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

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

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

Röntgen-optika, röntgen-litográfia.

90 nm-es technológiában használt tranzisztorok Vírus mérete

Tranzisztorok méretének csökkenése elektromigráció

Gőzgép szilíciumból.

Tükröződésmentesítő réteg üvegen

10 nm körüli nanokristályok amorf mátrixba ágyazva

Nanomotor 200 nm nagyságú, 20 mikrowatt – fajlagosan 100 milliószor nagyobb teljesítményt ad le mint egy 225 LE V6-os motor.

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)

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.

Centrifugálás, merítés (Spin coating dip coating)

Termikus szórás (Thermal spray) Lángszórás (Spray pirolízis)

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

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

Vékonyrétegek előállítása kémiai módszerekkel (CVD)

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

Pirolízis: Hidridek, karbonilok, fémorganikus vegyületek hő hatására történő szétesése. SiH4 → Si + 2H2 (650 ° C) Ni(CO)4 → Ni + 4CO (180 ° C) Redukció: Halogenidek, karbonil-halogenidek és más általában oxigén tartalmú vegyületek hidrogén segítségével történő redukálása. SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl (1200 ° C) WF6 + 3H2 → W + 6HF (300 ° C)

Oxidáció: SiH4 + O2 → SiO2 + 2H2 (450 ° C) SiCl4 + 2H2 + O2 → SiO2 + 4HCl (1200 ° C) Vegyületek előállítása: (elsősorban kopásálló bevonatok) SiCl4 + CH4 → SiC + 4HCl (1400 ° C) TiCl4 + CH4 → TiC + 4HCl (1000 ° C) BF3 + NH3 → BN + 3HF (1100 ° C)

Rétegnövekedési mechanizmusok: - gázfázis a. homogén reakció b. diffúzió (tömegtranszport) - felületi jelenségek: adszorpció, heterogén reakciók, felületi migráció, rétegnövekedés - gázfázis: deszorpció, diffúzió - tipikus növekedési sebességek: 0.5-3 μm/perc

SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl (1200 ° C)

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

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)

Fémorganikus vegyületeket használó eljárások: (MOCVD) trimethyl-gallium (TMGa) (CH3)3Ga + AsH3 → GaAs + 3CH4 (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

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) CH4 + H2 (20 mbar) →2400 °C → 700 °C –os hordozó → Más gáz keverésével adalékolt gyémántkristályok → gyémánttranzisztor

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

Szénnanocső előállítás: A szén két kristályos módosulata

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

Atomréteg leválasztásos eljárás: (ALD) Elsősorban egykristály rétegek előállítására

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