蒸着とスパッタリングは両方とも属します物理蒸着 (PVD)。どちらもソース材料からサンプルの表面に金属を転写します。ただし、「塗膜を形成できる」ということは、得られる膜が同一であることを意味するものではありません。
この違いは、次の 3 つの重要な質問に対処することで調べることができます。素材はどのようにしてソースから流出するのか?粒子は真空チャンバー内をどのように移動するのでしょうか?地表に到達した後、それらのエネルギーと方向情報はどのくらい保持されますか?
01｜メリットとデメリットを急いで比較しない- まずは金属がどのように生成されるかを理解しましょう
熱蒸発では、抵抗加熱されたボート、フィラメント、またはるつぼを利用して、原料が十分な蒸気圧になるまで加熱します。
電子ビーム蒸着では、集束電子ビームを使用してソース材料の局所領域にエネルギーを集中させるため、非常に高いソース温度を必要とする材料に適しています。
それらの加熱メカニズムは異なりますが、その後の基本的なプロセスは似ています。原料物質は気相に移行し、低圧チャンバーを通って低温のサンプル表面に向かって移動し、そこで吸着、核生成し、徐々に合体して薄膜層になります。
マグネトロンスパッタリングはターゲット材料を「沸騰」させません。作動ガスは励起されてプラズマを形成します。イオンはターゲット表面付近でエネルギーを獲得し、ターゲットに衝突します。衝突カスケードにより、ターゲット原子が表面から叩き出されます。放出された粒子は作動ガス中を移動し、サンプルに到達します。磁場の主な機能は、電子をターゲット表面近くにより効果的に閉じ込め、イオン化と放電の効率を高めることです。
サンプルに堆積する実際の磁束は、ターゲットの形状、磁場分布、動作圧力、ターゲットと基板の距離、固定具の位置、サンプルの動作モードの影響を受けます。
02｜方向性はデバイスの仕様ではなく、粒子輸送の結果である
従来の高真空蒸着では、ソースとサンプルの間の気相衝突はほとんどありません。粒子はほぼ直線的に移動します。ソースに面するサンプルの表面は粒子束を容易に受け取りますが、段差やフォトレジストの側壁によって影になった領域は影の影響を受ける可能性があります。これはよく知られた「視線堆積」です。
しかし、「蒸発」という言葉だけで方向性が決まるわけではありません。ソースの寸法、ソースからサンプルまでの距離、サンプルの傾斜角度、フィクスチャのシャドウイング、および回転モードはすべて、到着する粒子の入射角を変更します。基板の傾斜配置や遊星運動により、同じ蒸着システムで特定の機能の側壁の被覆率を積極的に向上させることができます。
スパッタリングには、特定の作動ガス環境内での持続的な放電が必要です。ターゲット原子がターゲット表面から離れた後、ガス原子と衝突し、その軌道が再分布される可能性があります。さらに、ターゲット自体は理想的な点光源ではありません。したがって、従来のスパッタリングでは、通常、標準的な蒸着と比較して、入射粒子のより広い角度分布がサンプルに供給されます。それにもかかわらず、「スパッタリングには方向性がない」という記述も同様に不正確です。作動圧力の増減、ターゲットと基板の距離の調整、コリメート構造の採用、サンプルの位置変更はすべて、衝突頻度と入射角分布を変更します。圧力が高くなると粒子の角の広がりが広がる可能性があり、到着した粒子がより多くのエネルギーを失う可能性もあります。
03｜なぜ一方のプロセスがリフトオフを優先し、もう一方のプロセスがステップカバレッジでより優れたパフォーマンスを発揮するのか
方向性の違いは立体構造に遭遇するとさらに増幅されます。リフトオフの基本原理は、最初にフォトレジスト層に開口部をパターン化し、基板全体に膜を堆積し、次にフォトレジストを溶解してレジスト上の膜を一緒に剥離することです。
リフトオフを成功させるには、開口部内の基板上のターゲット膜が、側壁に沿ったレジスト上の膜と連続的な接続を形成しないことが好ましい。強い視線方向性を伴う蒸着では、レジストの側壁近くに厚さの切れ目が生じる傾向があります。
