Vékonyrétegek fizikai rétegleválasztási technológiái: vákuumpárologtatási és porlasztási technológiák, atom- és molekulaforrások 8. alkalom A BME-ETT a.

Az előadások a következő témára: "Vékonyrétegek fizikai rétegleválasztási technológiái: vákuumpárologtatási és porlasztási technológiák, atom- és molekulaforrások 8. alkalom A BME-ETT a."— Előadás másolata:

1 Vékonyrétegek fizikai rétegleválasztási technológiái: vákuumpárologtatási és porlasztási technológiák, atom- és molekulaforrások 8. alkalom A BME-ETT a SIITME 2009-ért

2 A nyomás (p), a szabad úthossz (L) és a részecske-sűrűség (n)
Átlagos szabad úthossz A nyomás (p), a szabad úthossz (L) és a részecske-sűrűség (n) értékei vákuumban (csökkentett nyomású levegőben) p, Pa (N/m2) L, m n, 1/mm3 nm 2,4 ·1016 durva vákuum 1 5,3 mm 2,4 ·1011 nagyvákuum m 2,4 ·106 ultra nagyvákuum km 24 A BME-ETT a SIITME 2009-ért

3 A BME-ETT a SIITME 2009-ért

4 A BME-ETT a SIITME 2009-ért

5 A vákuumrendszerek fő részei
Nyitható vákuumedény (alaplap + felemelhető bura) Tömítések (szelepekben, átvezetőkben is) Szelepek Vákuummérők Szivattyúk: kifagyasztók (kondenzációs) nagyvákuum szivattyú (diffúziós) elővákuum-szivattyú (rotációs) A BME-ETT a SIITME 2009-ért

6 BALZERS, BAK 760 – Használt. -- $99,000 Dual Source Box Coater
BALZERS, BAK 760 – Használt! -- $99,000 Dual Source Box Coater. Resistive thermal source and inductive evaporation source. IC6000 crystal deposition monitor with a dual crystal head. Heater controls but no substrate heaters. Austin Scientific Cryo-Plex 16 cryopump with compressor. Usable chamber area: 888 mm wide, 923 mm height, and 950 mm deep. Water cooled chamber walls.     Inventory#: 50204 A BME-ETT a SIITME 2009-ért

7 BALZERS, 1131 Használt! -- $225,000 Large Box Coater Evaporation System. Khan computer controller. Dual cryo pumps. Box Size: 48 in. L x 59 in. at widest point x 63 in. H. Currently configured with inductive thermal evaporation source. Can easilty be configured with other types of evaporation sources. System includes autoload option. A BME-ETT a SIITME 2009-ért

8 Fontosabb szivattyúfajták és működési elvük
Forgólapátos (rotációs) szivattyúk: ciklikusan, adott térfogatnyi gázmennyiség elkülönítése, komprimálása (összenyomása), majd eltávolítása szelepen át Diffúziós és turbomolekuláris szivattyúk: nagy sebességű testtel való ütközés miatt sodródás diffúziós sz.: olajgőz sugárba diffundálnak be a gázrészecskék és a nagysebességű gőzrészecskékkel való ütközés miatt sodródnak turbomolekuláris sz.: forgó lapát felületével ütköznek a gázrészecskék Kifagyasztók: a gőz/gáz részecskék kondenzálódnak a hűtött felületeken, a parciális nyomást zárt térben a leghidegebb felület hőmérséklete korlátozza Getter szivattyúk (egyes gőzökre/gázokra nézve szelektíven): kémiailag lekötik, vagy fizikailag eltemetik a részecskéket (pl. a Ti párologtatáskor leköti - kiszivattyúzza - az oxigént) A BME-ETT a SIITME 2009-ért

9 Forgólapátos és olajdiffúziós szivattyú
Gázballaszt segítségével a visszacsapó szelep korábban nyit, elkerülhető a káros kondenzáció. A BME-ETT a SIITME 2009-ért

10 The turbomolecular pump can be a very versatile pump
The turbomolecular pump can be a very versatile pump. It can generate many degrees of vacuum from intermediate vacuum (~10-2 Pa) up to ultra-high vacuum levels (~10-8 Pa). A BME-ETT a SIITME 2009-ért

