Vékonyréteg szerkezetek mélységprofil-analízise

Vékonyréteg szerkezetek mélységprofil-analízise

Vad Kálmán, Takáts Viktor, Csík Attila, Hakl József MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen, Bem tér 18/C

Langer Gábor Debreceni Egyetem, Szilárdtest Fizika Tanszék, Debrecen, Bem tér 18/B

TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0036

Mélységprofil-analízis: vékonyrétegek, felületi rétegek, határfelületek elemeloszlásainak mélységi feltárása.

Roncsolás mentes mélységprofil-analízis: nincs felületi roncsolás. Az analizálható mélységet (vastagságot) a vizsgáló nyaláb behatolási mélysége határozza meg (AES, XPS).

Roncsolásos mélységprofil-analízis (porlasztáson alapuló analízis) Nagyobb mélységek analízise csak roncsolásos módon végezhető el. Egy meghatározott területen porlasztva a felületet, a felületi összetétel folyamatosan meghatározható, vagy a visszamaradt felületi réteget lehet vizsgálni (AES, XPS, SIMS, SNMS, ISS, GDOES)

Nukleáris nyaláb technika: RBS, PIXE (roncsolás mentes??)

http://www.mta.atomki.hu/SNMS, Vad Kálmán

ELFT MFV, Debrecen, 2013.08.21-24.

A mélységprofil-analízissel szemben támasztott követelmények • nanométeres mélységi feloldás biztosítása

• szigetelők, oxidrétegek vizsgálata • nemcsak laboratóriumi körülmények között előállított vékonyrétegek analízise

Funkcionális vékonyrétegek vizsgálata Minták: adott célra készülnek (ipari minták) Az ipari minták felületei • jobban szennyezettek a laboratóriumi mintáknál • a felületi durvaság nagy • a vizsgált minta alakja a vizsgálathoz nem ideális

Kihívás: nanométeres mélységi feloldást biztosítása



Kvantitatív mélységprofil-analízis Feladat:

I x (t )  c x ( z )

Megoldás:

1)

I x (t )  cx (t )

2)

t  z'

Valódi mélység meghatározása a g(z-z’) mélység-feloldás függvénnyel. DRF

3)

cx ( z ' )  cx ( z ) 

I ( z ) / I 0   cx ( z ' ) g ( z  z ' )dz' 



Mélységfeloldás-függvény

z

100

A

Koncentráció [at %]

80

84 %

B

60 40 porlasztás iránya 20 0

16 %

0

2

4

6 8 10 Mélység [nm]


12

14


Atomi keveredés –felületi durvaság – információs mélység „Mixing Roughness Information depth” model, S. Hofmann, Rep. Prog. Phys. 61 (1998) 827.

Atomi keveredés: Felületi durvaság:

Információs mélység:

• •

1 g w ( z  z' )  e w g ( z  z' )  

 ( z  z '  w) w

1 e  2

g ( z  z' ) 

1



 ( z  z ') 2 2

, ha z ' w  z 2

 ( z ' z )

e



, ha z '  z

E ~ 300 eV energiájú Ar+ ionok esetén az atomi keveredés < 1 nm, ezért kis energiájú porlasztáskor a porlasztás okozta atomi keveredés nem játszik szerepet. Csak a felületből kilépő részecskék detektálásakor az információs mélységnek nincs értelme. Esetünkben a felületi durvaság a meghatározó paraméter! http://www.mta.atomki.hu/SNMS, Vad Kálmán


Anyagtudományi laboratórium SNMS/SIMS-XPS-LEIS berendezése A laboratórium kutatási területe: Felületfizika és vékonyréteg-fizika (nanométer vastagságú filmszerkezetek előállítása és tanulmányozása)

Tudományos műszerparkja: Elektronspektroszkópiai berendezések Elektronmikroszkópok Röntgen-diffrakciós berendezés Vékonyfilm előállító berendezések elektronsugaras párologtatás, magnetronos porlasztás, ALD

SNMS/SIMS-XPS-LEIS berendezés Profilométer A laboratóriumot a MTA ATOMKI és a DE SZFT közösen birtokolja és üzemelteti! http://www.mta.atomki.hu/SNMS, Vad Kálmán


SIMS/SNMS működési elv mass spektrometer Ion source

sample

SIMS Secondary Ion Mass Spectroscopy

IP+

IP+

I

A+,

A (~99%) B+,

B (~99%)

AxB1-x mass spektrometer

Secondary Neutral Mass Spectroscopy SNMS H.Oechsner and W.Gerhard, Phys.Letters 40A (1972) 211.