04｜「ただ金属層を塗っただけ」を超えた基板体験
蒸発は「穏やか」であると大まかに表現されることが多いのに対し、スパッタリングは「強い衝撃」があるとみなされます。
どちらの認識にも事実に基づくものがありますが、装置やプロセスの条件に関係なくどちらも当てはまりません。
蒸発中、熱放射、熱源への曝露、蒸着時間によってサンプルの温度が上昇する可能性があります。
電子ビーム システムの場合は、電子、X 線、原料物質の飛散、粒子などの追加要因も考慮する必要があります。
ポリマー、フォトレジスト、低融点層、または放射線に敏感なデバイスは、単にプロセス名に基づいて安全であるとみなすべきではありません。スパッタリング環境では、ターゲット原子の他に、イオン、電子、反射された中性粒子、および不純物のフラックスも存在する可能性があります。基板のバイアス、プラズマの位置、作動圧力によって、サンプルに供給される実際のエネルギー入力が変化します。適度なエネルギーは表面の移動と界面結合を促進する可能性がありますが、過剰なエネルギーは温度上昇、表面改質、再スパッタリング、または敏感な層への損傷を引き起こす可能性があります。
したがって、サンプルの耐性について議論するときは、単に「温度が高いかどうか」を問うべきではありません。また、サンプル表面が何で構成されているか、その下に薄い酸化物層や二次元材料があるかどうか、フォトレジストがまだ存在しているかどうか、デバイスの製造が完了しているかどうか、プロセス後のアニーリングや洗浄が許容されるかどうかなどを考慮する必要もあります。
05｜なぜ「スパッタリング膜の密度が高い」は出発点にすぎないのか
薄膜は金属の固体ブロックとしては下降しません。代わりに、入ってくる粒子は最初に吸着して核形成して島を形成します。これらの島は成長して合体し、最終的には連続した膜に発展します。到着する粒子のエネルギー、基板温度、堆積速度、入射角、表面清浄度、残留ガスはすべて粒子の表面移動度を支配し、粒子サイズ、多孔度、粗さ、組織、残留応力を変更します。エネルギーの高いスパッタ粒子とそれに伴うエネルギー束により、一般に表面移動度の向上と比較的緻密な膜が期待されます。
それにもかかわらず、スパッタリングされた膜は、高い加工圧力、重大な衝突エネルギー損失、好ましくない入射角、または不適切な表面状態の条件下で、多孔質の柱状構造、大きな応力または大きな粗さを生じる可能性もあります。どちらも蒸着膜は本質的に多孔質ではありません。基板温度、堆積速度、表面処理、補助エネルギー入力を変更すると、同様に核形成と成長の挙動が変化します。
膜密度が高くなれば自動的にデバイスの性能が向上するわけではありません。金属電極は、接触抵抗とエッジの完全性をより優先する場合があります。光学構造では、粗さと光学定数に重点を置く場合があります。吊り下げ構造は応力に非常に敏感です。拡散障壁層は、連続性と欠陥経路に細心の注意を払っています。 「濃い」というのは単に物質的な説明にすぎません。最終的には、薄膜アプリケーションの機能要件に照らしてパフォーマンスを評価する必要があります。
まとめ
蒸着とスパッタリングはどちらも金属を堆積できますが、押しボタンのオプションとして交換できるわけではありません。蒸発は、加熱により材料を気相に蒸発させ、一般的な条件下で強い視線方向性を示します。スパッタリングは、イオン衝撃によってターゲット原子を解放します。作動ガスと装置の幾何学的形状内での衝突により、一般に広範囲の到来角が得られます。
「蒸発の方が優れている」または「スパッタリングの方が優れている」などの主張は時期尚早です。適切なプロセス ルートでは、粒子がどのように形状に到達するかを説明し、最小膜厚を検査する場所、予想される故障の種類、薄膜層が本当に意図した機能を果たしているかどうかを判断するためにどのような最終基準を使用するかを指定する必要があります。
