+ All Categories
Home > Documents > Physical Vapor Deposition-Unprotected

Physical Vapor Deposition-Unprotected

Date post: 18-Oct-2015
Category:
Upload: eugeniu-borodin
View: 36 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
Description:
ss
30
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 ca r te a " V ap or D e p osition"   1966 de către CF  Powell, JH Oxley şi JM Bloche r 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 ă, prin evaporare reactiv ă si depunere asistat ă 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 general ă 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
Transcript
  • 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.


Recommended