Rétegek és rétegtechnológiák

1. Rétegek és rétegtechnológiák Dr Langer Gábor Debreceni Egyetem Szilárdtest Fizika tanszék Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

2. Vékonyrétegek Vékonyrétegek előállítása: a. fizikai módszerek: 1.párologtatás 2.porlasztás b. kémiai módszerek Vékonyrétegek kialakulása, növekedése Vékonyrétegek anyagának és szerkezetének vizsgálata Vékonyrétegek alkalmazása

3. Vékonyrétegek jelentősége, alkalmazásai Elektronika 1/ IC, félvezető eszközök Si, Ge elektródák, csatlakozók Al, Al-ötvözet, Ti, Pt, Au, Mo-Si 2/ Képernyők átlátszó vezető filmek In2O3, SnO2, ITO 3/ Mágneses adatrögzítés lágy mágneses filmek Fe-Ni, Fe-Si-Al kemény mágneses filmek Fe2O3, Co speciális anyagok átmeneti fémek, ritkaföldfémek

4. 4/ Szupravezetők Nb, Nb-Ge, Nb-Sn 5/ Optoelektronikai eszközök üvegek fényvezetők 6/ Egyéb ellenállás, elektródák, Ta, Ta-N, Ta-Si, Ni-Cr, Al, Cr Au Pb, Cu piezoelektromos filmek ZnO, AlN, BaTiO3, LiNbO3 Napelemek Si, Ag, Ti, In2O3 Optika tükrök Al, Ag, Cu, Au

5. Mechanika Súrlódáscsökkentő filmek MoS2 keményrétegek Cr, Pt, TiN, TiC Dekoráció Cr, Al, Ag Multirétegek: gáz-záró, fényvédő

6. Gőzgép szilíciumból.

7. Vékonyrétegek előállítása — a vékonyréteg anyagát gáz, gőz vagy folyadék fázisba visszük Vékonyrétegek előállítása kémiai módszerekkel(CVD) -a vékonyréteg anyagát folyadék- vagy gázfázisba viszik (pl. savban feloldják), a vékonyréteg anyagát tartalmazó gázba (gőzbe) merítik a bevonandó felületet -a rendszerrel energiát közölnek (melegítés, fénnyel történő megvilágítás stb.) aminek hatására különböző kémiai reakciók játszódnak le és a réteg kialakul - a leggyakoribb kémiai reakciók: pirolízis, oxidáció, redukció, nitridáció, hidrolízis

10. Rétegnövekedési mechanizmusok: -gázfázis a. homogén reakció b. diffúzió (tömegtranszport) -felületi jelenségek: adszorpció, heterogén reakciók, felületi migráció, rétegnövekedés -gázfázis: deszorpció, diffúzió Olcsó, tömegtermelésre kiváló.

13. Vékonyrétegek előállítása fizikai módszerekkel (PVD) A vékonyréteg anyagát gőz- vagy gázfázisba visszük. Ehhez a rendszerrel energiát kell közölni. Az energiaközlés módja alapján, melegítés esetén párologtatásról, ionbombázás esetén porlasztásról beszélünk. Párologtatás -párolgás: minden 0 K hőmérséklettől eltérő hőmérsékletű anyag párolog -melegítéssel a folyamat gyorsítható -a párolgás energetikai összetevői: -látenshő meghatározó-- -fázisváltozás-olvadás -a kilépő részek kinetikus energiája nő Forrás --------Párolgás Al forr 1 atm nyomáson 2200 C-on, de 1000C-on 1mbar a gőznyomása

15. A párolgás során az anyagból kilépő atomok energiája rendszerint 0.5 eV Ahhoz, hogy az elpárolgott atomok eljussanak a hordozóra vákuum kell. Párologtatás során a melegítés történhet: ellenállás fűtésével elektronbombázással lézer segítségével Ellenállás fűtés esetén direkt vagy indirekt fűtést alkalmazhatunk. Direkt fűtéskor magas olvadáspontú fémeket (wolfram, tantál, molibdén) illetve ezekből készült “csónakokat”, tégelyeket használunk. Ezeken néhány volt feszültség mellett több száz amper áramerősségű áramot vezetünk át. Indirekt fűtés esetén kerámia vagy grafit tégelyt magas olvadáspontú fém fűtésével melegítünk fel. Mindkét esetben hátrány, hogy a tégely anyaga is párolog-szennyezés!

