Vapor Deposition — это метод обработки, при котором на подложку наносится тонкий слой исходного материала для улучшения его механических и химических свойств. Vapor Deposition подразделяется на два основных вида обработки:
Vapor Deposition — это атомистический процесс, в котором исходный материал W испаряется из твердого или газообразного исходного материала и транспортируется в вакууме в виде возбужденных атомов или молекул и осаждается на подложке W , где он конденсируется и осаждается в виде тонкой пленки. Vapor Deposition изначально был «придуман» авторами CF Powell, JH Oxley и JM Blocher Jr. в их книге 1966 года «Vapor Deposition». [2]
Фундаментальная теория осаждения из паровой фазы берет свое начало в теоретической физике, химии и термодинамике, а сам процесс осаждения был разработан с достижениями в области вакуумной техники, электричества и магнетизма, термодинамики и течения жидкости[2]. Фундаментальная теория Фундаментальная теория процессов представляет собой сочетание многих областей, включая статистическую физику, химию и электромагнетизм.
Процессы осаждения паров крайне востребованы для получения точных и тонких покрытий или многослойных покрытий на материале для улучшения свойств, которых не хватает. Нанесение тонких пленок методом осаждения идеально, поскольку его можно наносить на подложки с многочисленными ориентациями и сложными геометрическими формами.
CVD и PVD очень популярны в полупроводниковой промышленности для улучшения проводящих и магнитных свойств металлов без значительных затрат. Осажденные пленки в полупроводниках настолько тонкие, что этот процесс чрезвычайно выгоден и экономичен. Осажденный материал может быть в форме:
Содержание
Физическое осаждение паров
PVD использует принципы термодинамики, фокусируя концентрированные формы энергии на твердом исходном материале. Этот твердый исходный материал возбуждается посредством энергетической бомбардировки; Магнитное распыление, лазеры, дуговое испарение. Энергия вызывает разрыв связей в структуре кристаллической решетки, и атомы ионизируются, поскольку они вытесняются из исходного материала. [1] Ионизированный материал высвобождается и переносится градиентом давления туда, где он осаждается в виде тонкой пленки на материале подложки. [3]
Химическое осаждение из паровой фазы
CVD полагается на химическую реактивность между ионизированным испаренным газом в камере осаждения. Ионизированный газ впрыскивается через регулирующие клапаны в камеру осаждения, где происходит химическая реакция между прекурсором и подложкой. [3]
Теория
Результат отложения
Четыре основных химических явления определяют свойства и механизм реакций осаждения из паровой фазы. К ним относятся:
- (1) Химия реакции; Промежуточные стадии, побочные продукты и энергия активации
- (2) Механизмы реакции
- (3)Состав депозита
- (4)Структура депозита (геометрическое расположение атомов)
Вакуумная камера
Осаждение паров выполняется в почти идеальной вакуумной среде для предотвращения загрязнения. Относительный размер вакуума по сравнению с размером испаренного материала относительно расстояния, которое должен пройти исходный материал, огромен. Размер вакуума имеет большое влияние в процессах PVD. Магнетронное распыление IE непрерывно ускоряет частицы по спирали. С увеличением времени скорость и энергия пропорциональны скорости. Чем больше энергия, тем больше и больше объем исходного материала реагирует сильнее для более эффективного осаждения тонкой пленки. Вакуум позволяет контролировать количество входного материала во время обработки. Система состоит из камеры осаждения, камер ввода, вакуумной насосной системы, выхлопной системы, системы впуска газа и взаимосвязанной системы трубок. Кроме того, для конструкции системы важны приспособления и инструменты для удержания и перемещения подложек.
Обработка
Существует три основных параметра, которые определяют как плотность осаждения, так и скорость и характеристики пленки.
- 1) Массоперенос – поток жидкости и диффузия
- 2а)Энергетические реакции
- 2б) Химическая реакция (фазовая химия) [4]
Схема, показанная на рисунке 4, иллюстрирует аппарат, задействованный в процессе осаждения паров. Второстепенные компоненты добавляются на основе конкретного процесса осаждения.
