Vékonyrétegek jelentősége, alkalmazásai

Az előadások a következő témára: "Vékonyrétegek jelentősége, alkalmazásai"— Előadás másolata:

1 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 óriás mágneses ellenállás Fe-Ni, Co, Cu

2 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 7/ piezoelektromos filmek ZnO, AlN, BaTiO3, LiNbO3 8/ Napelemek Si, Ag, Ti, In2O3 9/ Optika tükrök Al, Ag, Cu, Au tükröződésmentesítő réteg Al2O3, MgF2, Zr2O2

3 Optikai adatrögzítés: TeAsGe, TeSeS, TeSeSb
10/ Mechanika Súrlódáscsökkentő filmek MoS2 keményrétegek Cr, Pt, TiN, TiC nanokompozitok 11/ Dekoráció Cr, Al, Ag 12/ Multirétegek: gáz-záró, fényvédő 13/ röntgen mikroszkóp

4 Röntgen-optika, röntgen-litográfia.

5 90 nm-es technológiában használt tranzisztorok
Vírus mérete

6 Tranzisztorok méretének csökkenése
elektromigráció

7

8 Gőzgép szilíciumból.

9 Tükröződésmentesítő réteg üvegen

10 10 nm körüli nanokristályok amorf mátrixba ágyazva

11 Nanomotor nm nagyságú, 20 mikrowatt – fajlagosan 100 milliószor nagyobb teljesítményt ad le mint egy 225 LE V6-os motor.

12 Rétegelőállítási technikák: párologtatás/MBE porlasztás lézerabláció
CVD (kémiai vékonyréteg előállítás) elektrokémiai szol-gél centrifugálás, merítés spray pirolízis Vákuum, szabályozható Rétegszerkezetek (atomsortól több µm-ig) „bulk” technikák (több mm vastag rétegek)

13 Elektrokémiai rétegleválasztás
Elektrolit: fémionokat tartalmazó sóoldat (pl. vas-klorid, nátrium-klorid) Katód bevonandó alkatrész Anód a bevonat anyaga vagy nem oldódik elektródokon a következő folyamatok mehetnek végbe: - a katódon: a fémkiválás és hidrogénfejlődés, - az anódon: az anionok semlegesítése (következménye gázkiválás, üledékképződés és szekunder kémiai reakciók), oxigénfejlődés és az anódfém oldódása.

14

15

16

17 Centrifugálás, merítés (Spin coating dip coating)

18 Termikus szórás (Thermal spray)
Lángszórás (Spray pirolízis)

19 Nagyon sokféle anyag szórható (fémek, kerámiák, oxidok, boridok)
A termikus szórás előnyei: Nagyon sokféle anyag szórható (fémek, kerámiák, oxidok, boridok) Levegőn is alkalmazható A hordozó nem nagyon melegszik fel A bevonat több mm vastag is lehet. (kopott felületek feltöltése) Különleges alakok is készíthetők. (plazmakerámia) Hátrányok: - Réteg tapadása nem megfelelő (felület durvítása, csak mechanikus kötés) - Porózus rétegek Termikusan szórt rétegszerkezet

20 Vékonyrétegek Vékonyrétegek előállítása: a. fizikai módszerek: (PVD)
1.párologtatás 2.porlasztás b. kémiai módszerek (CVD)

21 Vékonyrétegek előállítása kémiai módszerekkel (CVD)

22 Vékonyrétegek előállítása kémiai módszerekkel (CVD)
-a vékonyréteg anyagát gáz-, gőzfázisba viszik (pl. savban feloldják), ebbe a gázba (gőzbe) merítik a bevonandó felületet (folyadékfázis is alkalmas, ha adott hőmérsékleten elég nagy a gőznyomása, párologtató berendezés) -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 - a reakciók leggyakrabban atmoszférikus nyomáson játszódnak le

