Sự bay hơi và phún xạ đều thuộc vềlắng đọng hơi vật lý (PVD). Cả hai đều chuyển kim loại từ vật liệu nguồn lên bề mặt mẫu. Tuy nhiên, “có thể tạo thành lớp phủ” không có nghĩa là màng tạo thành giống hệt nhau.
Sự khác biệt có thể được kiểm tra bằng cách giải quyết ba câu hỏi chính: Tài liệu rời khỏi nguồn như thế nào? Các hạt di chuyển trong buồng chân không như thế nào? Sau khi chạm tới bề mặt, năng lượng và thông tin định hướng của chúng được giữ lại bao nhiêu?
01｜Đừng vội so sánh ưu và nhược điểm - Trước tiên hãy hiểu kim loại được tạo ra như thế nào
Sự bay hơi nhiệt phụ thuộc vào các thuyền, dây tóc hoặc nồi nấu kim loại được làm nóng bằng điện trở để làm nóng vật liệu nguồn cho đến khi nó phát triển đủ áp suất hơi.
Sự bay hơi chùm tia điện tử sử dụng chùm tia điện tử tập trung để tập trung năng lượng vào các vùng cục bộ của vật liệu nguồn, làm cho nó phù hợp với các vật liệu yêu cầu nhiệt độ nguồn cao hơn nhiều.
Mặc dù cơ chế gia nhiệt của chúng khác nhau nhưng quá trình cơ bản tiếp theo là tương tự nhau: vật liệu nguồn chuyển sang pha khí, di chuyển qua buồng áp suất thấp về phía bề mặt mẫu nguội hơn, nơi nó hấp phụ, tạo mầm và dần dần kết tụ lại thành một lớp màng mỏng.
Quá trình phún xạ Magnetron không làm "đun sôi" vật liệu mục tiêu. Khí làm việc bị kích thích tạo thành plasma. Các ion thu được năng lượng gần bề mặt mục tiêu và bắn phá mục tiêu. Các đợt va chạm đánh bật các nguyên tử mục tiêu ra khỏi bề mặt. Các hạt được đẩy ra sau đó di chuyển qua khí làm việc và đến được mẫu. Chức năng chính của từ trường là giam giữ các electron ở gần bề mặt mục tiêu hiệu quả hơn, tăng cường hiệu suất ion hóa và phóng điện.
Thông lượng thực tế lắng đọng trên mẫu vẫn bị ảnh hưởng bởi hình dạng mục tiêu, sự phân bố từ trường, áp suất làm việc, khoảng cách từ mục tiêu đến nền, vị trí cố định và chế độ chuyển động của mẫu.
02｜Tính định hướng không phải là thông số kỹ thuật của thiết bị mà là kết quả của sự vận chuyển hạt
Trong quá trình bay hơi chân không cao thông thường, va chạm pha khí giữa nguồn và mẫu rất hiếm khi xảy ra. Các hạt chuyển động gần như theo đường thẳng. Các bề mặt của mẫu đối diện với nguồn dễ dàng nhận được dòng hạt, trong khi các khu vực bị che khuất bởi các bậc thang hoặc các thành bên của chất cản quang có thể gặp hiệu ứng đổ bóng. Đây là "sự lắng đọng đường ngắm" nổi tiếng.
Tuy nhiên, tính định hướng không chỉ được xác định bởi thuật ngữ "bốc hơi". Kích thước nguồn, khoảng cách từ nguồn đến mẫu, góc nghiêng mẫu, bóng cố định và chế độ xoay đều làm thay đổi góc tới của các hạt tới. Với việc đặt bề mặt nghiêng hoặc chuyển động của hành tinh, cùng một hệ thống bay hơi có thể tích cực cải thiện độ che phủ tường bên cho một số tính năng nhất định.
Quá trình phún xạ đòi hỏi phải phóng điện liên tục trong môi trường khí làm việc cụ thể. Sau khi các nguyên tử mục tiêu rời khỏi bề mặt mục tiêu, chúng có thể va chạm với các nguyên tử khí và quỹ đạo của chúng được phân bố lại. Hơn nữa, bản thân mục tiêu không phải là nguồn điểm lý tưởng. Do đó, phương pháp phún xạ thông thường thường mang lại sự phân bố góc rộng hơn của các hạt tới mẫu so với quá trình bay hơi tiêu chuẩn. Tuy nhiên, tuyên bố rằng "sự phún xạ không có định hướng" cũng không chính xác. Việc giảm hoặc tăng áp suất làm việc, điều chỉnh khoảng cách từ mục tiêu đến nền, sử dụng các cấu trúc chuẩn trực và định vị lại mẫu đều làm thay đổi tần số va chạm và phân bố góc tới. Áp suất cao hơn có thể mở rộng góc lan truyền của hạt và cũng có thể khiến các hạt đến mất nhiều năng lượng hơn.
03｜Tại sao một quy trình lại ưu tiên Lift‑Off trong khi quy trình kia lại hoạt động tốt hơn cho phạm vi bao phủ từng bước
Sự khác biệt về phương hướng trở nên khuếch đại khi gặp các cấu trúc ba chiều. Nguyên tắc cơ bản của quá trình nâng lên là trước tiên tạo khuôn cho các lỗ trong lớp chất cản quang, đặt màng lên toàn bộ bề mặt, sau đó hòa tan chất cản quang để loại bỏ lớp màng trên cùng của chất cản.
Để nâng lên thành công, màng mục tiêu trên nền bên trong các lỗ tốt nhất là không tạo thành một kết nối liên tục với màng ở phía trên lớp cản dọc theo thành bên. Sự bay hơi với hướng nhìn trực quan mạnh có xu hướng tạo ra vết nứt về độ dày gần các thành bên cản.
