Transcript optomech_langer

Rétegek és rétegtechnológiák
Dr Langer Gábor
Debreceni Egyetem
Szilárdtest Fizika tanszék
Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002
Vékonyrétegek
Vékonyrétegek előállítása: a. fizikai módszerek: 1.párologtatás
2.porlasztás
b. kémiai módszerek
Vékonyrétegek kialakulása, növekedése
Vékonyrétegek anyagának és szerkezetének vizsgálata
Vékonyrétegek alkalmazása
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
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
piezoelektromos filmek
Napelemek
ZnO, AlN, BaTiO3, LiNbO3
Si, Ag, Ti, In2O3
Optika
tükrök
Al, Ag, Cu, Au
Mechanika
Súrlódáscsökkentő filmek
MoS2
keményrétegek
Cr, Pt, TiN, TiC
Dekoráció
Multirétegek: gáz-záró, fényvédő
Cr, Al, Ag
Gőzgép szilíciumból.
Vékonyrétegek előállítása — a vékonyréteg anyagát gáz, gőz vagy
folyadék fázisba visszük
Vékonyrétegek előállítása kémiai módszerekkel (CVD)
-a vékonyréteg anyagát folyadék- vagy gázfázisba viszik (pl. savban
feloldják), a vékonyréteg anyagát tartalmazó gázba (gőzbe) merítik a
bevonandó felületet
-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
Rétegnövekedési mechanizmusok:
-gázfázis a. homogén reakció
b. diffúzió (tömegtranszport)
-felületi jelenségek: adszorpció, heterogén reakciók, felületi migráció,
rétegnövekedés
-gázfázis: deszorpció, diffúzió
Olcsó, tömegtermelésre kiváló.
Vékonyrétegek előállítása fizikai módszerekkel (PVD)
A vékonyréteg anyagát gőz- vagy gázfázisba visszük. Ehhez a
rendszerrel energiát kell közölni. Az energiaközlés módja alapján,
melegítés esetén párologtatásról, ionbombázás esetén porlasztásról
beszélünk.
Párologtatás
-párolgás: minden 0 K hőmérséklettől eltérő hőmérsékletű anyag párolog
-melegítéssel a folyamat gyorsítható
-a párolgás energetikai összetevői: -látenshő
meghatározó--
-fázisváltozás-olvadás
-a kilépő részek kinetikus energiája nő
Forrás --------Párolgás
Al forr 1 atm nyomáson 2200 C-on, de 1000C-on 1mbar a gőznyomása
A párolgás során az anyagból kilépő atomok energiája rendszerint 0.5 eV
Ahhoz, hogy az elpárolgott atomok eljussanak a hordozóra vákuum
kell.
Párologtatás során a melegítés történhet: ellenállás fűtésével
elektronbombázással
lézer segítségével
Ellenállás fűtés esetén direkt vagy indirekt fűtést alkalmazhatunk.
Direkt fűtéskor magas olvadáspontú fémeket (wolfram, tantál, molibdén)
illetve ezekből készült “csónakokat”, tégelyeket használunk. Ezeken
néhány volt feszültség mellett több száz amper áramerősségű áramot
vezetünk át.
Indirekt fűtés esetén kerámia vagy grafit tégelyt magas olvadáspontú fém
fűtésével melegítünk fel.
Mindkét esetben hátrány, hogy a tégely anyaga is párolog-szennyezés!
Párologtatás elektronbombázással
A párologandó anyag és egy elektronforrás (izzó wolfram szál) közé
nagyfeszültséget kapcsolunk (5-10 KV), majd a feszültségkülönbség
hatására gyorsuló elektronok mozgásirányára merőlegesen mágneses
teret alkalmazunk. A becsapódó elektronok a párologandó anyagot kis
foltban megolvasztják. Az anyag “saját anyagából készült tégelyben”
van. A párologandó anyag többi részét hűtjük.
Az ellenállás fűtésnél sokkal tisztább, jobban szabályozható.
e
A párologtatás során a kilépő atomok- molekulák szögeloszlása
nagymértékben függ a párologtató forrás geometriájától. Emiatt a
kialakítandó vékonyréteg vastagsága, akár néhány centiméteres
távolságon belül is jelentősen eltérhet. Ez ellen védekezni a forrás
megfelelő kiképzésével és a vékonyréteg hordozók megfelelő
geometriában történő elhelyezésével lehet.
40mm átmérőjű, 10mm mély
10mm átmérőjű, 3mm mély
Párologtatás lézer segítségével
A párologandó anyagot olyan vákuumedénybe helyezzük,
amelyen az adott lézerfényt áteresztő ablak van. Az ablakon
keresztül impulzus üzemben működő lézerrel megvilágítjuk
a párologandó anyagot. Ez a lézer fény becsapódási helyén
megolvad és párolog.
A módszer előnye a nagy tisztaság, a hőt termelő forrás a
vákuumrendszeren kívül van.
Hátránya, hogy az anyag-lézerfény kölcsönhatás folyamán
nemcsak párolgás történik, hanem a párolgó anyagból
mikron nagyságú részek szakadhatnak ki amelyek
befolyásolják a növekvő réteg szerkezetét.
Molekulasugaras vékonyréteg növesztés (MBE)
A módszer lényege, hogy a vékonyréteg anyagát magas
olvadáspontú, majdnem teljesen zárt, kis kilépő nyílással
rendelkező tégelybe tesszük. A tégely hőmérséklete nagyon nagy
pontossággal szabályozható, hőszigetelése rendkívül jó. Ilyen
körülmények között a tégelyben kialakuló gőznyomás és így a
kis nyíláson át kilépő atom-molekulanyaláb stabil illetve jól
szabályozható (Knudsen cella). A cellákat ultranagy-vákuumban
(10-9-10-10 mbar nyomáson) működtetik. A berendezés
segítségével a vékony filmeket szinte atomsoronként építhetjük
fel akár egykristály szerkezetben is.
