Úloha č.9
VYTVÁŘENÍ TENKÝCH VRSTEV VE VAKUU 1. VYSVĚTLENÍ PROBLEMATIKY 1.1. Tenké vrstvy a jejich příprava Tenké vrstvy dnes mají značný význam v elektronice, optoelektronice, optice a mnoha dalších oblastech. Používají se jako funkční vrstvy odporů, pro přípravu kontaktů, vodivých propojení i funkčních vrstev integrovaných obvodů, pro vrstvy optických prvků, jako ochranné vrstvy i jinde. Jsou charakterizovány tím, že jejich vlastnosti jsou významnou měrou ovlivňovány jejich tloušťkou. Tomu odpovídají tloušťky v setinách až jednotkách µm. Vrstvy jsou vyráběny z různých materiálů na různých podložkách. 1.1.1. Typy a základní vlastnosti tenkých vrstev Podle materiálů, ze kterých jsou vyrobeny, lze vrstvy rozdělit následovně: - vrstvy vodivé, které jsou nejčastěji vytvářené z kovových materiálů (obvykle Au, Al, Ni, Ag, Cu a jiné), - vrstvy dielektrické (nejčastěji jsou vytvářeny z feroelektrik), - vrstvy odporové (často se vyrábějí z NiCr), - vrstvy polovodivé (hrají významnou roli např. při výrobě tenkovrstvých tranzistorů, na jejich výrobu se užívá Si, Ge i materiálů ze skupiny AIIIBV a dalších), - vrstvy supravodivé (v současné době je velice ostře sledovanou skupinou zejména skupina materiálů pro vysokoteplotní supravodiče typu YBa2Cu 3 O 7-x ). Vlastnosti tenkých vrstev jsou kromě tloušťky v podstatné míře ovlivňovány i následujícími faktory: materiálem vrstvy, způsobem depozice, materiálem podložky, kvalitou povrchu podložky, čistotou povrchu podložky a rozdílem teplotních koeficientů podložky a vrstvy. Dalšími faktory, které mohou také výrazně ovlivnit kvalitu tenké vrstvy, jsou technologické faktory použitého výrobního zařízení. V případě vakuových technologií to je zejména hloubka a čistota vakua, vnitřní geometrie pracovního prostoru, možnost rotace podložky během nanášení vrstvy a možnost vyhřívání podložky. Na kvalitu vrstvy má značný vliv i kvalita nanášeného materiálu. Materiály užívané pro přípravu tenkých vrstev bývají zpravidla velmi čisté, často se užívá materiálů čistoty 99,999 ("pětidevítkových materiálů") i vyšší. To, v jaké formě je materiál zakládán do technologického zařízení, je dáno jeho druhem a způsobem vytváření vrstvy. Bývá to většinou drátek, tenká fólie, prášek, granule nebo terč. 1.1.2. Způsoby vytváření tenkých vrstev Tenké vrstvy se získávají různými technikami. K velmi rozšířeným patří skupina metod vakuových a metod chemické depozice. Mezi vakuové metody řadíme vakuové napařování a naprašování. Principy těchto výrobních postupů i jejich modifikace byly podrobně probírány na přednáškách. K metodám chemickým patří i celá řada metod pro přípravu epitaxních vrstev, kdy krystalograficky orientovaná vrstva roste na krystalické podložce. Jinou skupinou technik pro přípravu tenkých vrstev jsou metody elektrochemické. Těch se užívá zejména k zesilování vodivých vrstev připravených chemicky, např. při aditivní technice výroby plošných spojů.
