Aurustumine ja pihustamine kuuluvad mõlemadfüüsikaline aurustamine-sadestamine (PVD). Mõlemad kannavad metalli lähtematerjalist proovi pinnale. Kuid "kattekihi moodustamine" ei tähenda, et saadud kiled oleksid identsed.
Erinevusi saab uurida kolme põhiküsimuse käsitlemisel: kuidas materjal allikast lahkub? Kuidas osakesed läbi vaakumkambri liiguvad? Kui palju nende energiast ja suunainfost säilib pärast pinnale jõudmist?
01｜Ärge kiirustage eeliseid ja puudusi võrdlema - Esmalt mõistke, kuidas metallid tekivad
Termiline aurustamine põhineb takistuslikult kuumutatavatel paatidel, filamentidel või tiiglitel, mis soojendavad lähtematerjali, kuni see arendab piisava aururõhu.
Elektronkiire aurustamine kasutab fokuseeritud elektronkiirt, et koondada energia lähtematerjali lokaalsetesse piirkondadesse, muutes selle sobivaks materjalidele, mis nõuavad palju kõrgemat lähtetemperatuuri.
Kuigi nende kuumutusmehhanismid erinevad, on järgnev põhiprotsess sarnane: lähtematerjal läheb üle gaasifaasi, liigub läbi madalrõhukambri jahedama proovipinna poole, kus see adsorbeerub, tuumastub ja sulandub järk-järgult õhukeseks kihiks.
Magnetroni pihustamine ei "keeta" sihtmaterjali. Töögaas ergastatakse plasma moodustamiseks. Ioonid saavad sihtpinna lähedal energiat ja pommitavad sihtmärki. Kokkupõrkekaskaadid löövad sihtmärgi aatomid pinnalt välja. Väljapaisatud osakesed liiguvad seejärel läbi töögaasi ja jõuavad proovi. Magnetvälja peamine ülesanne on piirata elektrone tõhusamalt sihtpinna lähedal, suurendades ionisatsiooni ja tühjenemise efektiivsust.
Tegelikku proovile kantud voogu mõjutavad endiselt sihtmärgi geomeetria, magnetvälja jaotus, töörõhk, sihtmärgi ja põhimiku vaheline kaugus, kinnituse asend ja proovi liikumisrežiim.
02｜ Suund ei ole seadme spetsifikatsioon, vaid osakeste transpordi tagajärg
Tavalise kõrgvaakumaurustamise korral on gaasifaasi kokkupõrked allika ja proovi vahel harvad. Osakesed liiguvad peaaegu sirgjooneliselt. Proovi pinnad, mis on suunatud allika poole, saavad kergesti osakeste voogu, samas kui astmete või fotoresisti külgseinte varjutatud aladel võivad tekkida varjuefektid. See on hästi tuntud "nähtavuse sadestumine".
Suunavust ei määra aga pelgalt termin "aurustamine". Allika mõõtmed, allika ja proovi vaheline kaugus, proovi kaldenurk, kinnituse varjutus ja pöörlemisrežiim muudavad saabuvate osakeste langemisnurka. Kallutatud substraadi paigutuse või planeedi liikumise korral võib sama aurustussüsteem teatud funktsioonide puhul külgseina katvust aktiivselt parandada.
Pihustamine nõuab püsivat elektrilahendust konkreetses töögaasikeskkonnas. Pärast sihtaatomite sihtpinnalt lahkumist võivad nad gaasiaatomitega kokku põrgata ja nende trajektoorid ümber jaotuvad. Lisaks ei ole sihtmärk ise ideaalne punktallikas. Järelikult annab tavaline pihustamine proovile langevate osakeste laiema nurkjaotuse võrreldes standardse aurustamisega. Sellegipoolest on sama ebatäpne väide, et "pritsimisel puudub suund". Töörõhu langetamine või tõstmine, sihtmärgi ja substraadi vahelise kauguse reguleerimine, kollimeerivate struktuuride kasutamine ja proovi ümberpaigutamine muudavad kokkupõrke sagedust ja langemisnurga jaotust. Kõrgem rõhk võib laiendada osakeste nurkade levikut ja võib põhjustada ka saabuvate osakeste energiakao.
03｜Miks üks protsess eelistab tõstmist, samas kui teine toimib sammude katmiseks paremini
Erinevused suundumustes võimenduvad kolmemõõtmeliste struktuuridega kokku puutudes. Tõstmise põhiprintsiip on musterdada esmalt fotoresisti kihis olevad avad, kanda kile kogu substraadile ja seejärel lahustada fotoresist, et eemaldada koos resisti peal olev kile.
Edukaks ülestõstmiseks ei tohiks avade sees olev sihtkile eelistatavalt moodustada pidevat ühendust resisti peal oleva kilega piki külgseinu. Tugeva vaatevälja suunaga aurustumine tekitab takistuse külgseinte lähedal paksusmurde.