Массовый транспорт
Исходный материал поступает в камеру под действием потока жидкости. Инертный газ следует за потоками вдоль линий тока путем диффузии внутри камеры. Реакции осаждения управляются градиентом концентрации внутри реакционной камеры. Ионизированный материал диффундирует через граничные слои подложки, и формируется первая пленка. После первоначального осаждения образуются молекулярные побочные продукты, и происходит деабсорбция, поскольку избыточный материал и потоки побочных продуктов высасываются из камеры. [5]
Энергетические реакции
В PVD методы используются для реакции с исходным материалом в камере осаждения, который затем реагирует с подложкой. Огромное количество энергии используется для физического разрыва связей, искажения решеток и внедрения испаренного материала на и в подложку, заставляя пленку принудительно осаждаться. Часто лазерные импульсы, магнитное распыление и дуговое испарение являются примерами того, как работает этот процесс. Лазеры используются для разрыва связей и принуждения материала к выбросу. Магнитное распыление использует магнитные поля для притяжения ионизированного исходного материала к исходному материалу для его выброса и заставляет его реагировать с подложкой с помощью высоких ударных сил, которые внедряют пленку на подложку. Дуговое испарение использует высокие напряжения для расплавления материала и создания временных заряженных струй в заряженной плазме, которая притягивает испаренный материал, а затем быстро охлаждается. [5]
Химическая Реакция
Ионизированный реактивный газ вынужден взаимодействовать с подложкой и осаждать пленки посредством химических реакций. Тип реакции зависит от выбранных материалов. Прекурсор вступает в контакт с подложкой, и происходит абсорбция материала на поверхности. Газ одновременно диффундирует через пограничный слой, и происходит разложение молекул прекурсора и преобразование в твердую пленку. [5]
Зародышеобразование и рост покрытия
Четыре стадии роста покрытия
- (1)Вначале происходит зарождение отдельных атомов на поверхности.
- (2) Если время миграции атома на поверхности достаточно велико, чтобы встретиться с другим атомом до того, как он испарится, эти атомы объединяются, образуя остров.
- (3) Поскольку энергия, необходимая для испарения одного атома из пары, выше, чем необходимая для отдельного атома, на поверхности начинают формироваться стабильные островки (зародыши).
- (4) Острова сливаются на западе, и происходит непрерывный рост пленки.
по ссылке ниже есть подробное видео процессаhttp://web.archive.org/web/20090609065617/http://www.pvd-coatings.co.uk:80/theory-of-pvd-coatings-nucleation-and-coating-growth.htm
Модель зоны Торнтона
Эта модель суммирует взаимосвязь между температурой подложки, кинетической энергией ионов и скоростью осаждения. Это иллюстрирует взаимосвязь между морфологией покрытия и температурой осаждения и давлением
Важно знать, что температура подложки и скорость осаждения влияют на плотность покрытия. Если материал осаждается при низкой температуре подложки, то конденсированные атомы не имеют достаточной кинетической энергии (подвижности), чтобы перепрыгивать через узлы решетки и достигать положений с более низкой энергией Гиббса. Похожий эффект наблюдается и при использовании высоких скоростей осаждения.
Характеристики покрытия
На практике при нанесении покрытия параметры, которые крайне необходимы для нанесения материала с минимально возможной свободной энергией Гиббса и достижения идеального результата, включают:
- мелкозернистый
- Непроницаемый
- Высокая чистота
- Улучшает свойства покрываемого материала.
Методы осаждения паров
Существует множество методов нанесения тонких пленок на подложки. Некоторые из наиболее популярных включают:
Импульсное лазерное напыление W
Импульсное лазерное осаждение W (PLD) представляет собой использование мощного лазера, вращаемого и фокусируемого на мишени в вакуумной камере. Материал поглощает эту энергию, и связи решетки разрушаются. Поверхностные атомы диссоциируют и выбрасываются в виде {WP|абляции}{WP|шлейфа}. Слоистые шлейфы движутся с высокой скоростью в этой камере и ударяются о поверхность вращающейся подложки. Шлейф и подложка контактируют при высоких энергиях удара, частицы реагируют на поверхности, прилипают и сжимаются, оставляя на поверхности отложение тонкой пленки. Лазерные импульсы продолжают абляцию большего количества продукта, и пленка утолщается. Важно отметить, что имплантация и распыление могут происходить во время этого процесса в небольшой степени.
Магнитное распыление W
Магнетронное W- напыление — это метод обработки, который используется для покрытия практически любого материала любой формы и ориентации. Напыление — это удаление распыленного материала с твердого тела за счет энергичной бомбардировки его поверхностных слоев ионизированными или нейтральными частицами с высокими скоростями удара. Магнитное напыление выполняется в условиях окружающей среды, близких к вакууму. Во время этой бомбардировки частицами вводится контролируемый поток инертного газа для повышения давления, позволяющего магнетрону W работать. К материалу подложки прикладывается источник высокого отрицательного напряжения, который притягивает положительные ионы с высокими скоростями. Энергия удара, если она больше энергии связи узла решетки, создает колебания внутри кристаллической плоскости и вызывает эффект отдачи; таким образом, возникает эффект распыления от поверхностных атомов. Магнитное поле внутри системы захватывает вторичные электроны. Электроны текут по винтовой траектории вокруг магнитной линии, и, таким образом, происходит более ионизирующее столкновение с инертным газом в системе.
