Osadzanie z fazy gazowej

Transkrypt

1 Osadzanie z fazy gazowej PVD (Physical Vapour Deposition) Obniżone ciśnienie PVD procesy, w których substraty dla nakładania warstwy otrzymywane są przez parowanie lub rozpylanie. PAPVD Plasma Assisted Physical Vapour Deposition Osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą Obniżone ciśnienie PACVD Plasma Assisted Chemical Vapour Depisition CVD (Chemical Vapour Depisition) Ciśnienie normalne lub obniżone CVD procesy, w których substraty dla nakładania warstwy są lotnymi związkami. Rozkładu Redukcji Źródło Si Si ( s ) ( s ) 2 SiJ Reakcje: Ni( Co) Ni + 4 CO SiCl + H Si 4HCl Transportu chemicznego + 2 J + Pod łodł SiJ 2 ( g ) 2 ( g ) 4 ( g ) 1373 K 1173 K 1373 K Si ( s ) SiJ 4 ( g ) 2 SiJ + SiJ 2 ( g ) 4 ( g )

2 Warunki próżniowe (PVD, PAPVD, PACVD) Warunki molekularne gazu λ >> L Warunki, w których nie występują wzajemne zderzenia między cząsteczkami, lecz głównie zderzenia ze ścianami zbiornika lub innymi powierzchniami znajdującymi się w obszarze próżniowym. λ 0,66 p (cm, Pa) Warunki molekularne Ciśnienie [Pa] λ [cm] 0, , , , p = Pa Grzanie: -rezystancyjne, - indukcyjne, - wiązką elektronową, - laserem, Zanieczyszczenie warstwy: - zderzenia z cząstek pary z cząstkami gazów resztkowych, - wbudowywanie się gazów resztkowych L P = 1 exp λ L > λ P = L λ L = 10 cm (p = 10-4 Pa, P = 0,15 %)

3 P PAROWANIE E w exp kt E w - Energia wiązań atomowych Równanie Clausiusa-Clapeyrona dp dt o = T H ( V V ) H - molowa entalpia przemiany (parowania lub sublimacji), Vg, Vs - objętość fazy gazowej i fazy (stałej lub ciekłej) V s << V g s g p g V V V = g s RT dp o dt = Hp 2 RT p o H = Aexp RT

4 SZYBKOŚĆ PAROWANIA Para j v = j k j v j k Ciecz j V = nυ 4 υ = 8kT πm υ p = nktυ Parowanie swobodne: p < 10-3 Pa, p o 100 Pa j V = p o 2πmkT V j V = p >10-3 Pa o ( p p) α 2 πmkt V

5 PRZESTRZENNY ROZKŁAD PAR l Θ 90 ds p ϕ r dω ds v dm ds p = m πr 2 cosϕ cosθ

6 ROZKŁAD GRUBOŚCI WARSTWY l h r Θ ϕ Źródło o małej powierzchni d do = 1 + l h 2 2 Parownik z małą powierzchnią d 0 grubość warstwy (l = 0)

7 PAROWNIKI Temperatura pracy p o materiału parowanego (1Pa) Prężność par parownika (kilka rzędów mniejsza) Bierność chemiczna do materiału parowanego W Mo Ta Temperatura topnienia (K) Temperatura p o = 10-4 Pa

8 PAROWNIKI

9 Cr, V, Fe, Si T > 1300 K p o ~ 10-4 Pa SUBLIMACYJNY PAROWNIK

10 TYGLOWE PAROWNIKI Mater. ThO 2 BeO ZrO 2 Al 2 O 3 MgO Kwarc Tem. top. [K] Materiały na tygle Maks. tem. pracy [K] Odporność na szoki termiczne Słaba Dobra Dobra Dobra Słaba Bardzo dobra

11 ELEKTRONOWIĄZKOWE PAROWNIKI Pary Topiony materiał Gorąca katoda Pary Topiony materiał Gorąca katoda Elektrody odchylające ce Chłodzenie Ekran Pary Gorąca katoda Chłodzenie Topiony materiał Chłodzony tygiel

12

13 Gaz obojętny ciśnienie atmosferyczne Wysoka próżnia Podajnik Strefa osadzania Pompy próżniowe Wiązka elektronów Pompy próżniowe 50 h

14

15 Mikrostruktura warstwy Temperatury podłoża (ruchliwość), Ciśnienia cząstkowe gazu (przesycenie), Kąt padania osadzanych cząstek, Energii kondensujących cząstek, Ciśnienie gazu roboczego, Szybkości osadzania, Materiał warstwy i podłoża, Stan podłoża (chropowatość, zanieczyszczenia)

16 Symulacja Monte-Carlo wzrostu warstwy w zależności od kąta padania strumienia par 45 o 60 o 75 o

17 Symulacje komputerowe wzrostu warstwy (temperatura podłoża) Warstwa niklu J = 1nm/s Strefa II

18 Wpływ ciśnienia gazu roboczego na mikrostrukturę warstwy ŹRÓDŁO λ > d d STRUMIEŃ CZĄSTEK WARSTWA CHROPOWATOŚĆ NISKIE CIŚNIENIE ŹRÓDŁO ROZPRASZANIE GAZU λ < d WZROST CHROPOWATOSCI ZE WZRODTEM (d/λ) STRUMIEŃ SKOŚNY λ WARSTWA WYSOKIE CIŚNIENIE Zmniejszenie energii cząstek Wzrost efektu ocieniania

19 MODEL MOVCHANA DECHISHINA Warstwa aluminium osadzona na ścianie reaktora po 50 h. Metale T s Tlenki T s Odparowanie wiązka elektronowa ( µm h -1 ). Grubości warstw ( µm).