1.1.3. Podložky pro tenké vrstvy Jako podložek se nejčastěji užívá skla, křemenného skla, broušeného leštěného a glazovaného korundu, oxidovaných Si substrátů, pro vysoce náročné aplikace také safíru a řady dalších materiálů. Podložka musí umožnit, aby k ní vrstva dobře přilnula, měla by mít definovaný povrch vysoké kvality, koeficient teplotní roztažnosti blízký koeficientu roztažnosti vrstvy a měla by být dostatečně čistá. Pro zajištění čistoty podložek existuje celá řada postupů jejich čištění. Nelze říci, že by existoval jeden či dva, které by byly užívány všemi výrobci. Bylo vypracováno mnoho postupů, které jsou preferovány různými laboratořemi a výrobci v různé míře. Platí také, že každý má vypracovánu některou modifikaci obecně známého postupu, která mu pro jeho případ nejlépe vyhovuje a které dává přednost. 1.1.4. Rotace a vyhřívání podložek při vytváření vrstev Zařízení pro napařování zpravidla umožňují odpařování z více lodiček a také rotaci podložek. Protože vrstvy jsou ve velké většině případů nanášeny na rovinné podložky a lodičku je možné považovat většinou za zdroj s kosinovou vyzařovací charakteristikou, je zřejmé, že odpařovaný materiál dopadá na různá místa podložky, v souladu s vyzařovací charakteristikou lodičky, v různém množství. To způsobuje, že v různých místech podložky je tloušťka vrstvy různá. Tloušťka se liší v desetinách nebo jednotkách procent podle vnitřní konfigurace v recipientu, avšak i tento rozdíl může být v některých případech, např. optických vrstev, nepřípustný. Proto podložka při napařování často rotuje a tím se minimalizují rozdíly v tlouštice nanášené vrstvy. Stejný požadavek, tedy možnost rotace podložek při nanášení vrstvy, je možno klást i na zařízení pro naprašování, i když zde je materiál odprašován z plošného zdroje. Při vytváření některých vrstev musí být podložka vyhřívána. Vyhříváním podložky se zvětšuje její povrchová energie a tím i rychlost migrace atomů napařované vrstvy, které dopadají na podložku. Vyšší rychlostí migrace se zvětšuje i pravděpodobnost, že atom nalezne na podložce záchytné centrum (místo s minimem energie), kde se zachytí a vytvoří základ budoucího nuklea. S vyšší teplotou podložky však roste i pravděpodobnost desorpce atomu z jejího povrchu. To, který ze zmíněných faktorů převládne, pak urychlí či zpomalí růst vznikající vrstvy. V některých případech převládá faktor urychlující růst a v těchto případech je výhodné vytvářet vrstvu na předehřáté podložce. V případě opačném se vrstva nanáší na nepředehřátou podložku. Dalším požadavkem kladeným na parametry technologického zařízení pro vakuové nanášení tenkých vrstev je tedy možnost vyhřívání podložky. Vyhřívání je zpravidla realizováno odporovými spirálami, které se nacházejí v blízkostí nosiče podložek. Teplota podložky bývá kontrolována termočlánkem nebo bezkontaktním teploměrem a musí být řízena s přesností jednotek stupňů Celsia. 1.1.5. Rychlost nanášení vrstev Tento parametr hraje významnou roli ve vlastnostech a kvalitě vrstvy. Je-li při napařování rychlost příliš vysoká, znamená to, že musí být velmi vysoká i teplota lodičky. Páry nanášeného materiálu , který se při napařování nachází v lodičce v kapalném stavu, se však v důsledku vysoké teploty lodičky mohou tvořit nejen na povrchu, ale i v objemu taveniny. Příliš rychlou tvorbou par mohou být pak uvolňovány z lodičky nejen jednotlivé molekuly, ale i jejich shluky, které dopadají na podložku a vytvářejí ve vznikající vrstvě nehomogenity.
