecte medii: resultatul
(impactul) de multe milioane de ciocniri i media emisiilor de
particule pulverizate.
Acest lucru este cunoscut generic ca randamentul i este pur i
simplu pulverizrii catodice, raportul dintre
numrul de particule emise, pulverizate i numrul de incidente
cauzate de ioni de mare energie.
Randamentul variaz de la nedetectabile, n esen, energii de ioni
foarte mici (zeci de eV), la numerele de ordinul de 1-5 pentru
energii de ioni de multe sute i mii de electronvoli.
pentru anumite materiale de interes Un grafic de randamente
pentru prelucrarea de este prezentat n materiale semiconductoare
figura 15.4
Presiunea pe parcursul pulverizrii:
Cele mai multe sisteme de depunere prin pulverizare catodic
magnetron sunt operate la presiuni n intervalul sczut milli-Torr,
cazul n care drumul liber pentru coliziuni n faza de gaz este n
general mai mare dect distana dintre catod i prob.
La presiuni mai mari dect civa milli-Torr, acest lucru nu se mai
petrece, i
La presiuni de circa 30 mTorr sau mai sus, n esen, toi atomii
pulverizai au numeroase coliziuni de faz de gaz i pierd n esen,
toat energia lor cinetic iniial i direcia 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, rezult n nclzire semnificativ, dei,
rezultnd ntr-o rarefiere local a gazului de fond n regiunea de la
catod.
Pentru niveluri semnificative de putere aplicate la magnetron,
densitatea rezultant de gaz poate fi micorat, cu 20% din densitatea
de pornire, cu o temperatur echivalent de gaz de 1500 K sau mai
mult [17].
Probabilitatea de transport: O depunere semnificativ va aprea pe
pereii laterali a camerei, precum i alte
componente ale sistemului.
-
Probabilitatea de transport poate fi caracterizat printr-un numr
ntre 0 i 1, unde 1 nseamn c toi atomii pulverizai de pe catod sunt
depozitai pe suprafaa probei si 0 implic
[17]. faptul c atomii nu sunt depozitate Cu toate c sunt rareori
msurate, datele arat tendinele influienei presiunii,
parcusului liber i de gaz utilizat, precum i de specii int
(Tabelul 15.1). Eficiena depunerii:
n acest ultim caz, este de ateptat c, atunci cnd greutate atomic
a intei depete greutatea atomic de gaze, transportul va fi mai
eficient.
O mai frecvent caracteristic metric utilizat pentru a
caracteriza eficiena de depunere este de a calcula rata de unitate
de depunere per watt de putere aplicat.
Rezultatele sunt de obicei prezentate n uniti de Angstroms / sec
/ Watt. Un exemplu de acest tip de date este prezentat n Tabela
15.2 pentru camera de
pulverizare Applied Materials Endura.
Not: n general, un numr tipic pentru eficiena 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
catodic.
-
4.8 Sisteme de SD Pentru aplicaii de semiconductoare, n esen,
cca 100% a sistemelor de depunere se
bazeaz pe o variaie a unui dispozitiv DC cunoscut ca un
magnetron. Exist rapoarte de activiti efectuate prin utilizarea de
sisteme de depunerile cu RF,
dar acestea sunt de obicei folosite n cazuri de materiale
dielectrice, cum ar fi high-k dielectric, i nu sunt n utilizarea pe
scar larg.
Cmp magnetic este utilizat pentru a limita plasma i cmp electric
folosit pentru accelerare; Plasm DC utilizate pentru metale
conductive Plasm RF utilizate pentru dielectrice nonconductive Mai
multe surse pot fi mixate
DC pulverizare
utilizeaz plasm pentru a pulveriza inta, dislocarea de atomi
care apoi depoziteaz pe plachete, pentru a forma pelicula.
presiuni mai ridicate dect de evaporare - 1-100 mtorr.
o mai bun solutie de depozitare de aliaje i de compui dect
evaporare . RF pulverizare
Pentru DC pulverizare, electrozii-int sunt conductori.
Pentru a folosi materiale dielectrice RF pulverizare este
folosita.
n cazul n care zonele de electrozi nu sunt egale, cimpul trebuie
s fie mai mare la electrodul mai mici (mai mare densitate de
curent), pentru a menine continuitattea de curent. Pulverizare
magnetron
Un catod magnetron difer de la un catod convenional, planar,
prin faptul c exist un cmp magnetic local paralel cu suprafata de
catod.
Efectul de cmp tangenial este de aa natur nct electronii
secundari, care sunt emii de la suprafaa catodului din cauza
bombardamentului de ioni (care este cauza pulverizrii), supus unui
ExB
n jurul suprafaei catodului. Drift Aceti electroni derivai sunt
prini aproape
de regiunea de catod i pot duce la niveluri foarte nalte de
ionizare de gaze, ceea ce duce la descrcarea de foarte mari a
curenilor (Ioni).
.
-
Pulverizare magnetron - semiconductori
Magnetroane utilizate n sisteme de producie din materiale
semiconductoare deriv din acest design de baz.
Diametrul de catod este, de obicei cu 50% mai mare dect proba pe
care urmeaz s se depun (30-32 cm, pentru un eantion de plachete de
200 mm).
