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:

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

(1)

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 moláris térfogatának 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 (1) egyenletbe behelyettesítve az alábbi összefüggést kapjuk:

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

(2)

(2) integrálása után megkapjuk az egyensúlyi telített gőznyomás hőmérsékletfüggését:

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

(3)

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:

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

(4)

ahol M az összes elpárologtatott anyag tömege.

A (4) 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 (4) 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 (elpárologtatandó 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.

Ellenállásfűtésű források

A módszer előnye az egyszerűségében rejlik. A párologtatandó anyagot elektromos áram által disszipált ún. Joule-hő segítségével fűtik.

A forrásanyag tartójául fémspirált, fémhálót, fémcsónakot ill. kerámiatégelyt használnak (5. ábra). Ha a forrástartó anyaga elektromosan jól vezet, akkor közvetlen fűtésről beszélünk. A kerámiatégely esetén a forrástartó fűtése közvetett. A tartó anyagával szemben támasztott követelmény a jó elektromos vezetőképesség (közvetlen fűtés), jó hővezetőképesség, valamint a párologtatás hőmérsékletén kellő mechanikai szilárdság és alacsony gőznyomás. Fontos az is, hogy a forrástartó és a forrásanyag között ne legyen interdiffúzió, valamint a tartó ne ötvöződjön, és ne lépjen kémiai reakcióba az elpárologtatandó anyaggal. Ez az egyik legnehezebben teljesíthető követélmény, mivel a legtöbb párologtatandó fém (Al, Au, Fe, Pt) kismértékben oldja a tartóként alkalmazott magas olvadáspontú fémeket (W, Mo, Ta). A tartó anyagának kiválasztásánál figyelembe kell venni azt is, hogy a gőzölendő fém olvadéka nedvesíti-e a tartót. Például az ezüst nem, az arany viszont nedvesíti volfrámot, ezért volfrám csónakban az arany olvadéka szétterül, az ezüsté pedig nem. A szétterülő fémolvadék előnyösebb, mert nagyobb felületen képes párologni, ezáltal növelhető az elpárologtatott anyag mennyisége.

Az ellenállásfűtésű források egyszerűek és olcsók. Hátrányuk az, hogy magas olvadáspontú anyagok párologtatására nem alkalmasak, valamint a leválasztott réteg viszonylag szennyezett. A szennyeződés forrásai az alábbiak lehetnek:

• forrástartó alapanyaga és szennyezői is párolognak,
• forrástartó és párologtatandó anyag reakciótermékei párolognak (pl. a forrásanyag olvadéka kioldja a forrástartó szennyezőit),
• sugárzó hő okozta deszorpció a vákuumkamra faláról.

5. ábra: Ellenállásfűtésű forrástartók típusai.

Spirál és háló alakú források

A spirál és háló alakú forrástartók általában volfrám huzalból készülnek. Ezzel az eljárással elsősorban olyan fémek párologtathatók, melyek olvadéka jól nedvesíti a spirált. A párologtatni kívánt anyagot ún. lovasok formájában helyezik fel (6. ábra), majd vákuumban ráolvasztják a spirálra. E folyamat során a forrásanyag egyrészt ”gáztalanodik”, másrészt olvadéka ”befutja” a spirál felületét. Az elpárologtatható anyag mennyiségét a forrásanyag olvadékának nedvesítési viszonyai korlátozzák. A spirálnál nagyobb felületű hálóról nagyobb mennyiségű forrásanyag párologtatható el. Az eljárás hátránya az, hogy a párologtatandó anyag olvadéka könnyen lecsöppen, csökkentve ezzel az elpárologtatható anyag mennyiségét.

6. ábra: A párologtatandó anyagot (forrásanyagot) lovasok formájában helyezik fel a spirál alakú forrástartóra.

Csónak alakú források

A legelterjedtebb ellenállásfűtésű forrásfajta. Előnye az, hogy por, illetve bármilyen formájú huzal-, lemezdarab párologatására alkalmas. A forrástartó csónak készülhet magas olvadáspontú fém (volfrám, molibdén, tantál) lemezből, illetve grafit, sziliciumkarbid és titánborid tömbből (5. ábra). A fém forrástartó felületén kialakított bevonat (kerámia, bórnitrid) akadályozza a forrástartó és párologtatandó anyag ötvöződését és kémiai reakcióját.