Při naprašování je rychlost naprašování spojena s proudem plazmy a tím s intenzitou bombardování katody ionty zbytkové atmosféry. Při intenzívním bombardování dochází k výraznému zvýšení teploty katody a sáláním i ke zvýšení teploty podložky s vytvářenou vrstvou. Při nízké rychlosti tvorby vrstvy může dojít, zejména v případě nanášení organických vrstev, k poškození vrstvy její dlouhodobou tepelnou expozicí. Proto je třeba rychlost nanášení (a tím i dobu vytváření vrstvy požadované tloušťky) vždy optimalizovat s ohledem na konkrétní podmínky. 1.1.6. Reaktivní technika získávání vrstev a jejich oxidace V některých případech je využíváno tzv. reaktivního vytváření tenkých vrstev. Principem zde je to, že výchozí materiál reaguje s atmosférou uvnitř recipientu ještě před dopadem na podložku a na podložce se již vytváří vrstva výsledné chemické sloučeniny. Typickým příkladem může být nanášení nitridů a oxidů ve zředěné dusíkové nebo kyslíkové atmosféře. Je samozřejmé, že v případě vakuového napařování, musí být tlak zbytkové atmosféry uvnitř recipientu nižší než 1 mPa, což však sníží výtěžnost napařování a může nepříznivě ovlivnit kvalitu vznikající vrstvy. Proto je tato technika častěji užívána u naprašování, kdy je inertní atmosféra argonu nahrazena reaktivním plynem. V některých případech (např. při vytváření tunelových přechodů nebo Josephsonových přechodů), je třeba nanesenou vodivou kovovou vrstvu pokrýt vrstvou izolační. U některých kovů, které jsou pro tyto účely užívány (nejčastěji je to Al) se to často provádí oxidací kovové vrstvy v kyslíkové plazmě bez přerušení vakua. V recipientu je realizováno uspořádání pro plazmatickou oxidaci nanesené A1 vrstvy po jejím napaření nebo naprášení (viz obr. 1). Základem tohoto uspořádání je drátová kruhová katoda. Po nanesení vrstvy na podložku je bez přerušení vakua
držák podložek pootočen
do
takové polohy, aby se podložka s nanesenou kovovou vrstvou nacházela ve středu drátové katody. Pak je recipient, za stálého
čerpání
rotační
vývěvou,
napouštěn kyslíkem jehlovým ventilem tak, že v recipientu je tlak v řádu jednotek Pa a mezi drátovou katodu a zánejčastěji
Obr.l . Plazmatická oxidace základní elektrody. 1-katoda (Al
nerezová) je připojeno ss napětío takové
99,999%), 2-anoda (nerez), 3-vzorek, 4-maska, 5-držák
velikostí, aby se vytvořila kyslíková
katody, 6-držák anody, 7-křemenná trubka, 8-držák masek,
plazma a proud tekoucí výbojem byl v
9-odpařovací zdroj pro Al
kladnu
recipientu
(bývá
jednotkách miliampér. Kyslíková plazma je tvořena kyslíkovými ionty, elektrony a neutrálními částicemi. Kyslíkové ionty jsou kladné, a proto jsou přitahovány ke katodě. Protože však katoda je drátová a v jejím středu se nachází podložka s nanesenou kovovou vrstvou, bombarduji tyto ionty i vrstvu, dochází k chemické reakci mezi kyslíkem a materiálem
vrstvy a vrstva se pokrývá oxidem. Rychlost růstu oxidu je dána tlakem pracovní atmosféry a proudem procházejícím plazmou. 1.1.7. Stabilizační žíhání po vytvoření tenké vrstvy Jak při napařování, tak při naprašování, vzniká vrstva při zvýšené teplotě i když není podložka předehřívána, protože nanášení se děje z par nebo z plazmy o vysoké teplotě. Proto je do vrstvy při jejím vytváření zabudováno vnitřní pnutí, které mění její vlastnosti. Pro stabilizaci vlastností vrstev, zejména kovových, se proto po jejich vytvoření provádí často tzv. stabilizační žíhání. To spočívá v zahřátí vrstvy na teplotu okolo 100°C po dobu zhruba 2 hodin. Tím dochází k uvolnění vnitřního pnutí, dostavbě vrstvy a ke stabilizaci jejich vlastností.
1.2. Vakuová zařízení pro napařování a naprašování užívaná na Katedře elektrotechnologie Zařízení pro napařování, jehož výrobcem je anglická firma EDWARDS, je znázorněno na obr.2. Užívá k čerpání recipientu olejových vývěv. Jeho hlavními částmi jsou recipient, panel měření a ovládání, rotační vývěva a difusní vývěva. Mezní tlak dosažitelný v recipientu po čerpání rotační vývěvou je 3 Pa, mezní tlak dosažitelný po čerpání difuzní vývěvou je 2 mPa. Uvnitř recipientu je pouze jedno odpařovací místo, ale karusel s lodičkami (celkem 6) je možno bez přerušení vakua pootáčet tak, aby se na odpařovací místo dostala lodička s požadovanou vsázkou. Takto lze vytvářet sendvičové struktury. Např. při tvorbě holografických zrcátek se na skleněnou podložku napaří nejprve vrstva Al, která se bez přerušení vakua přepaří vrstvou MgF2, která vrstvu A1 chrání před vzdušnou