Испарение (осаждение)

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

История

Отложения в результате испарения впервые наблюдались в лампах накаливания в конце девятнадцатого века. Проблема потемнения лампочек была одним из главных препятствий на пути к созданию ламп с длительным сроком службы, и она тщательно изучалась Томасом Эдисоном и его компанией General Electric , а также многими другими, работавшими над собственными лампочками. Впервые это явление было адаптировано к процессу вакуумного осаждения Полем и Прингсхаймом в 1912 году. Однако оно не находило особого применения до 1930-х годов, когда люди начали экспериментировать со способами изготовления зеркал с алюминиевым покрытием для использования в телескопах . Алюминий был слишком реактивным, чтобы его можно было использовать в методах химического мокрого осаждения или гальваники . Джону Д. Стронгу удалось изготовить первые алюминиевые зеркала для телескопов в 1930-х годах с использованием испарительного осаждения. Поскольку он создает аморфное (стеклянное) покрытие, а не кристаллическое, с высокой однородностью и точным контролем толщины, с тех пор этот метод стал обычным процессом производства тонкопленочных оптических покрытий. из различных материалов, как металлических, так и неметаллических (диэлектриков), и был принят для многих других целей, таких как покрытие пластиковых игрушек и автомобильных деталей, производство полупроводников и микрочипов , а также майларовых пленок, которые используются в самых разных целях: от конденсаторов до Тепловой контроль космического корабля . ^[1]

Физический принцип

Испарение включает в себя два основных процесса: горячий источник испаряет материал и конденсирует его на более холодной подложке, температура которой ниже его температуры плавления. Это напоминает знакомый процесс, при котором жидкая вода появляется на крышке кипящей кастрюли. Однако газовая среда и источник тепла (см. ниже «Оборудование») различны. Жидкости, такие как вода, не могут существовать в вакууме, поскольку им требуется определенный уровень внешнего давления, чтобы удерживать атомы и молекулы вместе. В вакууме материалы сублимируются (испаряются), расширяются наружу и при контакте с поверхностью конденсируются обратно в твердое состояние ( осаждение ), даже не проходя через жидкое состояние. Таким образом, по сравнению с водой, этот процесс больше похож на образование инея на окне.

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 перемещаться непосредственно к мишени осаждения, не сталкиваясь с фоновым газом. (Напротив, в примере с кипящей кастрюлей водяной пар выталкивает воздух из кастрюли до того, как он достигнет крышки.) При типичном давлении 10 ⁻⁴ Па, частица размером 0,4 нм имеет среднюю длину свободного пробега 60 м. Горячие предметы в испарительной камере, такие как нагревательные нити, производят нежелательные пары, которые ограничивают качество вакуума.

Испаренные атомы, столкнувшиеся с инородными частицами, могут вступить с ними в реакцию; например, если алюминий осаждается в присутствии кислорода, образуется 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 испаряемый материал воздействует на подложку преимущественно с одного направления, выступающие элементы блокируют испаряемый материал в некоторых областях. Это явление называется «затенением» или «ступенчатым охватом».

Когда испарение проводится в плохом вакууме или при давлении, близком к атмосферному, полученное осаждение обычно бывает неоднородным и не представляет собой сплошную или гладкую пленку. Скорее, осаждение будет выглядеть нечетким.

Оборудование

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

При термическом методе металлический материал (в виде проволоки, окатышей, дроби) подается на нагретые полуметаллические (керамические) испарители, получившие из-за формы название «лодочки». В полости лодки образуется лужа расплавленного металла, которая испаряется в облако над источником. Альтернативно, исходный материал помещается в тигель , который нагревается радиационным путем с помощью электрической нити , или исходный материал можно подвешивать к самой нити ( испарение нити ).
- Молекулярно-лучевая эпитаксия — это усовершенствованная форма термического испарения.
В электронно-лучевом методе источник нагревается электронным пучком 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 осуществляется путем пропускания большого тока через резистивную проволоку или фольгу, содержащую осаждаемый материал. Нагревательный элемент часто называют «источником испарения». Источники испарения проволочного типа изготавливаются из вольфрамовой проволоки и могут иметь форму нитей, корзин, нагревателей или точечных источников петлевой формы. Источники испарения лодочного типа изготавливаются из вольфрама, тантала, молибдена или материалов керамического типа, способных выдерживать высокие температуры.
Испарение при индукционном нагреве предполагает нагрев исходного материала с помощью индукционного нагревателя . ^[3]

расположенном вне плоскости В некоторых системах подложка крепится на планетарном механизме, . Механизм вращает подложку одновременно вокруг двух осей, чтобы уменьшить затенение.