Rendkívül drága.
Knudsen-cella elvi felépítése
Knudsen-cella gyakorlati megvalósítása
Molekulasugaras vékonyréteg előállító felépítése
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.
Az ionbombázás során lejátszódó folyamatok
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)
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.
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.
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
Porlasztó berendezés gyakorlati megvalósítása
Porlasztás és párologtatás
Porlasztás
Párologtatás
Nagy energiájú atomok
Kis energiájú atomok
Kis vákuum és szabad
úthossz
Nagy vákuum és szabad
úthossz
–Sok ütközés
–Kevés targetatom jut el
egyenes vonalon a
hordozóig
–Gáz abszorbeálódik a
rétegbe
–Kevés ütközés
–Sok forrásatom jut el
egyenes vonalon a
hordozóig
–Kevés gáz
abszorbeálódik a rétegbe
Kisebb szemcseméret
Nagyobb szemcseméret
Sokféle kristálytani irány
Kevés kristálytani irány
Jobb tapadás
Kevésbé jó tapadás
A rétegek vastagságának mérése:
Mechanikus módszer
profilméter, 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.
Vékonyrétegek kialakulása, növekedése:
A vékonyrétegek előállításához a vékonyréteg anyagát gáz-gőz fázisba
visszük.
Gőzfázis  szilárdfázis (nukleáció)
A hordozóra beérkező atomok, molekulák egy része a hibahelyeken
adszorbeálódik, másik része visszaverődik. Az adszorbeálódott atomok
közül azok, amelyeknek energiája túl nagy idővel deszorbeálódnak a
többiek a hordozó felületén diffúziós mozgást végeznek. A diffúziós
mozgás közben az atomok összekapcsolódhatnak és szigetek alakulnak
ki. A kétdimenziós szigetek elkezdenek három dimenzióban növekedni, a
felületen diffundáló atomok beugranak a szigetekbe valamint a beérkező
atomok közvetlenül a szigetekbe épülnek be. A szigetek is mozognak, a
kisebb szigetek beolvadnak a nagyobbakba a hordozó lefedődik.
A kialakuló rétegek szerkezete amorf, polikristályos és egykristály lehet.
Ha a réteg növekedés közben a diffundáló atomok energiája alacsony, a
diffúzió lassú a szigetek növekedése közben létrejövő kristálytani rendet
az adott pontban fennálló termodinamikai állapotok határozzák meg. A
szigetek egymástól függetlenül nőnek. Amorf vagy polikristályos réteg
alakul ki.
Ha réteget építő atomok molekulák energiája nagy, a hordozó
hőmérséklete magas (400-800C) a diffúzió gyors és a szigetek nem
egymástól függetlenül növekednek egykristály szerkezet alakul ki.
(Megfelelő egykristály hordozó is szükséges.)
A szilárdfázis kialakulásának energetikai viszonyai:
a. a szilárd mag a gőzfázisban jön létre, nincs hordozó ( homogén
reakció)
ebben az esetben, r átmérőjű szilárd mag képződése esetén a rendszer
kémiai szabadenergia változása
4/3r3Gv ahol Gv az egységnyi térfogatra eső
szabadenergia változás
Gv(kT/)ln(1s) ahol k Boltzmann
állandó,  atomi térfogat, T abszolút hőmérséklet, s(pv-ps)/ ps, pv a
túltelített gőz nyomása, ps gőznyomás a szilárd mag felett.
Ha pv ps akkor Gv negatív, a mag képződése energia csökkenéssel
jár, lehetséges a magképződés (nukleáció)
A mag képződésével egyidejűleg új felület jön létre, ehhez energia
kell ennek nagysága:
4 r2, ahol  az egységnyi felületre jutó felületi
energia.
A fentiek alapján a rendszer teljes szabadenergia változása:
G 4/3r3Gv  4 r2
Mekkora a legkisebb r amire ez teljesül. (Keressük az r
szempontjából a minimumot dG/dr 0) r*  -2/ Gv
visszahelyettesítve ehhez az r* -hoz tartozó szabadenergia változás :
G* 16  3/3(Gv)2
Szabadenergia:
Ha r r* akkor az energia csökken, a mag növekedik.
Ha r r* akkor az energia nő, a mag nem stabil feloldódik
b. a szilárd mag hordozón jön létre (heterogén reakció)
Felhasználva az előbbi pontban leírtakat, itt is egy térfogati és felületi
energia tagot kapunk, de a felületi energia tag több komponensből áll.
A felületi energia tagok: hordozógőz, hordozó mag, mag gőz.
A szabadenergia változása mag hordozón való képződése közben:
G a3 r3Gv a1r2A a2 r2C -a2r2B
ahol a1 2(1-cos), a2 sin2, a3 (2-3cos cos3)
Ha 0, B C A akkor a kialakuló réteg nem nedvesíti a felületet,
szigetek nőnek
Ha  0, akkor B C A akkor a kialakuló réteg nedvesíti a felületet,
rétegek nőnek
Ha  0, akkor B  C A akkor a szigetes és réteges növekedés
keveréke alakul ki
Hasonlóan mint a gőzfázisban történő mag képződés esetén, mekkora a
legkisebb r amire előbbi képlet teljesül (dG/dr 0) és a kapott r* -t a
szabadenergia változás képletébe behelyettesítve:
G* 16  3/3(Gv)2 (2-3cos cos3)/4
gőzfázisban mag + nedvesítő faktor
Vékonyrétegek növekedése:
 a monorétegek száma
a. Réteges növekedés: -Frank van de Merve- a felületre beérkező
atomok, molekulák erősebben kötődnek a hordozóhoz mint egymáshoz az adhéziós erő nagyobb mint a kohéziós erő. Ilyen a félvezető anyagok
növekedése.
b. Vegyes réteges és szigetes növekedés. Stranski-Krastanov növekedés
A réteg növekedés első lépéseként a hordozó egy monoréteggel
befedődik, majd ezen szigetek kezdenek nőni. A kétdimenziós növekedés
három dimenzióba megy át nem teljesen érthető okok miatt.