vlhkostí. Uvnitř recipientu se nachází elektrody pro jeho iontové čištění, které se provádí po vyčerpání recipientu rotační vývěvou, aby se uvolnily povrchově vázané molekuly vzduchu a vzdušné vlhkostí a tím se urychlilo čerpání difuzní vývěvou. Na panelu měření a ovládání se nacházejí měřidla udávající úroveň vakua (Píraní-Penningova měrka a termočlánková měrka), ampérmetry pro měření proudu při iontovém čištění a proudu protékajícím lodičkou a ovládací prvek pro nastavení regulačního transformátoru, kterým nastavujeme napětí pro iontové čištění a odpařování. Současně je z tohoto místa také možno vypnout nebo zapnout předehřívání recipientu. Difuzní vývěva je předčerpávána rotační vývěvou, má náplň silikonového oleje (typ DC 704) a je chlazena vodou. V její horní části se nachází lapač par, který zabraňuje parám silikonového oleje pronikat do prostoru recipientu a znečišťovat napařované vrstvy. Přesto se nepatrná část par z rotační i difuzní vývěvy dostane do recipientu, což v některých případech může vadit. Zařízení pro neprašování, jehož výrobcem je německá firma BALZERS PFEIFFER, je znázorněno na obr.3. Skládá se z následujících jednotek: recipientu, membránové vývěvy, turbomolekulární vývěvy, ovládacího panelu, generátoru se zesilovačem a plenárního magnetronu. Recipient je v tomto případě kulového tvaru. V jeho spodní části je umístěn vodou chlazený planární magnetron. Čerpání je zajišťováno kombinací membránové vývěvy, která recipient předčerpá a turbomolekulární vývěvy, kterou je možné dosáhnout tlaku až 10-9 Pa. Obě vývěvy jsou bezolejové. To, že čerpání je prováděno bezolejovými vývěvami, zaručuje velice čisté vakuum. Proto je toto
1 1 Hydraulické čerpadlo pro zvedání recipientu
10 Měření proudu při čištění výbojem
2 Magnetický ventil pro spouštění recipientu
11 Měření proudu odpařovacího zdroje
3 Difuzní vývěva
12 Měření teploty uvnitř recipientu
4 Výstup difuzní vývěvy
13 Ventil předčerpání a čerpání difuz. vývěvy
5 Ovládání deskového ventilu
14 Piraniho měrka vakua
6 Clona odpařovacího zdroje
15 Uzavírací ventil pro test netěsností
7 Napouštěcí ventil recipientu
16 Přepínač odpařovacích zdrojů
8 Jehlový napouštěcí ventil recipientu
17 Startér rotační vývěvy
9 Pirani-Penningův vakuoměr
18 Rotační vývěva
Obr.2. Zařízení pro napařování.(Výrobce:EDWARDS (Anglie),typ:19E6)
1 Odvětrávací prostor
6 Vysokofrekvenční generátor
2 Indikace průtoku chladicí vody,
7 Zesilovač vysokofrekvenční energie
tlačítko ovládání škrtícího ventilu
8 Recipient
3 Hlavní vypínač
9 Přívod a odvod chladicí vody
4 Měření vakua v širokém rozsahu
10 Přívod vf výkonu
5 Ovládání turbomolekulární vývěvy
Obr.3. Zařízení pro naprašování.(Výrobce: BALZERS PFEIFFER,typ:PLS 160)
zařízení vhodné pro přípravu vrstev, které nesmějí být znečištěny molekulami jiných materiálů. Uspořádání plenárního magnetronu je uvedeno na obr. 4. Magnetron je tvořen kruhovou základnou z plátované oceli, na které jsou umístěny trvalé magnety uchycené v prstencových měděných držácích. Vnitřní držák je chlazen protékající vodou. Horní část magnetronu je tvořena prstencem, který přidržuje kruhový odprašovaný terč. Na ovládacím panelu se nachází malá klávesnice, na které lze ovládat škrtící ventil pro omezení čerpání recipientu turbomolekulární vývěvou k dosažení požadovaného tlaku při neprašování, dále indikátor průtoku chladicí vody, centrální vypínač celého zařízení, displej, který zobrazuje tlak v recipientu a ovládání čerpací jednotky. Generátor pro napájení magnetronu musí být dobře přizpůsoben impedanci plazmy, aby nedocházelo k odrazu energie a tím ke snižování účinnosti přenosu energie do plazmy. Protože se impedance plazmy během odprašování mění, jsou nabízeny dvě možnosti impedančního přizpůsobení: ruční a automatické. Na displeji je možno sledovat velikost odražené energie a tím kvalitu přizpůsobení výstupní impedance generátoru impedanci plazmy. Ve spodní části naprašovacího zařízení se nachází zesilovač pro vf generátor.
