Transcript vekonyreteg1

Vékonyrétegek jelentősége, alkalmazásai
Elektronika
1/ IC, félvezető eszközök
elektródák, csatlakozók
Si, Ge
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
8/ Napelemek
ZnO, AlN, BaTiO3, LiNbO3
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
12/ Multirétegek: gáz-záró, fényvédő
13/ röntgen mikroszkóp
Cr, Al, Ag
Röntgen-optika, röntgenlitográfia.
90 nm-es technológiában
használt tranzisztorok
Vírus mérete
Tranzisztorok
méretének csökkenése
elektromigráció
Gőzgép szilíciumból.
Tükröződésmentesítő
réteg üvegen
üveg
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
Vákuum, szabályozható
lézerabláció
Rétegszerkezetek
CVD (kémiai vékonyréteg
előállítás)
elektrokémiai
szol-gél
centrifugálás, merítés
spray pirolízis
(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)
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 +
Ni(CO)4 → Ni +
2H2
(650 ° C)
4CO
(180 ° C)
Redukció:
Halogenidek, karbonil-halogenidek és más általában oxigén
tartalmú vegyületek hidrogén segítségével történő redukálása.
SiCl4 + 2H2 ↔ Si
WF6
+ 3H2 → W
+
4HCl
+ 6HF
(1200 ° C)
(300 ° C)
Oxidáció:
SiH4
+
O2
SiCl4
+ 2H2
→ SiO2 + 2H2
+
(450 ° C)
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
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