Aceast scalare este probabil s se dein astfel cum plachetele
migreaz spre generaia de 300 mm, care conduce la diametre de catod
de ordinea 45 cm. Pulverizare magnetrondistana catod-prob
Distana catod-prob, sau "aruncarea, variaz de la distana de la
circa 3 la 10 cm, cu cele mai multe instrumente de operat la circa
5 cm.
n cele mai multe instrumente de producie, magnetroane sunt
configurate pentru a pe plachet. emite n jos
Initial, au existat ateptri c aceast configuraie ar avea drept
rezultat maxim de particule contaminare pe probe, pur i simplu din
cauza . gravitaiei
Cu toate acestea, cele mai multe particule sub-micronice, n
sistemele de vid, sunt mult mai influenate de sarcin static, forele
Van-der Wahl, i turbulene n faza de gaz dect sunt de gravitaie.
Fixare plachete
Plachetele sunt fixate pe platforme substrat n unul din trei
moduri:
o clem fizic, (reduce suprafa util de plachet cu cteva procente,
ns tinde la un cuplu fizic i termic al plachetei cu piedestalul,
oferind un control moderat al temperaturii).
fr strngere prin amplasarea plachetei n locaii speciale (ofer o
acoperire complet de plachet, dar se pierde orice fel de control a
condiiilor termice sau electrice a plachetei) i
prindere electrostatic (Prinderea electrostatic poate oferi
avantajele ambele metode anterioare).
Magnei - configuraii
Magnetroane de producie sunt configurate cu , mai degrab dect
magneii magnei n micarefix din figura 15.5.
Aa cum se arat n figura 15.6, magnetul se afl n spatele
suprafaei catodului i se rotete n
de rcire. jur n baie de ap
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.)
Particulariti magnetron
Pista de extragereeste de obicei in forma de inima cu indentarea
n partea de sus a inimii aproximativ pe centrala catodului.
Aceast sistem de magnet este acionat de un motor extern pentru a
ciclului n jurul suprafaa catodului la civa Hertz.
Toi catozi magnetron sunt rcii cu ap. Practica i probleme de
siguran limiteaz temperatura apei de racire de la catod la 60
C.
Presupunnd un excelent transfer de caldura, acest lucru duce la
o cerin de aproximativ 1 / 4 galon-pe minut.
Cavitatea din spatele catodului conine magnei i, de asemenea, ap
de rcire, de obicei cu linia de ap de aproximativ 2 cm
diametru.
-
Modelele de catod recente au migrat spre o configurare de int,
care conine canale de ap.
Aceast permite de a obine mai mari dimensiuni de catod i permite
magneilor s opereze n aer, reducnd corozia inevitabil
, ce aduce att a magneilor ct i de pieselorla faptul c
asamblul-int devine mai scump. 4.9 Particulariti SD: Reflow
Problema fundamental a depune atomi ntr-o groap profund pot fi
rezolvate in 2 moduri:
utiliznd fie mobiliti sporite de suprafata de atomi depui, sau,
directionalitate sporit de atomi depui.
Mobilitate de suprafata
Prima abordare este mai apropiat de cereri de depunere planar de
film discutat mai sus i utilizeaz, n esen, acelai set de
instrumente, cu toate c nu abordeaz fundamental, natura
non-directional de depunere prin pulverizare catodic.
Doui tehnici n general au evoluat pentru a se adresa de
mobilitate de suprafata de atomi:
primul este pur i simplu creterea temperaturii eantionului, iar
a doua se bazeaz pe o extrudare mai macroscopic de material de film
n gropi profunde.
Temperatura de suprafa
Efectele temperatur a eanionului mresc difuzia de suprafa,
formarea de granule a materialului de film, de asemenea i i
creterea activitii chimice caracteristici negative,
cum ar fi aglomerare de film, formarea de goluri, re-evaporare,
precipitaii, precum i a interdiffusion film cu straturi
subiacente.
Scopul unui proces de Reflow termic este c atomii trec de la
suprafee plane n . Micarea acestor atomi nseamn c adncituri
profunde, cum ar fi tranee sau VIAS
traiectoria lor iniial de depunere (i condiii) sunt i acest
lucru este n lipsite de importan,concordan cu PVD convenional,
tehnologie de depunere magnetron de rata de nalt. Umplerea
fntnilor
Avnd n vedere c partea de jos a unui an are o forma concava,
acest lucru va tinde s de difuziune termic. fie o chiuveta pentru
atomi
Cu toate acestea, acest lucru n presupune c tranee rmne deschis
n partea de sus timpul procesului de reflow.
n cazul n care apoi micare ulterioare de partea de sus este
nchis i un gol format,atom este, prin , i este caracterizat difuzie
n bulk, mai degrab dect de difuzie de suprafaprintr-o . energie de
activare mult mai mare
Acest lucru nseamn c, la orice temperatura eantionului dat, un
proces bulk-difuzie-dominat va fi cu mult mai lent dect un proces
de suprafa de difuzie. Cerine Reflow
n general, este necesar ca primul strat a filmului s wet
suprafaa i s aib o bun aderen, sau, altfel efectul temperaturii
suplimentare a probei - se vor forma grupuri i picturi, mai degrab
dect un film continuu.
-
Acest lucru este, un proces de 2 pai, n care stratul de germeni
este depozitate la , astfel nct restul depunerilor este la
temperatura sczut i temperatura probei este mrit
temperatur nalt pentru a facilita Reflow rapid. Mai multe
modificri ale acestui proces includ utilizarea de pulverizare
collimat sau
depunerilor lung-aruncare sau chiar utilizarea unui strat CVD
pentru stratul de germeni. Reflow - Puritatea
Procesele Reflow termice necesita un nivel , deoarece
contaminarea ridicat de puritatesuprafeei de plachet sau a
impuritilor de gaze, cum ar fi oxigen sau ap pot mpiedica n mod
semnificativ procesul de difuzie de suprafata.