11 Vákuum mérők kapacitív – 106Pa-10Pa pirani – 103Pa-10-1Pa
ionizációs – 10-1Pa-10-8Pa A BME-ETT a SIITME 2009-ért

12 Vékonyrétegek vákuumpárologtatása.
A párologtatás folyamatai: 3. Kondenzáció (lecsapatás): a hordozó melegítésével lassított, szabályozott rétegépítés 2. Anyagtranszport: a részecskék egyenes vonalú mozgása a sugár-zás törvényei szerint 1. Molekulákra bontás: az anyag gőzfázisba vitele, elpárologtatása melegítéssel A BME-ETT a SIITME 2009-ért

13 Párolgási sebesség (z)
z = részecskék száma / (felület · idő) = állandó (A) · gőznyomás (p) T (hőmérséklet), K p (gőznyomás), Pa 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 p = B · e-H/(R·T) ahol B = állandó H = párolgási hő R = ált. gázállandó T = hőmérséklet, K A párolgási készség az 1 Pa gőznyomás eléréséhez szükséges hőmérséklettel jelle-mezhető. E készség különbözősége teszi lehetővé a csónakról való párologtatást, de hátrányos ha ötvözetréteget készítünk. A BME-ETT a SIITME 2009-ért

14 Árammal fűtött vákuumpárologtató gőzforrások
Árammal fűtött W, Mo csónak melegíti fel a ráhelyezett anyagot. A csónak lehet: huzal, huzalspirál lemez lemez, bevonattal Al2O3 bevonat fedél csónak tégely tömb (BN, SiC) A BME-ETT a SIITME 2009-ért

15 Vákuumpárologtató gőzforrások
granulátum tartály lágyvas lemez mágnestekercs állítható rés W csónak vasmag Vákuumpárologtató gőzforrások Rezgőadagolós: granulátumot szór az izzó csónakra Elektronsugaras: elektronsugár hevíti fel az anyagot függőcseppes vízhűtéses tégely elektronsugár elektro- mágnes W szál anyag- forrás    mágneses indukció 180 fokos 270 fokos olvadék szilárd e- sugár gőz anód e-forrás hűtött tégely  Al forrás W szál (elektronforrás) A BME-ETT a SIITME 2009-ért

16 Gőzforrások iránykarakterisztikája
dm1/(m1d) = egy vektor által kijelölt (z-vel  szöget bezáró) irányban d kicsi térszögben kilépő dm1 gőztömeg relatív értéke pontszerű gőzforrás elektronsugaras gőzforrás síkszerű gőzforrás (koszinuszos) gőzforrás, m1 tömeg párolog el belőle d térszög z irány tetszőleges irány porlasztóforrás (lepkeszárny) A BME-ETT a SIITME 2009-ért

17 Optikai vékonyrétegek – antireflexió
When the light meets the interface at normal incidence (perpendicularly to the surface), the intensity of light reflected is given by the reflection coefficient or reflectance, R: where n0 and nS are the refractive indices of the first and second media, respectively. A BME-ETT a SIITME 2009-ért

18 A gyémánt és az üveg összehasonlítása
Gyémánt törésmutató –2.4178 Reflexió 17,2 % Határszög 24,4 fok Üveg törésmutató 1,5 Reflexió 4 % Határszög 41,8 fok A BME-ETT a SIITME 2009-ért

19 Optikai szűrők, dielektrikum tükrök
A BME-ETT a SIITME 2009-ért

20 A BME-ETT a SIITME 2009-ért

21 A BME-ETT a SIITME 2009-ért

22 Lézervonal szűrő A BME-ETT a SIITME 2009-ért

23 Vákuumporlasztás. Katódporlasztás:  ion+ • e– Ar gáz bura katód:
A porlasztás folyamata: 1. Gőzállapotba hozás: a. spontán ionizáció  primér elektronok b. az elektronok gyorsulnak  ütközéses ionizáció  ionok és szekundér elektronok c. az ionok gyorsulnak  részecskéket ütnek ki a target-ből (mozgásmennyiség átadás) 2. Anyagtranszport: a porlasztást végző ionok jelenléte miatt a diffúzió törvényei szerint 3. Kondenzáció. A párologtatás-hoz hasonlóan a folyamat: magok  szigetek  a szigetek összeérnek, a folyosók feltöltődnek  összefüggő réteg katód: target, forrás bura földelt (anód) hordozótartó vákuu m Ar gáz Katódporlasztás:  ion+ • e– A BME-ETT a SIITME 2009-ért

