Fizyka Cienkich Warstw

Transkrypt

1 Dr inż. T. Wiktorczyk Wydzial Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska Fizyka Cienkich Warstw W-3 Fizyczne metody otrzymywania warstw -kontynuacja Naparowanie próżniowe omówiono na W-2 Metoda MBE czyli epitaksja z wiązek molekularnych (molekular beam epitaxy). Rozpylanie jonowe (ion sputtering),

2 METODA MBE (MOLEKULAR BEAM EPITAXY) CZYLI EPITAKSJA Z WIĄZEK MOLEKULARNYCH Warstwy epitaksjalne- są to warstwy charakteryzujące się: q Ekstremalnie wysokim stopniem czystości q Wysokim stopniem uporządkowania. Warstwy wykazują nieomal idealną budowę krystaliczną. q Podłoża stosowane do naparowań warstw epitaksjalnych muszą być monokrystaliczne o stałej sieciowej zbliżonej do stałej sieciowej materiału naparowywanego. Naparowanie warstw metodą MBE Proces wzrostu epitaksjalnego warstw monokrystalicznych z wiązek molekularnych (atomowych) padających w ultrawysokiej próżni (p 10-7 Pa tj.p 10-9 Tr ) na określone podłoża monokrystaliczne nazywamy procesem MBE.

3 Źródła naparowania dla procesu MBE: komórki Knudsena Liczba molekuł wychodzących przez otwór komórki Knudsena na jednostkę czasu, na jednostkę powierzchni określona jest równaniem: N a C p a -ciśnienie par materiału odparowywanego [Pa] M a -masa atomowa [kg/mol] T a - temperatura [K] C= {s/m[k/(kg mol)] ½ } p a M T a a [1/(m 2 s)] Prędkość naparowania warstwy w procesie MBE jest kontrolowana poprzez regulację temperatury w komórce Knudsena.

4 EPITAKSJA Z WIĄZEK MOLEKULARNYCH: Osadzanie warstw wieloskładnikowych (związki chemiczne, stopy) źródło A źródło B źródło C materiał A materiał B materiał C

5 Źródła naparowania dla procesu MBE Low-Temperature Single Filament Source Veeco Instruments Inc.

6 MBE czyli EPITAKSJA Z WIĄZEK MOLEKULARNYCH Cechy charakterystyczne procesu MBE: Wysoka próżnia w trakcie całego procesu osadzania warstw (p 10-9 Tr, czyli p 10-7 Pa). Precyzyjny pomiar wszystkich istotnych parametrów w trakcie osadzania warstw i automatyczna kontrola aparatury. Mała prędkość osadzania (0,1-0,3nm/s), co umożliwia precyzyjną kontrolę grubości kondensujących warstw. Możliwość niemal natychmiastowego przerwania procesu osadzania lub też jego rozpoczęcia (indywidualne przesłony komórek efuzyjnych).

7 MBE czyli EPITAKSJA Z WIĄZEK MOLEKULARNYCH Cechy charakterystyczne procesu MBE: Możliwość uzyskania gładkości powierzchni warstw z dokładnością do pojedynczej warstwy atomowej. Możliwość badania rosnących warstw in situ. Łatwość domieszkowania warstwy lub też zmiany składu chemicznego warstwy (sterowanie komórek efuzyjnych). Metoda MBE gwarantuje otrzymanie warstw o bardzo powtarzalnych parametrach Wada metody: skomplikowana i b. kosztowna aparatura.

8 Przykład: Otrzymywanie warstw AlxGa1-xAs

9 APARATURA MBE Firma Riber -Francja Compact 21 Series 2" / 3" MBE research system MBE 32 Series 2" / 3" MBE research system

10 APARATURA MBE MULTIPROBE MBE SYSTEM for small samples Firma Omicron Nano Technology Niemcy

11 OTRZYMYWANIE CIENKICH WARSTW METODĄ ROZPYLANIA JONOWEGO (ION SPUTTERING) Idea metody: Rozpylanie jonowe polega na uwalnianiu cząsteczek ateriału targetu na skutek bombardowania go wiązką jonów odpowiedniej energii. Rozpylany materiał kondensując na odpowiednich podłożach owoduje formowanie pokrycia cienkowarstwowego.

