Vékonyréteg leválasztás

SZERKESZTÉS ALATT!!

Vákuumpárologtatás / vákuumgőzölés

A vákuumpárologtatás - vékonyrétegek előállítására szolgáló - fizikai gőzfázisú leválasztási eljárás (PVD, Physical Vapor Deposition). A leválasztani kívánt anyagot vákuumtérben - magas hőmérsékletre hevítve - elpárologtatják, majd az a bevonni kívánt munkadarab / hordozó / szubsztrát felületére lekondenzálva kialakítja a vékonyréteget.

Fizikai elméleti alapok

Egyensúlyi telített gőznyomás

Egy zárt rendszerben 0 K-nél magasabb, állandó T hőmérsékleten az anyag felületéről kilépő és a felületre visszatérő atomok dinamikus egyensúlyban vannak, melyet az adott hőmérséklethez tartozó P egyensúlyi telített gőznyomással (tenzióval) jellemezhetünk. Az egykomponensű rendszer két fázisának egyensúlyi feltételét a Clausius-Clapeyron egyenlet adja meg:

$\[ \frac{dp}{dT}=\frac{L_m}{T{\Delta}V_m} \]$

ahol $\setbox0\hbox{$L_m$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a fázisátalakuláshoz szükséges moláris hőmennyiség, $\setbox0\hbox{${\Delta}V_m$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ pedig a két fázis móltérfogatának különbsége $\setbox0\hbox{$(V_m^I-V_m^{II})$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$.

Szilárd-gőz fázisátalakulás esetén a szilárd fázis moláris térfogata $\setbox0\hbox{$(V_m^{II})$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ elhanyagolható a gőz fázis moláris térfogata $\setbox0\hbox{$(V_m^I)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ mellett, így a $\setbox0\hbox{${\Delta}V_m{\cong}V_m^I=RT/P$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ (R: az egyetemes gázállandó) összefüggést az egyenletbe behelyettesítve az alábbi összefüggést kapjuk:

$\[ \frac{dp}{dT}=\frac{pL_m}{T^2{\Delta}V_m} \]$

Az egyenlet integrálása után megkapjuk az egyensúlyi telített gőznyomás hőmérsékletfüggését:

$\[ \ln p=-\frac{L_m}{RT}+konst \]$

ahol $\setbox0\hbox{$L_m$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ és az integrálási konstans anyagfüggők.

Az 1. ábra az egyensúlyi telített gőznyomás hőmérsékletfüggését mutatja különböző fémek esetén.

1. ábra: Az egyensúlyi telített gőznyomás (p) hőmérsékletfüggése különböző fémek esetén.

Az 1. ábráról az alábbi következtetések olvashatók le:

• Adott fém esetén a hőmérséklet növelésével a gőznyomás több nagyságrendet is változik, ezért a vákuumpárologtatás során a rétegleválasztási sebesség széles határok között változtatható.
• A W, Ta, Nb, Mo fémek gőznyomása a legalacsonyabb adott hőmérsékleten, ezért - mint később látni fogjuk - ezeket a fémeket használják olyan esetekben, ahol magas hőmérsékleten alacsony gőznyomás szükséges.

Gőzök térbeli eloszlása (iránykarakterisztika)

Kisméretű síkforrás esetén (ld. 2. ábra) a $\setbox0\hbox{$\phi$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ irányú, $\setbox0\hbox{$\Theta$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ szöghelyzetű, a forrástól r távolságban lévő, dA felületű hordozóra elpárologtatott dM($\setbox0\hbox{$\phi$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$,$\setbox0\hbox{$\Theta$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$) anyagmennyiség az alábbi koszinuszos összefüggéssel írható fel:

$\[ \frac{dM(\phi,\Theta)}{dA}=\frac{M\cos {\Theta}}{r^2\pi}\cos {\phi} \]$

ahol M az összes elpárologtatott anyag tömege.

A fenti összefüggés alapján látható, hogy a hordozó felületére levált anyagmennyiség a forrás és a hordozó távolságának négyzetével fordítottan arányos. Ez csak akkor igaz, ha gőzatomok átlagos szabad úthossza sokkal nagyobb a vákuumkamra méreténél. Nagy gőznyomás (kis átlagos szabad úthossz) esetén figyelembe kell venni a gőzatomok egymással történő ütközését is. Ekkor r hatványkitevője 2-nél, $\setbox0\hbox{$\cos {\phi}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ hatványkitevője pedig 1-nél nagyobb értéket vesz fel.

2. ábra: Segédábra a kisméretű síkforrás iránykarakterisztikájának meghatározásához.

Vákuumpárologtató berendezés felépítése

A vákuumpárologtatás alapfolyamatai:

• leválasztani kívánat anyag megfelelő nyomású gőzfázisának létrehozása,
• gőzrészecskék transzportja a hordozóig,
• gőzrészecskék kondenzációja a hordozón.

A vákuumpárologtatást speciálisan kialakított, vákuum-berendezésekben valósítják meg. Egy ilyen berendezés sematikus felépítése látható a 3. ábrán.

3. ábra: Vákuumpárologtató berendezés sematikus felépítése.