24 A BME-ETT a SIITME 2009-ért

25 A BME-ETT a SIITME 2009-ért

26 A porlasztás folyamata, magnetronos porlasztás
A target porlódása becsapódó ion a target atomjai anód gázkisülés elektronok pályája target (katód) Síkmagnetronos porlasztóforrás katód katód sötéttér mágneses tér anód sötéttér anód plazma semleges atom ion Magnetronos porlasztás A BME-ETT a SIITME 2009-ért

27 A BME-ETT a SIITME 2009-ért

28 A félvezetők legfontosabb rétegfelviteli, rétegmódosító és mintázatkészítő eljárásai
1. Epitaxiás rétegnövesztés: gőzfázisú epitaxia (CVD), molekulasugaras epitaxia (MBE = Molecular Beam Epitaxy), folyadékfázisú epitaxia 2. A felületi rétegtulajdonságok szelektív megváltoztatása: ionimplantáció diffúzió 3. Oxidnövesztés a szilícium szelet felületén 4. A szigetelő, vezető, félvezető és passziváló rétegek felviteli eljárásai: kémiai rétegfelvitel gőzfázisból (CVD = Chemical Vapor Deposition) 5. Mintázatkialakítás litográfiával (az eljárást általában nedves vagy száraz kémiai maratás - rétegeltávolítás - követi): fotolitográfia elektronlitográfia röntgenlitográfia A BME-ETT a SIITME 2009-ért

29 Epitaxy is a kind of interface between a thin film and a substrate
Epitaxy is a kind of interface between a thin film and a substrate. The term epitaxy (Greek; epi "above" and taxis "in ordered manner") describes an ordered crystalline growth on a monocrystalline substrate. Epitaxial films may be grown from gaseous or liquid precursors. Because the substrate acts as a seed crystal, the deposited film takes on a lattice structure and orientation identical to those of the substrate. This is different from other thin-film deposition methods which deposit polycrystalline or amorphous films, even on single-crystal substrates. If a film is deposited on a substrate of the same composition, the process is called homoepitaxy; otherwise it is called heteroepitaxy. Homoepitaxy is a kind of epitaxy performed with only one material. In homoepitaxy, a crystalline film is grown on a substrate or film of the same material. This technology is applied to growing a more purified film than the substrate and fabricating layers with different doping levels. Heteroepitaxy is a kind of epitaxy performed with materials that are different from each other. In heteroepitaxy, a crystalline film grows on a crystalline substrate or film of another material. This technology is often applied to growing crystalline films of materials of which single crystals cannot be obtained and to fabricating integrated crystalline layers of different materials. Examples include gallium nitride (GaN) on sapphire or aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) on gallium arsenide (GaAs). A BME-ETT a SIITME 2009-ért

30 Epitaxiás rétegek növesztése
1. CVD (Chemical Vapor Deposition): a félvezető vegyületét (ált. hidridjét v. halidját) gáz v. gőz formában hevítik, a vegyület elbomlik v. redukálódik és kicsapódik a félvezető. Tipikus reakciók: SiCl4+2H2  Si+4HCl (1300o-on SiH4  Si+2H2 (szilán, 1200o-on CVD reaktor vázlata: 2. MBE (Molecular Beam Epitaxy): molekulasugaras epitaxia, t.k. lassú, pontosan szabályozott párologtatás több, szublimáló gőzforrásból 3. Folyadékfázisú epitaxia: alacsony-olvadáspontú fém (ált. Ga) olvadé-kában a félvezető túltelített oldatát hozzák létre, ebből csapatják ki. A BME-ETT a SIITME 2009-ért

31 A BME-ETT a SIITME 2009-ért

32 Kérdések Mi a vákuum szerepe a vékonyréteg technológiákban?
Mi a vákuumpárologtatás elve? Milyen a párologtató források iránykarakterisztikája, hogyan lehetséges a homogén rétegvastagság elérése? Ismertesse a vákuumporlasztó felépítését és működését? Milyen elveket használunk ki az optikai vékonyrétegek esetén? A BME-ETT a SIITME 2009-ért