Pentru cazul Al Reflow, cantiti foarte mici de oxigen (presiune
de la 10-7 Torr) sunt suficiente pentru a forma , care apoi
mpiedica difuzia. insule mici de oxid
Reflow straturi intermediare
Straturi subiri de Ti depus chiar nainte de Al Reflow poate
conduce o mai bun Reflow . de Al, precum i de aderen mai bun
Acest Ti poate fi apoi ncorporate n Al ca TiAl3 din cauza
temperaturii crescute, iar acest lucru poate servi la reducerea
stresului de film i posibilitatea de electromigraie redus [23].
Aceast care poate duce la creterea TiAl3, cu toate acestea, are
o rezistivitate nalt rezistenei linie.
Reflow preocupri
Prima preocupare se refer la cerina ca, n timpul gropi sau
tranee rmn deschiseprocesului de reflow, astfel nct energia de
activare pentru difuzie de suprafa, spre deosebire de difuzie n
bulk, este dominant.
Acest lucru limiteaz att rata de depunere, precum i dimensiunea
minim a gropi. Interaciunea este ntre non-incidena normal a
procesului de depunere prin pulverizare catodic, care tinde s
formeze golurile, i rata de mobilitate de suprafa, care tinde s
umple cele mai mici VIAS i tranee prima i, de asemenea, s le
pstreze deschise
Compromisul este determinat de cea mai mare temperatura
substratului acceptabil, ca . Tipic, in procese semiconductoare n
baza de rezultat al temperaturi ridicate este difuzia mai rapid
oxid este o temperatur maxim de 400 C, i c temperatura va scdea
n mod semnificativ cu introducerea unui mai nou, low-k
dielectric.
Al doilea aspect se refer att la pe dimensiunea de gropi, precum
i densitatea gropilor suprafaa de pe plachet. Dat fiind c pur i
simplu este nevoie de mai mult timp, i de atomi de
, gropile mai mari mai muli, pentru a umple o gropi mai mare ca
spre deosebire de una micvor rmne n urm n timpul prelucrrii.
Reflow variante
O variant pe tehnologii Reflow care au fost dezvoltat recent
este cunoscut drept "umplere sub presiune
. Acest proces utilizeaz nalt"pulverizare convenional de
pelicule, urmat 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
convenional, este de dorit foarte mult s depun filme ntr-un mod
care golurile sunt formate. Probele sunt apoi eliminate din camera
de pulverizare i introduse ntr-o camer de nalt presiune.
Temperatura se ridic la aproximativ 400 C, iar Ar este introdus
n camera la un nivel de 600-700 atm.
Presiune mare, mpreun cu
-
natura elastic a Al la 400 C (0,75 de la temperatura de topire),
permite Al s fie mpins n jos, n VIAS (Figura 15.8). 4.10 SD -
Depunere direcional 4.10.1 Distane de parcurgere lungi
Generaliti
Cele mai multe sisteme de PVD sunt concepute pentru rata maxim,
distane scurte de Acest lucru duce, de asemenea, la cele mai pe
parcurgere. puin numr de atomi pierdui
pereii camerei. Prin deplasarea eantionului mai departe de catod
un procent tot mai mare de atomi
ai camerei. pulverizai sunt pierdui pe pereii laterali Aceasta
are ca rezultat o reducere net a ratei de depunere, i, de asemenea,
duce la o
schimbare net n directionalitatea medie a atomilor de
depozitare. Distana int-plachet
Atomii, care sunt pulverizai de la suprafaa int la unghiuri mici
(departe de incidena normale) sunt mai susceptibili de a ateriza pe
pereii laterali camera dect pe placheta eantion.
Atomi ce ajung la eantion sunt mai susceptibile de a fi mai
aproape de inciden normal dect cele convenionale, depunerile de
scurt-aruncare.
Acest proces de filtrare geometric este cunoscut generic drept
depunere prin pulverizare catodic long throw.
Procesul este limitat de presiunea de funcionare a sistemului de
i mprtiere de gaze. Pentru a reduce mprtierea de zbor, drumul liber
pentru atomi pulverizate ar trebui s depeasc distan de parcurgere.
Filtrare de direcional
Pentru a avea un grad semnificativ de filtrare de direcie,
distana trebuie s fie de ordinea de diametrul catodului, de 25 cm
pentru un sistem cu placheta de 200 de mm.
Acest lucru pune o limit practic de presiune de cateva zecimi de
milliTorr de presiunea de operare, cum presiuni mai mari vor duce
la distane liber mai scurte cale dect distan de parcurgere.
Cererile de fabricare de depunere de lung distan tind s aib
distan de aproximativ 25 cm, care limiteaz fluxul depunerii la
aproximativ 45o.
Direcionalitate mai mare se poate obine numai cu distane mai
lungi, care necesit presiuni mai mici. Asimetrie intrinsec
n cazul unei poziii de prob n apropierea central a sistemului,
depunerea este uniform din toate unghiurile de pn la unghiul
cutoff.
Cu toate acestea, aproape de marginea de plachet, depunerilor
este mai puternic din regiunile interioare ale catod, rezultand o
acumularea mai mare pe pereii laterali exteriori (Figura 15.10).
Asimetrie intrinsec limitri
Argumente similare geometrice limiteaz extendibilitatea de
depunere la distane lungi la generaii de plachete de 300 mm.
Avnd n vedere c catodul crete n mrime pn 30 - 45 cm n diametru,
pentru a atinge aceeai nivel de directionalitate ar fi nevoie de o
majorare de distan cu 50%, i n acelai timp, reducerea presiunii de
2 ori.
n general, aceasta tehnologie nu se adapteaz bine la 300 mm i
este puin probabil s fie disponibil comercial.