20 Krystalizacja warstw epitaksjalnych Epitaksja jest to zorientowany krystalograficznie wzrost warstwy monokrystalicznej na podłożu monokrystalicznym, w wyniku którego struktura i orientacja warstwy są w określonej relacji do struktury i orientacji monokrystalicznego podłoża. epi na, taxi uporządkowany rozkład Homoepitaksja (Autoepitasja) Heteroepitaksją Si Si GaAs Si - stopień niedopasowania stałych sieci krystalicznej, - orientacja krystalograficzna podłoża, - jakość struktury podłoża.

21 Stopień niedopasowania sieci Niedopasowanie sieci określa stopień zróżnicowania położeń w przestrzeni konfiguracyjnej, atomów sieci krystalicznych warstwy i podłoża, pozostających w równowadze termodynamicznej i nie stykających się z sobą. Warstwa Podłoże Różna wartość stałej sieciowej Układ regularny - f 2 = ( a aoi ) ( a + a ) Różna symetria sieci krystalograficznej si 100%; i = x, y oi si f < 5 % to jest możliwy wzrost epitaksjalny warstwy do pewnej grubości.

22 Stopień niedopasowania sieci a 1 Sieć krystaliczna 1 Dyslokacje niedopasowania Granica rozdziału a 2 a 2 < a 1 Sieć krystaliczna 2 f > 5 %, na granicy rozdziału podłoże warstwa generowane są dyslokacje.

23 Epitaksja Z fazy stałej Z fazy ciekłej Z fazy gazowej

24 MBE Molecular Beam Epitaxy Spektrometr mas Ekran fluorescencyjny Komórki efuzyjne Komora chłodzona Ciekłym azotem Działo RHEED Ogrzewane podłoże Komora załadowcza Komora przejściowa Ultra wysoka próżnia ~ Pa (λ = 50 5 km) W warunkach UHV większość gazów w komorze zaadsorbowana na powierzchniach.

25 Źródła wiązek molekularnych Komórki efuzyjne, komórki Knudsena - piecyki o stabilizowanej temperaturze, pierwiastek umieszczony jest w tyglu w grzejniku komórki. Komórka efuzyjna Tygiel (z azotku boru)

26 Próżnia Próżnią nazywa się stan, Jaki panuje w obszarze wypełnionym gazami i parami, gdy ich ciśnienie (koncentracja) jest niższe od ciśnienia powietrza atmosferycznego. próżnia niska Pa próżnia średnia Pa próżnia wysoka Pa próżnia bardzo wysoka > 10-6 Pa

27 Pompy próżniowe Przepływowe Sorpcyjne Objętościowe Kriogeniczne Prędkościowe Zoelitowe Sublimacyjne Jonowe

28 Pompy objętościowe p = Pa Wada: - spadek prędkości pompowania przy p < 1 Pa, - pary oleju p = Pa S = l/s Szczelina między wirnikami 0,1-0,2 mm

29 Pompy turbomolekularne Mechanizm pompowania: Nadawanie cząsteczkom gazu kierunkowego momentu ruchu, przez szybko wirującą powierzchnię kierunkowe sprężanie gazu p = Pa S = l/s

30 Pompy jonowe (sorpcyjne) Mechanizm pompowania: zjonizowane cząstki gazu są adsorbowane na ściankach anody i zabudowywane atomami. Zalety: - łatwa w eksploatacji - duża prędkość pompowania - czysta pompa Próżnia początkowa ~ 1 Pa Próżnia końcowa: < 10-8 Pa

31 Pompy kriogeniczne (sorpcyjne) Mechanizm pompowania: adsorpcja na zimnej powierzchni (4 K) Zalety: - pompuje wszystkie gazy z wyjątkiem helu - duża prędkość pompowania - bardzo czysta pompa - umożliwia osiągnięcie najniższych ciśnień Mechanizm chłodzenia: wykorzystuje zjawisko Joula-Thompsona (rozprężanie adiabatyczne helu) Próżnia końcowa: Pa

32 Cykl pompowania MBE Pompa rotacyjna poniżej 1 Pa. Pompa turbomolekularną poniżej 10-4 Pa. Wygrzanie komory ~140 o C przez 1-2 dni przy pracującej pompie turbomolekularnej. Odcięcie połączenia do pompy turbomolekularnej i pompowanie pompą jonową lub kriogeniczną ( Pa). Pompowanie do ciśnienia 10-9 Pa trwa zwykle 7-10 dni. Czas pompowania można skrócić przez zapowietrzanie komory azotem. Zaadsorbowany azot na powierzchniach komory blokuje dostęp tlenu i pary wodnej. Energia wiązania azotu do powierzchni stali jest mniejsza niż energia wiązania tlenu, a więc łatwiej go usunąć.

33

34 Zalety MBE Możliwość wytwarzania struktur wielowarstwowych złożonych ze związków o różnych strukturach elektronowych, np. GaAs AlGaAs. Dobra kontrola ostrości interfejsu (zmiana składu możliwa w jednej warstwie atomowej), możliwość otrzymywania pojedynczej warstwy atomowej. Możliwość otrzymywania supersieci o okresie od kilku Å. Różne możliwości domieszkowania w szerokim zakresie. Wady MBE ultra-wysoka próżnia skomplikowane chłodzenie mała wydajność procesu wzrost: około 0,05 µm/min bardzo wysoki koszt