Tégely alakú források

E módszer a csónak alakú forráshoz hasonló. A tégely anyaga kerámia, grafit, vagy bórnitrid. A tégelyt volfrám fűtőspirál veszi körbe (5. ábra). Az eljárás előnye az, hogy nagy mennyiségű forrásanyag befogadására képesek.

Elektronsugaras fűtésű források

Az elektronsugaras vákuumpárologtatók korszerű, nagyteljesítményű berendezések, melyekben a nagyfeszültséggel gyorsított, fókuszált elektronok kinetikus energiája alakul át hővé az elpárologtatandó anyagba történő becsapódásuk során.

A 270°-os eltérítésű, elektronsugaras fűtésű vákuumgőzölő berendezés sematikus felépítését mutatja a 7. ábra. A volfrám izzókatódból - termikus emisszióval - kilépő elektronokat az anódra kapcsolt nagyfeszültség (5-15 kV) gyorsítja. Az elektronsugár az elektromos térre merőleges mágneses tér hatására ívelt pályára kerül, majd - a megfelelő pozicionálás után - a párologtatandó anyagba csapódik. A párologtatandó anyagot vízhűtésű tégely veszi körül. Az elektronsugár mozgatása (lengetése, pásztázása) megakadályozza a forrásanyag felületén az egyenetlen rétegleválasztáshoz vezető üregek/kráterek kialakulását. Túl nagy teljesítmény alkalmazásakor a gőzölendő anyag kifröcsköl a forrásból egyenetlen rétegleválást eredményezve.

A 270°-os eltérítésű vákuumpárologtatók előnye - a korábban használt 180°-os eltérítésű berendezésekhez képest - az, hogy az izzókatód a tégely takarásában helyezkedik el, ezért a katódból elpárolgó szennyezők kisebb mértékben épülnek be a leválasztott rétegbe.

Az elektronsugaras vákuumpárologtatók előnyei:

• a forrástartó nem szennyezi a leválasztott réteget, mert a fókuszált elektronnyaláb a párologtatandó anyag megolvasztását az anyag középső részének kis térfogatára korlátozza, így a gőzölendő anyag külső, szilárd része szolgál az olvadék tartójául,
• tetszőlegesen magas olvadáspontú anyagok is elpárologtathatók.

Az elektronsugaras vákuumpárologtatók hátrányai:

• drága,
• rossz energiahasznosítás (a vízhűtés a betáplált energia nagy részét elviszi),
• a hordozó és a leválasztott réteg sugárkárosodása: a nagyenergiájú elektronok forrásba történő becsapódásukkor egyrészt visszaszóródhatnak, másrészt fékezési röntgensugárzást kelthetnek. A reflektált elektronok a vákuumkamra falába ütközve deszorpciót okozhatnak, ami a réteg szennyeződéséhez vezethet.

7. ábra: A 270°-os eltérítésű, elektronsugaras fűtésű vákuumpárologtató sematikus felépítése.

Indukciós fűtésű források

E módszer csak az elektromosan jól vezető forrásanyagok nagysebességű gőzölésére alkalmas. A párologtatandó anyag - vízzel hűtött - kerámia, vagy bórnitrid tégelyben helyezkedik el, melyet tekercs vesz körül (8. ábra). A tekercsen átfolyó rádiófrekvenciás (RF) áram a párologtatandó anyagban örvényáramokat indukál. Az örvényáramok által disszipált ún. Joule-hő melegíti fel a forrásanyagot a megfelelő hőmérsékletre. A módszer legfontosabb előnye az elektronsugaras párologtatással szemben az, hogy a hordozó és a leváló réteg nem sugárkárosodik. Az eljárás hátrányai a következők:

• csak elektromosan jól vezető forrásanyagok párologtathatók,
• párologtatandó anyag fémolvadéka érintkezik a forrástartó tégellyel (szennyezés),
• az RF tekercs vezérléséhez bonyolult elektronika szükséges.

8. ábra: Indukciós fűtésű forrás sematikus felépítése.

Ötvözetek, vegyületek párologtatása

A többkomponensű anyagok párologtatásánál az alábbiakat kell figyelembe vennünk:

• adott hőmérsékleten az egyes komponensek tenziója - akár több nagyságrenddel is - eltér, ezért a forrásanyag és a leváló réteg összetétele nem lesz azonos.
• a párologtatás magas hőmérsékletén a forrásanyag disszicióálódhat, ill. redukálódhat: például a TiO₂-ből TiO_2-x (0<x<2) lesz.

