文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
«——【·前言 ·】——»
有许多基于真空的 物理气相沉积(PVD) 方法用来实现薄的精细结构的金属层，蒸发和溅射是工业上最相关和最常用的真空PVD方法。这些过程的基本区别在于粒子的活动性、能量物质的凝结动力学和层生长，由于可使用的材料种类繁多(金属及其合金、半导体、氧化物、氮化物和碳化物)，因此具有很高的工艺稳定性和很好的再现性。
溅射在工业中经常使用进一步的优点是，溅射紫菜是非常密集的，因为高碰撞率的粒子与物种的溅射气体(通常是Ar离子)，随后高密度的粒子沉积到表面。
溅射气体的Ar原子由于形成等离子体所需的相对高的气体压力而集成到生长层中是不利的，以防蒸发。通过蒸汽源(蒸发器)内的直接或间接热量供应，材料被加热到沸点以上。
由于高平均自由程和低能量粒子以及少量的电离粒子，蒸发源的蒸汽传播是定向的，与溅射相比，蒸发过程中残余气体压力较低，可以生长出纯度较高的紫菜， 对于工业应用，大量不同的能源可用于供热也是一个优势 。
真空沉积 最重要的参数之一-Tions是沉积过程中的残余气体压力及其成分上的材料气相的散射，从而也对生长层的化学和形态特性有很大的影响。
残余气体压力越高，到达基体的颗粒的角分布越，的角分布是一个函数的平均自由路径和源基距离的比率。由于气体被插入腔室并被电离，溅射期间的残余气体压力通常在10毫巴范围内，因此比蒸发期间的残余气体压力在103至10毫巴之间高3个数量级。
残余气体压力越低，粒子相互作用的散射越强，粒子的入射方向越强。
如果粒子的冲击几乎平行于基片法线，如蒸发的情况，则与基板法线平行排列的表面只略为涂覆，这是应用所谓的 “升力”结构 方法的一种要求，例如在声表面波技术(SAW)中，升力法适用于细、下至亚微米范围的金属薄膜的精细结构，这是印度数字换能器手指形电极结构的生产所必需的。
与溅射沉积相比，通过热蒸发，特别是通过电子束蒸发的膜沉积在技术上是优选的，金属间化合物Y-TiAI相(比率为50at。%AI/50在的百分比。% Ti在1456°C的温度下没有相变。
对于600°C以上的温度，y-TiAI相的存在范围相对较广(约+5 at。%)的范围内，所述组合物可以稍有变化。对于低于600C的温度，其存在范围约为-接近+1英寸。
仅对处于热力学平衡的块体材料有效，尤其是对Ti-A元体系，数据仍在讨论中。Ti-AI合金层由于其特殊的力学和物理性能，近年来成为人们研究的热点。
在我们的初步研究中，53.0 t622wt%Ti和47.0至48.0wt%Ti的范围内，具有不同的Ti-AI组成的锭，用99.995%和99.999%的纯和铝球团，熔化了37.8wt.%的铝熔炼是在水冷铜堆场中，在 氟气气氛下600毫巴 进行。
利用电子束源(Ferotec，EV-M6型) 制备了铝薄膜10 kw)高真空(<8x10°mbar)。图1显示了用辉光放电光学发射光谱(GDOES)测量硅基片中成分62.2wt.%Ti和37.8wt%Alon的200 nm厚Ti-AI层的浮度分布。
使用的337nm、铝的396nm、硅的288 nm的发射线进行元素分析，CON，氧为130nm，碳为156 nm。
可以看出，钦只存在于靠近层表面，其强度下降到基板界面，这意味着钵没有在开始沉积蒸发。这种行为是由钦和铝因熔点不同而形成的元素比蒸气压所致，两种材料在蒸发过程开始时的变化是不同的，这对于薄膜来说尤其重要。
图1.国际汽联，从Ti62.2A137.3(重量%)蒸出的200 amTi-AI层的GDOES深度分布图。
图2(a)显示了使用后Ti62.2A137.8(重量%)的 抛光横截面 。
图2(b) 是从单独的SEM图像(SEMGemini Ultra Plus、Zeiss) 缝合的组合扫描电子显微镜(SEM)图像，其中在明亮区域中固化熔体清晰可见。