12 Możliwości realizacji rozpylania jonowego: 1. METODĄ ROZPYLANIA KATODOWEGO q q OTRZYMYWANIE CIENKICH WARSTW METODĄ ROZPYLANIA JONOWEGO (ION SPUTTERING) Rozpylanie diodowe (diode sputtering) metoda standardowa realizowana przy ciśnieniu ok. p=1-10pa (czyli Tr) Rozpylanie katodowe przy niskich ciśnieniach (low-pressure sputtering) rozpylanie triodowe, rozpylanie w polu magnetycznym q Rozpylanie katodowe w polu wysokiej częstotliwości (high-frequency sputtering) 2. ZA POMOCĄ NIEZALEŻNEGO ŹRÓDŁA JONÓW

13 ROZPYLANIE KATODOWE- podstawy fizyczne WYŁADOWANIE JARZENIOWE Na skutek wysokiego napięcia przyłożonego między anodą i katodą następuje jonizacja gazu (zimna emisja elektronów z katody i zderzenia ich z cząsteczkami gazu). Przy ciśnieniu gazu w komorze roboczej ok Tr (czyli 1-10Pa) powstaje wyładowanie jarzeniowe. Obserwuje się charakterystyczne świecenie gazu (tzn. powietrza lub gazu roboczego: Ar, He, lub innego gazu obojętnego). Katoda spełnia podwójną rolę: (i) jest źródłem elektronów w zimnej emisji (ii) jest źródłem rozpylanego materiału (przy rozpylaniu katodowym) W obszarze katodowym (ciemnia Crookesa) obserwuje się największy spadek potencjału miedzy anodą i katodą. Ten duży spadek potencjału w obszarze katodowym jest wynikiem gromadzenia się jonów dodatnich w tej przestrzeni.

14 WYŁADOWANIE JARZENIOWE Zastosowanie wyładowania jarzeniowego do czyszczenia powierzchni podłoży (Laboratorium Fizyki Cienkich Warstw)

15 WYŁADOWANIE JARZENIOWE Długość obszaru katodowego zależy od ciśnienia gazu w komorze roboczej określona jest wzorem Paschena: d=a p -1 d-długość obszaru ciemni Crookesa, p-ciśnienie gazu, a- stała Uwaga: 1) Jeśli p maleje to d rośnie i może wypełnić cała przestrzeń między anodą i katodą (d ak ). 2) Jeśli d>d ak to wyładowanie jarzeniowe gaśnie. 3) Jeśli konstrukcyjnie zmniejszymy d ak to poświata anodowa kurczy się lub zanika zaś obszar katodowy nie ulega zmianie. Przykład Niech argon (Ar) wypełnia komorę próżniową Wówczas stała a=40 [Pa cm] Czyli: dla 10Pa dla 1Pa 40Pa cm d 4cm 10Pa 40Pa cm d 40cm 1Pa