Ólom növekedése germánium hordozón
c. Szigetes növekedés. Volmer-Weber növekedés
A hordozón szigetek alakulnak ki. A molekulák közötti kohézió sokkal
nagyobb mint a molekulák-hordozó közötti adhézió. Így növekednek
fémek szigetelőkön.
Ólom növekedése grafiton.
Szigetek összenövése, folytonos film kialakulása.
A folytonos film kialakulása során a szigetek mozgása során három
mechanizmust különböztetünk meg: ostwald -érés, zsugorodás és a
szigetek migrációja.
a. Ostwald-érés.
A folyamat lényege, hogy a réteg növekedése közben a különböző
nagyságú szigetek közül a nagyobbak tovább nőnek, a kisebbek eltűnnek
feloldódnak. Az okok abban keresendőek, hogy a nagyobb szigetek
felület-térfogat energia aránya kedvezőbb mint a kisebb szigeteké.
b. Zsugorodás.
Ebben a folyamatban a szigeteknek érintkeznie kell egymással. A
szigetek konvex részéről a konkáv részek felé atomáram indul meg. A
hajtóerő a felületi energia (felület) csökkentése.
c. Szigetek migrációja.
A szigetek mozognak a hordozó felületén. Ez a mozgás nemcsak egyenes
vonalú lehet, a szigetek foroghatnak és ugrásokat is végezhetnek. A
szigetek ily módon történő egybeolvadásának hajtóereje felület
lefedettségének, a felületi energiának csökkenése.
Az előbbi folyamatokat arany molibdénon történő növekedése közben is
tanulmányozhatjuk.
3
6
2
1
5
4
A molibdén hordozó hőmérséklete 400 C, folyamat ideje 7
másodperc.
Atomok mozgásának vizsgálata tér-ion mikroszkóp
Ródium atom mozgása wolframon, időintervallum: 30-30s
Rétegek növekedése porlasztással, párologtatással.
A rétegek kialakulása során a gőzfázis “szabad” atomjaiból szilárdfázis
kötött atomjai lesznek. E folyamat során a hordozó felületén diffundáló
atomok egy része befogódik, másik része deszorbeálódik. A befogódott
atomok térfogati diffúzióval kristályokat építenek fel.
Gőzfázisból szilárdfázissá alakulás során 4 folyamatot különböztetünk
meg: 1. Árnyékolás -a növekvő szigetek geometriailag leárnyékolják a
hordozót.
2. Felületi diffúzió
3. Térfogati diffúzió
4. Deszorpció
hordozó hőmérséklete
nő
Növekedés a hordozó hőmérsékletétől függően.
Tm a vékonyréteg anyagának olvadáspontja
Rétegek növekedése porlasztás esetén a hordozó hőmérsékletének és a
porlasztásnál használt gáz nyomásának függvényében.
T/Tm ~ 0.1-0.2
Oszlopos kristályok, köztük üregek.
A felületi és térfogati diffúzió
nagyon lassú. Az oszlopok
növekedési iránya megegyezik a
porlasztó forrás irányával.
A növekedés iránya: tg2tg
„tangens szabály”
T/Tm ~0.4
Kevesebb üreg, sűrű apró kristályok, továbbra is
szálas szerkezetet mutat. A térfogati diffúzió kezd
felgyorsulni. Szerkezetét tekintve polikristályos,de
lehet amorf is.
T/Tm ~0.6
A térfogati diffúzió kezd meghatározó lenni. Az
oszlopok közötti üregek feltöltődnek. Nagy kristályok
alakulnak ki. Megfelelően magas hőmérséklet esetén
egykristály is létrejöhet.
A porlasztott, párologtatott rétegek sűrűsége.
Általában elmondhatjuk, hogy a porlasztott vagy párologtatott rétegek
sűrűsége messze elmarad a makroszkopikus “bulk” anyagétól. A réteg
sűrűsége erősen függ az előállítás körülményeitől. A film sűrűsége
jelentősen befolyásolja a film kötődését a hordozóhoz, elektromos,
mágneses és optikai tulajdonságát, valamint kémiai stabilitását.
A következő kísérleti megfigyelésekkel találkozhatunk:
1. A mind a fém és mind a szigetelő rétegek sűrűsége növekszik a réteg
vastagsággal és aszimptotikusan közelít a makroszkopikus sűrűség
értékhez. A folyamat gyorsasága az adott anyagtól és a réteg-előállítás
körülményeitől függ. Alumíniumnál 25nm-es réteg sűrűsége 2.1 g/cm3
szobahőmérsékleten, de 2.58 g/cm3 525 C-n. (alumínium
makroszkopikus sűrűsége 2.7 g/cm3 )
2.A fém rétegek sűrűsége mindig nagyobb mint a szigetelő rétegeké.
Hőmérséklettel erősen befolyásolható.
3. A hibahelyek száma mindig lényegesen nagyobb a rétegekben mind a
makroszkopikus anyagokban.
Arany film transzmissziós elektronmikroszkópos felvétele
Vékonyrétegek anyagának és szerkezetének vizsgálata
Spektroszkópikus módszerek: anyagi minőség
meghatározása
kémiai állapot
Ezekkel a módszerekkel általában ionok és elektronok
energiáját vagy ionok tömegét határozzuk meg. A kapott adatokból
tömegszámot mérhetünk, adszorpciós és emissziós energia értékeket
nyerhetünk.
