Fyzikální metody nanášení tenkých vrstev
Vakuové napařování Příprava tenkých vrstev • • • •
kovů některých dielektrik polovodičů je možné vytvořit i epitaxní vrstvy (orientované vrstvy na krystalické podložce)
Je třeba vakuový systém • Dostatečná střední volná dráha (10‐5 torr ≈ 10‐3 Pa) • Čistota vzniklé vrstvy – dopadají částice vypařované látky i částice zbytkových plynů (ultravysoké vakuum)
• Daná látka se ve vakuovém systému převede dodáním dostatečného tepla do plynného stavu • Přímočarý pohyb vypařených molekul • Dopad na podložku, která má mnohem nižší teplotu než vypařovací zdroj → kondenzace ve formě tenké vrstvy • Pro vznik epitaxní vrstvy musíme zajistit, aby částice dopadající na povrch podložky mohly zaujmout správné pozice v krystalické mříži (ohřev podložky na určitou teplotu)
Možnosti ohřevu • Odporový ohřev vypařované látky umístěné v lodičce z materiálu o vysokém bodu tání (W, Mo, Ta) • Vypařování pomocí elektronového děla • Vypařování pomocí laserového svazku
Odporový ohřev – používané tvary lodiček • Pokud materiál lodičky chemicky reaguje s nanášeným materiálem, používají se separační vložky (Al2O3, BeO)
Vypařování pomocí elektronového děla
Napařování slitin a sloučenin • Dochází k disociaci a různým složkám odpovídají různé vypařovací rychlosti i různé koeficienty kondenzace na podložce → vznikající vrstva nemá stechiometrické složení odpovídající složení výchozího materiálu • Řešení: ¾metoda „flash“ – vypařovaná látka se ve formě jemných zrníček rovnoměrně sype na vypařovací element, který je na vysoké teplotě a z něhož se v těchto malých kvantech daná látka vypaří kvantitativně ¾použití dvou nebo více vypařovacích zdrojů, jejichž teploty se volí tak, aby se dosáhlo požadované stechiometrie
Typická napařovací aparatura RV – rotační vývěva DV – difuzní vývěva V1, V2, V3 – ventily R – recipient Q – vypařovací zdroje T – držáky s podložkami
Možná uspořádání držáků substrátů k dosažení homogenity vrstev
Katodové naprašování • Proces, při kterém se materiál katody rozprašuje pod vlivem dopadajících iontů Nejjednodušší systém – diodový R … recipient P … podložky K … katoda
• Recipient je vyčerpán a naplněn inertním plynem, obyčejně Ar, na tlak řádově desetin torru (10 Pa) • Mezi elektrodu, na níž je umístěn rozprašovaný materiál a která je katodou, a anodu, na níž jsou umístěny podložky, se vkládá napětí řádově několik kV, tak aby vznikl doutnavý výboj a aby katodový prostor tohoto výboje byl přibližně roven vzdálenosti katoda – anoda • Ionty pracovního plynu dopadají na katodu se značnými energiemi a vyrážejí odtud částice, které jsou z větší části neutrální, z menší části ionizované • Tyto částice se vzhledem k poměrně vysokému tlaku v systému nepohybují přímočaře k podložkám, ale vykonávají v důsledku srážek pohyb spíše difuzního charakteru. Část z nich dopadá na podložky a vytváří tam vrstvu rozprášeného materiálu.
• Teplota v systému zůstává nízká (katoda, která se ohřívá ztrátovým výkonem výboje, se obyčejně chladí vodou) • Energie částic dopadajících na podložky jsou však v tomto případě mnohem vyšší, než při napařování. – napařování ‐ energie částic odpovídá energii tepelné (řádově desetiny eV) – naprašování ‐ energie částic daná kinetickou energií částic vyrážených ionty z povrchu( řádově eV až desítky eV) – větší vlastní energie dopadajících částic → větší pohyblivost po povrchu → větší pravděpodobnost, že zaujmou energeticky nejvýhodnější pozice (tj. pozice odpovídající rovnovážné mříži daného materiálu). → vznikají epitaxní vrstvy i při nízkých teplotách podložky
• Výhody – Nanášení látek s vysokou teplotou tání – Při naprašování slitin se nemění stechiometrie – Rychlost naprašování se dobře reguluje pomocí proudu a napětí – Dobrá adheze vrstev k substrátu
• Nevýhoda – Obtížnější dosažení vysoké čistoty
Zlepšení čistoty naprašovaných vrstev • Nízkotlaké naprašování – Snížení tlaku znemožní zapálení doutnavého výboje → je třeba dodatečný zdroj ionizace • svazek elektronů, které způsobí nárazovou ionizaci zbytkových plynů • vysokofrekvenční výboj • Často se aplikuje magnetické pole vhodného tvaru, které jednak zlepšuje podmínky výboje, protože mění tvar drah nabitých částic, jednak fokusuje výboj do účinné oblasti a homogenizuje ho
• Vložení nesymetrického střídavého napětí ‐ vzniklá vrstva je po určitou část periody katodou. V této fázi je vrstva sama rozprašována a vzhledem k tomu, že nečistoty na povrchu mívají mnohem menší vazebné energie než vlastní materiál, dochází k jejímu čistění
Vysokofrekvenční naprašování • naprašování zejména dielektrických materiálů • zabraňuje nabíjení nevodivého vzorku a umožňuje přípravu vrstev i takových materiálů jako je křemen, korund apod.