04｜Mida substraadi kogemus ületab "lihtsalt metallikihiga katmise"
Aurustamist kirjeldatakse sageli lõdvalt kui "õrnat", samas kui pritsimist peetakse "tugevaks pommitamiseks".
Mõlemal arusaamal on faktiline alus, kuid kumbki ei pea paika sõltumata seadmetest ja protsessi tingimustest.
Aurustumise ajal võib proov siiski kogeda temperatuuri tõusu, mis on põhjustatud soojuskiirgusest, kokkupuutest soojusallikaga ja sadestumise kestusest.
Elektronkiiresüsteemide puhul tuleb arvesse võtta ka täiendavaid tegureid, nagu elektronid, röntgenikiirgus, lähtematerjali pritsmed ja osakesed.
Polümeere, fotoresiste, madala sulamistemperatuuriga kihte või kiirgustundlikke seadmeid ei tohiks pidada ohutuks pelgalt protsessi nimetuse põhjal. Pihustuskeskkonnas võib peale sihtaatomite esineda ka ioonide, elektronide, peegeldunud neutraalide ja lisandite voogusid. Substraadi nihe, plasma asukoht ja töörõhk muudavad proovile tarnitud tegelikku energiasisendit. Mõõdukas energia võib soodustada pindade migratsiooni ja liideste sidumist, samas kui liigne energia võib põhjustada temperatuuri tõusu, pinna muutumist, uuesti pihustamist või tundlike kihtide kahjustamist.
Seetõttu ei tohiks proovide taluvuse üle arutledes pelgalt küsida, "kas temperatuur on kõrge". Samuti tuleb kaaluda, millest proovi pind koosneb, kas selle all on õhukesed oksiidikihid või kahemõõtmelised materjalid, kas fotoresist on endiselt olemas, kas seadme valmistamine on lõppenud ja kas protsessijärgne lõõmutamine või puhastamine on lubatud.
05｜Miks "pritsitud kiled on tihedamad" on vaid lähtepunkt
Õhuke kile ei lange alla tahke metallplokina. Selle asemel adsorbeeruvad sissetulevad osakesed esmalt ja tuumastuvad, moodustades saared. Seejärel need saared kasvavad ja ühinevad, arenedes lõpuks pidevaks filmiks. Saabuvate osakeste energia, substraadi temperatuur, sadestuskiirus, langemisnurk, pinna puhtus ja jääkgaas reguleerivad kõik osakeste pinna liikuvust ning muudavad tera suurust, poorsust, karedust, tekstuuri ja jääkpinget. Energeetilised pihustatud osakesed ja nendega seotud energiavood toovad üldiselt kaasa ootusi suurema pinna liikuvuse ja suhteliselt tihedate kilede kohta.
Sellegipoolest võivad pihustatud kiled tekitada ka poorseid sammasstruktuure, tugevat pinget või suurt karedust kõrge töörõhu, olulise kokkupõrkeenergiakao, ebasoodsate langemisnurkade või ebapiisavate pinnatingimuste tingimustes. Samuti ei ole aurustunud kiled oma olemuselt poorsed. Substraadi temperatuuri, sadestamiskiiruse, pinnatöötluse ja lisaenergia sisendite muutmine muudab samuti tuuma moodustumist ja kasvu käitumist.
Suurem kiletihedus ei tähenda automaatselt paremaid seadmeid. Metallelektroodid võivad seada suurema prioriteedi kontakti takistusele ja servade terviklikkusele; optilised struktuurid võivad keskenduda rohkem karedusele ja optilistele konstantidele; rippkonstruktsioonid on pinge suhtes väga tundlikud; difusioonitõkkekihid pööravad suurt tähelepanu järjepidevusele ja defektiteedele. "Tihe" on vaid materiaalne kirjeldus. Lõppkokkuvõttes tuleb jõudlust hinnata õhukese kile rakenduse funktsionaalsete nõuete alusel.
Kokkuvõte
Nii aurustamine kui ka pihustamine võivad metalle ladestuda, kuid need ei ole vahetatavad nupuvalikud. Aurustumine aurustab materjalid kuumutamise kaudu gaasifaasi ja näitab tüüpilistes tingimustes tugevat vaatevälja suunda. Pommitamine vabastab ioonidega pommitamise kaudu sihtaatomeid; kokkupõrked töögaasi ja seadmete geomeetrias annavad üldiselt suurema ulatuse nurkade vahemiku.
Väited, nagu "aurustumine on parem" või "pritsimine on parem" on ennatlikud. Sobiv protsessiviis peaks selgitama, kuidas osakesed objektideni jõuavad, täpsustama, millises kohas kontrollitakse minimaalset kilepaksust, milliseid tõrkeid ette näha ja milliste lõplike kriteeriumide alusel otsustatakse, kas õhukese kile kiht on oma ettenähtud funktsiooni tõesti täitnud.