结果表明，在SEM图像中出现较亮的样品区域由约90wt，%Ti和10 wt.%Al证明了铝在发过程中的早期损失，分解带大致延伸至5mm深度。在这些较低的测量点，目标成分对应于原来的COM位置，实验清楚地表明在单一均匀铸锐上蒸发沉积一层厚度恒定的铝合金薄膜是不可能的。
像这样的耐火材料通常用聚焦电子束蒸发，即用高功率密度来达到熔化温度，另一方面，像铝这样的低熔点材料通常用热电阴蒸发器来沉积，这比大功率电子束蒸发器系统要便宜得多个概念，是用低成本的高熔点和低熔点材料如Ti-AI来沉积薄膜。
这是将热电阻蒸发器和电子束蒸发器结合起来，从薄膜的均匀性和成分两个方面对该共蒸工艺的 适用性 进行了测试和评价。
«——【·材料与实验方法 ·】——»
（一）共蒸发装置
实验的基础上安装的“蒸发器system”是一个多腔真空集群具 ，该组合工具由带有集成运输系统的腔室组成，该运输系统包括芯片处理系统和几个停车位置，以便在工具中心的工艺之前将样品保持在高真空下。
围绕运输腔室布置了五个工艺腔室和一个负载锁，使用该久理系统，衬底载体可以在不中断真空的情况下移动到各个处理腔室中，在一个处理室中，用于金属热蒸发的横向电子束蒸发器Ferrotec，EV-M6型，10kw)已经安装好。
这个分庭也combined与一个电动升降机和旋转单元基板运动，以改变源基板的距离(最大700毫米)和薄膜均匀性的改善，另外，腔室由金属屏蔽件分成用于蒸发器的下腔室部分和用于蒸发器的下腔室部分。
上腔室部分，其中衬底被安装，腔室抽真空系统由无油多级罗茨泵(Pfeiffer Vacuum GmbH，AvenueIncome Credit Strategies 28型) 和 涡轮分子泵 (Levbold GmbH，型号TURBOVAC MAG W600IP)这是法兰连接到上腔区。
室的基础压力约为2+英尺毫巴mea-assured由一个广泛的真空计，这是定位附近的基板。蒸发过程中的工艺压力小于5x10-6毫巴。质谱仪 (inficon，类型Transspectorll) 是用来分析沉积过程中的残余气体组合物。
能量密度高达710Wmm2的点形定向蒸散电子源的组合，用于直径为1的聚焦电子束。
设计了一种能量密度为5Wmm~2的 热阻蒸发器 (场篮式加热器)，几种不同的热阻蒸发器已经过测试，允许蒸发足够大量的铝，即。钨(W)盘管蒸发器、二硼化 (TiB:)舟形蒸发器和与氮化确堆塌篮(W+BN)加热钨篮蒸发器后者的蒸发器已被证明是合适的，因为堆塌内的材料存储量高，功耗低，蒸发cveles的数量多。
为了附加热阻蒸发系统的部分部件，如大电流真空进给、功率供应、蒸发器源的空间分离、锥度几何和速率测量系统等，必须对燃烧室设置进行一些修改。如图3所示：
图3.(彩色线上) 电子束蒸发室的截面图与一个电子光栅热电阻蒸发器。
在下腔部分，蒸发器源与基底不是轴向对称的。
绿线和蓝线示意性地展示了当快门打开时在基板前面相互重叠的汽锥，以这样一种方式调整孔径，使得每种材料的厚度分布足够均匀。
对于直径为100mm的走材，一般在+5%以下在下部，蒸发群的 水冷电源 连接是可见的。在这些连接上，灵活的铜接触插座安装在其中钨篮加热器被牢牢夹住。图4显示了总阻力。
图4.(颜色在线)带有氮化确村里和电子束源后开放屏蔽的钨篮加热器
（二）共蒸发膜的沉积
共蒸法制备了厚度为200nm和400nm的 TI-AI薄膜 ，满足了声表面波器件的相关应用，在本次调查中，涂层在(100)硅片(直径=100mm) 上用Ium热氧化物制备，铝和钵的蒸发速率均保持恒定在250以获得接近TigAlso薄膜组合物。
2.6x10-7mbar沉积前并增加到58x10毫巴在蒸发过程中，无毛皮压力随沉积时间的增加而增加，源基距离为700mm的电子束蒸发器和630mm的电阳蒸发器，所有涂覆都以相同的距离和旋转基板以10rpm进行。
图5.(彩色线)查看两个蒸发器电源上的开放式工艺室。
（三）分析方法