-
4.10.2 Pulverizare colimat Generaliti
ntr-un mediu de depunere cu distana liber mare (drumul liber
mediu >> distan), filtrare geometric a fluxului poate fi, de
asemenea, obinut prin plasarea unui colimator ntre int i proba.
Colimatorul servete ca un filtru simplu direcional prin simpla
colectare a atomilor, care afecteaz zidurile sale. Acest lucru este
prezentat schematic n figura 15.11.
FIGURE 15.11 Collimated sputter deposition.
Gradul de filtrare
Gradul de filtrare este pur i simplu funcie de raport de aspect
colimator, n cazul n care raportul aspect este definit ca grosimea
colimator mprit la diametrul de o celul.
Efectul asupra pulverizate de flux este prezentat n figura
15.12, care prezint distribuia de emisie convenional ca o sfer
centrat de la un site de impact pe suprafaa 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 pulverizai. Prin creterea
raport de aspect de colimator,
distribuia atomic transmis este afiat ca un con centrat spre
suprafaa normal. Ct este mai mare gradul de collimare, este mai mic
jumtate de unghi al conului de depunere.
Rata de depunere, evident, sufer n timpul depunere prin
pulverizare catodic colimat.
Pentru fiecare cretere 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 colimat distana int/substrat
n pulverizare colimat, n general, nu este necesar s se mreasc
distana n mod semnificativ, altele dect grosimea colimator (de
obicei 2-3 cm) Aceasta este distana de aproximativ 8-9 cm, care
necesit un vid care funcioneaz n gama 0.5-1 mTorr astfel c exist
puine coliziuni n timpul zborului n faza de gaze. Aceast presiune
de funcionare este n raza de acoperire pentru majoritatea
magnetroane comerciale. Durata de via colimator
Durata de via a colimatorului este de obicei limitat de
nchiderea eventuala al celulei colimator, mai degrab dect exfoliere
pe durata de via i este de aproximativ de ordinea de jumtate din
via intei, dar acest lucru depinde puternic de materialul
utilizat.
Iniial colimatoare au fost reciclate i recurite, dar acest lucru
este rareori fcut astzi n producie. O foaie-colimator de metal
pentru pentru cerine de 200 mm cost de $ 600-2000.
-
4.10.3 SD Depunere ionizata RF Generaliti
Pulverizarea fizic este predominant de un proces de atom de
emisie neutru: aproape nici un ion nu sunt formai n timpul
procesului de pulverizare, i chiar dac o ioni au fost formai, ar fi
avut loc pe suprafaa de nveli a plasmei.
Ocazional, ioni negativi sunt formai n cazurile cu materiale
foarte electronegative, dar acest lucru [38]. nu este o problem
pentru aproape toate materialele semiconductoare
Atomii pulverizai sunt emii cu gam larga de unghiuri, i deoarece
acestea sunt neutre, nu exist nici o alt cale dect simpla filtrare
substractiv pentru a controla directionalitatea lor. Plasme ioni
metal
La sfritul anilor 1980, a devenit evident c totui e destul de
uor de a contamina aceste plasm cu atomi de metal care au fost
evaporai prin pulverizare pe pereii interni a sistemului. Aceste
atomi de metal au fost uor ionizai i ar putea fi folosite pentru a
diagnostica extragerea de plasm. n general, ns, acest lucru a fost
considerat o mare btaie de cap, deoarece ionii de metal ar strata
diverse suprafee izolator i ferestre n instrumente cu plasm de nalt
densitate i ruina eficacitatea lor.
Nu a trecut mult timp, ns, nainte de a oamenii au nceput s
introduc n mod intenionat metal n plasme ca modalitate de
depozitare intenionat de filme, Plasma ntroducere ioni
Erau ntrodui ioni metalici n primul rnd, spre deosebire de atomi
de metal.
Avantajul depunere intrinsec de Ion de metal este c, din cauza
naturii plasmei, care este paralel cu suprafaa eantion, toi ionii
sunt depozitate la exact inciden normal.
Indiferent de traiectoria iniial a atomilor de metal (care ar fi
putut fi pulverizate de pe suprafa n apropiere, la un unghi
aleator), ioni de metal au fost accelerat n eantion la 90o i
energia cinetic a fost stabilit complet cu diferena dintre
potenialul de plasm precum i potenialul de plachet, ambele din care
poate fi, n general, uor de controlat (I-PVD). Plasma - rezonanta
electroni-ciclotron
Cele mai timpurii lucrri utilizau att surse de pulverizare ct i
evaporare [39,40] i o plasm de nalt densitate format prin rezonanta
electroni-ciclotron (ECR), care este acionat de o surs de
microunde, la 2.45 GHz.
Este necesar s se indice punctul de intrare pentru microunde la
depunere de metal. Acest instrument este operat de deschidere a
unei descrcri ECR n Ar, i apoi incepand sursa de evaporare (de
obicei Al sau Cu). Atomi de metal pot fi apoi ionizai de plasm de
gaz inert, iar la un moment dat argonul poatet fi eliminat prin
pompare i plasm susinut complet de surs prin evaporare. Direcionare
ioni
Avnd n vedere c locaia probei nu este ntr-o linie
direct-de-vedere la sursa prin evaporare, numai ioni sunt
depozitai. Acest sistem a fost folosit pentru depuneri direct
ionizat din Cu pentru materiale semiconductoare la un raport de
aspect de 4:1 [40].
