Vékonyrétegek előállítása fizikai módszerekkel (PVD)

1. Vékonyrétegek előállítása fizikai módszerekkel (PVD)

2. A vékonyréteg anyagát gőz- vagy gázfázisba visszük. Ehhez a rendszerrel energiát kell közölni. Az energiaközlés módja alapján, melegítés esetén párologtatásról, ionbombázás esetén porlasztásról beszélünk.

3. 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 Ti- szublimáció elpárolgott anyagmennyiség= 5.834 x 10-2 (M/T)1/2 Pe g/cm2 s ha Pe=10-2 mbar, akkor fenti mennyiség 10-4 g/cm2 s

6. A párolgás során az anyagból kilépő atomok energiája rendszerint 0.5 eV Ahhoz, hogy az elpárolgott atomok eljussanak a hordozóra vákuum kell. (legalább 10-4 mbar) Párologtatás során a melegítés történhet: ellenállás fűtésével elektronbombázással lézer segítségével Ellenállás fűtés esetén direkt vagy indirekt fűtést alkalmazhatunk. Direkt fűtés - magas olvadáspontú fémek (wolfram, tantál, molibdén) esetén alkalmazzuk. Ezeken néhány volt feszültség mellett több száz amper áramerősségű áramot vezetünk át. Indirekt fűtés esetén a párologandó anyagot kerámia-, grafit tégelybe vagy magas olvadáspontú fémből készült tartóba (csónak) helyezzük. Mindkét esetben hátrány, hogy a tégely anyaga is párolog - szennyezés, kémiai reakciók lehetségesek a tégely és a párologandó anyag között.

7. MgF2 reakcióba lép a wolframmal, csak Mo, Ta tégely használható, Gyenge előfűtés (kigázosítás) gyakran hasznos „fröcsögés” megelőzésére

8. Újabban wolfram, tantál tégelyek alumíniun-oxid bevonattal

9. Párologtatás elektronbombázással A párologandó anyag és egy elektronforrás (izzó wolfram szál) közé nagyfeszültséget kapcsolunk (5-20 KV), majd a feszültségkülönbség hatására gyorsuló elektronok mozgásirányára merőlegesen mágneses teret alkalmazunk. A becsapódó elektronok a párologtatandó anyagot kis foltban megolvasztják (a teljesítmény 1-10 KW/cm2) . Az anyag “saját anyagából készült tégelyben” van. A párologtatandó anyag többi részét hűtjük. Az ellenállás fűtésnél sokkal tisztább, jobban szabályozható. A forrásban rendszerint több tégely található, amely egymás után több fajta anyag párologtatását teszi lehetővé.

10. e

11. Elektronbombázással működő párologtató forrás Bombázó elektronnyaláb mozgatása a target felületén

12. Leggyakrabban elektronbombázással párologtatott anyagok: Alumínium, alumínium-oxid, szén, kobalt, réz, vas, molibdén, nikkel, nióbium, tantál, wolfram, wolfram-karbid,

13. Hibrid módszerek: Jobb tapadás, nagyobb sűrűségű film

14. Párologtatás lézer segítségével A párologtandó anyagot olyan vákuumedénybe helyezzük, amelyen az adott lézerfényt áteresztő ablak van. Az ablakon keresztül impulzus üzemben működő lézerrel megvilágítjuk a párologtandó anyagot. Ez a lézer fény becsapódási helyén megolvad és párolog, ha az adott anyag a lézerfényt abszorbeálja. Általában impulzus üzemű lézereket használnak. Energia: 1.5 J/(cm2lövés) Impulzus hossz: 5-20 ns

15. A módszer előnye: • - a nagy tisztaság, a hőt termelő forrás a vákuumrendszeren kívül van. • -nagyon magas olvadáspontú anyagok párologtathatók • -a párologtatás során bármilyen atmoszféra lehet a target körül • (reaktív párologtatás) • -a target összetételét jól visszaadja • Hátránya: • az anyag-lézerfény kölcsönhatás folyamán nemcsak párolgás történik, hanem a párolgó anyagból mikron nagyságú részek szakadhatnak ki amelyek befolyásolják a növekvő réteg szerkezetét. • Gyakran alkalmazzák magas hőmérsékletű szupravezetők előállításánál (YBCO)

17. Molekulasugaras vékonyréteg növesztés (MBE) A módszer lényege, hogy a vékonyréteg anyagát magasolvadáspontú, kis kilépő nyílással rendelkező tégelybe tesszük. A tégely (bór-nitrid) hőmérséklete nagyon nagy pontossággal szabályozható, hőszigetelése rendkívül jó. Ilyen körülmények között a tégelyben kialakuló gőznyomás és így a nyíláson át kilépő atom-molekulanyaláb stabil illetve jól szabályozható (Knudsen cella). A cellákat ultranagy-vákuumban (10-9-10-11 mbar nyomáson) működtetik. Általában elektronbombázással működő párologtató forrást is tartalmaz. A berendezés segítségével a vékony filmeket szinte atomsoronként ( 1 monoréteg/s) építhetjük fel akár egykristály szerkezetben is. Rendkívül drága.

18. Knudsen-cella elvi felépítése

19. Ideális Knudsen cellából a párolgási sebesség nagyon kicsi. Gyakorlatban nagyobb nyílás a Knudsen cellán, ami a párolgási sebesség növekedést jelent, de a párolgási sebesség változik a töltet mennyiségével A töltetmennyiségének változása megváltoztatja a párologtatott részek eloszlását is. → Kúp alakú tégelyek alkalmazása. Gyakran kell kalibrálni a párolgási sebességet. Növekvő réteg szerkezetének folyamatos vizsgálata elektron-diffrakcióval, in-situ anyag és szerkezetvizsgálatok.

20. Knudsen-cella gyakorlati megvalósítása

21. Molekulasugaras vékonyréteg előállító felépítése

23. Párologtatott anyag szögeloszlása: 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. pontszerű sík

24. Számolt szögeloszlás, n a párologtató tartály geometriájától függ Közel spirál alakban feltekert drótból kilépő részek szögeloszlása

25. 40mm átmérőjű, 10mm mély 10mm átmérőjű, 3mm mély tégelyekből kilépő részek szögeloszlása

26. Egyenletes film vastagság nagy felületen csak a forrás és a minta közé épített álló valamint forgó árnyékolók segítségével érhetők el.