Az ötvözetek, vegyületek párologtatására az alábbi három eljárás alkalmas:

Pillanat (flash) párologtatás

a) A gőzölendő anyagot kis adagokban, folyamatosan adagolják a felhevített forrástartóba, ahonnan az teljes egészében azonnal elpárolog ezáltal biztosítva azt, hogy a forrásanyag és a leválasztott réteg összetétele megegyezzen.

b) A lézerablációs párologtatással általában magas olvadáspontú oxidokat, szupravezetőket választanak le. Energiaforrásként rövid hullámhosszú (nagy energiájú), rövid impulzusú excimer lézert alkalmaznak. A lézer hullámhossza az abszorpció mértékét befolyásolja. E rétegleválasztási eljárás lényege a keskeny impulzusszélességben rejlik: a nagyon rövid (néhány nsec) időtartamú, fókuszált energiaátadás következtében az olvadék robbanásszerűen szakad ki a szilárd forrásanyag felületéről. A gőzölendő forrásanyag gyakorlatilag szennyezésmentesen választható le a szubsztrátra, mivel az olvadék - az elektronsugaras fűtésű forráshoz hasonlóan - nem érintkezik forrástartóval.

A pillanat párologtatással történő rétegleválasztás után a réteget utóhőkezelés segítségével homogenizálják.

Együttpárologtatás

Az együttpárologtatás az egyes komponensek külön forrásból történő, egyidejű párologtatását jelenti.

Reaktív párologtatás

A módszert elsősorban oxid- és nitridrétegek leválasztására használják. A réteg az elpárologtatott anyag és a vákuumkamrába beengedett nagytisztaságú reaktív gáz (pl. oxigén, nitrogén) reakciójaként jön létre.

Például TiO₂ réteg különböző forrásanyagok és oxigén reakciójaként több módon is keletkezhet:

• Ti forrásanyag esetén: Ti+O₂=TiO₂,
• a TiO2 forrásanyag vákuumban - a párologtatás magas hőmérsékletén - redukálódik, és szuboxidként (pl. TiO) párolog: TiO+$\setbox0\hbox{$\tfrac{1}{2}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$O₂=TiO₂.

Molekulanyaláb/molekulasugaras epitaxia (MBE, Molecular Beam Epitaxy)

Az MBE olyan termikus forrásfűtésű, 0.001-1 nm/s-os rétegleválasztási sebességű eljárás, ahol a forrásból érkező nyalábban egyedi atomok, molekulák vannak. Ilyen alacsony rétegleválasztási sebességgel tiszta réteget csak ultranagyvákuum körülmények között (<10^-9 mbar) lehet növeszteni. Ötvözetek, vegyületek, egymásra épülő különböző összetételű rétegszerkezetek leválasztására, ill. adalékolásra használják.

Az MBE berendezés sematikus felépítését mutatja a 9. ábra. A párologtató források az ún. Knudsen cellák. A Knudsen cella olyan térfogatához képest kis nyílással rendelkező edény, amelynek belsejében található a termikusan fűtött forrásanyag. A Knudsen cellában az egyensúlyt megközelítő feltételek vannak, mert az adott hőmérséklethez tartozó gőznyomást a kis nyíláson keresztül távozó atomok/molekulak csak kis mértékben módosítják. Ezért az egyes komponensek gőzölési sebességét (a réteg összetételét) nagyon pontosan lehet szabályozni. Napjainkban Knudsen cellaként csövet, vagy kis nyílásszögű tölcsért használnak. Az MBE berendezésekben a Knudsen cellák mellett gyakran elekronsugaras fűtésű forrásokat is alkalmaznak. A forrásból elpárologatott atomok a takarólemez nyitott állapotában érik el a hordozót. A fűthető és forgatható mintatartót kriopajzs veszi körül a leválasztott réteg tisztaságának növelése céljából: a kriopajzs egyrészt javítja a háttérnyomást, másrészt elősegíti azt, hogy a nem a mintára jutó elpárologtatott atomok ne szennyezzék a következő rétegeket. Nagyenergiájú, kisszögű, elektrondiffrakcióval (RHEED, Reflection High Energy Electron Diffraction) ellenőrzik a rétegnövesztést.

Az MBE eljárás előnyei:

• az ultranagyvákuumban történő rétegleválasztás miatt nagyon tiszta rétegek ”építhetők”,
• éles átmenettel rendelkező rétegszerkezetek leválasztására alkalmas,
• a rétegleválasztás paraméterei pontosan ”kézben tarthatók.”

9. ábra: Az MBE berendezés sematikus felépítése.