Szerkezeti tulajdonságok meghatározására szolgáló módszerek:
Az atomok térbeli elhelyezkedésére adnak információt. A módszerek
közül a legfontosabbak: elektron-röntgen diffrakció, alagúteffektus,
elektron emisszió és elektron-ion szórás.
Spektroszkópikus módszerek:
1. Auger-elektron spektroszkópia: Az atomot bombázó foton vagy
elektron hatására az atom belső elektronhéjáról egy elektron kilökődik. A
helyét az atom egy felsőbb elektronhéjáról beugró elektronnal betölti. Az
két héj közötti energia különbség foton kisugárzásával vagy újabb
elektron kilökődésével semlegesítődik. Ez utóbbi kilökődött elektront
nevezik Auger-elektronnak.
Minden
elem
detektálható
kivéve
hidrogén és
hélium.
(0.02-0.2%)
Röntgen-fotoelektron spektroszkópia: (XPS)
Röntgen foton bombázásra az anyag atomjai gerjesztődnek,
elektronok lépnek ki mind a belső, mind a külső elektron héjjakról
karakterisztikus energiával. Az elektronok a legfelső néhány
atomsorból lépnek ki. Kiváló kémiai információ.
Bombázó energia: leggyakrabban 1253.6eV és 1486.6eV.
UV- fotoelektron spektroszkópia: (UPS)
UV fotonokkal bombázzuk az anyagot (alacsonyabb energia mint az
XPS). Az alacsonyabb energiájú fotonok (20-40 eV) elsősorban a
vegyérték és a vezetési sávban levő elektronokkal hatnak kölcsön.
Kiváló információ a sávszerkezetről. Félvezetők vizsgálata.
Roncsolásmentes technika.
Az Auger-elektronok energiáját rendszerint henger-tükör analizátorral
mérik.
Az auger-elektronok energiájából a rétegek felszínén lévő elemek, azok
koncentrációja és kémiai állapota határozható meg.
A rétegek növekedésének
vizsgálata Auger
spektroszkópiával
2. Szekunder ion vagy szekunder neutrális tömegspektrometria:
A vizsgálni kívánt réteget ionokkal bombázzuk. Ennek hatására az anyag
porlad, belőle ionok és semleges atomok lépnek ki. Ha a kilépő ionokat
vizsgáljuk tömegspektrométerrel, akkor beszélünk szekunder ion
tömegspektrometriáról. Amennyiben a semleges atomokat mérjük (a
tömegspektrométerbe vezetés előtt külön ionizálni kell őket) szekunder
neutrális tömegspektrometriáról beszélünk. Mindkét módszer
segítségével a rétegek felületén illetve a rétegekben levő elemek
koncentrációját határozhatjuk meg igen nagy érzékenységgel. Akár 0.10.01 ppm mennyiségű anyag is mérhető. Ezenkívül lehetőség van a
rétegek belsejében az egyes elemek koncentráció változásainak 1 nm
mélységfeloldással való nyomon követésére. Megfelelő számítógépes
háttér (szoftver) segítségével elemtérképek is készíthetők 30nm-es
laterális feloldással.
Szekunder ion tömegspektrometria SIMS
Ionforrás:
- leggyakrabban O+, Ar+, Cs+
-nagy laterális feloldás esetén folyékony fém ionforrás
Ga, In (20 nm-es feloldás)
-a szekunder ionok keletkezését erősen befolyásolja a kémiai
környezet (mátrix effektus) és a bombázó ion fajtája
SiSiO2/SiSi=2500 (5KeV Ar+)
- O+ növeli a pozitív ionok hozamát
- Cs+ növeli a negatív ionok hozamát
Tömegspektrométer: mágneses
kvadrupól
repülési idő
Fajtái:sztatikus SIMS -elsősorban a felületről ad információt
dinamikus SIMS-mélyebb rétegekről ad információt
sztatikus SIMS
dinamikus SIMS
bombázó ionenergia (Kev)
0.5-3
3-20
áramsűrűség
10-9 - 10-6
10-5 - 10-2
analizált terület (cm2)
0.1
10-4
porlasztási sebesség
10-4
1
(s/monoréteg)
Kvantitatív analízis:
-mátrix effektus miatt nehéz hitelesíteni
Felhasználás:
-elemanalízis, minden elem beleértve az izotópokat (akár
10ppb érzékenységgel)
-mélységi profilanalízis 2nm-es feloldás
-elemtérkép készítése 20 nm-es laterális feloldással
Szekunder neutrális rész tömegspektrometria (SNMS)
xo
X-,+
a porlasztott részek több mint 99%-a semleges
utólagos ionizáció, szétválik a porlasztás és az ionkeltés
folyamata
utólagos ionizáció: elektron-nyaláb segítségével
plazma segítségével
lézer segítségével
INA-X
Felépítése és főbb technikai adatai
120
80
40
0
1170 min
120
80
40
0
570 min
120
80
40
0
450 min
120
80
40
0
330 min
120
80
40
0
210 min
800
400
as-deposited
0
0
100
200
300
400
Time [sec]
100 bar
500
600
700
Intensity [cps]
Intensity [cps]
SiSiSbSi rétegrendszer 100 bar nyomáson és vákuumban hőkezelve
450° C
400
200
0
780 min
400
200
0
240 min
400
200
0
120 min
400
200
0
60 min
400
200
0
30 min
400
200
0
as-deposited
0
100
200
300
400
500
Time [sec]
vákuum
600
700
s
A szerkezetről információt szolgáltató módszerek:
1.Röntgen-diffrakció: A röntgen sugárzásnak az útjába helyezett,
hullámhosszával összemérhető méretű akadályon bekövetkező
interferenciája folytán előálló irányváltozás (elhajlás)
Visszavert röntgen intenzitást abban az irányban kapunk, amelyre teljesül
a Bragg feltétel: 2d sin=m, ahol d a síkok távolsága,  a röntgen
sugárzás hullámhossza, m rendűség
A röntgen sugárzás hullámhossza 0.1-1 nm terjed. A kristályokban az
atomok távolsága hasonló nagyságrendbe esik, így a periodikusan
ismétlődő atomcsoportokon elhajló röntgen sugárzás (diffrakció) mérése
lehetőséget ad a kristályok szerkezetének vizsgálatára.