Din pcate entuziasm a fost putin pentru reintroducerea
evaporarii ca o tehnologie materiale semiconductoare pe scara de
fabricaie, astfel nct aceast abordare a fost
[41,42] convertit la o abordare de pulverizare fizic
-
Sisteme cu plasme inductiv cuplate RF
n paralel cu activitatea de elaborarea a sistemelor cu plasm de
nalt densitate cu microunde, a existat interes semnificativ, de
asemenea, n sisteme cu plasme inductiv cuplate RF de nalt
densitate, de obicei care opereaz la 1.9-13.56 MHz i couplarea
acestora cu plasme pe baz de metal.
Este obinut o combinare de o surs de pulverizare de metal cu o
plasm dens de gaz inert, cu cuplaj inductiv, care este folosit
pentru ionizare de metal. Schema general a abordrii RF inductiv
cuplate la I-PVD este prezentat n figura 15.15. Catod magnetron
este conventional, de exemplu, este acela catod utilizat pentru
depunere magnetron prin pulverizare catodic. n locul de colimator,
bobina cu 1-3 rnduri de RF este poziionat.
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
n locul de colimator bobina cu 1-3 rnduri de RF este poziionat
aproximativ echidistant fa de catod i eantion, de obicei 3-4 cm de
la fiecare.
Diametrul bobinei variaz n funcie de furnizorul i de grup, i
tinde s fie aproximativ acelai diametru sau puin mai mare dect
diametrul de magnetron int.
Este important ca bobina nu intercepta linie direct
magnetron-prob, deoarece acest lucru va duce la Shadowing aproape
de marginea plachet. Potenial plachet
Funcia bobinei RF este de a crea o plasm dens, cu cuplaj
inductiv n gazul de fundal, care este de obicei Ar. Funcia de
magnetron este de a mproca atomi n aceast descrcare. La proba, de
obicei potenialul de prob este deinut, prin intermediul unui inel
clem, care, impreuna cu postamentul de proba, pot fi alimentate fie
RF sau DC la un nivel de cteva sute de wai cel mult. Potenialul de
plachet va fi de obicei negativ, iar acest lucru va accelera ioni
din plasm, care au un potenial pozitiv plasmatic de civa voli.
Folosind o bias RF, sunt exluse probleme cu izolator pe suprafea
plachetei, dar rezult ntr-o incapacitate de a msura curenii reali
pe proba. Bobina RF
Bobina RF a fost construit prin tubulatura de Cu, i ap de rcire
a fost furnizat, pentru a controla temperatura. Fire de dimensiuni
mai mari dimensiuni i au fost explorate: numr variat de rotaii,
bobine de spirala, etc.
Cele mai bune rezultate au fost obinute cu un numr minim de fire
(1-2) i cel mai mare diametru de tubulatur. Acestea mresc nivelul
de cuplare inductiv cu plasma, resultnd ntr-o densitate mai mare de
plasm. Monitorizare depunere
Ionizare relativ n I-PVD sistem de RF a fost msurat prin
utilizarea unui analizor grid de energie la locul de prob.
n loc de un colecionar planar, detectorul a folosit o micro
balan de cristal de cuar (Figura 15.16). Acest lucru permite
detectorului de a face diferena ntre ionii de gaz inert i ioni
metalici Datele .de la acest tip de detector este nu sunt direct
legate de un nivel relativ de ionizare n plasm, deoarece presheath
are tendina de a trage ioni metalici la proba. Cu toate acestea,
este n 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 relativ, dup cum s-ar putea fi de ateptat, au avut
tendina de a crete pe msur ce presiune a camerei a fost majorat la
descrcarea cu cuplaj inductiv (Figura 15.17). A fost o uoar diferen
de la Ar la Ne care pot fi atribuite, posibil la o temperatur mai
mare de electroni pentru Ne.
Cu toate acestea, se poate observa din figura ca nivelurile de
ionizare relativ de 80-90% sunt posibile. Ionizare maxim a fost
observat la presiuni de ordinul de gama zecilor mTorr. La aceste
presiuni atomii pulverizai tind s aib mai multe coliziuni n faza de
gaz, i, ca atare, au tendina de a rmne mai lung n regiune de plasm.
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 relativ a fost, de asemenea, msurat n funcie de
creterea puterii RF la bobina cu cuplaj inductiv, dup cum se arat n
figura 15.18.
n acest caz, magnetron a fost operat la trei niveluri diferite
putere, iar aceste niveluri ar fi la scar aproximativ cu cantitatea
sau numrul de atomi de metal adaugai la descrcare. La fluxuri de
metal mici (putere de magnetron 1 kW), ionizarea ar putea fi
susinut 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 crete, ionizare
relativ a fost suprimat i nu au putut fi recuperate prin simpla
adugare de putere RF.
Acest lucru a fost observat, de asemenea, msurarea de curent de
Ioni la proba: creterea fluxului de metal pentru plasm a determinat
o reducere a curentului de ioni la eantion, n concordan cu o
reducere a densitii plasmatice sau temperatur electroni [48].
Un exemplu al acestei date este prezentat n figura 15.19, care
arat modul n care creterea numrului atomi de metal calzi,
pulverizai rezult n o scdere msurabil n densitatea de gaz din
regiunea plasm.
Figure 15.19
Reducere densitate gaz
Modelul parcuge dup cum urmeaz. Aa cum atomi de metal sunt
pulverizai n plasm inductiv-cuplat, de nalt densitate de gaz inert,
unii dintre aceti atomi de metal transfer energia lor cinetic ctre
gazele de fundal.
Rezultatul de nclzire a gazului (ntr-o camer deschis) este c
densitatea de gaz scade uor.
Este aproape ca i cum atomii de metal suplimentari conduce la o
scdere de presiune de funcionare, care, conform datelor din figura
15.18, rezultat ntr-un proces de ionizare mai puin eficient.