A vákuumpárologtatással leválasztott réteg tulajdonságai, összehasonlítás a vákuumporlasztással

A vákuumpárologtatás nagyvákuumban történik, ezért ezzel a módszerrel tisztább réteg válaszható le.

Párologtatással nagyobb rétegleválasztási sebesség érhető el, és a rétegleválasztási sebesség szélesebb határok között változtatható.

Vákuumpárologtatás során - az elektronsugaras leválasztást leszámítva - a réteg sugárkárosodása kisebb.

Az atomok aránylag kis sebességgel (termikus energiával) lépnek ki az olvadék felületéről és csapódnak a hordozóra, ezért a réteg tapadása és tömörsége rosszabb mint vákuumporlasztás esetén.

Ötvözetek leválasztása porlasztással egyszerűbb.

A porlasztó források reaktív gázokkal (pl. oxigén) szemben ellenállóbbak, mivel nem tartalmaznak magas hőmérsékleten lévő alkatrészeket (a céltárgyat hűtik).

Magas olvadáspontú anyagok leválasztására a porlasztás alkalmasabb.

Felhasználás

A vákuumpárologtatást elsősorban fém vékonyrétegek előállítására használják, a tipikus rétegépülési sebesség 10-100 nm/s. A módszer alkalmas többkomponensű/többalkotós rétegek (pl. oxidok, nitridek, vegyület félvezetők) leválasztására is, annak ellenére, hogy az egyes komponensek egyensúlyi telített gőznyomása eltérő.

A vákuumpárologtatást elsősorban a félvezető és optikai eszközök gyártásában használják.

Vákuumporlasztás

A vákuumporlasztás - vékonyrétegek előállítására szolgáló - fizikai gőzfázisú leválasztási eljárás (PVD, Physical Vapor Deposition). Vákuumtérben a leválasztani kívánt, szilárd halmazállapotú forrásanyagból - általában nemesgáz - ionok segítségével atomokat, atomcsoportokat porlasztanak ki, melyek a bevonni kívánt munkadarab / hordozó / szubsztrát felületére lekondenzálva alakítják ki a vékonyréteget.

Fizikai/elméleti alapok

A porlasztó ionok forrásanyagba (céltárgy, target) történő ütközése során az alábbi folyamatok játszódhatnak le:

• az ionok semlegesítődve visszaszóródnak,
• az ionok beépülnek a céltárgyba (ionimplantáció),
• a céltárgy szerkezete megváltozik (sugárkárosodás),
• céltárgyból atomok/atomcsoportok, szekunder elektronok és szekunder ionok/ioncsoportok lépnek ki. A kiporlasztott részecskék tipikus aránya a következő: atom : szekunder elektron : szekunder ion = 100 : 10 : 1.

A porlasztás célja a target atomjainak/atomcsoportjainak gőzfázisba juttatása. A céltárgyba ütköző porlasztó ion hatására a target atomjai között ütközések sorozata indul el, és a céltárgy egyes atomjai/atomcsoportjai a gáztérbe lépnek ki (10. ábra). A porlasztó ionok energiájának kb. 95%-át a target nyeli el, ezért azt a porlasztás során hűteni szükséges. A porlasztó ionok energiájának maradék 5%-a a targetből kilépő részecskék kinetikus energiájára fordítódik.

10. ábra: A porlasztás sematikus bemutatása: a céltárgyba ütköző - piros színnel jelölt - porlasztó ion hatására a céltárgy atomjai - ütközések sorozata következtében - a gáztérbe kerülnek.

A porlasztási hozam (S) 1 darab porlasztó ion hatására a targetből kilépő atomok számát adja meg. A 11. ábra a porlasztási hozamot mutatja a porlasztó ionok energiájának függvényében, ez alapján az alábbi megállapítások tehetők:

• a céltárgy egy küszöbenergia ($\setbox0\hbox{$E_{k\ddot{u}sz\ddot{o}b}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$) felett kezd el porlódni. Eküszöb a target szublimációs hőjének kb. négyszerese.
• a küszöbenergia felett néhány keV energiáig ($\setbox0\hbox{$E_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$) a porlasztási hozam közel lineárisan nő a porlasztó ion energiájával:

$\[ S\sim\frac{m_i \cdot m_t}{\left(m_i + m_t \right)^2}\cdot\frac{E_i}{E_t} \]$

(5)

ahol $\setbox0\hbox{$m_i$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a porlasztó ion tömege, $\setbox0\hbox{$m_t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a target atom tömege, $\setbox0\hbox{$E_i$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a porlasztó ion energiája és $\setbox0\hbox{$E_t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a target atom szublimációs hője.

