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.

Plazmakeltés:

Az ionbombázás során lejátszódó folyamatok

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. Szögfüggés –biliárd játék

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)

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)

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.

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

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

Termalizáció miatt a porlasztott részek energiája viszonylag szűk energiasávban változik.

Porlasztás szögfüggése:

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.

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

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

Porlasztóberendezés gyakorlati megvalósítása

Szigetelők porlasztása: Egyenáramú plazma esetén a szigetelő target feltöltődik a porlasztás leáll. Rádiófrekvenciás (13.5 MHz) plazma alkalmazásával a target körüli potenciál mindig negatív (az elektronok és ionok nagy tömegkülönbsége miatt csak az elektronok képesek követni az elektromos tér változását, felületek aránya- target/vákuumrendszer fala) - a porlasztás folyamatos Reaktív porlasztás: A porlasztás során lehetőség van a porlasztógáz mellett oxigén, nitrogén, széndioxid alkalmazására és így oxid, nitrid és karbid rétegek előállítására.

Porlasztás és párologtatás Kevésbé jó tapadás Jobb tapadás Kevés kristálytani irány Sokféle kristálytani irány Nagyobb szemcseméret Kisebb szemcseméret Nagy vákuum és szabad úthossz Kevés ütközés Sok forrásatom jut el egyenes vonalon a hordozóig Kevés gáz épül be a rétegbe Kis vákuum és szabad úthossz Sok ütközés Kevés targetatom jut el egyenes vonalon a hordozóig Gáz beépül a rétegbe Kis energiájú atomok Nagy energiájú atomok Párologtatás Porlasztás Ötvözetek előállítására a porlasztás alkalmasabb, mivel a target szobahőmérsékleten van így gyakorlatilag nincs diffúziós mozgás.

A rétegek vastagságának mérése: (transzmissziós elektronmik.) Mechanikus módszer profilométer, 1-10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.

Profilométer felépítése

Napelem üvegen (Sn, SnO, n-Si, P-Si) Rézháló üvegen

A porlasztás során fellépő fizikai jelenségek: Ballisztikus keveredés: a. egyedi ütközések tartománya, visszalökődéses keveredés (recoil), alacsony energia < 0.5 KeV b. kaszkád ütközések tartománya, KeV energián - ionbombázás hatására rugalmas ütközések, Frenkel párok (vakanciák és rácsközi atomok) keletkezése, ezek egy része spontán rekombinálódik, egy része megmarad és elősegíti a diffúziós keveredést, szegregációt - minta melegedése → diffúzió, szegregáció „Thermal spike”: lokális olvadás, általában 10KeV energián

Keveredés (ötvöződés) ionbombázás hatására W= kevert rétegvastagság távolság távolság

Hasonlóság ionbombázás hatására történő keveredés és diffúzió között dE/dX W ~  vagy t kevert réteg =iondózis (ion/cm2), ~idő ( t ) ha a dózis sebesség állandó W ~ hő kölcsönös diffúzió idő kevert réteg kölcsönös diffúziós együttható

A hőmérséklet hatása az ionbombázásos keveredésre Hőmérséklet ( C ) Aktivációs energia: 0.1-0.3 eV Hasonló a folyadékbeli diffúzióhoz. kevert réteg mennyisége (tetsz. egység) Hőmérséklet-1

Egyedi ütközések tartománya T az M1 ion által, az M-S határfelületen az M2 targetatomnak átadott energia ha Θ=0 Példa: platina réteg szilícium hordozón, argon ion (M1= 40 a.t.e.) bombázás, E=10Kev, Pt (M2= 195 a.t.e.) =5.6 KeV Ezzel az energiával 3,1 nm mélyre mehet be a platina atom a szilíciumba!!!

Bombázás: 200 Kev Kr+ LN2 hőmérséklet iondózis: 1016 ion/cm2 A kísérletek a marker izotróp kiszélesedését mutatják. A visszalökődéses keveredés nem meghatározó. Kaszkád ütközések!!!