18. Párologtatás elektronbombázással A párologandó anyag és egy elektronforrás (izzó wolfram szál) közé nagyfeszültséget kapcsolunk (5-10 KV), majd a feszültségkülönbség hatására gyorsuló elektronok mozgásirányára merőlegesen mágneses teret alkalmazunk. A becsapódó elektronok a párologandó anyagot kis foltban megolvasztják. Az anyag “saját anyagából készült tégelyben” van. A párologandó anyag többi részét hűtjük. Az ellenállás fűtésnél sokkal tisztább, jobban szabályozható.

19. e

20. A párologtatás során a kilépő atomok- molekulák szögeloszlása nagymértékben függ a párologtató forrás geometriájától. Emiatt a kialakítandó vékonyréteg vastagsága, akár néhány centiméteres távolságon belül is jelentősen eltérhet. Ez ellen védekezni a forrás megfelelő kiképzésével és a vékonyréteg hordozók megfelelő geometriában történő elhelyezésével lehet. 40mm átmérőjű, 10mm mély 10mm átmérőjű, 3mm mély

22. Párologtatás lézer segítségével A párologandó anyagot olyan vákuumedénybe helyezzük, amelyen az adott lézerfényt áteresztő ablak van. Az ablakon keresztül impulzus üzemben működő lézerrel megvilágítjuk a párologandó anyagot. Ez a lézer fény becsapódási helyén megolvad és párolog. A módszer előnye a nagy tisztaság, a hőt termelő forrás a vákuumrendszeren kívül van. Hátránya, hogy az anyag-lézerfény kölcsönhatás folyamán nemcsak párolgás történik, hanem a párolgó anyagból mikron nagyságú részek szakadhatnak ki amelyek befolyásolják a növekvő réteg szerkezetét.

24. Molekulasugaras vékonyréteg növesztés (MBE) A módszer lényege, hogy a vékonyréteg anyagát magas olvadáspontú, majdnem teljesen zárt, kis kilépő nyílással rendelkező tégelybe tesszük. A tégely hőmérséklete nagyon nagy pontossággal szabályozható, hőszigetelése rendkívül jó. Ilyen körülmények között a tégelyben kialakuló gőznyomás és így a kis nyíláson át kilépő atom-molekulanyaláb stabil illetve jól szabályozható (Knudsen cella). A cellákat ultranagy-vákuumban (10-9-10-10 mbar nyomáson) működtetik. A berendezés segítségével a vékony filmeket szinte atomsoronként építhetjük fel akár egykristály szerkezetben is. Rendkívül drága.

25. Knudsen-cella elvi felépítése

26. Knudsen-cella gyakorlati megvalósítása

27. Molekulasugaras vékonyréteg előállító felépítése

28. Porlasztással történő vékonyréteg előállítás A porlasztáson olyan vékonyréteg előállítási folyamatot értünk, amelyben a vékonyréteg forrása egy ionbombázásnak kitett céltárgy (target). Az ionokat az ionbombázáshoz rendszerint egyenáramú gázkisülésből nyerik. A targetre ~1000 V feszültséget kapcsolunk, a hordozó rendszerint földön van. Körülbelül 10-3mbar nyomású Ar gázt eresztünk a vákuumrendszerbe. A létrejövő gázkisülés ionjaival (plazma) bombázzuk a targetet.