Obr.4. Uspořádání planárního magnetronu
1.3. Technologický postup při získání tenkovrstvé kovové struktury Uveďme si postupy, jejichž výsledkem je vytvoření tenké vrstvy napařováním a neprašováním. Postup při napařování 1. Vložení podložky a příprava odpařovacího zdroje. Při zvednutém recipientu (vnitřní prostor je přístupný), umístíme očištěnou podložku na odpovídající masku, uchycenou v držáku masek. Podle způsobu napařování učiníme potřebnou přípravu, týkající se odpařovacího zdroje (viz bod 5.). Při běžném způsobu napařování vložíme definované množství látky, určené k odpaření do odpařovadla, při bleskovém odpařování (metoda FLASH) umístíme wolframový pásek, včetně dávkovacího mechanismu do místa odpařování. Recipient a tím vakuový prostor uzavřeme. 2. Předčerpání. Vakuový prostor čerpáme rotační vývěvou do dosažení tlaku v řádu jednotek Pa. Doba čerpání je 5 až 10 min. 3. Iontové čištění. Realizuje se působením doutnavého výboje, který probíhá při tlaku 5 až 7 Pa a trvá 5 až 10 min. Vzniklé zplodiny jsou odčerpávány rotační vývěvou. Výboj vznikne po připojení napětí na elektrody, přičemž vhodná je taková velikost napětí (800 V až 3 kV) při níž protéká elektrodami proud do 100 mA. 4. Čerpání na vysoké vakuum. Po iontovém čištění přepojíme rotační vývěvy na výstup difuzní vývěvy a otevřeme deskový ventil. Tím jsme propojili vakuový prostor se sací stranou difuzní vývěvy. Čerpáme do dosažení tlaku v řádu jednotek mPa. (Doba 10 až 30 min.} 5. Odpařování. Při běžném způsobu přivádíme proud do odpařovadla, pokud není celé množství látky odpařeno (trvá desítky až stovky sekund). V případě metody Flash, kterou je třeba použít při vytváření vrstev ze slitin kovů, u nichž mají jednotlivé prvky rozdílnou odpařovací teplotu, je drátek slitiny (např. NiCr) po krocích přisouván k rozžhavenému W pásku. V okamžiku kdy se ho dotkne, je jeho krátký úsek bleskově odpařen. Tloušťka vytvořené vrstvy závisí na počtu odpařených dávek. Jejich počet lze odvodit z průběžně měřeného odporu napařované vrstvy na pomocném (monitorovacím) vzorku, který,je-li instalován, je situován v místě stejné hustoty par jako vlastní vzorek. 6. Zavzdušnění recipientu. Po ukončeném napařování (přerušení proudu do odpařovadel) uzavřeme deskový ventil a pomocí napouštěcího ventilu opatrně prostor zavzdušníme. 7 Vyjmutí vzorků. Po úplném zavzdušnění a zvednutí recipientu do horní polohy, můžeme vzorky vyjmout, spolu s jejich nosnou deskou.
Postup při naprašování Vložení terče a podložky. Do plazmatronu umístíme terč z materiálu, z něhož chceme vytvořit vrstvu, a proti tomuto terči uchytíme do držáku podložku. Recipient uzavřeme. 2. Čerpání recipientu. Nejdříve čerpáme membránovou vývěvou až do dosažení jejího mezního tlaku (jednotky Pa). Další snižování tlaku obstará turbomolekulární vývěva, zapojená v sérii s membránovou vývěvou. Lze dosáhnout tlaku až 10-9 Pa. 3. Napouštění pracovního plynu. Při stálém čerpání přivřeme škrtící ventil mezi pracovním prostorem a turbomolekulární vývěvou a do recipientu napouštíme jehlovým ventilem pracovní plyn (nejčastěji Ar), zpravidla na tlak v řádu jednotek Pa.
4. Připojení generátoru. Zapneme vf generátor se zesilovačem a nastavíme jak výkon dodávaný do plazmy, tak i impedanční přizpůsobení, abychom dosáhli maximální účinnosti energetického přenosu. 5. Odpojení generátoru. Po naprášení požadované tloušťky, kterou lze měřit např. metodou kmitajícího krystalu, generátor vypneme. Vzorek ponecháme ještě několik minut v pracovní atmosféře chladnout. 6. Ukončení procesu. Po odpojení obou vývěv od sítě, musíme počkat na doběh turbomolekulární vývěvy, kdy se automaticky zavzdušní pracovní prostor. Pak lze recipient otevřít a vzorek vyjmout.
2. ZADÁNÍ ÚKOLU a) Seznamte se s konstrukčním řešením a s činností napařovacího zařízení Balzers - PLS 160. b) Zúčastněte se aktivně procesu napařování soustavy čtyř tenkovrstvých NiCr odporů,geometricky uspořádaných do tvaru meandru, dle postupu, který je uveden v předcházející podkapitole. c) Proveďte vizuální kontrolu vzorků. d) Změřte odpor R všech čtyř vzorků a vypočítejte odpor na čtverec R .Potřebné rozměry meandrů
budou k
dispozici
3. POZNÁMKY K REALIZACI ÚKOLU ad b) Výchozí stav je následující: - Rotační i difuzní vývěva byly zapnuté před začátkem cvičení a jsou po nutné náběhové době (cca 15 min.) připravené k čerpání. - Podložky pro tenkovrstvé odpory byly umyty detergentem Sovsol v ultrazvukové pračce a následně byly 5x omyty destilovanou vodou. ad d) Celkový odpor vzorku R=R .l/w kde l je celková délka meandru,w je průměrná šířka pásku.
