Herstellung von dünnen Schichten

1. Herstellung von dünnen Schichten Vortrag zum Festkörperseminar WS 05/06 Von Matthias Lütgens

2. Übersicht • Einleitung Begriffsklärung, Rückblick, Anwendungen • Einordnung der Verfahren • Sputterverfahren • Molekular Beam Epitaxie • Laserablation (PLD) • Zusammenfassung

3. Was sind „dünne Schichten“ ? Atome, Moleküle unterliegen in der Grenzschicht anderen Kräften als im Innern des Materials Verkleinerung einer Raumdimension führt zum Annähern der Grenzschichten  Grenzschichtwirkung wird überwiegen (neue Eigenschaften oder Phänomene?) Körper, deren Eigenschaften bestimmt sind durch die Grenzschichtwechselwirkung und bei denen eventuell neue Erscheinungen auftreten, bezeichnet man als „dünne Schicht“.

4. Historischer Rückblick 1700 Jh. optische Erscheinungen beobachtet an dünnen Schichten (Ölfilm auf einer Pfütze) durch Boyle und Hooke Young: Erklärung als Interferenz- erscheinung (1802) 1850: ganze Reihe neuer Entdeckungen (Abweichungen von den Fresnel- Formeln, Untersuchungen über die Rechweite von Kräften) Erste Verfahrenstechniken zur Dickenmessung durch Interferenz von Fizeau, Quincke, Wernicke, Wiener… Erste Verfahren zur künstlichen Herstellung dünner Schichten (Faraday auf chemischen, Plücker auf physikalischen Wege durch Kathodenzerstäuben…)

5. Ende 19 JH: Spiegelherstellung 1930: Beschichtung von Wachsschallplatten Mitte der 60er: Dünnschichtentechnologie ermöglicht rasche Expansion der Mikroelektronik (Halbleitertechnik) bis heute: stetige Verfeinerung der Technologie, Anwendungsfeld wird immer breiter

6. Dünne Schichten im Alltag Rene A. Haefer - Oberflächen und Dünnschichten- Technologie – Seite 2

7. Herstellungsmethoden

8. Welche Methode? • Wirtschaftlichkeit - Abscheidegeschwindigkeit - Größe des zu beschichtenden Materials - Anlagenkosten • Qualität - Anzahl der Fehlstellen, Anzahl Fremdatome • Welche Objekte können mit welcher Methode beschichtet werden? glatte oder poröse Oberfläche (Abschattungseffekte), Form des Objektes, chemische und physikalische Eigenschaften des Targets und des Substrats…

9. Das Sputterverfahren • DC – Sputtern ist einfachste Methode, bildet die „Urform“ • energiereiche von der Kathode beschleunigte Teilchen zerstäuben die Kathoden- bzw. Targetoberfläche • herausgeschlagene neutrale Atome oder Moleküle lagern sich auf das Substrat ab (auf der Anode)

10. Einige Sputterparameter Beispiele für Abhängigkeiten bei der Sputterausbeute: Ionenenergie, Bindungsenergie des Targetmaterials, Auftreffwinkel, Art der Beschußionen

11. Weitere Sputterverfahren • Nachteile des DC – Sputtering: • geringe Beschichtungsraten (Plasmadichte sehr gering) • Zerstäuben von Isolatoren i.a. nicht möglich (Target ist durch die Kathode negativ geladen) • Streuung der neutralen Atome an Restgasatomen (relativ hoher Druck erforderlich um Plasma stabil zu halten) • Fehlstellenbildung durch Ablagerung von Restatomen • Weitere Verfahren, die das Sputtern optimiert haben: • Triodensputtern • RF – Sputtern • Ionenstrahlverfahren • Magnetron – Sputtern • BIAS – Sputtern

12. RF-, Trioden- und Bias - Sputtern RF - Sputtern Wechselspannung erlaubt Sputtern von Isolatoren und einen geringeren Druck (typische Frequenz 13,56 MHz Trioden - Sputtern Weitere Glühkathode und Anode stellt Plasmastabilität bei geringerer Dichte sicher (zusätzliche Elektronen) Bias – Sputtern Anlegen einer negativen Vorspannung erhöht die Reinheit der Beschichtung

13. Magnetron – Sputtern • heute gebräuchlichste Methode • Permanentmagneten an den Elektroden so angeordnet, dass Elektronen sich auf zykloidenförmigen Bahnen bewegen • längerer Weg der Elektronen führt zu mehr Stoßprozessen Vorteile: Niedriger Kammerdruck möglich, gute Beschichtungsraten, große Flächen

14. Molecular Beam Epitaxy • Beschichtungsmaterial wird im UHV verdampft • kontrollierte Dosen gelangen auf das Substrat und lagern sich dort ab • durch mehrer Molekül- oder Atomquellen werden Schichtsysteme realisiert • Nachteil: UHV (ultra high vacuum) ist notwendig für möglichst fehlerfreie Schichtsysteme • Materialverhalten im Hochvakuum ist zu untersuchen (Phasendiagramme)

15. MBE – Technologie Widerstandsbeheiztes Verdampfen Elektronenstrahl - verdampfen

16. Oberflächenanalyse RHEED Reflection High Energy Electron Diffraction Pr2O3 epitaxially grown on Si (001)

17. Pulsed Laser Deposition • hochenergetischer Laserpuls führt zu Materialabtrag am Target • entstehender Partikelstrom expandiert im Vakuum gerichtet • Partikel kondensieren auf der Substratoberfläche gegenüber des Targets • Ablationsprozess findet im Vakuum, oder in Anwesenheit eines dünnen „background“ Gases statt ( p = 0.2mbar ) • Substrattemperatur 700 – 800°C • typische Substratausdehnung 1cm² • typische Rate: 1nm/pulse

18. Vorteile und Nachteile der PDL • Vorteile • hohe Leistung des Lasers erlaubt Verdampfen von Teilchen hoher Sublimationstemperatur • Spiegelanordnung erlaubt das gleichzeitige Verdampfen von mehreren Materialien • Targetmaterial wird nicht verunreinigt da kein Kontakt • UHV kompatibel • Nachteile • relative geringe Wachstumsraten • Substratgröße ist begrenzt

19. Zusammenfassung • Die künstliche Herstellung dünner Schichten wurde von Faraday und Plücker/Grove um 1850 begründet, seid dem wurden viele neue und bessere Methoden entwickelt • Dünne Schichten sind auch heute schon aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken ( Mikroelektronik… ) • Die Methoden der Herstellung unterscheiden sich vorallem in der Art der „Targetteilchenbeschaffung“ • Magnetron-Sputtern wird in der Industrie am häufigsten genutzt • Verfahrenstechniken für neue Materialien müssen immer wieder neu angepasst werden; kann sehr aufwendig sein • Ausblick: neue Materialien, magnetische Schichten (Speicherung), biologisches Schichtwachstum