Nincs mátrix-effektus! http://www.mta.atomki.hu/SNMS, Vad Kálmán

Ion source

SBM

Post ioni-

Post ioni-

zation

zation

sample

DBM

sample


Mélységprofil-analízist elősegítő modell

Cél: a porlasztás által előidézett zavaró jelenségek figyelembevétele • A porlasztás által előidézett felületi összetétel változás: felületi diffúzió és szegregáció, preferenciális porlasztás, visszaporlódás. • A porlasztás által előidézett felületi topográfiai változás: a porlasztás statisztikai jellegű folyamat, illetve a lokális porlasztási sebességek is változhatnak a felületi tulajdonságok miatt.

• A felületi durvaság és a porlasztással létrehozott kráter alakja a két legfontosabb tényező, ami a mélységfeloldást meghatározza.



Mélységprofil-analízist elősegítő modell


100 80 Határréteg

Határréteg

60 Rétegvastagság

40 20 0

0

10

20

30 40 Mélység [nm]


50

60


CVD-vel előállított filmek analízise GaAs vékonyfilmek Ge szubsztráton

Ge koncentráció

o 1 T=600 C

o o 0,1 T=Buffer 500 C + 600 C

mért számolt

0,01 1E-3 GaAs film

1E-4 100

M. Bosi et al. Journal of Crystal Growth 318 (2011) 367.

mért számolt

200

Ge hordozó 300

Mélység [nm]

Hol van a hordozó felülete? http://www.mta.atomki.hu/SNMS, Vad Kálmán


ZnO film GaN hordozón

ZnO//GaN

10

Zn O Ga N

1 0,1

50

0

Mélység [nm]

Koncentráció [%]

100

-50

-100 RPV = 22.4 nm

0,01

0

10

20

30 40 50 60 Mélység [nm]

70

80

-150

0

50 100 150 200 250 300 350 400 Laterális távolság [m]

Mintapreparálás: ALD (Baji Zs. és Lábadi Z, MFA, Budapest).



Cu/V/Fe rétegszerkezet Si szubsztráton

Porlasztás

MBE 100

Cu

80

V

Fe

Si

60 RPV = 7,6 nm

7,6 nm

20,6 nm

40 20 0

0

20


80

100



100

Cu

80

V

Fe

Si

80

100

60 RPV = 8,8 nm

20 nm

40 20 0

0

20


Cu(35 nm)/V(36 nm)/Fe(7,2 nm)//Si

Cu(35 nm)/V(45 nm)/Fe(4,5 nm)//Si



5

10

4

10

3

10

2

10

O

Si 150000 140000

Zn

Zn3s(AlK12)

72000

130000

Al

1

69000

Intenzitás [cps]

10

Intenzitás [cps]

Intenzitás [cps]

ZnO / Al / ZnO vékonyfilm

120000 110000

66000

100000 63000 140

90000

120 110 Kötési energia [eV]

Zn3s(AlK34)

80000

Al2s(oxid)

70000

10

130

Zn3p plazmon

0

0

20

40

60

80

100

Mélység [nm]

160

150

140

130

120

110

100

Kötési energia [eV]

Mintapreparálás: ALD (Baji Zs. és Lábadi Z, MFA, Budapest).



Következtetések 1.) A felületi durvaság meghatározó szerepet játszik a porlasztáson alapuló mélységprofil-analízisben. 2.) A kidolgozott modell segít eldönteni, hogy a mért elemeloszlást a porlasztás maga idézte elő, vagy más fizikai folyamatok következménye. Ezzel elősegíti a valós fizikai folyamatok tanulmányozását.



Köszönöm a megtisztelő figyelmüket!

TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0036

Vékonyréteg szerkezetek mélységprofil-analízise

Recommend Documents