Sputtern vs. Vakuumbedampfung: Prinzip, Kantenbedeckung, Haftung, Legierungen

Beide sind Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), die ein festes Material in Atome überführen und auf dem Wafer abscheiden. Beim Sputtern wird ein Target mit Argonionen aus einem Plasma beschossen, und die herausgeschlagenen Atome werden abgeschieden. Bei der Vakuumbedampfung wird das Material im Hochvakuum mit einer Widerstandsheizung oder einem Elektronenstrahl erhitzt, bis es verdampft. Sputtern erhält die Legierungszusammensetzung und ergibt gute Haftung, daher dominiert es bei Chipverdrahtung und Barrieremetallen. Beim Aufdampfen fliegen die Atome geradlinig, was für die Herstellung von Elektroden per Lift-off nützlich ist.

Merkmal	Sputtern	Vakuumbedampfung (thermisch / Elektronenstrahl)
Wie Atome freigesetzt werden	Ar-Ionen aus einem Plasma treffen auf das Target und schlagen durch Impulsübertragung Atome heraus	Das Material wird mit einer Widerstandsheizung oder einem Elektronenstrahl erhitzt, bis es verdampft
Druck und Atomenergie	Gas bei etwa 0,1 bis 1 Pa; ankommende Atome haben typischerweise einige bis einige zehn eV	Hochvakuum (als Richtwert etwa 10⁻⁴ Pa oder darunter); ankommende Atome haben nur etwa 0,1 eV
Kantenbedeckung	Begrenzt, aber besser als beim Aufdampfen; ionisiertes Sputtern oder Kollimatoren verbessern die Abscheidung am Boden von Löchern	Sehr schlecht: Die Atome fliegen geradlinig und erreichen abgeschattete Bereiche nicht
Haftung und Schichtqualität	Gut; die Schichten werden tendenziell dicht	Meist schwächer als beim Sputtern; Verbesserung durch Substratheizung und ähnliche Maßnahmen
Zusammensetzung von Legierungen und Verbindungen	Die Schichten behalten nahezu die Zusammensetzung des Targets; reaktives Sputtern erzeugt auch Nitride und andere Verbindungen	Die Zusammensetzung verschiebt sich leicht, weil die Komponenten unterschiedliche Dampfdrücke haben (gleichzeitiges Aufdampfen aus mehreren Quellen kann sie einstellen)
Abscheiderate	Mit Magnetrons praxistaugliche Raten; je nach Material verschieden	In der Regel leicht hoch einzustellen
Auswirkungen auf das Substrat	Der Kontakt mit Plasma und energiereichen Teilchen kann Erwärmung oder Schäden verursachen	Relativ geringe Substraterwärmung; Röntgenstrahlung beim Elektronenstrahlverdampfen kann Schäden verursachen
Typischer Einsatz	Chipverdrahtung (Al, Cu), Barrieremetalle (Ta, TaN, TiN), Cu-Seed-Schichten, Metalle für Silizide	Per Lift-off hergestellte Elektroden (etwa auf Verbindungshalbleitern), Forschung und Entwicklung, emittierende Schichten von OLEDs

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Sputtern: Wenn gleichmäßige, gut haftende Schichten über große Wafer oder Legierungs- und Nitridschichten gebraucht werden. Die meisten Metallschichten in der Chipverdrahtung werden gesputtert.
Vakuumbedampfung: Für Lift-off, bei dem die Schicht nur von direkt oben ankommen soll, für hochreine Schichten und für Materialien, die keinem Plasma ausgesetzt werden sollen. Mit einem Elektronenstrahl lassen sich auch hochschmelzende Metalle verdampfen.

Häufige Fragen

Warum wird für die Chipverdrahtung vor allem gesputtert?

Sputtern scheidet Legierungen und Verbindungen mit nahezu derselben Zusammensetzung wie das Target ab, ergibt dichte, gut haftende Schichten und beschichtet große Wafer gleichmäßig. Reaktives Sputtern mit Stickstoff erzeugt zudem TiN- und TaN-Barrieremetalle.

Warum eignet sich die Vakuumbedampfung für Lift-off?

Verdampfte Atome fliegen nahezu geradlinig, sodass sich kaum Schicht an den Lackseitenwänden ablagert. Wird der Lack gelöst, löst sich die Schicht darauf sauber ab, und die Schicht im Muster bleibt. Beim Sputtern werden auch die Seitenwände beschichtet, daher reißt die Schicht nicht sauber ab.

Was ist der Unterschied zwischen thermischem Verdampfen und Elektronenstrahlverdampfen?

Beim thermischen Verdampfen wird ein Metallschiffchen oder eine ähnliche Halterung durch Stromfluss erhitzt. Das ist einfach, aber hochschmelzende Materialien lassen sich schwer verdampfen, und das Schiffchen kann die Schicht verunreinigen. Beim Elektronenstrahlverdampfen wird ein Elektronenstrahl auf das Material fokussiert, sodass sich auch hochschmelzende Metalle und Oxide mit weniger Verunreinigung verdampfen lassen.

Wie lässt sich eine Schicht tief in einem Loch abscheiden?

Beim Sputtern verbessert es die Bedeckung am Boden, die herausgeschlagenen Atome zu ionisieren und mit einer Vorspannung senkrecht hineinzuziehen oder einen Kollimator zu verwenden. Reicht das nicht, kommen CVD oder ALD zum Einsatz, die über Oberflächenreaktionen abscheiden.

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Welcher Kategorie gehört die Schichtabscheidung durch Sputtern an?