Felhasználás rétegek esetén: Bragg szögekből a kristályszerkezet
meghatározása, a Bragg szögek eltolódásából a rétegen belüli
feszültségek vizsgálata
Felhasználás multirétegek esetén:
- surlódásos beesésű (alacsonyszögű) röntgen diffrakció, a multiréteg
felületére surlódóan beeső röntgen sugár a rétegek határfelületéről
visszaverődik és elhajlik (interferencia). A módszer alkalmas
multirétegek határfelületi simaságának 0.2 nanométeres tartományban
történő meghatározására.
- nagyszögű (20 foknál nagyobb) röntgen diffrakcióval egy rétegen
belüli kristály szerkezet vizsgálható
Rétegen belüli feszültség
vizsgálata.
A Bragg csúcs helyzetének és
alakjának változása
különböző feszültséghatások
esetén.
a súrlódásos beesésű (alacsonyszögű) röntgen diffrakció
Si/Ge multiréteg
alacsonyszögű
röntgenspektruma
két réteg
vastagsága 5.5nm
Mo/V multiréteg
alacsonyszögű
röntgenspektruma
két réteg
vastagsága 6nm
Nagyszögű röntgen spektrum
9000
n=-1
8000
"közös" rács csúcs
n=0
7000
beütés
6000
5000
4000
n=+1
3000
n=-2
2000
1000
n=+2
0
50
52
54
56
58
60
2 (fok)
62
64
66
68
70
2. Transzmissziós elektronmikroszkópia (TEM):
A mikroszkópok felbontását a Rayleigh kritérium alapján
határozhatjuk meg:
d=0.612/nsin
ahol  a megvilágító fény hullámhossza, nsin az úgynevezett
numerikus apertúraa mikroszkópra jellemző adat. A látható fény
segítségével ( = 500 nm) elérhető legjobb feloldás kicsit jobb mint 1
m. A feloldás javítható a numerikus apertúra növelésével illetve 
hullámhossz csökkentésével. A numerikus apertúra csak nagyon
kismértékben növelhető. A hullámhossz sok nagyságrenddel
csökkenthető, ha fény helyett nagy energiájú elektronokat alkalmazunk
a minta átvilágítására. A hullámhossz ekkor az un. de Broglie
összefüggésből számítható ki:
 =h/mv
ahol h a Planck állandó, m
elektron tömege, v az elektron sebessége.
A TEM működési elve azonos a fénymikroszkópéval csak a leképzés
elektronokkal (elektronhullámokkal) illetve ennek megfelelően mágneses
lencsékkel történik. 100 KV gyorsítófeszültséget alkalmazva az
elektronok sebessége 1.5 108 m/s ( ez a fénysebesség fele)  hullámhossz
értékére pedig 4 10-3 nm-t kapunk. Elvileg 10-3 nm feloldás adódik,
reálisan 0.2 nm elérhető ami atomi feloldásnak felel meg.
100KV-600KV 10-50 m-es elektronnyaláb
elektronnyaláb fókuszálása
minta helye
x20
x50-500000
x10
A transzmissziós elektronmikroszkóp
felépítése
Az elektronok csak 50 nm-nél kisebb vastagságú mintán tudnak
keresztül hatolni. A mintákat vékonyítani kell.
Minta előkészítés transzmissziós elektronmikroszkópos vizsgálatra
Amorf Si-Ge multiréteg transzmissziós elektronmikroszkópos felvétele
A mikroszkóp üzemmódjai:
A tárgy egy pontjából különböző irányokba kiinduló nyalábokat a lencse
a képsíkban egyesíti, míg a tárgy különböző pontjairól azonos irányba
kiinduló párhuzamos nyalábok a fókuszsíkban egyesülnek. A
fókuszsíkban megjelenő intenzitás-eloszlást diffrakciós képnek
nevezzük, ami az anyag kristályszerkezetéről hordoz információkat.
Attól függően, hogy a vetítőrendszerrel az objektív képsíkját vagy
fókuszsíkját képezzük le az ernyőre beszélhetünk mikroszkopikus illetve
diffrakciós leképzésről.
Kémiai analízis is lehetséges az elektronoknak a mintát alkotó atomokon
történő rugalmatlan szórásának segítségével. A vizsgált anyagban a
primer elektronsugárzás által generált karakterisztikus röntgensugárzást
használják ki a röntgen mikroanalízis módszerei.
A mikroszkópikus illetve diffrakciós leképzés
3.Pásztázó elektronmikroszkóp
Elektronforrásból kilépő elektronokat 50KV feszültségre gyorsítunk,
majd a felgyorsított elektronokból mágneses lencsék segítségével
körülbelül 5 nm-es, finom elektronnyalábot állítunk elő. Ezzel az
elektronnyalábbal letapogatjuk (végig pásztázzuk) a vizsgálni kívánt
minta felületét. Ugyanaz a jel vezérli a pásztázást és egy oszcilloszkóp
eltérítését. A pásztázás közben keletkező szekunder vagy visszaszórt
elektronok intenzitásával arányos jelet az oszcilloszkópon megjelenítjük.
A bombázó elektronnyaláb és a minta kölcsönhatása közben az alacsony
energiájú szekunder elektronok a legfelső néhány atomsorból lépnek ki.