Tloušťka tenkých vrstev a její měření • Jedna ze základních vlastností tenkých vrstev • Měření
Po skončení přípravy Průběžně (umožňuje měřit i rychlost růstu)
• Metody
váhové elektrické optické dotykové speciální
Metody využívající stanovení hmotnosti • Mikrováhy (Mayerova torzní mikrováha) – přímé měření hmotnosti vrstev m d= S⋅ρ d…tloušťka vrstvy m…zjištěná hmotnost vrstvy S…plocha ρ…hustota
• Dynamické vážení kmitajícím křemenným výbrusem • Kmitající křemenný krystal (změna frekvence krystalem řízeného oscilátoru v důsledku přírůstku hmotnosti krystalu)
N f = d
f …vlastní frekvence kmitů krystalu N …frekvenční konstanta d …tloušťka vrstvy • Tloušťka vrstvy musí být tak malá, aby neovlivnila elastické vlastnosti krystalu • Vysoká citlivost až 10‐12 g.cm‐2
Elektrické metody • Měření elektrického odporu a kapacity • Obvykle můstkovými metodami – Odporová metoda – rychle rostoucí vrstvy a nízký tlak zbytkových plynů – Kapacitní metoda ‐ sledování oxidových vrstev na kovových podložkách
Optické metody • Vychází ze třech fyzikálních jevů, které nastávají při interakci světla s látkou – Absorpce – Interference – Polarizace
1.Absorbční měření – Absorpční zákon – – – – –
I = I 0 (1 − R ) e 2
−α d
I0 – intenzita dopadajícího světla I – intenzita prošlého světla R – koeficient odrazu světla na rozhraní vzduch – vrstva α ‐ koeficient absorpce d – tloušťka vrstvy
– je třeba ověřit platnost, resp. udělat kalibrační křivku – Metoda umožňuje i průběžné měření tloušťky
2.
Interferenční metody
Využívají interference světla při dopadu na tenkou vrstvu
• Pozorujeme v prošlém světle – Maximum 2nd cos β = kλ0 – Minimum 2nd cos β = (2k + 1)
λ0 2
• nebo v odraženém světle – Maximum 2nd cos β = (2k + 1) λ0 2
– Minimum
2nd cos β = kλ0
• Při použití polychromatického bílého světla ‐ vrstva se jeví zabarvená podle toho, které vlnové délky byly zesíleny a které zeslabeny → podle barvy přímo určujeme tloušťku vrstvy
3.
Polarizační (elipsometrická) metoda Z…zdroj záření F…filtr P…polarizátor K…kompenzátor S…vzorek A…analyzátor D…detektor záření
• Lineárně polarizovaná vlna se po odrazu stává elipticky polarizovanou • Poměr amplitud rovnoběžných a kolmých složek závisí na optických vlastnostech substrátu, na úhlu dopadu, na optických vlastnostech a tloušťce tenké vrstvy • Kromě určení tloušťky umožňuje i určení optických vlastností vrstev • Průhledné, extrémně tenké vrstvy • Pracné – nepoužívá se při průběžných měřeních
Dotyková metoda • Tenká vrstva musí na podložce tvořit „schod“ – jeho výška se měří diamantovým hrotem posunujícím se přes tento schod
Speciální metody měření tloušťky • Absorpce záření α či β z radioaktivních zdrojů • Zpětný rozptyl záření β – Měření intenzity Geigerovými‐Müllerovými čítači
• Rentgenová fluorescenční analýza – Měří se intenzita fluorescenčního záření vybuzeného ve vrstvě budicím rtg zářením
