Испарение (осаждение)

Термическое испарение в лодке с резистивным обогревом

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 , а также для изготовления крупномасштабных продуктов, таких как металлизированная пластиковая пленка.

Физический принцип [ править ]

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 , необходимым для завершения полного монослоя с использованием туннельной микроскопии (СТМ) и от возникновения квантовой ямы заявляет характеристику толщины пленки серебра в фотоэмиссии (ARPES). Размер изображения 250 нм на 250 нм. ^[1]

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, то есть пары, отличные от исходного материала, почти полностью удаляются перед началом процесса. В высоком вакууме (с большой длиной свободного пробега) испарившиеся 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 ^-4 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.

Испаренные 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 часто делают интегральные схемы). Поскольку испаренный материал атакует подложку в основном с одного направления, выступающие элементы блокируют испаренный материал с некоторых участков. Это явление называется «затенением» или «ступенчатым покрытием».

Когда испарение выполняется в плохом вакууме или при давлении, близком к атмосферному, получающееся осаждение обычно неоднородно и, как правило, не является сплошной или гладкой пленкой. Скорее отложение будет нечетким.

Оборудование [ править ]

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

В состав любой системы выпаривания входит вакуумный насос . Он также включает в себя источник энергии, который испаряет осаждаемый материал. Существует много разных источников энергии:

• При термическом методе металлический материал (в виде проволоки, гранул, дроби) подается в нагретые полуметаллические (керамические) испарители, известные как «лодочки» из-за их формы. В полости лодки образуется лужа расплавленного металла, которая испаряется в облако над источником. В качестве альтернативы исходный материал помещают в тигель , который радиационно нагревается с помощью электрической нити , или исходный материал может быть подвешен к самой нити ( испарение нити ).
  • Молекулярно-лучевая эпитаксия - это современная 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 достигается пропусканием большого тока через резистивную проволоку или фольгу, содержащую осаждаемый материал. Нагревательный элемент часто называют в качестве «источника испарения». Источники испарения проволочного типа изготавливаются из вольфрамовой проволоки и могут быть сформированы в виде нитей, корзин, нагревателей или точечных источников в форме петель. Источники испарения лодочного типа изготавливаются из материалов типа вольфрама, тантала, молибдена или керамики, способных выдерживать высокие температуры.

В некоторых системах подложка монтируется на планетарный механизм вне плоскости . Механизм вращает подложку одновременно вокруг двух осей, чтобы уменьшить затенение.

Оптимизация [ править ]

• Чистота нанесенной пленки зависит от качества вакуума и от чистоты исходного материала.
• При заданном давлении вакуума чистота пленки будет выше при более высоких скоростях осаждения, поскольку это минимизирует относительную скорость включения газовых примесей.
• Толщина пленки зависит от геометрии испарительной камеры. Столкновения с остаточными газами усугубляют неоднородность 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.
• Чтобы отложить материал, испарительная система должна испарить его. 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 множеством лучей и множеством источников может наносить химическое соединение или композитный материал известного состава.
• Покрытие ступеней

Приложения [ править ]

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

Важным примером процесса испарения является производство алюминизированной упаковочной пленки из полиэтилентерефталата в системе рулонного полотна . Часто алюминиевый слой в этом материале недостаточно толстый, чтобы быть полностью непрозрачным, поскольку более тонкий слой может быть нанесен дешевле, чем толстый. Основное назначение алюминия - изолировать продукт от внешней среды, создавая барьер для прохождения света , кислорода или водяного пара.

Испарение обычно используется в микротехнологии для нанесения металлических пленок.

Сравнение с другими методами осаждения [ править ]

• 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 множество высокоскоростных атомов, которые бомбардируют подложку и могут повредить ее. 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 также может повредить подложку.

Ссылки [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

• Справочник по тонкопленочному испарению - свойства обычных материалов
• Веб-страница Общества производителей вакуумного покрытия ( Society of Vacuum Coaters )
• Примеры источников испарения