-
4.11 Comparaie cu alte metode de depunere O geometrie tipic-inel
de int prin pulverizare catodic, (n figura 15.20 este ilustrat din
materialul aur ca catod fabricate care urmeaz s fie depozitat),
anod contra-electrod i un inel exterior menit de a preveni
pulverizare lateral i care deine int. 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 catodic este
c, chiar i materialele cu cel mai nalt punct de topire sunt usor de
pulverizate n timp ce evaporare a acestor materiale ntr-un
evaporator rezisten sau de celule Knudsen este problematic sau
imposibil.
Prin pulverizare catodic filme depuse au o compoziie aproape de
cea a materialului surs. Diferena se datoreaz unor elemente
diferite ce se raspandesc diferit din cauza masei lor diferite
(elemente uoare sunt mai uor deviat de gaz), dar aceast diferen
este constant.
Filme pulverizate de obicei au o aderenta mai buna pe substrat
dect filmele evaporate. O int conine o cantitate mare de material i
este ntreinut liber de luare a tehnicii potrivite pentru aplicaii
de vid ultranalt.
Surse de pulverizare nu conin piese fierbini (pentru a evita
nclzirea acestea sunt de obicei rcire cu ap) i sunt compatibile cu
gaze reactive, cum ar fi de oxigen.
Pulverizri pot fi efectuate de sus n jos n timp ce evaporare
trebuie s fie efectuate de jos n sus.
Procese avansate cum ar fi creterea epitaxial 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 cretere este dificil n comparaie cu
depunerea Impuls de laser i Gaze inerte pulverizare sunt
implementate n filmul n cretere sub form de impuriti.
http://www.syngraphics.com/whatsnew_PVD.html
http://www.heraeus-targets.com/en/technology/_sputteringbasics/sputtering.aspx
4.12 Depunerea cu arc catodic Generaliti
Depunerea cu arc catodic sau Arc-PVD este o tehnica de depunere
fizic n vapori n care un arc electric este folosit pentru a
vaporiza materiale de la o int-catod.
Materialul vaporizat apoi se condenseaz pe un suport, formeaz o
pelicul subire. Tehnic poate fi folosit pentru a depune filme
metalice, ceramice, i compozit.
4.12.1 Istorie
Utilizarea Industrial de tehnologii moderne de depunerea cu arc
catodic are originea n Uniunea Sovietic n jurul 1960-1970.
Pn la sfritul anilor '70 guvernul sovietic a lansat utilizarea
acestei tehnologii la Vest. Printre multe modele n URSS, la acel
moment proiectul lui L.P. Sablev, et al., a permis s
fie utilizate n afara URSS. 4.12.2 Procesul
Procesul de evaporare cu arc incepe cu izbire unui arc electric
de mare curent, de joas tensiune cu suprafaa unui catod (cunoscut
sub numele de int) care d natere la o mic (de obicei civa
micrometri lime), zon energic foarte emitoare cunoscut ca pictur de
catod.
-
Temperatura localizat la pictur de catod este extrem de mare (n
jur de 15000 C), ceea ce duce la o vitez mare (10 km / s) cu
fascicol de material catod vapourizat, lsnd n urm un crater pe
suprafaa catodului.
Pictura de catod este activ doar pentru o scurt perioad de timp,
atunci aceasta se stinge i re-aprinde ntr-o zon aproape de craterul
precedent. Acest comportament
. determin micarea aparent a arcului Dup cum arcul este n
principiu, un conductor de curent care poate fi influenat de
aplicarea unui cmp electromagnetic, care, n practic este folosit
pentru a muta rapid arcul pe ntreaga suprafa a intei, astfel nct
suprafaa total se erodeaz n timp.
Arcul are o densitate extrem de mare de putere care rezult
ntr-un nivel ridicat de ionizare (30-100%), multiplic ioni incrcai,
particule neutre, clustere i macro-particule (picaturi).
n cazul n care un gaz reactiv este introdus n timpul procesului
de evaporare, disociere, ionizare i excitare pot s apar n timpul
interaciune cu fluxul de ioni si un film compus va fi depus.
Dezavantaje:
Un dezavantaj al procesului de evaporare cu arc este c, dac o
pictur de catod st la un punct de evaporare pentru prea mult timp
se poate scoate o cantitate mare de macro-particule sau
picaturi.
Aceste macroparticule sunt n detrimentul performanei a stratului
de depunere n care sunt aderate slab i se pot extinde pe parcursul
acoperirii.
Mai ru, chiar dac materialul catodului int are un punct de
topire sczut, cum ar fi de aluminiu, pictura de catod poate evapora
prin int rezultnd fie n evaporarea materialului de sprijin a intei
sau n ptrunderea apei de rcire n camer.
Prin urmare, cmpuri magnetice dup cum sa menionat anterior, sunt
utilizate pentru a controla micare a arcului. Soluii depire
n cazul n care catozi cilindrici sunt utilizai, catozii pot fi,
de asemenea, rotii n timpul de depunere.
Pentru a nu permite picturei de catod de a se menine ntr-o
singur poziie obiectivele de prea mult timp catod de aluminiu pot
fi utilizate i numrul de picturi este redus. Unele companii, de
asemenea, utilizarea filtrate arce care utilizeaz cmpuri magnetice
pentru a separa picturile de la fluxul de acoperire. 4.12.3
Proiectare echipament
Tipul Sablev de pulverizare catodica cu surs de arc cu magnet
pentru dirijarea cu circulaia a spotului arcului electric
Surs de arc catodica de tipul Sablev, care este cel mai utilizat
pe scar larg n occident, const ntr-o int de form cilindric scurt de
conductor ca catod, cu un capt deschis. Aceast int are un inel
float electric metalic care nconjoar inta de lucru ca un inel de
mrginire de arc.