• $\setbox0\hbox{$E_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ és $\setbox0\hbox{$E_2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ között a porlasztási hozam közel állandó. Ennek oka az, hogy $\setbox0\hbox{$E_i$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ emelésével az ion energiája a céltárgy egyre nagyobb térfogatában oszlik el, így a target felületére jutó energia közel állandó marad.
• $\setbox0\hbox{$E_2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ fölött az ionimplantáció következtében a porlasztási hozam csökken.
• a porlasztási hozam nem változtatható olyan széles határok között mint a vákuumpárologtatási sebesség (a forrásanyag tenziója több nagyságrendet is változik a hőmérséklet függvényében ld. itt).

11. ábra: A porlasztási hozam (S) a porlasztó ion energiájának $\setbox0\hbox{$\left(E_i\right)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ függvényében. $\setbox0\hbox{$E_{k\ddot{u}sz\ddot{o}b}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$, $\setbox0\hbox{$E_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$, $\setbox0\hbox{$E_2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ és $\setbox0\hbox{$S_{max}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ értéke több paramétertől (target anyaga és kristályszerkezete, a porlasztó ion fajtája stb.) függ. Tipikus értékek: $\setbox0\hbox{$E_{k\ddot{u}sz\ddot{o}b}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$=15-30 eV; $\setbox0\hbox{$E_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$=néhány keV; $\setbox0\hbox{$E_2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$=néhány 10 keV; $\setbox0\hbox{$S_{max}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$=3-50.

A porlasztási hozam függ a porlasztó ion rendszámától. Általában nemesgáz ionokkal porlasztanak. A porlasztási hozamot befolyásolja az is, hogy a porlasztó ion milyen szögben éri el a céltárgyat (12. ábra).

12. ábra: A porlasztási hozam (S) a porlasztó ion beesési szögének függvényében: $\setbox0\hbox{$\Omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a céltárgy normálisa és a porlasztó ion sebességvektora által közbezárt szög, azaz $\setbox0\hbox{$\Omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$=0 a merőleges beesés.

A porlasztó ionok tipikus energiája 2-5 keV, ekkor a porlasztási hozam értéke 1-10. A céltárgyból kiporlasztott atomok kinetikus energiája 5-100 eV, ez az érték sokkal nagyobb, mint vákuumpárologtatás során a forrásanyagból kilépő gőzrészecskék kinetikus energiája. A kiporlasztott atomok térbeli eloszlása (iránykarakterisztikája) megegyezik a vákuumpárologtatás során a forrásanyagból kilépő részecskék iránykarakterisztikájával (ld. itt): a hordozó felületére jutó anyagmennyiség a céltárgy normálisa és a kiporlasztott atom sebességvektora által bezárt szög koszinuszával arányos.

Vákuumporlasztó berendezések

A porlasztó berendezéseket az alapján csoportosítják, hogy a porlasztó ionokat milyen módszerrel hozzák létre. Ez alapján gázkisüléses plazma, lokalizált gázkisüléses plazma és ionágyú segítségével porlasztó berendezéseket különböztethetünk meg. A vákuumporlasztás alapja a ritkított térben, két elektróda között létrehozott önfenntartó gázkisülés , és plazma kialakulása:

A radioaktív és a kozmikus sugárzás következtében - a ritkított térben - létrejövő pozitív ionok a katód és az anód közé kapcsolt megfelelő nagyságú, ún. gyújtófeszültség hatására a katód felé gyorsulnak, és akkora kinetikus energiára tesznek szert, hogy a katódba ütközve onnan elektronokat váltanak ki (ionindukált elektronemisszió). Ezek az elektronok az anód felé gyorsulnak, és kellő kinetikus energiával rendelkezve ütközés útján ionizálják a semleges gázatomokat, további pozitív ionokat és elektronokat létrehozva (ütközéses ionizáció). E töltéshordozók - a már leírt módon - újabb és újabb töltéshordozókat keltenek. A töltéshordozók száma lavinaszerűen megnő, végül kialakul az önfenntartó gázkisülés és a plazma. A katód és anód közti feszültségkülönbség legnagyobb része a katód sötétterén esik. A gázkisülés keletkezése és fenntartása szempontjából kitüntetett szerepe van ennek a feszültségnek, mert ebből „nyerik” a katódba ütköző pozitív ionok az ionindukált elektronemisszióhoz, valamint a katódból kilépő elektronok az ütközéses ionizációhoz szükséges energiát.

