Sputteren versus vacuümverdamping: mechanisme, stapbedekking, hechting en legeringssamenstelling
Beide zijn methoden voor physical vapor deposition (PVD) die een vast materiaal in atomen omzetten en die op de wafer afzetten. Bij sputteren wordt een target beschoten met argonionen uit een plasma en worden de daaruit losgeslagen atomen afgezet. Bij verdampen wordt het materiaal in hoog vacuüm verhit, met een weerstandsverwarming of een elektronenbundel, tot het verdampt. Sputteren behoudt de samenstelling van legeringen en geeft een goede hechting, en domineert daarom bij de interconnect van chips en bij barrièremetalen. Verdampen stuurt atomen in rechte lijnen, wat nuttig is voor het vormen van elektroden met lift-off.
| Kenmerk | Sputteren | Vacuümverdamping (thermisch / elektronenbundel) |
|---|---|---|
| Hoe atomen vrijkomen | Ar-ionen uit een plasma treffen de target en slaan atomen los door impulsoverdracht | Het materiaal wordt met een weerstandsverwarming of een elektronenbundel verhit tot het verdampt |
| Druk en energie van de atomen | Gas bij ongeveer 0,1 tot 1 Pa; aankomende atomen hebben typisch enkele tot tientallen eV | Hoog vacuüm (als richtlijn ongeveer 10⁻⁴ Pa of lager); aankomende atomen hebben maar ongeveer 0,1 eV |
| Stapbedekking | Beperkt, al beter dan bij verdampen; geïoniseerd sputteren of collimatoren verbeteren de depositie op de bodem van gaten | Zeer slecht: atomen bewegen in rechte lijnen en bereiken beschaduwde gebieden niet |
| Hechting en laagkwaliteit | Goed; lagen zijn doorgaans dicht | Meestal zwakker dan bij sputteren; te verbeteren door het substraat te verwarmen en vergelijkbare methoden |
| Samenstelling van legeringen en verbindingen | Lagen behouden vrijwel de samenstelling van de target; reactief sputteren maakt ook nitriden en andere verbindingen | De samenstelling verschuift vaak omdat de componenten verschillende dampdrukken hebben (co-verdamping uit meerdere bronnen kan haar bijstellen) |
| Depositiesnelheid | Praktische snelheden met magnetrons; verschilt per materiaal | In het algemeen makkelijk hoog te maken |
| Effecten op het substraat | Blootstelling aan plasma en energetische deeltjes kan opwarming of schade veroorzaken | Relatief weinig opwarming van het substraat; röntgenstraling bij verdampen met een elektronenbundel kan schade veroorzaken |
| Typische toepassingen | Interconnect van chips (Al, Cu), barrièremetalen (Ta, TaN, TiN), Cu-seedlagen, metalen voor siliciden | Elektroden gevormd met lift-off (bijvoorbeeld op samengestelde halfgeleiders), onderzoek en ontwikkeling, emitterende lagen van oleds |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.