Дуговое испарение W
Процесс испарения дуги W использует электричество для осаждения исходного материала. Сильноточная низковольтная дуга подключается к микроскопическому катоду. Этот закороченный источник тока представляет собой высокоэнергетическую излучающую область , известную как катодное пятно. Эта концентрированная температура, как правило, чрезвычайно высокая, приводит к высокой скорости (10 км/с) испаряемого катодного материала, который удаляется со своего места, создавая микроскопические расплавленные стружки на поверхности. Выделяется плазма с ионизированными ионами и нейтральными частицами. Вводится реактивный газ, и происходит испарение. Этот газ заполнит дефектные пятна стружки, оставленные катодом, и будет осаждена пленка.
Плазменное усиление сердечно-сосудистой системы W
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition в основном используется для осаждения диэлектрических пленок и пассивирующих пленок, таких как оксид кремния или нитрид, при низкой температуре. Этот тип процесса управляется нагревом газа или плазмы, а не изолированного материала. Этот процесс идеален, когда легирующие примеси относительно низки.
Плазмы W формируются с помощью радиочастотного генератора. Эти реактивные ионы подразделяются на «тепловые» и «холодные».
- Тепловая энергия — достаточно высокая энергия частиц, чтобы отделить электроны от атомов.
- Холодно - температуры ниже ионизированных энергий
Холодная плазма наиболее эффективна при давлении ниже атмосферного и более практична в вакуумных технологиях. Плазма эффективно прилипает к подложкам и имеет высокие скорости роста.
Ионы непрерывно реагируют с материалом пленки, уже подвергнутым воздействию плазмы, в результате чего на пленке-подложке возникает новый положительный заряд.
Другие популярные методы
- Химическое осаждение паров при атмосферном давлении
- Фотохимическое осаждение из паровой фазы
- Химическая инфильтрация паров
- Химико-лучевая эпитаксия
Приложения
Текущий
- Волоконно-оптические линии и телекоммуникации
- Полупроводники (основное применение)
- Аэрокосмическая промышленность
- Автомобильный
- Хирургическое/медицинское
- Штампы и пресс-формы для всех видов обработки материалов
- Режущие инструменты [3]
Будущее
- Нано и биотехнологии
- Оборудование для исследования космоса
- Иммунология [3]
Текущие усовершенствования процессов и материалов
Улучшения физического применения
Повреждения от бомбардировки частицами существуют. Повреждения ограничиваются верхним слоем материала из-за нанесения пленок. Пленки действительно скрывают эти дефекты, однако нанесение пленок может иметь большое влияние на механические свойства материала. [5]
Фотонные пучки также могут повреждать материалы, если они применяются с энергией, превышающей 10 эВ в зоне проводимости.
Загрязнение
Загрязнение побочными продуктами в камере осаждения происходит из-за плохой внутренней вентиляции. Материал побочных продуктов попадает в клапаны, кристаллизуется вокруг клапанов и других движущихся частей, что приводит к техническому обслуживанию машины и более длительному простою. Материал также кристаллизуется после того, как он покрывает эти движущиеся части, а затем снова попадает туда, где исходный материал превращается в пленку и загрязняет процесс, что приводит к снижению эффективности. Необходимо решить проблему кристаллических побочных продуктов, которые оседают внутри всей вакуумной системы. [6]
- Это снижает проводимость линии вакуумной откачки, что замедляет процесс и снижает производительность системы. [6]
- Это может привести к дрейфу в датчиках вакуума процесса, что, в свою очередь, приведет к ухудшению первоначальных характеристик процесса. [6]
- Это может стать источником образования частиц из-за обратного потока осаждаемого материала в технологическую камеру. [6]
Вот несколько предложений по улучшению таких замедлителей.
- Установите вентиляционные компоненты для предотвращения отрицательной обратной связи между камерой осаждения и притоком [6]
- Установите дроссельные клапаны для выравнивания скорости и увеличения давления, чтобы предотвратить отрицательную обратную связь. [6]
- Установите какое-либо нагревательное устройство, чтобы предотвратить кристаллизацию материала и загрязнение пленок. [6]
Аэродинамический профиль и электронно-лучевая пушка/лазер для процесса PVD
Эффективность может быть повышена за счет нанесения тонкой пленки в качестве покрытия на подложку, в которой теплопроводность керамического материала снижена или уменьшена до 10%. Эти теплозащитные покрытия имеют улучшенные эксплуатационные характеристики. Они наносятся с помощью электронного луча или лазера.