Egyenáramú (DC) diódás porlasztó

A diódás porlasztó sematikus felépítése a 13. ábrán látható. A vákuumkamrában a porlasztáshoz használt ún. munkagáz (általában argon) tipikus nyomása $\setbox0\hbox{$10^{-2}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$mbar. Az önfenntartó gázkisülést a hordozó és a céltárgy közé kapcsolt egyenfeszültség segítségével hozzák létre: a hordozót föld potenciálra, a céltárgyat pedig -2..-5 kV nagyságú, negatív potenciálra kapcsolják. A katódba csapódó pozitív ionok következtében a céltárgyból semleges atomok, szekunder elektronok és szekunder ionok lépnek ki. A semleges atomok a hordozóra lekondenzálva alakítják ki a vékonyréteget. A céltárgyból kilépő szekunder elektronok és negatív ionok, valamint a plazma elektronjai és negatív ionjai - az elektromos tér hatására - a hordozóba ütközve növelik annak hőmérsékletét, ill. sugárkárosítják a leváló réteget.

13. ábra: Egyenáramú diódás porlasztó sematikus felépítése.

A hordozó és a céltárgy távolsága néhány (5-10) centiméter. A porlasztáshoz használt munkagáz nyomásán a részecskék átlagos szabad úthossza kisebb a hordozó és a céltárgy távolságánál, így a céltárgyból kilépő - a réteget építő - semleges atomok a hordozót sorozatos ütközések után érik el.

A leválasztott vékonyréteg minősége az alábbi főbb paraméterektől függ:

• Hordozó hőmérséklete.
• Munkagáz nyomása. Túl alacsony nyomás esetén a plazma nem kialakul ki, vagy inhomogén lesz, ezért a rétegleválasztás reprodukálhatatlanná válik. Túl magas nyomás esetén a részecskék szabad úthossza kicsi lesz, így a gáztérbeli ütközések miatt a porlasztó ionok nem, vagy csak igen kis energiával érik el a céltárgyat (lecsökken a porlasztási sebesség). A munkagáz nyomásának emelésével nő a réteg szennyezettsége.
• Target kisülési áramsűrűsége. Túl nagy áramsűrűség esetén a hordozót érő elektronbombázás rontja a réteg minőséget.
• A target és a hordozó távolsága. Túl nagy távolság esetén a rétegépülési sebesség kicsi lesz (ld. itt). Kis távolság esetén viszont a leválasztott réteg vastagsága nagymértékben el fog térni a mintatartó közepén és szélén elhelyezett hordozók között.

A diódás porlasztó egy egyszerű és olcsó - rétegleválasztásra alkalmas - berendezés, mely azonban több hátránnyal is rendelkezik:

• a porlasztáshoz használt munkagáz viszonylag magas nyomása miatt a réteg szennyeződik,
• a réteg sugárkárosodik (elektronok, a plazma és a target negatív ionjai),
• a rétegleválasztási sebesség alacsony,
• szigetelő céltárgy porlasztására - a céltárgy feltöltődése miatt - nem alkalmas.

Egyenáramú (DC) triódás porlasztó

A plazmában lévő semleges atomok ütközéses ionizációjának hatásfoka számottevően növelhető, ha egy ún. izzó katódból nagyszámú elektront juttatunk a plazmába. A triódás porlasztó (14. ábra) nem más, mint egy izzó katóddal és egy harmadik elektródával kiegészített diódás porlasztó. A harmadik elektródára kapcsolt feszültség segítségével biztosítják az izzó katódból kilépő elektronoknak a plazma ütközéses ionizációjához szükséges kinetikus energiát. A triódás porlasztó előnye a diódás porlasztóval szemben az, hogy - az ionizáció hatásfokának növelése miatt - csökkenthető a porlasztáshoz használt munkagáz nyomása; ennek tipikus értéke $\setbox0\hbox{$10^{-3}-10^{-4}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ mbar.

14. ábra: Triódás porlasztó sematikus felépítése.