29. Az ionbombázás során lejátszódó folyamatok

31. Az ionbombázás során lejátszódó folyamatok energiafüggése alacsony energián befogódás, kondenzáció (1-10 eV) közepes energián porlódás (100-200 eV) nagy energián elnyelődés, implantáció (1000- eV)

32. Porlasztás folyamata : A becsapódó ion a legfelső néhány atomrétegben több ütközést él meg. Az ütközések során az ion energiája több atomra oszlik el. Ez az energia a későbbiek folyamán egy, a felületen levő atomra összpontosul amely kilép-porlódik.

33. A porlasztást befolyásoló fizikai tényezők: 1. Bombázó ion energiája: 10-30 eV küszöbenergiától meredeken emelkedik, majd széles maximum után lassú csökkenés (a csökkenés oka az implantáció)

34. 2. Bombázó ion rendszáma: zárt elektronpályákkal rendelkező elemek esetén (nemesgázok Ar, Ne, He…) jelentős növekedés mutatható ki a porlasztási hozamban. Ezekben az esetekben az energia átadása hatékonyabb.

35. 3. Bombázott anyag rendszáma: hasonlóan mint a bombázó ionoknál az elektronpályák zártságának függvényében erős ingadozást mutat

36. A porlasztott részek átlagos kinetikus energiája gyakorlatilag független a porlasztó ionok energiájától.

37. Termalizáció miatt a porlasztott részek energiája viszonylag szűk energiasávban változik.

38. Porlasztó gyakorlati megvalósítása: a porlasztandó anyagot (target) vízzel hűtött, egyik oldalán földelt árnyékolóval ellátott lapra rögzítjük. Ehhez a laphoz csatlakoztatjuk a körülbelül 1000 V egyenfeszültség negatív pólusát. A pozitív pólus a földre csatlakozik. Ez a dióda típusú porlasztó.

39. Magnetron típusú porlasztót kapunk, ha az előbbi vízzel hűtött lap alá mágneseket helyezünk. A mágnes stabilizálja a gázkisülést és növeli a porlasztási hozamot.

40. Porlasztás • ~200 Gauss • Több elektron a targethez közel • Kevés elektron éri el a hordozót

41. Porlasztó berendezés gyakorlati megvalósítása

42. Porlasztás Párologtatás Nagy energiájú atomok Kis energiájú atomok Kis vákuum és szabad úthossz • Sok ütközés • Kevés targetatom jut el egyenes vonalon a hordozóig • Gáz abszorbeálódik a rétegbe Nagy vákuum és szabad úthossz • Kevés ütközés • Sok forrásatom jut el egyenes vonalon a hordozóig • Kevés gáz abszorbeálódik a rétegbe Kisebb szemcseméret Nagyobb szemcseméret Sokféle kristálytani irány Kevés kristálytani irány Jobb tapadás Kevésbé jó tapadás Porlasztás és párologtatás

43. A rétegek vastagságának mérése: Mechanikus módszer profilméter, 10m átmérő gyémánt hegyet mozgatunk a hordozó hordozó-réteg felületen, a hegy függőleges elmozdulását 1nm-es pontossággal tudjuk meghatározni Optikai módszerek(nemátlátszó filmek esetén) ellipszometria, a módszer lényege, hogy mérjük a film felületére nem merőlegesen beeső, polarizált fény polarizációs állapotának változását a visszavert nyalábban. Legpontosabb módszer, akár egy atomsor vastagság mérhető, nagyon drága. Rezgő kvarcos vastagságmérő a vastagságmérést tömeg mérésre vezetjük vissza. Kvarc kristályt, amely egy élesre hangolt rezgőkör része közvetlenül a porlasztott vagy párologtatott részecskék áramába helyezzük. A kvarc kristályra lecsapódó réteg elhangolja a rezgőkört. Az elhangoltság mértékéből a rétegvastagság kiszámolható.