16 ROZPYLANIE KATODOWE w UKŁADZIE DIODOWYM Stosowane parametry: p~1-10pa ( Tr) Uak=1-5kV J=1-10mA/cm 2

17 ROZPYLANIE KATODOWE - targety High Purity Yttrium(Y) Sputtering Target(5N %)

18 CHARAKTERYSTYKA ROZPYLANIA KATODOWEGO q Rozpylanie prowadzi się przy stosunkowo niskiej próżni p~1-10pa ( Tr). Przy takich ciśnieniach sporo zanieczyszczeń gazami resztkowymi. q Prostota aparatury. Wymagana jedynie pompa do wytworzenia próżni i zasilacz wysokiego napięcia. q Energia rozpylonych cząsteczek duża. 1-2rzędy wyższa niż przy naparowaniu. Powoduje to dużą ruchliwość osadzanych atomów na powierzchni oraz w konsekwencji zwiększenie adhezji. q Ponieważ rozpylanie prowadzi się przy relatywnie wysokich ciśnieniach. Może to powodować powstawanie warstw pośrednich między osadzaną warstwą, a podłożem. Prowadzi to do zwiększenia adhezji warstwy do podłoża. q Warunki kondensacji warstwy inne niż w trakcie klasycznego naparowania, gdyż kondensacja w polu elektrostatycznym. q Rozpylanie charakteryzuje współczynnik rozpylania η q η= η(m at. targetu, M at. jonów, φ, E średnia jonów, p gazu, k s ) gdzie: φ-kąt padania jonów na powierzchnię k s -współczynnik zależny od stanu powierzchni liczba. rozpylonych. tomów lczba. padająadaj. jonów

19 ROZPYLANIE KATODOWE

20 ROZPYLANIE KATODOWE PRZY NISKICH CIŚNIENIACH (Low pressure sputtering) W klasycznym układzie diodowym obniżenie ciśnienia powoduje spadek prędkości rozpylania targetu ( mamy mniejszą koncentrację jonów). Jak wobec tego można zwiększyć lub przynajmniej utrzymać dostateczną prędkość rozpylania przy mniejszym ciśnieniu? 1) Przez wprowadzenie niezależnego źródła elektronów czyli mamy układ triodowy do rozpylania katodowego 2) Przez zastosowanie pola magnetycznego ROZPYLANIE W UKŁADZIE TRIODOWYM podłoża

21 ROZPYLANIE KATODOWE PRZY NISKICH CIŚNIENIACH (Low pressure sputtering) Charakterystyka procesu Gaz roboczy: Ar, Xe, He Ciśnienie pod kloszem p= pa (klasyczne 1-10Pa) p= Tr Rozpylany target na potencjale (1-2)kV Zastosowane pole magnetyczne służy do formowania wyładowania jarzeniowego oraz zwiększa prawdopodobieństwo jonizacji gazu Szybkość nanoszenia warstw 0-100nm/s

22 Uwaga: na ładunki poruszające się w polu magnetycznym działa siła Lorentza F=q(vXB), która komplikuje ich tory i zwiększa prawdopodobieństwo jonizacji gazu ROZPYLANIE KATODOWE W POLU MAGNETYCZNYM Układ magnetronowy atoda ozpylany target Podłoża anoda

23 ROZPYLANIE KATODOWE W POLU MAGNETYCZNYM

24 ROZPYLANIE JONOWE ZA POMOCĄ NIEZALEŻNEGO ŹRÓDŁA JONÓW 1) METODA IBSD ion beam sputter deposition czyli rozpylanie za pomocą wiązki jonów

25 ROZPYLANIE JONOWE ZA POMOCĄ NIEZALEŻNEGO ŹRÓDŁA JONÓW 2) METODA IBAD ion beam assisted deposition czyli rozpylanie w asyście dodatkowej wiązki jonów

26 Cienkie warstwy Przykłady zastosowania pokryć warstwowych otrzymanych metodami jonowymi Rys. pokazuje twardość materiałów i pokryć warstwowych

27 Przykłady zastosowania pokryć otrzymanych metodami jonowymi

28 Zastosowanie rozpylania jonowego do wytwarzania pokryć warstwowych Kolorystyka pokryć : Black Blue Bronze Gold Gun metal Pale gold Rainbow Na podstawie: East Star Resources International Limited, Beijing, China

29 Hummer 8 3 Sputter system ROZPYLANIE JONOWE - APARATURA Firma Anatech, USA Firma Angstrom Engineering, Canada

30 ROZPYLANIE JONOWE - APARATURA Firma AJA SPUTTERING SYSTEMS, USA