23 Pirolízis: Hidridek, karbonilok, fémorganikus vegyületek hő hatására történő szétesése. SiH → Si H (650 ° C) Ni(CO)4 → Ni CO (180 ° C) Redukció: Halogenidek, karbonil-halogenidek és más általában oxigén tartalmú vegyületek hidrogén segítségével történő redukálása. SiCl H2 ↔ Si HCl (1200 ° C) WF H2 → W HF (300 ° C)

24 Oxidáció: SiH O → SiO H2 (450 ° C) SiCl H O2 → SiO HCl (1200 ° C) Vegyületek előállítása: (elsősorban kopásálló bevonatok) SiCl CH → SiC HCl (1400 ° C) TiCl CH → TiC HCl (1000 ° C) BF NH3 → BN HF (1100 ° C)

25

26

27 Rétegnövekedési mechanizmusok:
- gázfázis a. homogén reakció b. diffúzió (tömegtranszport) - felületi jelenségek: adszorpció, heterogén reakciók, felületi migráció, rétegnövekedés - gázfázis: deszorpció, diffúzió - tipikus növekedési sebességek: μm/perc

28 SiCl H2 ↔ Si HCl (1200 ° C)

29

30 650 ° C felett oszlopos 625 ° C alatt finom szemcsés(polikristályos) 600 ° C alatt amorf Si réteg készítése SiH4-ból SiO2 hordozóra

31 atmoszféra helyett a nyomás ~ 1 mbar
Alacsony nyomást alkalmazó eljárások: (LPCVD) atmoszféra helyett a nyomás ~ 1 mbar előnyök: -nagyobb rétegnövekedési sebesség (1000) -tisztább, kevesebb hibahelyet tartalmazó réteg Plazma kisülést alkalmazó eljárás: (PECVD) nyomás 10-2 mbar – 5 mbar, plazmakeltés rádiófrekvenciás térrel (14,5 MHz) előnyök: a kémiai reakciók alacsonyabb hőmérsékleten játszódnak le (oxidok, műanyagok)

32 Fémorganikus vegyületeket használó eljárások: (MOCVD)
trimethyl-gallium (TMGa) (CH3)3Ga + AsH3 → GaAs CH (650 ° C) előnyök: a fémorganikus vegyületek viszonylag alacsony hőmérsékleten megfelelő gőznyomással rendelkeznek hatékony, jól reprodukálható rétegelőállítás Fotonenergiát használó eljárások: (CH3)2Cd +hν(200nm) → CH3 + CH3Cd → 2CH3 + Cd előnyök: alacsony energia→bevonandó felület védelme egyszerre több reakció alakzatok, kiválasztott részek bevonása, írás

33 Gyémánt, gyémántszerű szén bevonatok:
100 tonna ipari gyémántot állítanak elő évente hagyományos módon (magas hőmérséklet, nagy nyomás) Bevonatok formájában előnyösebb Előnyös tulajdonságok: nagy keménység, nagy kémiai stabilitás (700 C), jó hővezetés (5-ször jobb a réznél) Előállítás: Mikrohullámmal gerjesztett plazmát alkalmazó CVD (MPACVD) CH H2 (20 mbar) →2400 °C → 700 °C –os hordozó → Más gáz keverésével adalékolt gyémántkristályok → gyémánttranzisztor

34 Gyémánt réteg Si hordozón
Folyamatos gyémánt réteg A kép szélessége 20μm

35 Szénnanocső előállítás:
A szén két kristályos módosulata

36 Előállítás ipari méretekben
benzol + H2 +katalizátor 1000 °C→100 nm átmérő, 100 μm hosszú C nanocső

37 Atomréteg leválasztásos eljárás: (ALD)
Elsősorban egykristály rétegek előállítására

38

39

40

41

42

43

44

45

46 Összegezve: viszonylag olcsó, tömegtermelésre kiváló, hatékony
módszer, nincs irányultság Hátránya: környezetszennyező, a reagensek és a keletkezett melléktermékek nagy része mérgező, gyúlékony vagy korróziót okozó anyag