Filmwachstum

Alle Dünnschichtabscheidungsprozesse bestehen aus drei Schritten:

1. Herstellung der filmbildenden Spezies

2. Transport dieser Arten von der Quelle zum Substrat

3. Kondensation und Nähen auf dem Substrat

Bei der PVD ist der erste Schritt entweder Verdampfen oder Sputtern, der zweite Schritt bedeutet Sichtlinientransport, wenn der Prozessdruck sehr niedrig ist und eine geringe Wahrscheinlichkeit für Kollisionen oder einen Strömungstransport besteht, wenn der Druck hoch ist. Die Art des Transports beeinflusst das tatsächliche Wachstum des Films im dritten Schritt.

Wenn ein Atom an der Substratoberfläche ankommt und adsorbiert wird, diffundiert es auf die Oberfläche, bis es entweder desorbiert oder an einer energetisch günstigen Stelle festgeklebt ist. Diese Oberflächendiffusion hängt davon ab, welche Energie das Atom bei der Ankunft an der Oberfläche hat und ob das Substrat durch eine zusätzliche Energie, z. B. durch Erhitzen oder Ionenbeschuss, versorgt wird. Die Energie des Atoms ist abhängig vom Druck in der Abscheidekammer, ein hoher Druck verringert die Energie aufgrund von Energieverlusten bei Kollisionen. Der Ionenbeschuss der Oberfläche ist in plasmabasierten Verfahren möglich und kann durch eine negative Vorspannung des Substrats in Bezug auf das Plasma gesteuert werden.

Wenn das Atom an einem anderen Filmatom an der Oberfläche klebt, wird ein Paar mit geringer Mobilität erzeugt, und dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein weiteres Atom an ihnen haftet. Bei einer kritischen Anzahl von Atomen oder einer kritischen Kerngröße wird ein Kern gebildet. Diese Kerne werden zu kristallinen Inseln wachsen, die sich miteinander vereinigen und schließlich einen kontinuierlichen Film bilden. Abhängig von den Prozessparametern wird das Filmwachstum auf verschiedene Arten fortgesetzt, was zu unterschiedlichen Mikrostrukturen führt. Der Film kann Schicht für Schicht oder in 3D-Inseln oder in einer Kombination dieser beiden Wachstumsmodi wachsen.

In der PVD ist das Filmwachstum oft kolumnar, dh die Kristallite wachsen in Spalten mit mehr oder weniger entwickelten Korngrenzen zwischen ihnen. Die Korngrenzen können Hohlräume enthalten und verschlechtern die meisten Eigenschaften des Films, aber ein wirklich dichter, säulenartiger Film kann beispielsweise ausgezeichnete tribologische Eigenschaften aufweisen. Eine vollständige dichte Mikrostruktur in dem Film ist oft sehr wünschenswert. Da die dichte Mikrostruktur durch Ionenbeschuss des wachsenden Films gefördert wird, können solche Filme oft durch PVD-Verfahren in hochdichten Plasmen abgeschieden werden.

Mehrere Filmwachstumsmodelle für den Einfluss der Ablagerungsbedingung auf die Mikrostruktur des Films wurden entwickelt. Üblicherweise werden die empirischen Strukturzonemodelle verwendet, bei denen unterschiedliche Wachstumsmoden (Zonen) in einem Diagramm für unterschiedliche Temperatur-Schmelztemperatur-Verhältnisse (T / T m) identifiziert werden. Eine ausführliche Überprüfung solcher Modelle wurde 1977 von John A. Thornton veröffentlicht und hier folgt eine kurze Zusammenfassung. Movchan und Demchishin haben die folgende Klassifizierung vorgenommen: Zone 1 tritt auf, wenn T / T m <0,3 ist,="" und="" ist="" durch="" eine="" hohe="" oberflächenrauhigkeit="" und="" leere="" korngrenzen=""> Die Zone 2 erscheint bei 0,3 <0,5 und="" ist="" gekennzeichnet="" durch="" eine="" matte,="" glatte="" oberfläche="" und="" säulenförmige="" körner="" mit="" ausgeprägten,="" dichten=""> Zone 3 erscheint bei 0,5 <1 und="" zeichnet="" sich="" durch="" eine="" helle="" oberfläche="" und="" gleichachsige="" körner=""> Die Struktur und Eigenschaften dieser Zone sind in der Nähe von Schüttgut. Thornton hat ein erweitertes Modell vorgeschlagen, bei dem der Einfluss des Prozessgasdrucks auf eine zweite Achse im Diagramm addiert wird. In diesem Diagramm kann eine vierte Zone (Zone T, Übergang) zwischen Zone 1 und Zone 2 identifiziert werden. Die Zone T-Struktur ist dicht und faserig ohne leere Korngrenzen.