В аппарате расположены две или более электронно-лучевых пушки. Для расплавления и испарения исходного материала через ряд линз доступен источник высокой энергии. Аэродинамический профиль расположен на критическом расстоянии «c» от аэродинамического профиля. Когда исходный материал попадает в камеру осаждения, он подвергается ламеллярному потоку, рассеивается, перенаправляет внутренние силы внутри камеры и ускоряет процесс нанесения. Лазеры/ионно-лучевые пушки быстро заставляют исходный материал реагировать при этом стабильном давлении и быстро охлаждаться. Этот процесс повторяется, чтобы обеспечить осаждение минимального количества материала на подложку с минимальными потерями тепловой энергии. Этот процесс происходит очень быстро. Система осаждения из паровой фазы может более или менее оставаться той же с небольшими дополнениями к аппарату. Таким образом, делая процесс осуществимым для компаний, чтобы просить их в своем производственном процессе.
Материал-предшественник не нужно менять, поскольку лазеры позволяют некоторому росту осажденного материала. Размер, до которого вырастают зерна, можно контролировать. Приведенная ниже теория объясняет это.
k — теплопроводность, p — плотность, c — температуропроводность, Cp — удельная теплоёмкость.
(1) к = р*с* ср
еще одно уравнение стационарного состояния: j - тепловой поток (2)j = k*(dTemp/thickness) приравниваем 1 и 2
Следовательно: k1/t1 = k2/t2; на основе отношения толщины к плотности материала.
Таким образом, плотность материала может быть увеличена с помощью лазера, а толщина материала может быть уменьшена. Это доказывает, что требуется меньше материала на слой пленки и на единицу продукции. [7]
Щит для эффективности распыления
Для улучшения процесса распыления как при лазерной абляции, так и при магнитном распылении был разработан и установлен экран, чтобы препятствовать осаждению материала на стенке камеры. В системе был установлен вогнутый изогнутый металл с зарядом. Заряженный материал должен был отталкивать ионизированный исходный материал, предназначенный для мишени, от превращения его в отходы на стенках камеры. Вогнутая форма должна была изменить линии магнитного поля с пересечения друг с другом, манипулируя ими, чтобы они пересекались и улучшали вертикальную направленность распыляемого материала, направляя его к подложке, тем самым делая систему более эффективной. Эта вогнутая пластина размещается в ортогональном направлении к линиям магнитного и электрического полей. Изогнутая часть экрана изогнута внутрь для защиты осаждения на нижней стенке. . [8]
Ссылки
- ↑Перейти к:1.0 1.1 1.2 1.3 PVD-покрытия. "Теория PVD-покрытий", http://www.pvd-coatings.co.uk/theory.htm,(2) ,
- ↑ Марк Аллендорф, «От Бунзена до СБИС: 150 лет роста в технологии химического осаждения из паровой фазы», Электрохимическое общество IF3-98 (1), 36-39
- ↑Перейти к:3.0 3.1 3.2 3.3 Azom - Materials "Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) введение", http://www.azom.com/Details.asp?ArticleID=1558(4) ,
- ↑Перейти к:4.0 4.1 TimeDomain CVD, Inc. «Процесс CVD в полном объеме», http://www.timedomaincvd.com/CVD_Fundamentals/Fundamentals_of_CVD.html (6),
- ↑Перейти к:5.0 5.1 5.2 5.3 Мэттокс. Д.,М. 1998 William Publishing." Справочник по обработке методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) ",. http://www.knovel.com.proxy.queensu.ca/web/portal/basic_search/display?_EXT_KNOVEL_DISPLAY_bookid=63(5) ,
- ↑Перейти к:6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 Твердотельная технология. "Улучшения процессов травления и химического осаждения из газовой фазы". http://web.archive.org/web/20090420203519/http://www.solid-state.com:80/display_article/87675/5/none/none/Feat/-Etch-and-CVD-process-improvements-via-heated-vacuum-throttle-valve (7),
- ↑ Джозеф Д. Ригни, Дэвид Дж. Вортман, «Физические свойства теплозащитных покрытий с использованием электронного пучка-физики» Google Patents #6620465(9), 36-39
- ↑ Танака, Ёитиро. «Щит для физического осаждения из паровой фазы» Патент № 5, 824, 197(3), 36-39