44. Vékonyrétegek kialakulása, növekedése: A vékonyrétegek előállításához a vékonyréteg anyagát gáz-gőz fázisba visszük. Gőzfázis  szilárdfázis (nukleáció)

45. A hordozóra beérkező atomok, molekulák egy része a hibahelyeken adszorbeálódik, másik része visszaverődik. Az adszorbeálódott atomok közül azok, amelyeknek energiája túl nagy idővel deszorbeálódnak a többiek a hordozó felületén diffúziós mozgást végeznek. A diffúziós mozgás közben az atomok összekapcsolódhatnak és szigetek alakulnak ki. A kétdimenziós szigetek elkezdenek három dimenzióban növekedni, a felületen diffundáló atomok beugranak a szigetekbe valamint a beérkező atomok közvetlenül a szigetekbe épülnek be. A szigetek is mozognak, a kisebb szigetek beolvadnak a nagyobbakba a hordozó lefedődik. A kialakuló rétegek szerkezete amorf, polikristályos és egykristály lehet. Ha a réteg növekedés közben a diffundáló atomok energiája alacsony, a diffúzió lassú a szigetek növekedése közben létrejövő kristálytani rendet az adott pontban fennálló termodinamikai állapotok határozzák meg. A szigetek egymástól függetlenül nőnek. Amorf vagy polikristályos réteg alakul ki.

46. Ha réteget építő atomok molekulák energiája nagy, a hordozó hőmérséklete magas (400-800C) a diffúzió gyors és a szigetek nem egymástól függetlenül növekednek egykristály szerkezet alakul ki. (Megfelelő egykristály hordozó is szükséges.) A szilárdfázis kialakulásának energetikai viszonyai: a. a szilárd mag a gőzfázisban jön létre, nincs hordozó ( homogén reakció) ebben az esetben, r átmérőjű szilárd mag képződése esetén a rendszer kémiai szabadenergia változása 4/3r3Gv ahol Gv az egységnyi térfogatra eső szabadenergia változás Gv(kT/)ln(1s) ahol k Boltzmann állandó,  atomi térfogat, T abszolút hőmérséklet, s(pv-ps)/ ps, pv a túltelített gőz nyomása, ps gőznyomás a szilárd mag felett.

47. Ha pv ps akkor Gv negatív, a mag képződése energia csökkenéssel jár, lehetséges a magképződés (nukleáció) A mag képződésével egyidejűleg új felület jön létre, ehhez energia kell ennek nagysága: 4 r2, ahol  az egységnyi felületre jutófelületi energia. A fentiek alapján a rendszer teljes szabadenergia változása: G 4/3r3Gv  4 r2 Mekkora a legkisebb r amire ez teljesül. (Keressük az r szempontjából a minimumot dG/dr 0) r*  -2/ Gv visszahelyettesítve ehhez az r* -hoz tartozó szabadenergia változás : G* 16  3/3(Gv)2

48. Szabadenergia: Ha r r* akkor az energia csökken, a mag növekedik. Ha r r* akkor az energia nő, a mag nem stabil feloldódik

49. b. a szilárd mag hordozón jön létre (heterogén reakció) Felhasználva az előbbi pontban leírtakat, itt is egy térfogati és felületi energia tagot kapunk, de a felületi energia tag több komponensből áll. A felületi energia tagok: hordozógőz, hordozó mag, mag gőz. A szabadenergia változása mag hordozón való képződése közben: G a3 r3Gv a1r2A a2 r2C -a2r2B ahol a1 2(1-cos), a2 sin2, a3 (2-3cos cos3)

50. Ha 0, B C A akkor a kialakuló réteg nem nedvesíti a felületet, szigetek nőnek Ha  0, akkor B C A akkor a kialakuló réteg nedvesíti a felületet, rétegek nőnek Ha  0, akkor B  C A akkor a szigetes és réteges növekedés keveréke alakul ki Hasonlóan mint a gőzfázisban történő mag képződés esetén, mekkora a legkisebb r amire előbbi képlet teljesül (dG/dr 0) és a kapott r* -t a szabadenergia változás képletébe behelyettesítve: G* 16  3/3(Gv)2 (2-3cos cos3)/4 gőzfázisban mag + nedvesítő faktor