Rádiófrekvenciás (RF) porlasztás

Az egyenáramú (diódás és triódás) porlasztó berendezések hátránya az, hogy nem alkalmasak szigetelő céltárgyak porlasztására. Ennek oka a következő: a céltárgyba csapódó pozitív ionok hatására a szigetelő katód pozitívan feltöltődik, így a katód és az anód közti feszültségkülönbség lecsökken. Ha a katód-anód feszültség az ún. gyújtófeszültség alá csökken, akkor az önfenntartó gázkisülés leáll; ez $\setbox0\hbox{$10^{-6}-10^{-5}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ másodperc alatt következik be. Amennyiben a szigetelő katódon felhalmozódott pozitív töltést megfelelő gyakorisággal (másodpercenként legalább $\setbox0\hbox{$10^5-10^6$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$-szor) elektronokkal semlegesítjük az önfenntartó gázkisülés biztosítható. Ez történik a 13,56 MHz-es frekvencián működő RF porlasztó berendezések esetén, mivel félperiódusonként a target pozitív feszültségű lesz, így magához képes vonzani a plazma elektronjait.

Az RF porlasztó további előnyei a szigetelők porlaszthatósága mellett:

• csökkenthető a munkagáz nyomása, mivel nagyfrekvencián a gáz ionizációja fokozódik (az elektronok a katód és az anód között „oszcilláló mozgást” végeznek, így az RF tér az elektronok egy részét a katód és az anód közti térrészre lokalizálja).
• a szigetelő céltárgyon automatikusan negatív előfeszítés alakul ki, mert az elektronok mozgékonysága a plazmában sokkal nagyobb a pozitív ionokénál (a targetre a pozitív feszültségű félperiódusban több elektron kerül, mint amennyi pozitív ion a negatív félperiódusban). A fém céltárgy negatív előfeszítése a rádiófrekvenciás feszültség kapacitív csatolása segítségével biztosítható.

Szimmetrikus rendszerben az anód és a katód szerepe félperiódusonként változik, így a céltárgy és a hordozó is egyaránt porlódik. Aszimmetrikus elrendezés létrehozása szükséges ahhoz, hogy csak a céltárgy felületéről történjen porlasztás: a katód (céltárgy) sötétterén létrejövő feszültségesésnek sokkal nagyobbnak kell lennie az anód sötétterén létrejövő feszültségesésnél. E feltétel akkor teljesül, ha az anód felülete sokkal nagyobb a katód felületénél. A gyakorlatban ezt úgy valósítják meg, hogy a hordozó (anód) mellett az egész vákuumkamrát leföldelik.

Penning/magnetronos porlasztás

A módszer lényege az, hogy az elektromos térre merőleges mágneses tér segítségével a plazmát a céltárgy közelébe fókuszálják. A sík magnetronos porlasztó sematikus felépítése a 15. ábrán látható. A céltárgyból kilépő szekunder elektronok ún. ciklois pályán mozognak, a céltárgy felületétől csak egy adott magasságig képesek eltávolodni. Az elektronok addig mozognak periódikusan a ciklois pályán, amíg a porlasztáshoz használt munkagáz egy atomjával nem ütköznek, számottevően megnövelve az ütközéses ionizáció hatásfokát. A magnetronos porlasztók porlasztási sebessége 10-100-szor nagyobb a magnetron nélküli porlasztóknál.

A céltárgy-anód rendszerből sem elektron, sem ion nem jut ki. Az anód ebben az esetben nem a hordozó, így elkerülhető annak sugárkárosodása. A síkmagnetronos porlasztók targetjének eróziója a két mágneses pólus közti sávra koncentrálódik.

15. ábra: Sík magnetronos porlasztó sematikus felépítése.

Ionsugaras porlasztás

Az eddig ismertetett porlasztási módszerek közös hátránya az, hogy a porlasztáshoz használt munkagáz viszonylag magas nyomása miatt a réteg szennyeződik, mert a porlasztó ionok előállítása, a céltárgy porlasztása és a réteg leválasztása ugyanabban a térben történik. Az ionsugaras porlasztás során viszont az ionforrás el van választva porlasztó tértől, így a céltárgy és a hordozó ultranagy vákuumba helyezhető, azaz nagytisztaságú rétegleválasztás valósítható meg. A porlasztó ionokat Kaufman vagy Penning típusú ionágyúk segítségével állítják elő.

Ötvözetek, vegyületek porlasztása

Az ötvözet céltárgy egyes komponenseinek porlasztási hozama eltérő. Ionporlasztás következtében a „rosszabbul” porlasztható komponens elkezd feldúsulni a felületen, így a felületi réteg összetétele folyamatosan változik egy egyensúlyi összetétel eléréséig. Egy ilyen összetételű felületi réget porlasztva a leváló réteg összetétele azonos lesz a céltárgy tömbi összetételével.