用垂直分辨率的轮廓仪(KLA-Tencor，a-步骤500型)测量fm厚度，低于01nm且水平分辨率在10nm范围内，用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OESiCAP 500 DUoThermoFisher Scientific GmbHD)测定了薄膜的 化学组成 。对于化学分析，两个或三个溶液(取决于材料的可用量)从每个涂覆的样品类型产生，每一个测量四次。
在分析结束时，这将产生8或12个测量值，这些值被平均，然后确定标准差和RSD值代表特定样品的总误差，包相对标准差(RSD)。括薄膜材料厚度的不均匀性、化学分析样品制备中的偏差用于分析的标准误差(间接法) 以及技术测量误差。每一个测量值都通过装置的四次内部重复测量来验证。
图6.(在线彩色)铝和在硅片上的镀槽厚度分布。这两条曲线都归-化为它们的最大值。
该装置的这四个内部重复测量的RSD值小于1%。保证了测量装置的技术参数正确，采用扫描电镜(Gemini Uitra Plus)对表面形貌进行了分析，另外通过聚焦离子束技术(FIB，Cross Beam 1540 XB，Zeiss) 制备电极结构的横截面 。
«——【·结果 ·】——»
在*酮丙**和乙醇混合的超声波镀液中，利用涂层后化学再移动的漆膜结构，用机械轮廓仪测量了单层AI和Ti薄膜的层厚。测量是在晶片半径的每个测量点之间的距离为5mm的范围内进行的，/其中心开始，即基片旋转轴的位置，每个测量点的平均值代表三个测量值。
图7(彩色在线)基于单层厚度分布的TI-AI复合层位置计算在芯片RADAS(开放符号BOL)上。
在图中，研究人员给出了AI和T的紫菜厚度分布， 将测量曲线归一化为最大值 。
对于这两种薄膜材料，层厚大约是恒定的，半径约为30毫米。在离旋转轴更远的地方有一个Sig。薄膜厚度明显减小。热阻蒸发沉积的铝层在40mm半径范围内，薄膜厚度的标准差仅为+1.2%。电子束蒸发法制备的合金的热效率较高达+3.0%。含R=45mm的测量值，铝和的标准偏差分别增加到+2.2%和+5.0%。
在半径为5mm和为20mm的范内，验证了钦铝合金薄膜的最大厚度，这意味着在给定的几何布置下，铝合金薄膜的浓度随半径变化很小。测量结果表明，7mm以上的基片直径需要几何调整。
假定共蒸发紫菜的紫菜厚度分布与单层沉积的紫菜厚度分布有关，从图中所测得的单一紫菜厚度分布中计算出共蒸发TisoAls合金膜的预期原子组成。在35 mm底层半径范围内，与50:50原子组分的 平均偏差 在1at以下，%在y-TiAI的组成范围内。
为了验证计算的材料组合物，硅衬底(10x10毫米)被放置在位置R=0，R20，和R=40毫米。然后用ICP-OES测定了这些样品上共蒸发的Ti-AI样品的组成。ICP-OES测量的结果包含在图1中，并显示它们在所有三个位置与计算的成分非常一致。
两种不同的铝组合物的测量结果(表二)也证明，共蒸发200nm厚的Ti-AI薄膜 (CP-OESxsaks) 的测量组合物
B.TiAI共沉积膜的结构
最后对共蒸发Ti-AI薄膜的升华结构进行了测试为此，在压电LiNbO3衬底上制备了Ti-AI合金薄膜在金属化之前通过 自旋涂层 在基体上沉积了光刻胶，然后用与图8所示的测试结构相对应的光刻图构造了该抗蚀剂。
在图8(B)中可以看到高质量的边缘，给出了升力后结构的扫描电镜概览图像，在图8(C)中的高倍率图像中，这种高质量变得更加明显。
两种不同的蒸发源，一个热阻蒸发器和一个电子束源，已成功地组合和应用于共沉积低和高熔点材料，如铝和钵，分别为高温应用的器件。这些修改导致了一个稳定的，可重复的蒸发过程，这使得该共沉积系统可用于AI和Ti薄膜制备，在实验室和工业应用速率测量系统和基片操作可适用于待涂覆的特定表面以及所需的涂层厚度和均匀性。
通过调整快门中的开口的几何形状，以在附着物中，可以改进基板直径大于70mm的组合。对紫菜成分的分析结果表明，采用改进的 共蒸发器系统 ，可以在明确的成分中沉积可再生的TiAI薄膜。这使我们有机会研究大量的金属化材料这些金属化材料的结构必须是为了便于使用。