Испарение (осаждение)

Термическое испарение в резистивном нагреве d лодка

Испарение - распространенный метод осаждения тонких пленок. Исходный материал упаривают в вакууме. Вакуум позволяет частицам пара перемещаться непосредственно к целевому объекту (подложке), где они конденсируются обратно в твердое состояние. Испарение используется в микротехнологии и для изготовления крупномасштабных продуктов, таких как металлизированная пластиковая пленка.

• 1 Физический принцип
• 2 Оборудование
• 3 Оптимизация
• 4 Применение
• 5 Сравнение с другими методами осаждения
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

Островки серебра толщиной один атом, нанесенные на поверхность палладия (111) термическим испарением. Подложка, несмотря на то, что она прошла зеркальную полировку и вакуумный отжиг, выглядит как серия террас. Калибровка покрытия была достигнута путем отслеживания времени, необходимого для завершения полного монослоя, с помощью туннельной микроскопии (СТМ) и появления состояний квантовых ям, характерных для толщины серебряной пленки в фотоэмиссионная спектроскопия (ARPES). Размер изображения составляет 250 нм на 250 нм.

Испарение включает два основных процесса: горячий исходный материал испаряется и конденсируется на подложке. Это напоминает знакомый процесс, при котором жидкая вода появляется на крышке кипящего котла. Однако газовая среда и источник тепла (см. «Оборудование» ниже) отличаются.

Испарение происходит в вакууме, т.е. пары, отличные от исходного материала, почти полностью удаляются до начала процесса. В высоком вакууме (с большой длиной свободного пробега) испаренные частицы могут лететь прямо к мишени для осаждения, не сталкиваясь с фоновым газом. (Напротив, в примере с кипящим котлом водяной пар выталкивает воздух из котла, прежде чем он достигнет крышки.) При типичном давлении 10 Па частица размером 0,4 нм имеет средний свободный пробег 60 м. Горячие предметы в испарительной камере, такие как нагревательные нити, выделяют нежелательные пары, которые ограничивают качество вакуума.

Испарившиеся атомы, сталкивающиеся с инородными частицами, могут реагировать с ними; например, если алюминий осаждается в присутствии кислорода, он образует оксид алюминия. Они также уменьшают количество пара, попадающего на подложку, что затрудняет контроль толщины.

Испаренные материалы осаждаются неравномерно, если подложка имеет шероховатую поверхность (как это часто бывает в интегральных схемах). Поскольку испаренный материал атакует подложку в основном с одного направления, выступающие элементы блокируют испаренный материал из некоторых областей. Это явление называется «затенением» или «ступенчатым покрытием».

Когда испарение проводится в плохом вакууме или при давлении, близком к атмосферному, получающееся осаждение обычно неоднородно и не может быть сплошной или гладкой пленкой. Скорее отложение будет нечетким.

Термический испаритель с молибденовой лодочкой, закрепленной между двумя массивными медными проходами, охлаждаемыми водой.

Любая система испарения включает вакуумный насос. Он также включает в себя источник энергии, который испаряет осаждаемый материал. Существует много различных источников энергии:

• При термическом методе металлический материал (в виде проволоки, гранул, дроби) подается на нагретые полуметаллические (керамические) испарители, известные как «лодки» из-за их форма. В полости лодки образуется лужа расплавленного металла, которая испаряется в облако над источником. В качестве альтернативы исходный материал помещается в тигель, который радиационно нагревается электрической нитью, или исходный материал может быть подвешен на самой нити (испарение нити).
  • Молекулярно-лучевая эпитаксия - это усовершенствованная форма термического испарения.
• В электронно-лучевом методе источник нагревается электронным лучом с энергией до 15 кэВ.
• При мгновенном испарении тонкая проволока или порошок исходного материала непрерывно подается на горячий керамический или металлический стержень и испаряется при контакте.
• Резистивное испарение достигается путем пропускания большого тока через резистивный проволока или фольга, содержащие наносимый материал. Нагревательный элемент часто называют «источником испарения». Источники испарения проволочного типа изготавливаются из вольфрамовой проволоки и могут быть выполнены в виде нитей, корзин, нагревателей или точечных источников в форме петель. Источники испарения лодочного типа изготовлены из материалов типа вольфрама, тантала, молибдена или керамики, способных выдерживать высокие температуры.

В некоторых системах подложка устанавливается вне плоскости. Механизм вращает подложку одновременно вокруг двух осей, чтобы уменьшить затенение.

• Чистота осажденной пленки зависит от качества вакуума и чистоты исходного материала.
• При заданном давлении вакуума чистота пленки будет выше при более высокие скорости осаждения, поскольку это сводит к минимуму относительную скорость включения газовых примесей.
• Толщина пленки будет варьироваться в зависимости от геометрии испарительной камеры. Столкновения с остаточными газами усугубляют неравномерность толщины.
• Проволочные нити для испарения не могут осаждать толстые пленки, потому что размер нити ограничивает количество материала, который может быть нанесен. Лодочки для испарения и тигли предлагают большие объемы для более толстых покрытий. Термическое испарение обеспечивает более высокую скорость испарения, чем распыление. Быстрое испарение и другие методы, в которых используются тигли, могут привести к образованию толстых пленок.
• Для того, чтобы нанести материал, система испарения должна иметь возможность его испарения. Это затрудняет осаждение тугоплавких материалов, таких как вольфрам, методами, не использующими электронно-лучевой нагрев.
• Электронно-лучевое испарение позволяет точно контролировать скорость испарения. Таким образом, электронно-лучевая система с несколькими лучами и несколькими источниками может нанести химическое соединение или композитный материал известного состава.
• Покрытие этапа

Испарительная машина, используемая для металлизации на технологическом предприятии LAAS в Тулузе, Франция.

Важным примером процесса испарения является производство алюминизированной ПЭТ-пленки упаковочная пленка в системе рулонного полотна. Часто алюминиевый слой в этом материале не достаточно толст, чтобы быть полностью непрозрачным, поскольку более тонкий слой можно нанести дешевле, чем толстый. Основное назначение алюминия - изолировать продукт от внешней среды, создавая барьер для прохождения света, кислорода или водяного пара.

Испарение обычно используется в микропроизводстве для нанесения металлических пленок.

• Альтернативы испарению, такие как распыление и химическое осаждение из паровой фазы, имеют лучшее покрытие ступеней. Это может быть преимуществом или недостатком в зависимости от желаемого результата.
• При распылении материал осаждается медленнее, чем при испарении.
• При распылении используется плазма, которая производит много высокоскоростные атомы, которые бомбардируют подложку и могут ее повредить. Испаренные атомы имеют максвелловское распределение энергии, определяемое температурой источника, что уменьшает количество высокоскоростных атомов. Однако электронные лучи имеют тенденцию производить рентгеновское излучение (тормозное излучение ) и паразитные электроны, каждый из которых может также повредить подложку.

• Jaeger, Richard C. (2002). «Пленочное осаждение». Введение в производство микроэлектроники (2-е изд.). Река Верхнее Седл: Prentice Hall. ISBN 0-201-44494-1.
• Полупроводниковые приборы: физика и технология, С.М. Sze, ISBN 0-471-33372-7, особенно подробно обсуждает осаждение пленки испарением.
• R. Каталог источников испарения компании D. Mathis, RD Mathis Company, страницы 1-7 и страница 12, 1992.

• Справочник по испарению тонкой пленки - свойства обычных материалов
• Веб-страница Общества вакуума Coaters (Society of Vacuum Coaters )
• Примеры источников испарения