A visszaszórt elektronok energiája gyakorlatilag a beeső elektronok
energiájával egyezik meg. Mivel a visszaszórás valószínűsége a
rendszámtól függ képalkotás lehetséges.
Legjobb feloldás az elektronnyaláb átmérőjével arányos 5-10nm.
Az elektronbombázás során keletkező röntgen sugárzásból kémiai
analízis lehetséges.
Pásztázó elektronmikroszkóp
Az elektronnyaláb és minta kölcsönhatása:
Anyagdarab tükröződésmentesítő film felületén
Elektronsugaras mikroanalízis mérési helyei
cps/eV
6
5
4
Zr Ti La
C O F
Ca
3
Ti
Mg
Si
Zr
Ca
La
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
keV
1. 1-es
mintavételi
helyen
elektronsugaras
mikroanalízis segítségével felvett spektrum
cps/eV
6
5
4
Zr
3
Ti La
C O F
Ca
Ti
Mg
Si
Zr
Ca
La
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
keV
. 3-es mintavételi helyen elektronsugaras
mikroanalízis segítségével felvett spektrum
7
Pásztázó elektronmikroszkópos felvétel:
4. Pásztázó alagútmikroszkóp:
Működési elve a kvantummechanikai alagúteffektuson alapszik.
Szilárdtestekben az elektronok hullámfüggvénye, ami az elektronok
megtalálási valószínűségével is egyenlő, exponenciálisan csökken a
felületen vákuum irányába. A csökkenés hossza tipikusan 0.2 nm. Ha két
elektromos vezető ennél közelebb van egymáshoz (de nem érintkezik)
akkor nagy valószínűséggel elektronok tudnak egyik fémből átlépni a
másikba. Ezt nevezik alagúteffektusnak. Hőegyensúly esetén mindkét
irányban folyó alagútáram egyforma. A gyakorlatban egyik elektródára
feszültséget kapcsolnak. Az folyó áram az exponenciális lecsengés miatt
nagyon érzékeny a távolságváltozásra. 0.1 nm magasság változás egy
nagyságrend áramváltozást jelent. Gyakorlatban a pásztázó elektród egy
atomnyi hegyes.
Konstans áram vagy állandó magasság üzemmód
Alagútmikroszkóp üzemmódjai:
Pásztázó tű képe
A tű mozgatása piezoelektromos kerámiák segítségével történik.
Elektromos tér hatására ezek kitágulnak illetve összehúzódnak.
Atomerő-mikroszkóp:
Az alagútmikroszkóp csak vezető illetve félvezető anyagokkal működik
szigetelők esetén nem alkalmazható.
Atomerő-mikroszkóppal szigetelők is vizsgálhatók. Ebben az esetben az
atomi hegyes tű egy vékony tartókaron van. A kar végén tükör
helyezkedik el, amelyet lézer világít meg. Végigpásztázva a felületet
atomi elmozdulások mérhetők.
A tű érintkezhet a felülettel (kontakt üzemmód) vagy nagyon közel
mozoghat a felülethez (nonkontakt üzemmód). Ez utóbbi esetben a tű
elmozdulását atomerők (van der Waals erők), elektrosztatikus vagy
mágneses erők okozzák.
Atomerő-mikroszkóp felépítése
1.6 törésmutatójú üveg, leppelés TORO-X
gyémánt fóliával
1.6 törésmutatójú üveg, polírozás UNIFLEX40
A vékonyrétegek optikai tulajdonságai:
A vékonyrétegek első alkalmazásai az optikai alkalmazások voltak.
Optikai alkalmazások: -reflexiót csökkentő bevonatok (lencsék,
fényképezőgép, mikroszkóp)
-tükröklézer
-szűrők
-energia elnyelő rétegek (NiS, ZnS, PbS )
Alapjelenségek: Rétegekben másképp terjed a fény (elektromágneses
sugárzás) mint a szabad térben (vákuumban) a töltések jelenléte miatt. A
töltések miatt mind a sugárzás sebessége mint az intenzitása változik.
A fentiek miatt a törésmutató két részből áll:
N=n-ik ahol n a valós törésmutató, k az
abszorpcióért felelős (komplex rész)
A rétegekre beeső sugárzás visszaverődhet (R), abszorbeálódhat (A),
szóródhat (S) és átmehet a rétegen (T). Ezekre fennáll:
1=R+T+A+S
Legtöbb esetben számunkra a reflexió (R) az érdekes:
R =[(n1- n0)/(n1+ n0)]2 ahol n1a réteg törésmutatója,
n0 az azt körülvevő közeg.
Fémrétegek optikai tulajdonságai:
Sok üres energia állapot van a Fermi szint felett a fémekben, ezek a
beérkező fotonok hatására gerjesztett vezetési elektronokkal feltöltődnek.
A gerjesztett állapot megszüntetésére két lehetőség van, vagy a
gerjesztett elektronok ütköznek a fémrács ionjaival és ezek rezgési
energiája növekszik (melegszik), vagy a gerjesztett állapot
fényemisszióval szűnik meg. Ez utóbbi jelenség adja meg a fémek színét.
Az arany a zöld fényt nyeli a fehér fényből és ezért látszik vöröses
sárgának.
Fémrétegek optikai állandói:
Átlátszó vezető rétegek: vékony fémrétegek, SnO2, InO3, ablakok
jegesedése ellen
Fémek reflektáló képességének hullámhosszfüggése:
Szigetelő rétegek optikai
tulajdonságai:
Leggyakrabban használt anyagok:
fluoridok MgF2, , CeF3,
oxidok TiO2, SiO2, Al2O3
szulfidok ZnS
Optikailag átlátszók mind a látható,
mind az infravörös tartományban
A félvezető filmek optikai tulajdonságai:
A megvilágító fény hullámhosszától függően úgy viselkedik mint
fém, vagy mint szigetelő.