Оптимизация

Чистота осаждаемой пленки зависит от качества вакуума и чистоты исходного материала.
При данном вакуумном давлении чистота пленки будет выше при более высоких скоростях осаждения, поскольку это сводит к минимуму относительную скорость включения газообразных примесей.
Толщина пленки будет варьироваться в зависимости от геометрии испарительной камеры. Столкновения с остаточными газами усугубляют неоднородность толщины.
Проволочные нити для испарения не могут осаждать толстые пленки, поскольку размер нити ограничивает количество наносимого материала. Испарительные лодочки и тигли обеспечивают больший объем для получения более толстых покрытий. Термическое испарение обеспечивает более высокую скорость испарения, чем напыление . Мгновенное испарение и другие методы, в которых используются тигли, могут привести к образованию толстых пленок.
Для осаждения материала система испарения должна быть способна испарять его. Это затрудняет осаждение тугоплавких материалов, таких как вольфрам, методами, не использующими электронно-лучевой нагрев.
Электронно-лучевое испарение позволяет жестко контролировать скорость испарения. Таким образом, электронно-лучевая система с несколькими лучами и несколькими источниками может наносить химическое соединение или композитный материал известного состава.
Покрытие шагов

Приложения

Важным примером испарительного процесса является производство упаковочной пленки из алюминизированной ПЭТ-пленки в системе рулонного полотна . Часто слой алюминия в этом материале недостаточно толстый, чтобы быть полностью непрозрачным, поскольку более тонкий слой можно нанести дешевле, чем толстый. Основное назначение алюминия — изолировать изделие от внешней среды, создавая барьер для прохождения света , кислорода или водяного пара.

Испарение обычно используется в микротехнологиях для нанесения металлических пленок.

Сравнение с другими методами осаждения

Альтернативы испарению, такие как напыление и химическое осаждение из паровой фазы , обеспечивают лучшее покрытие ступеней. Это может быть преимуществом или недостатком, в зависимости от желаемого результата.
Распыление имеет тенденцию осаждать материал медленнее, чем испарение.
При распылении используется плазма , которая производит множество высокоскоростных атомов, 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 рентгеновские лучи ( тормозное излучение ) и блуждающие электроны, каждый из которых также может повредить подложку.

Ссылки

^ Основы технологии вакуумного нанесения покрытий. Д. М. Маттокс - Springer, 2004 г., стр. 37.
^ Тронтл, В. Микшич; Плетикосич, И.; Милун, М.; Перван, П.; Лазич, П.; Шокчевич, Д.; Брако, Р. (16 декабря 2005 г.). «Экспериментальное и ab initio исследование структурных и электронных свойств пленок Ag субнанометровой толщины на Pd(111)» . Физический обзор B . 72 (23): 235418. doi : 10.1103/PhysRevB.72.235418 .
^ Кузьмичев Анатолий; Цыбульский, Леонид (14 февраля 2011 г.). Грундас, Станислав (ред.). «Испарители с индукционным нагревом и их применение» . ИнТех. дои : 10.5772/13934 . ISBN 978-953-307-522-8 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

Джагер, Ричард К. (2002). «Кинодепонирование». Введение в производство микроэлектроники (2-е изд.). Река Аппер-Седл: Прентис-Холл. ISBN 0-201-44494-1 .
Полупроводниковые приборы: физика и технология, С.М. Зе, ISBN 0-471-33372-7 содержит особенно подробное обсуждение осаждения пленки путем испарения.
Каталог источников испарения компании RD Mathis, компания RD Mathis, страницы с 1 по 7 и страница 12, 1992 г.

Внешние ссылки

[1] Основы технологии вакуумного нанесения покрытий. Д. М. Маттокс - Springer, 2004 г., стр. 37.

[2] Тронтл, В. Микшич; Плетикосич, И.; Милун, М.; Перван, П.; Лазич, П.; Шокчевич, Д.; Брако, Р. (16 декабря 2005 г.). «Экспериментальное и ab initio исследование структурных и электронных свойств пленок Ag субнанометровой толщины на Pd(111)» . Физический обзор B . 72 (23): 235418. doi : 10.1103/PhysRevB.72.235418 .

[3] Кузьмичев Анатолий; Цыбульский, Леонид (14 февраля 2011 г.). Грундас, Станислав (ред.). «Испарители с индукционным нагревом и их применение» . ИнТех. дои : 10.5772/13934 . ISBN 978-953-307-522-8 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[1]

[2]

[3]