APVD (physikalische Gasphasenabscheidung)
BCVD (chemische Gasphasenabscheidung)
CThermische Oxidation

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Antwort: A. PVD (physikalische Gasphasenabscheidung)

Beim Sputtern werden Ionen aus einem Plasma, z. B. aus Argon, mit einigen hundert Volt auf ein Target beschleunigt; die durch den Impulsübertrag herausgeschlagenen Atome scheiden sich auf dem Wafer ab. Da es sich um einen physikalischen Vorgang ohne chemische Reaktion handelt, zählt das Verfahren zur PVD (physikalische Gasphasenabscheidung). Es dient der Abscheidung von Metallleitbahnen, Barrieremetallen (Ta, TiN usw.), Cu-Keimschichten und Elektroden. CVD beruht auf der chemischen Reaktion von Prozessgasen, thermische Oxidation auf der Oxidation des Siliziums selbst.

Welche Aussage zum Vakuumaufdampfen ist richtig?

ADie Schicht wird durch die chemische Reaktion von Prozessgasen abgeschieden
BMetall wird aus einem Elektrolyten abgeschieden
CMaterial wird im Vakuum erhitzt und verdampft und schlägt sich auf dem Substrat nieder

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Antwort: C. Material wird im Vakuum erhitzt und verdampft und schlägt sich auf dem Substrat nieder

Vakuumaufdampfen ist ein PVD-Verfahren, bei dem Material durch Widerstandsheizung oder Elektronenstrahl erhitzt und verdampft wird und die Atome im Vakuum von etwa 10⁻⁴ Pa oder weniger zum Substrat fliegen und dort haften. Die Anlage ist vergleichsweise einfach, und es entstehen Schichten hoher Reinheit; da die Atome jedoch geradlinig fliegen, ist die Kantenbedeckung gering, und die Zusammensetzung von Legierungen weicht leicht ab. Für LSI-Leitbahnen wird daher überwiegend Sputtern eingesetzt. Aufdampfen dient z. B. beim Lift-off für Elektroden von Verbindungshalbleitern und zur Abscheidung der Emissionsschichten von OLEDs.

Welche Aussage zum Vorteil des Vakuumaufdampfens mit Erhitzung des Materials durch einen Elektronenstrahl ist richtig?

AAuch hochschmelzende Materialien lassen sich verdampfen
BDie Kantenbedeckung ist sehr hoch
CDie Schicht entsteht durch die chemische Reaktion von Prozessgasen

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Antwort: A. Auch hochschmelzende Materialien lassen sich verdampfen

Beim Elektronenstrahlverdampfen wird das Material durch einen auf einige kV beschleunigten, fokussierten Elektronenstrahl erhitzt; daher lassen sich auch Wolfram, Molybdän und Oxide verdampfen, die sich mit Widerstandsheizung schwer schmelzen lassen, und die Verunreinigung durch den Tiegel ist gering. Da die verdampften Atome geradlinig fliegen, ist die Kantenbedeckung gering; diese Eigenschaft wird beim Lift-off genutzt, bei dem auf Resist abgeschieden und dann das Resist samt unerwünschter Bereiche entfernt wird, um Elektroden zu bilden.

Übungsfragen zu Schichtabscheidung (CVD, PVD)

Wichtige Begriffe erklärt

Sputtern: Eine Art der PVD: Ionen aus dem Plasma treffen auf ein Target, und die herausgeschlagenen Atome scheiden sich auf dem Wafer ab.
Vakuumbedampfung: Verfahren, bei dem Material im Vakuum erhitzt, verdampft und auf dem Substrat als Schicht abgeschieden wird. Mit Elektronenstrahlheizung sind auch hochschmelzende Materialien möglich, die Kantenbedeckung ist jedoch gering.
Magnetron-Sputtern: Sputterverfahren, bei dem hinter dem Target Magnete angeordnet sind und das Magnetfeld Elektronen nahe am Target einschließt, wodurch die Plasmadichte steigt. Die Abscheiderate erhöht sich, und es ist heute der Standard in Sputteranlagen.
Reaktives Sputtern: Verfahren, bei dem ein Metalltarget in einer Atmosphäre mit reaktiven Gasen wie Stickstoff oder Sauerstoff gesputtert wird, um Nitrid- oder Oxidschichten zu erzeugen. Verwendet z. B. für Titannitrid (TiN).
Stufenbedeckung (Step Coverage): Maß dafür, wie gleichmäßig eine Schicht an Stufen sowie an Seitenwänden und Böden von Löchern im Vergleich zu ebenen Bereichen abgeschieden wird. ALD ist hier sehr gut.
Barrieremetall: Dünner Metallfilm um Kupferleitungen, der die Diffusion von Kupfer in die Isolierschicht oder das Silizium verhindert. Z. B. Ta oder TaN.
Seed-Schicht: Dünne Cu-Schicht, die vor dem galvanischen Füllen mit Cu z. B. durch Sputtern gebildet wird. Sie dient als leitfähige Schicht für den Plattierstrom.

Sputtern vs. Vakuumbedampfung: Prinzip, Kantenbedeckung, Haftung, Legierungen

Wann welche Variante?

Häufige Fragen

Warum wird für die Chipverdrahtung vor allem gesputtert?

Warum eignet sich die Vakuumbedampfung für Lift-off?

Was ist der Unterschied zwischen thermischem Verdampfen und Elektronenstrahlverdampfen?

Wie lässt sich eine Schicht tief in einem Loch abscheiden?

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Welcher Kategorie gehört die Schichtabscheidung durch Sputtern an?

Welche Aussage zum Vakuumaufdampfen ist richtig?

Welche Aussage zum Vorteil des Vakuumaufdampfens mit Erhitzung des Materials durch einen Elektronenstrahl ist richtig?

Wichtige Begriffe erklärt

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