A párologtató forrás az elpárologtatni kívánt anyagból (forrásanyag) és a forrástartóból áll. A forrástartóban melegítjük fel a forrásanyagot a kívánt hőmérsékletre. A forrástartó anyagával szemben támasztott követelmények: a) magas olvadáspont, alacsony tenzió; b) kicsi diffúziós állandó; c) ne ötvöződjön és ne lépjen kémiai reakcióba a párologtatandó anyaggal.

A leválasztani kívánt forrásanyag szilárd vagy folyadék halmazállapotú, melynek tisztasága nagymértékben befolyásolja a lekondenzálódó vékonyréteg szennyezettségét. Általában 5 9-es (99.999%), vagy annál tisztább anyagokat használnak.

A párologtatás megkezdésekor a hordozót mozgatható takarólemezekkel választják el a forrástól. A forrásból elpárologatott atomok a takarólemez nyitott állapotában érik el a hordozót.

A hordozó hőmérséklete a kondenzáció és a felületi migráció mértékét, ezáltal a leváló réteg szerkezetét, morfológiáját határozza meg. A hordozó fűtése lehetőségét nyújt a szubsztrát - rétegleválasztás előtti - tisztítására is.

A vákuumkamra kinyitása (fellevegőzése) előtt célszerű a kamrát száraz nitrogénnel feltölteni a vízgőz adszorpciójának megelőzése céljából. Meg kell különböztetni a kamra háttérnyomását az úgynevezett "üzemi" nyomástól. Háttérnyomás alatt a hideg kamrában előállított nyomást értjük, ami üzemi körülmények között (párologtatás alatt) nagyságrendekkel is megemelkedhet. A kamra elővákuumra történő leszívását általában rotációs szivattyúval biztosítják. A szükséges nagyvákuumot turbomolekuláris szivattyú, krioszivattyú, vagy olajdiffúziós szivattyú segítségével érik el. A cseppfolyós nitrogénnel hűtött kifagyasztó csapda alkalmazása előnyös, mivel javítja a háttérnyomást.

A berendezés háttérnyomása a leválasztott réteg tisztaságát határozza meg, kisebb háttérnyomás (kevesebb szennyező) esetén tisztább réteget kapunk. Adott háttérnyomás esetén a rétegleválasztási sebesség (elpárologtatott anyagmennyiség) növelésével érhető el tisztább réteg. Hatékony párologtatás esetén az elpárologtatandó anyagot olyan hőmérsékletre melegítik fel, amelyen az egyensúlyi telített gőznyomása 10^-4 mbar-nál nagyobb (tipikusan 10^-2 mbar), de a folyamatos elszívás (vákuumszivattyúk) következtében a vákuumkamrában a nyomása - a párologtatás során - ennél alacsonyabb. Egyenletes vastagságú vékonyréteg kialakulásához az szükséges, hogy az elpárologtatandó anyag gőzrészecskéi ütközés nélkül jussanak el a hordozóhoz. Ez akkor teljesül, ha a gőzrészecskék átlagos szabad úthossza nagyobb a forrás és a hordozó távolságnál. Például 10-100 cm forrás-hordozó távolság esetén a vákuumkamrában 10^-5 mbar-nál kisebb nyomás szükséges.

Az elpárologtatott anyag mennyiségét megadó összefüggés alapján látható, hogy a hordozó felületére lekondenzált anyagmennyiség (rétegvastagság) függ a forrás és a hordozó távolságától, ezért az egyenletes rétegvastagság eléréséhez bonyolult mintatartó konstrukciókat alkalmaznak. Az egyszerű sík illetve kupola formájú mintatartók esetén (4. ábra) a réteg vastagsága 5-10%-ban tér el a mintatartó közepe és széle között. Bonyolult, planetáris mozgást végző sík illetve kupola formájú mintatartók (4. ábra) alkalmazásával a rétegvastagság eltérése 1%-ra csökkenthető.

Adott mintatartó konstrukció esetén a rétegvastagság szórása csökkenthető a forrás és a hordozó távolságának növelésével is. Ebben az esetben nagyobb vákuum (nagyobb szabad úthossz) szükséges ahhoz, hogy az elpárologtatandó anyag gőzrészecskéi ütközés nélkül jussanak el a hordozóig. Nagy forrás-hordozó távolság esetén viszont nagyobb forrásanyag veszteséggel kell számolnunk (a leváló anyagmennyiség a távolság négyzetének reciprokával arányos). A rétegvastagság szórása több forrás egyidejű alkalmazásával is csökkenthető.

Összefoglalva az eddig leírtakat. A vákuumpárologtatással leválasztott réteg minősége az alábbi főbb paraméterektől függ:

• vákuumkamra nyomása,
• forrásanyag (elpárolgatatandó anyag) és forrástartó tisztasága,
• forrásanyag gőznyomása,
• hordozó hőmérséklete,
• forrás és hordozó távolsága,
• mintatartó konstrukció.

4. ábra: Mintatartó konstrukciók.

Vákuumpárologtató berendezések

Az elpárologtatandó anyag atomjait energiaközlés (fűtés) segítségével juttatjuk a gőzfázisba. Ez alapján megkülönböztetünk ellenállás-, elektronsugaras-, indukciós- és lézeres fűtésű forrásokat. A fűtés lehet közvetett vagy közvetlen is.