04｜Những trải nghiệm của chất nền vượt xa "Chỉ đơn giản là được phủ một lớp kim loại"
Sự bay hơi thường được mô tả một cách lỏng lẻo là "nhẹ nhàng", trong khi phún xạ được coi là có "sự bắn phá mạnh mẽ".
Cả hai nhận thức đều có cơ sở thực tế, nhưng không có cơ sở nào đúng, độc lập với các điều kiện của thiết bị và quy trình.
Trong quá trình bay hơi, mẫu vẫn có thể bị tăng nhiệt độ do bức xạ nhiệt, tiếp xúc với nguồn nhiệt và thời gian lắng đọng.
Đối với hệ thống chùm tia điện tử, các yếu tố bổ sung như điện tử, tia X, sự bắn tung tóe của vật liệu nguồn và các hạt cũng phải được tính đến.
Polyme, chất quang dẫn, lớp có điểm nóng chảy thấp hoặc thiết bị nhạy cảm với bức xạ không được coi là an toàn nếu chỉ dựa vào tên quy trình. Trong môi trường phún xạ, ngoài các nguyên tử mục tiêu, các dòng ion, electron, chất trung tính phản xạ và tạp chất cũng có thể có mặt. Độ lệch của chất nền, vị trí plasma và áp suất làm việc làm thay đổi năng lượng đầu vào thực tế được cung cấp cho mẫu. Năng lượng vừa phải có thể thúc đẩy sự di chuyển bề mặt và liên kết bề mặt, trong khi năng lượng quá mức có thể dẫn đến tăng nhiệt độ, biến đổi bề mặt, phún xạ lại hoặc làm hỏng các lớp nhạy cảm.
Vì vậy, khi thảo luận về dung sai của mẫu, người ta không nên chỉ hỏi "nhiệt độ có cao không". Cũng cần phải xem xét bề mặt mẫu bao gồm những gì, lớp oxit mỏng hay vật liệu hai chiều có nằm bên dưới hay không, liệu chất quang dẫn có còn tồn tại hay không, quá trình chế tạo thiết bị đã hoàn tất hay chưa và liệu việc ủ hoặc làm sạch sau quá trình có được phép hay không.
05｜Tại sao "Phim bị xáo trộn dày đặc hơn" chỉ là tuyên bố về điểm khởi đầu
Một màng mỏng không hạ xuống như một khối kim loại rắn. Thay vào đó, các hạt đến trước tiên sẽ hấp thụ và tạo mầm để tạo thành các đảo. Những hòn đảo này sau đó phát triển và hợp nhất lại, cuối cùng phát triển thành một lớp màng liên tục. Năng lượng của các hạt tới, nhiệt độ cơ chất, tốc độ lắng đọng, góc tới, độ sạch bề mặt và khí dư đều chi phối khả năng di chuyển bề mặt của các hạt và làm thay đổi kích thước hạt, độ xốp, độ nhám, kết cấu và ứng suất dư. Các hạt phún xạ năng lượng và các dòng năng lượng liên quan thường dẫn đến kỳ vọng về độ linh động bề mặt được tăng cường và các màng tương đối dày đặc.
Tuy nhiên, màng phún xạ cũng có thể phát triển các cấu trúc cột xốp, ứng suất đáng kể hoặc độ nhám cao trong điều kiện áp suất làm việc cao, tổn thất năng lượng do va chạm đáng kể, góc tới không thuận lợi hoặc điều kiện bề mặt không phù hợp. Không phải màng bay hơi vốn đã xốp. Những thay đổi về nhiệt độ cơ chất, tốc độ lắng đọng, xử lý bề mặt và năng lượng phụ trợ đầu vào cũng sẽ làm thay đổi hành vi tạo mầm và tăng trưởng.
Mật độ phim cao hơn không tự động chuyển thành các thiết bị hoạt động tốt hơn. Các điện cực kim loại có thể đặt ưu tiên cao hơn cho điện trở tiếp xúc và tính toàn vẹn của cạnh; cấu trúc quang học có thể tập trung nhiều hơn vào độ nhám và hằng số quang học; cấu trúc lơ lửng rất nhạy cảm với ứng suất; các lớp rào cản khuếch tán chú ý chặt chẽ đến các đường dẫn liên tục và khiếm khuyết. “Dày đặc” chỉ đơn thuần là một mô tả vật chất. Cuối cùng, hiệu suất phải được đánh giá theo yêu cầu chức năng của ứng dụng màng mỏng.
Bản tóm tắt
Cả quá trình bay hơi và phún xạ đều có thể lắng đọng kim loại, tuy nhiên chúng không phải là các tùy chọn nút nhấn có thể hoán đổi cho nhau. Sự bay hơi làm bay hơi các vật liệu vào pha khí thông qua quá trình gia nhiệt và thể hiện tính định hướng theo hướng nhìn rõ ràng trong các điều kiện điển hình. Sự phún xạ giải phóng các nguyên tử mục tiêu thông qua bắn phá ion; các va chạm trong hình dạng khí làm việc và thiết bị thường tạo ra phạm vi góc tới rộng hơn.
Những tuyên bố như "sự bay hơi tốt hơn" hoặc "sự phún xạ tốt hơn" là quá sớm. Lộ trình quy trình phù hợp phải giải thích cách các hạt đến được các đặc điểm, chỉ định vị trí nào sẽ được kiểm tra độ dày màng tối thiểu, loại lỗi nào có thể dự đoán được và tiêu chí cuối cùng nào sẽ được sử dụng để đánh giá xem lớp màng mỏng có thực sự đáp ứng được chức năng dự kiến hay không.