Általában elmondhatjuk, hogy a vékonyfilmek optikai
tulajdonságai függnek a filmvastagságtól.
(a törésmutató valós része alacsonyabb az abszorpció nagyobb)
50 nm vastagságtól ez a függés gyorsan csökken.
Reflexiót csökkentő rétegek:
Vizsgáljuk a következő esetet: amikor a beeső fény részben
visszaverődik, részben átmegy a rétegen
Ebben az esetben a rendszer optikai tulajdonságát az n0, n1, n2, és 
határozzák meg. A különböző határfelületeken a visszavert és átment
töredéke a beeső fénynek:
és
r1 =(n1- n0)/(n1+ n0)
és (1-r12)1/2
r2 =(n1- n2)/(n1+ n2)
és r2(1-r12)1/2
eközben a fázisváltozása: =(2/ )(2 n1d )
optikai úthossz
A fentiek segítségével
R=(r12 + r22 + 2 r1 r2cos )/(1 + r12 r22 +2 r1 r2cos )
R akkor kicsi, ha a fenti kifejezés számlálója tart a 0-hoz.
Behelyettesítve r értékeit
R=(n12-n0n2)/(n0 n2+n12)
R akkor kicsi, ha a fenti kifejezés számlálója tart a 0-hoz.
Ebből
n1=(n0 n2 )1/2
a fázis
n1d = /4, 3 /4, 5 /4
A fenti adatokból ha n2=1.52 üveg, akkor R =0.043 reflexiót csökkentő
réteg nélkül.
Reflexiót csökkentő réteggel, ha n1 =1.38 ez MgF2 és d =99,6 nm akkor
R =0.0126 -nak adódik.
Reflexiót csökkentő rétegek igazi jelentősége lencserendszereknél van.
Ha 20db határfelület van és R =0.05 akkor
T =(1-R1) (1-R2) (1-R3)….. T = (0.95)20=0.38, Ha reflexiót
csökkentő réteget készítünk és R =0.01, akkor T = 0.818 -nak adódik.
Gyakorlatban multiréteg rendszereket készítenek. Ezek szélesebb sávban
működnek és erősebben csökkentik a reflexiót.
Multirétegek esetén a rétegvastagságok pontos szabályozása sokkal
kritikusabb, mint az egyréteg esetén. n2 =n1 (n3)1/2 / n0
Egy (S) és két (D) rétegű reflexió csökkentő bevonat:
Szélessávú reflexiót csökkentő réteg
MgF2
ZrO2
MgF2
ZrO2
Hordozó (lencse)
a.
. Normál
b.
(a) és „nedves” (b) MgF2 anyagból készült bevonatok
szerkezete
521600-0801 számú lencse
hibátlan részén levő
tükröződésmentesítő réteg
transzmissziós
elektronmikroszkópos
felvétele. Az üvegtől indulva
a rétegrendszer felépítése:
Al2O3, TiO2, Al2O3, TiO2,
MgF2.
521600-0801 számú lencse színhibát
mutató helyén levő
tükröződésmentesítő réteg
transzmissziós elektronmikroszkópos
felvétele. Az üvegtől indulva a
rétegrendszer felépítése: Al2O3, üreg
(fehér), TiO2, Al2O3, TiO2, MgF2.
Átlátszó vezető vékonyfilmek
alkalmazásai
• LCD kijelzők, napelemek, detektorok, OLED-ek
átlátszó csatlakozójaként
• Átlátszó, hő visszaverő üvegbevonatként
ablakokon, lámpákban, napkollektorokban
• Kamerák, lencsék, autó és repülőgép szélvédők
fűthető rétegeként
ITO
• Indium-ón oxid rétegek (ITO)
• Ónnal szennyezett indium, n-tipusú félvezető
• A kristályszerkezetben lévő oxigén vakanciák
elektron donorként viselkednek, illetve az indium
atomok helyére beépülő ón atomok szintén
elektron donorként vannak jelen. Ezek hatására
lecsökken a tiltott sáv szélessége. Viszonylag jól
vezető anyagot kapunk. ( 10-2-10-7 Ωm )
Hőkezelt minták
100
90
80
70
T%
60
50
40
30
20
10
0
-10 0
500
argon
5%
10%
15%
1000
1500
Hullámhossz (nm)
2000
2500
Hideg tükör
Ge-Si
Meleg tükör
A Hg-lámpa spektruma és a hozzá használt szűrő áteresztési spektruma
Optikai adatrögzítés:
Általában lézer fény használnak.
Lehetséges folyamatok: 1. Lyukak és foltok polimerekben,
visszaverőképesség megváltozása
(csak olvasható)
2. Helyi mágnesezettség változtatása és
kiolvasása Kerr-effektus segítségével
újraírható
3. Amorf-kristályos átmenet, visszaverőképesség megváltozása
újraírható
Felhasználható anyagok:
magneto-optikai adatrögzítésnél- alacsony Curie-pont, de
szobahőmérsékleten stabilnak kell maradnia a rendszernek.
TbFe, GdFe, 80-150 C
amorf-kristályos átmenettel történő adatrögzítés:
alacsony hőmérsékleten történő amorf-kristályos átmenet
nagy különbség az amorf-kristályos visszaverőképességben
gyors kristályosodás 1s
Kalkogenidek- S, Se, Te -t tartalmaznak
TeAsGe, TeSeS, TeSeSb
Magneto-optikai adatrögzítés
újraírható
A ferromágnesek időtükrözési
invarianciát sértenek, így a jobbra ill.
balra cirkulárisan poláros fényre
különböző lesz a törésmutatójuk. Emiatt a
mágneses felületről visszaverődő
lineárisan poláros fény polarizációja
elfordul: ez a jelenség a mágneses optikai
Kerr effektus (MOKE).