Kaszkád ütközések tartománya Egyedi ütközések, erős irányultság, jelentős energia-átadás Sok, egymástól független, alacsony energiájú ütközés

Kaszkád ütközések Az atomok izotróp mozgása a kaszkád ütközések során hasonló a véletlenszerű bolyongás esetén kapható atomi eloszláshoz. n=ugrások száma α=ugrások nagysága A kaszkád ütközések által indukált véletlen bolyongási folyamatot analóg módon írhatjuk le az elmozdított atomok száma átlagos távolság =iondózis (ion/cm2) FD=egységnyi távolságon átadott energia az ütközésekben N=atomi sűrűség (atom/nm3) Ed=atom kötési energia

Átlagos energia egy ütközésben ~ 100 eV Behelyettesítve: Az előző markeres kísérletben Átlagos energia egy ütközésben ~ 100 eV Ha , FD, N, Ed közel azonos, akkor Dcast is közel azonos. Vizsgáljuk ballisztikus ütközés szempontjából a következő rendszereket: elemek rendszer Cu/W és Cu/Au rendszereknek azonos mértékben keveredni!

Cu/W esetén gyakorlatilag nincs keveredés. Cu/Au összekeveredik. Miért? Cu/W gyakorlatilag nem oldódnak egymásban +36KJ/mol Cu/Au ötvözetet alkot -9 KJ/mol Kémiai hajtóerő szerepe.

A vizsgálni kívánt minta szerkezetéhez kapcsolható jelenségek: - több komponensű egyfázisú rendszerek: az elemek eloszlása egyenletes a mintában, polikristályos minta esetén a szemcsék összetétele állandó tömeg és kötési energia különbségek miatt, valamint a visszalökő- déses implantáció, hő- és sugárzás indukált szegregáció diffúzió következtében változó felületi összetétel, általában könnyű elem hiány, nehéz elem többlet alakul ki→polikristályos anyagok esetén felületi morfológia változás ↓ preferenciális porlasztás Mitől függ a megváltozott felületi réteg vastagsága? Egyensúlyi koncentráció, csak az ionok behatolási mélységével azonos vagy vastagabb réteg eltávolítása után alakulhat ki.

W, Cu, Ta (régtegvastagság 10 nm) SNMS felvétele W Cu Ta Si W, Cu, Ta (régtegvastagság 10 nm) SNMS felvétele

W Cu TaO-Ta Si W, Cu (rétegvastagság 10nm), Ta-TaO (rétegvastagság 5-5 nm) SNMS felvétele

-több komponensű többfázisú rendszerek: elemeloszlás nem egyenletes, a szemcsék különböző összetételűek és kristályszerkezetűek a porlasztási sebesség lokálisan változik ↓ szelektív porlasztás speciális felületi morfológia kialakulása (gödrök, piramisok, kúpok) Egyensúlyi koncentráció csak a szemcsemérettel megegyező vastagságú réteg porlasztása után alakulhat ki. Akakusz kővilága

a szennyező atomok katalizálják a felületi alakzatok kialakulását Több komponensű több fázisú rendszerek: az elsődleges felületi morfológia a szelektív porlasztás miatt alakul ki később felületi migráció tovább erősíti a kúpok és piramisok kialakulását a szennyező atomok katalizálják a felületi alakzatok kialakulását a magas olvadáspontú targetanyag atomjai gyakrabban képeznek kúpokat piramisokat a porlasztott részek gázfázisból történő vissza-diffúziója elősegíti a a felületi alakzatok kialakulását a minta hűtése a migrációt csökkenti reaktív ionporlasztás (O, N) elnyomja a kúpképződést

-rétegnövekedési (nukleációs) jelenségek 12 monoréteg Mo porlasztása: -Al 98% hordozóra -Al 99.999% hordozóra -Au hordozóra -Cu hordozóra -W hordozóra Mo lefedettség mérése AES segítségével. Mo eltávolítása 200 eV-os Ar+ ionbombázással Al, Au, Cu, W felület Mo lefedettségének változása ekvivalens Mo monoréteg szám függvényében J. Appl. Phys., vol. 43, No.5, 1972

-Alacsony energiájú (< 500 eV) porlasztás jellemzői: Al, Au, Cu, W hordozó Mo lefedettségének változása 500 eV és 200 eV Ar ionbombázás esetén. 200 eV –os ionbombázás esetén lassabban csökken a lefedettség. ↓ Nő a hordozó felületével párhuzamosan kilépő porlasztott részek száma. → migráció