Anod de sistem poate fi fie peretele camerei de vid sau un anod
discrete.
Arcul este generat de declanare mecanice (sau de aprindere)
frapant la captul deschis al int a unui scurt circuit temporar ntre
catod si anod.
Dupa ce spoturile cu arc fiind generate de acestea pot fi condus
de cmp magnetic sau muta la ntmplare, n absena cmpului
magnetic.
Fascicul de plasma din sursa arc catodica conine unele grupuri
mai mari de atomi sau molecule (aa-numite macro-particule), care l
mpiedic s fie util pentru anumite aplicaii, fr un fel de
filtrare.
Exist mai multe modele pentru macro-filtre de particule, precum
i designul cel mai studiat care se bazeaz pe activitatea Aksenov
II, et al. n 70's.
-
Acesta const dintr-un sfert de tur de conduct la 90 de grade de
la sursa de arc i plasm este ghidat prin conducta de ctre
principiul de plasm optica.
Aksenov Quater-torus duct macroparticle filter using plasma
optical principles which was developed by A. I. Morozov
Exist, de asemenea, alte modele interesante, cum ar fi un design
care ncorporeaz un filtru de canal drept cu forma de catod ca
trunchi de con, relatat de ctre DA Karpov n anii 90. Acest design a
devenit destul de popular n depunerea de pelicule subiri pentru
cercettori att din Rusia ct i din rile fostei URSS, pn acum. Surs
de arc catodica se poate fi fabricat n forma tubulare lung
(Extended-arc) sau de form dreptunghiular lung, dar ambele modele
sunt mai puin populare. 4.12.4 Aplicaii
Depunerea cu arc catodic este utilizat n mod activ pentru a
sintetiza film extrem de petrnic pentru a proteja suprafaa de
instrumente de tiere i a extinde durata de via a acestora n mod
semnificativ.
O mare varietate de film subire puternice, acoperiri Superhard i
acoperiri nanocompozite pot fi sintetizate de aceast tehnologie,
inclusiv TiN, TiAlN, CRN, ZrN, AlCrTiN i TiAlSiN.
Aceasta este, de asemenea, destul de folositor pe scar larg n
special pentru depunerile de ioni de carbon pentru a crea filme de
carbon de tipul diamant.
Pentru ca ionii sunt extrai de la suprafata ballistically,
aseste tehnici sunt comune pentru nu numai pentru atomi unici, ci
grupuri mai mari de atomi de a fi scoi.
Astfel, acest tip de sistem necesit un filtru pentru a elimina
grupurile atom din fascicul nainte de depunere. Filmul DLC de la
filtrate-arc conine procent extrem de mare de sp
3 de diamant, care este cunoscut sub numele de carbon
tetrahedral amorf,
sau ta-C. Arcul catodic filtrat poate fi folosit ca surs de ioni
/ plasm de metal pentru
implantare ionic i Plasma Immersion Ion Implantation and
Deposition (PIII&D)
4.13 Pulsed laser deposition
Generaliti
Pulsed laser deposition (PLD) este o tehnica depunere de film
subire (n mod special un depuneri fizice din vapori, PVD) n cazul n
care o mare putere de fascicul laser n impulsuri este axat n
interiorul camerei de vid pe o int de materialul care urmeaz s fie
depozitat.
Materialul este vaporizat de la int (ntr-un penaj de plasm),
care l depoziteaz ca pe o pelicul subire pe un substrat (cum ar fi
o plachet de siliciu n faa intei).
Acest proces poate aprea n vid foarte ridicat sau n prezena unui
gaz de fundal, cum ar fi oxigen care este utilizat frecvent n
momentul depunerii de oxizi de a oxida pe deplin filmele
depuse.
n timp ce-setup - ul de baz este simplu n raport cu multe alte
tehnici de depunere, fenomenele fizice de interaciune laser-int i
creterea econom de film sunt destul de complexe.
Cnd pulsul laser este absorbit de int, energia este convertit n
primul rnd n excitaie electronic i apoi n energie termic, chimic i
mecanic care rezult n evaporare, ablaie, formarea de plasm i chiar
exfolierea [1].
Speciile ejectate se extind n vid in vecinte in forma unui val
care conine mai multe particule,
-
inclusiv atomi, molecule, electroni, ioni, grupuri, particule i
globule topite, nainte de depunerea pe substrat de obicei
fierbinte.
A plume ejected from a SrRuO3 target during pulsed laser
deposition One possible configuration of a PLD deposition
chamber
4.13.1 Procesul
Mecanismele detaliate ale PLD sunt foarte complexe, inclusiv
procesul de ablaie a materialului int prin iradiere cu laser,
dezvoltarea unui val de plasm, cu ioni de nalt energie, electroni,
precum i neutri i creterea cristaline a filmului pe substrat
nclzit.
Procesul de PLD, n general, poate fi mprit n patru etape: ablaia
materialului int de laser i crearea plasmei dinamica de plasm
depunere a materialului ablaie pe substrat nuclearea i creterea
filmului pe suprafata substratului
Fiecare dintre aceste etape este crucial pentru cristalinitate,
omogenitatea i stoichiometrie a filmului rezultat. 4.13.2 Ablaia
laser a materialului int i crearea plasmei
ndeprtarea de atomi de material din bulk se face prin vaporizare
de bulk la regiune suprafa ntr-o stare de non-echilibru i este
cauzat de o explozie Coulomb.
n acest incident puls de laser ptrunde n suprafaa materialului n
adncimea de penetrare.