A fémek oxidjainak és nitridjeinek leválasztására alkalmas ún. reaktív porlasztás során a vákuumtérbe reaktív gázt (pl. oxigén, nitrogén) vezetnek be a munkagáz mellett. A réteg a reaktív gáz és a céltárgyból kiporlasztott atomok reakciójaként jön létre a hordozó felületén. A kialakuló réteg összetétele jól szabályozható a reaktív gáz parciális nyomásának változtatásával. A reaktív porlasztás legfontosabb előnye a nem reaktív porlasztással szemben az, hogy segítségével fém céltárgyat felhasználva szigetelő vékonyrétegek választhatók le DC porlasztással (DC porlasztás szigetelő céltárgy porlasztására nem alkalmas).

A vákuumporlasztással leválasztott réteg tulajdonságai, összehasonlítás a vákuumpárologtatással

Porlasztással tömörebb, a hordozóhoz jobban tapadó réteg választható le, mert a céltárgyból kiporlasztott semleges atomok kinetikus energiája sokkal nagyobb a vákuumpárologtatás során a gőzfázisba kilépő részecskék kinetikus energiájánál.

Ötvözetek leválasztása porlasztással egyszerűbb.

A porlasztó források reaktív gázokkal (pl. oxigén) szemben ellenállóbbak, mivel nem tartalmaznak magas hőmérsékleten lévő alkatrészeket (a céltárgyat hűtik).

Magas olvadáspontú anyagok leválasztására a porlasztás alkalmasabb.

Porlasztásnál a rétegleválasztás előtt lehetőség van a hordozó felületének in-situ, ionporlasztással történő tisztítására, ha a hordozót negatív potenciálra (katódként) kapcsolják. Rétegleválasztás alatt a hordozó negatív előfeszítésével befolyásolni lehet a réteg tulajdonságait (pl. gázbeépülés, tömörség, keménység). Természetesen a hordozót alacsonyabb negatív potenciálra kell kapcsolni, mint a céltárgyat, különben a porlasztás dominálna a rétegleválasztással szemben. Az ún. visszaporlasztással egybekötött rétegleválasztásnál a hordozóra és a céltárgyra kapcsolt feszültségek aránya általában 1:4.

Az ionsugaras porlasztást leszámítva a porlasztó ionok előállítása, a céltárgy porlasztása és a rétegépülés ugyanabban a gáztérben történik. A porlasztáshoz használt munkagáz viszonylag magas nyomása miatt a réteg könnyebben szennyeződik, mint vákuumpárologtatás esetén. Párologtatással nagyobb rétegleválasztási sebesség érhető el, és a rétegleválasztási sebesség szélesebb határok között változtatható. Vákuumpárologtatás során - az elektronsugaras leválasztást leszámítva - a réteg sugárkárosodása kisebb.

Felhasználás

A vákuumporlasztást legelterjedtebben fémek, ill. fémek oxidjainak és nitridjeinek leválasztására használják. A vákuumporlasztás leggyakoribb alkalmazási területe a félvezető ipar (pl. fémezés, napelemek) és az optikai ipar (pl. antireflexiós, alacsony emisszivitású (low-e) bevonatok, optikai hullámvezetők).

Felhasznált irodalom

• Hahn Emil, Szikora Béla, Szilágyi Miklós, Fizikai technológiák, egyetemi jegyzet, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 1996
• Konczos Géza: Korszerű anyagok és technológiák, elektronikus egyetemi jegyzet, [1]
• Illyefalvi-Vitéz Zsolt, Ripka Gábor, Harsányi Gábor, Elektronikai technológia, CD-ROM egyetemi jegyzet, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2008
• Gröller György, Elektronikai technológia, elektronikus egyetemi jegyzet (Óbudai Egyetem), [2]
• Bertóti Imre, Marosi György, Tóth András (szerk.), Műszaki felülettudomány és orvosbiológiai alkalmazásai, B+V Lap- és Könyvkiadó Kft., Budapest, 2003, ISBN 9639536024
• Dr Mojzes Imre, Molnár László Milán, Nanotechnológia, egyetemi jegyzet, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2007 ISBN 9789634209188
• Tanczikó Ferenc, Major Márton, Nagy Dénes Lajos, Molekulanyaláb-epitaxia berendezés az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézetében, Fizikai szemle, 2007/3, 78-83o. [3]
• R. Waser (Ed.): Nanoelectronics and information techology, Wiley-VCH, 2003 ISBN 9783527403639
• [4]
• [5]
• [6]
• [7]
• [8]
• [9]