Optikai adatrögzítés amorf-kristályos átmenet segítségével-újraírható
Röntgen-optika, röntgenlitográfia.
Vékonyrétegek elektromos tulajdonságai
A filmek elektromos tulajdonságai alapjaiban nem térnek el a bulk
anyagétól, de léteznek különbségek.
Alapegyenletek:
Ahol: J áramsűrűség
n töltéshordozók száma
v töltéshordozók sebessége
q töltéshordozók töltése
E alkalmazott elektromos tér
µ mozgékonyság (sebesség/egységnyi elektromos tér)
σ vezetőképesség
ρ fajlagos ellenállás
A vékonyrétegek elektromos tulajdonságait meghatározó
jellegzetességek:
- méreteffektus (elektronok szabadúthossza, kvantummechanikai
alagúteffektus
- a film előállítás módja (sűrűség, kristályhibák, szemcseszerkezet,
üregek, kémiai összetétel stb)
- elektróda effektus (több réteg egymáson, oxidáció, szennyezések,
diffúzió
- a film folytonossága
- erős hajlam a kémiai reakciókra (nagy felület-kis tömeg)
Általánosságban elmondható, hogy fém bulk anyag és fém film
elektromos tulajdonságai kevésbé különböznek egymástól mint a
szigetelőké.
Vékonyrétegek ellenállásának mérése
Rétegellenállás:
R=ρl/wd ahol ρ a fajlagos ellenállás,
l,w,d a film méretei
Négypontos ellenállás
mérés
ha l=w akkor R=Rs=ρ/d független a
film dimenzióitól
R=Rs=KV/I, ha d a többi mérethez
képest sokkal kisebb, K=4.532
(b. ábra)
Négypontos ellenállás mérése
Általánosságban a Van der Pauw
módszert használhatjuk: (c. ábra)
d VCD
d VDA
exp
 exp
1
 I AB
 I BC
Kontaktusok felcserélésével, két
mérésből ρ meghatározható
Matthiessen szabály: -fémekben
A különböző elektronszórási folyamatok egymástól függetlenek,
az eredő ellenállás az egyes összetevők összegeként adható meg.
ρT=ρt+ρI+ρD
Az összetevők:
-Hőmérséklet hatására fellépő ellenállás -fononrezgések,
az elektronok ütköznek az atomokkal, amelyek egyensúlyi
rácshelyzetük körül rezegnek- lineárisan változik a hőmérséklettel
-Hibahelyek
-Szennyező atomok
Az utóbbi esetekben, a szennyezések és hibahelyek megzavarják a
rácsbeli periodikus elektromos teret, amelyen az elektronok
szóródnak. Ezek az effektusok függetlenek a hőmérséklettől.
A hibahelyektől és szennyezésektől eredő ellenállás nagysága a
réteg minőségét mutatja.
Vékony filmek ellenállása:
A Matthiessen szabály alapján a fémek ellenállása az elektronok
szabadúthosszával arányos -ρ~1\λ. Ha a fém film vastagsága
összemérhető az elektronok szabadúthosszával a határrétegről
történő elektronszórás növeli az ellenállást.
Thomson modell
-rugalmas ütközés esetén az
ellenállás nem változik (síktükör
analógia)
-rugalmatlan ütközés esetén, az
ütközött elektron mozgásának iránya
független az ütközés előtti iránytól, a
szórási szög random – az ellenállás
növekszik
ha a bulk anyagban az elektron szabadúthossza λ0, a film
vastagsága d, elektron a P pontból indul, amely z távolságra van a
film felületétől, mozgásának iránya θ szöget zár be a film felületére
merőleges egyenessel
-ekkor az effektív elektron szabadúthossz λ a θ
d  z

 cos

  0

 z

 cos
0    1
1    2
2    
cos1 
dz
0
cos 2  
z
0
Integrálva a távolságokra (0-d) és szögekre (0-π)
Az átlagos elektron szabadúthossz (λf) ebből a film ellenállása (ρf)
Az integrálás után, ha (ρ0) a bulk anyag ellenállása:
0   1 3 
  ln  
f 2   2
ahol   d / 0
d csökkenésével ρf nő
Fuchs-Sondheimer modell
-figyelembe veszi a szabad elektronok kvantumos viselkedését
-számol az elektronok szabad úthosszának statisztikus eloszlásával
Határesetként a Thomson modell levezethető belőle.
A mikroszerkezet változása
jelentősen befolyásolja a film
ellenállását.
Alapvetően a filmek ellenállását
3 szórási mechanizmus
befolyásolja:
-bulk (fonon, szennyezés, hibák)
-határfelületi szóródás
-szemcsehatárokon történő
szórás
Polikristályos filmben a
szemcsehatárokon való szóródás
a meghatározó a film
ellenállásában.
A film ellenállás/bulk anyag
ellenállás a film vastagság
függvényében
Félvezetők
A sávszerkezet nem változik.
Tiltott zóna a vegyértéksáv és
a vezetési sáv között.
Termikus gerjesztéssel
elektronok és lyukak jönnek
létre.
A töltéshordozók mozgását
befolyásolják:
-szemcsehatárok
-fononszórás
-szennyezések
A töltéshordozók rekombinációját befolyásolják:
-szemcsehatárok
-diszlokációk
A hőmérséklet növelésével az ellenállás csökken.( több töltéshordozó
keletkezik.)
Fém-félvezető kontaktus:
Ef Fermi szint
Ev vegyérték sáv
Ec vezetési sáv
Szigetelő filmek:
A vékony, szigetelő filmek ellenállása általában kisebb, mint a bulk
anyagé,
Sok hibahely a bulk anyaghoz képest.