Aceast dimensiune depinde de lungimea de und laser i indicele de
refracie al materialului int la lungimea de und laser aplicat i
este de obicei n regiunea de 10 nm, de cele mai multe
materiale.
Cmp electric puternic generat de lumina laser este suficient de
puternic pentru a elimina electronii din material n cea mai mare
parte a volumului ptruns.
Acest proces are loc n termen de 10 ps de un puls laser ns i
este cauzat de procese non-lineare, cum ar fi procese de ionizare
multiphoton, care sunt accentuate de fisuri microscopice la
suprafata, golurile, i noduli, care mresc cmpul electric.
Electroni liberi oscileaz n cmpul electromagnetic al luminii
laser si se pot ciocni cu atomi de material n bulk, astfel s
transfere o parte din energia lor la reeaua de materialul int n
regiunea de suprafa.
Suprafaa int este apoi incalzita i n materialul este vaporizat.
4.13.3 Dinamica plasmei
n a doua etap materialul se extinde ntr-o plasm paralel cu
vectorul normal din suprafaa int fa de substrat din cauza repulsie
Coulomb i de recul de la suprafaa int.
Distribuia spaial 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 form similar cu o curba Gauss.
Dependena formei valului de presiune poate fi descris n trei
etape: etap de vid, n cazul n care valul este foarte ngust i
forward directed; aproape nici o
mprtiere nu are loc cu gazele de fundal. regiunea intermediar, n
cazul n 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 oc al valurilor; cu toate
acestea, alte modele ar putea fi, de asemenea, posibile.
regiunea de nalt presiune n cazul n care vom gsi o expansiune de
tipul-difuzie a materialului. Desigur acest mprtiere este, de
asemenea, depinde de masa de gaz de fond i poate influena
stoichiometric la filmul depuse. 4.13.4 Depunere a materialului pe
substrat
Specii de mare energie extrase de la int bombardeaz suprafa
substrat i poate duce la deteriorarea suprafeei prin pulverizare
atomilor de la suprafa, ci i provocnd formarea defecte n filmul
depus.
Specii pulverizate de la substrat i particule emise din int
formeaz o regiune de coliziune, care servete ca o surs pentru
condensare de particule.
-
4.13.5 Nuclearizarea i creterea filmului de pe suprafata
substratului
Procesul de nuclearizare i cinetica de cretere a filmului depind
de mai muli parametri de cretere, inclusiv: Parametrii laser - de
mai muli factori, cum ar fi fluen laser [Joule/cm2], energie
laser,
precum i gradul de ionizare a materialului de extragere va
afecta calitatea de film, stoichiometria [2], precum i fluxul de
depunere. n general, creterea densitatea de nuclearizare este
atunci cnd fluxul de depunere crete. - temperatura suprafeei are un
efect mare densitate Temperatura de Suprafa
nucleare. n general, densitate nucleat scade cnd temperatura
crete [3]. Suprafata Substrat - nuclearea i creterea pot fi
afectate de pregtirea de suprafa
(cum ar fi chimice gravur [4]), precum i rugozitatea
substratului. Presiune de Fundal - comune n depunerea de oxid, un
fond de oxigen este necesar
pentru a se asigura transferul de stoichiometrie de la obiect la
film. Dac, de exemplu, fondul de oxigen este prea sczut, filmul va
crete stoichiometric, care va afecta densitatea nucleat i calitatea
de film [5]. n PLD, n funcie de parametrii de depunerile de mai
sus, trei moduri de cretere sunt posibile:
cretere flux-de-pas - Toate substraturile au miscut asociate cu
cristalul. Aceste miscuts dau natere la pai atomici la suprafa. n
pasul de cretere flux-de-pas, atomi se aseaza pe suprafaa i
difundeaza la o margine prag nainte ca acestea au o ans de a nuclea
o insul de suprafa. Suprafaa n cretere este privit ca pai care
cltoresc pe ntreaga suprafa. Acest mod de cretere este obinut prin
depunere pe un substrat miscut mare, sau al depunerii la
temperaturi ridicate [7] cretere Strat-de-strat - n acest mod de
cretere, insulele nucleate pe suprafaa pn la o densitate de insula
critic este atins. Aa cum mai mult material se adaug, insulele
continua s creasc pn la insule ncepe s se contopeasca. Aceasta este
cunoscut ca coalescent. Odat ce coalescent este atins, suprafaa are
o densitate mare de gropi. Cnd materiale suplimentare se adaug la
suprafaa atomii difuz n aceste gropi pentru a finaliza stratul.
Acest proces se repet pentru fiecare strat ulterior. 3D de cretere
- Acest mod este similar cu modul de cretere Strat-de-strat, cu
excepia faptului c, o dat o insul se formeaz o insula suplimentare
vor nucleate pe partea de sus a primei insule. Prin urmare,
creterea nu persist ntr-un mod strat de strat, precum i suprafaa
roughens de fiecare dat cnd materialul este adugat. 4.13.5 Aspecte
tehnice
Exist mai multe modaliti diferite de a construi o camera de
depunere pentru PLD. Materialul-int, care se evapor de laser este n
mod normal ca un disc rotativ ataat la un suport.
Cu toate acestea, poate fi, de asemenea, sinterizat ntr-o tija
cilindric, cu micare de rotaie i o translaie n sus i n jos de
circulaie de-a lungul axei sale. Aceast configuraie special permite
nu numai de utilizare a un puls sincronizate de gaze reactive, ci i
de o bar int multicomponent cu care filmele de multistrat diferite
pot fi create. 4.12.6 Avantaje i 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.