Herstellung von dünnen Schichten

Vortrag zum Festkörperseminar WS 05/06Von Matthias Lütgens

Übersicht

1. Einleitung Begriffsklärung, Rückblick, Anwendungen

2. Einordnung der Verfahren3. Sputterverfahren4. Molekular Beam Epitaxie5. Laserablation (PLD)6. Zusammenfassung

Was sind „dünne Schichten“ ?

Atome, Moleküle unterliegen in der Grenzschicht anderen Kräften als im Innern des Materials

Verkleinerung einer Raumdimension führt zum Annähern der Grenzschichten

Grenzschichtwirkung wird überwiegen (neue Eigenschaften oder Phänomene?)

Körper, deren Eigenschaften bestimmt sind durch die Grenzschichtwechselwirkung und bei denen eventuell neue Erscheinungen auftreten, bezeichnet man als „dünne Schicht“.

Historischer Rückblick

1850: ganze Reihe neuer Entdeckungen (Abweichungen von den Fresnel-Formeln, Untersuchungen über die Rechweite von Kräften)Erste Verfahrenstechniken zur Dickenmessung durch Interferenz

von Fizeau, Quincke, Wernicke, Wiener…Erste Verfahren zur künstlichen Herstellung dünner Schichten(Faraday auf chemischen, Plücker auf physikalischen Wege durch Kathodenzerstäuben…)

1700 Jh. optische Erscheinungen beobachtet an dünnen Schichten (Ölfilm auf einer Pfütze) durch Boyle und Hooke Young: Erklärung als Interferenz-erscheinung (1802)

Ende 19 JH: Spiegelherstellung

1930: Beschichtung von Wachsschallplatten

Mitte der 60er: Dünnschichtentechnologie ermöglicht rasche Expansion der Mikroelektronik (Halbleitertechnik)

bis heute: stetige Verfeinerung der Technologie, Anwendungsfeld wird immer breiter

Dünne Schichten im Alltag

Rene A. Haefer - Oberflächen und Dünnschichten- Technologie – Seite 2

Herstellungsmethoden

S p u tte rve rfah ren(D C -, R F-, B IA S -,

M ag ne tronspu tte rn)

M o lek ula r B e amE p itax ie (M B E )

P u lsed La serD eposition

(Lase ra b la tion

P hysical V aporD ep osition

(P VD)

M OM B Em e ta ll o rga n ic M BE

the rm ische C VDp lasm a - ak tiv ie rt C VDlase r - in duz ie rte C V D

C he m ica l V aporD e pos itio n

(C V D)

S onstige V e rfah ren(z .B . Th e rm a l S p ray ing,

E lec trop la ting)

M eth ode n de r H e rste llungdünn e r S ch ich ten

Welche Methode?• Wirtschaftlichkeit

- Abscheidegeschwindigkeit- Größe des zu beschichtenden Materials- Anlagenkosten

• Qualität- Anzahl der Fehlstellen, Anzahl Fremdatome

• Welche Objekte können mit welcher Methode beschichtet werden?

glatte oder poröse Oberfläche (Abschattungseffekte), Form des Objektes, chemische und physikalische

Eigenschaften des Targets und des Substrats…

Das Sputterverfahren

• DC – Sputtern ist einfachste Methode, bildet die „Urform“

• energiereiche von der Kathode beschleunigte Teilchen zerstäuben die Kathoden- bzw. Targetoberfläche

• herausgeschlagene neutrale Atome oder Moleküle lagern sich auf das Substrat ab (auf der Anode)

Beispiele für Abhängigkeiten bei der Sputterausbeute:

Ionenenergie, Bindungsenergie des Targetmaterials, Auftreffwinkel, Art der Beschußionen

Einige Sputterparameter

Weitere SputterverfahrenNachteile des DC – Sputtering:

• geringe Beschichtungsraten (Plasmadichte sehr gering)

• Zerstäuben von Isolatoren i.a. nicht möglich (Target ist durch die Kathode negativ geladen)

• Streuung der neutralen Atome an Restgasatomen (relativ hoher Druck erforderlich um Plasma stabil zu halten)

• Fehlstellenbildung durch Ablagerung von Restatomen

Weitere Verfahren, die das Sputtern optimiert haben:

• Triodensputtern

• RF – Sputtern

• Ionenstrahlverfahren

• Magnetron – Sputtern

• BIAS – Sputtern

RF-, Trioden- und Bias - SputternRF - Sputtern

Wechselspannung erlaubt Sputtern von Isolatoren und einen geringeren Druck (typische Frequenz 13,56 MHz

Trioden - Sputtern

Weitere Glühkathode und Anode stellt Plasmastabilität bei geringerer Dichte sicher (zusätzliche Elektronen)

Bias – Sputtern

Anlegen einer negativen Vorspannung erhöht die Reinheit der Beschichtung

Magnetron – Sputtern• heute gebräuchlichste Methode

• Permanentmagneten an den Elektroden so angeordnet, dass Elektronen sich auf zykloidenförmigen Bahnen bewegen

• längerer Weg der Elektronen führt zu mehr Stoßprozessen

Vorteile: Niedriger Kammerdruck möglich, gute Beschichtungsraten, große Flächen

Molecular Beam Epitaxy• Beschichtungsmaterial wird im UHV verdampft

• kontrollierte Dosen gelangen auf das Substrat und lagern sich dort ab

• durch mehrer Molekül- oder Atomquellen werden Schichtsysteme realisiert

Nachteil: UHV (ultra high vacuum) ist notwendig für möglichst fehlerfreie Schichtsysteme

Materialverhalten im Hochvakuum ist zu untersuchen (Phasendiagramme)

MBE – TechnologieWiderstandsbeheiztes

VerdampfenElektronenstrahl -

verdampfen

Oberflächenanalyse

Pr2O3 epitaxially grown on Si (001)

RHEED

Reflection High Energy Electron Diffraction

Pulsed Laser Deposition• hochenergetischer Laserpuls führt zu Materialabtrag am Target

• entstehender Partikelstrom expandiert im Vakuum gerichtet

• Partikel kondensieren auf der Substratoberfläche gegenüber des Targets

• Ablationsprozess findet im Vakuum, oder in Anwesenheit eines dünnen „background“ Gases statt ( p = 0.2mbar )

• Substrattemperatur 700 – 800°C

• typische Substratausdehnung 1cm²

• typische Rate: 1nm/pulse

Vorteile und Nachteile der PDLVorteile

• hohe Leistung des Lasers erlaubt Verdampfen von Teilchen hoher Sublimationstemperatur

• Spiegelanordnung erlaubt das gleichzeitige Verdampfen von mehreren Materialien

• Targetmaterial wird nicht verunreinigt da kein Kontakt

• UHV kompatibel

Nachteile

• relative geringe Wachstumsraten

• Substratgröße ist begrenzt

Zusammenfassung• Die künstliche Herstellung dünner Schichten wurde von

Faraday und Plücker/Grove um 1850 begründet, seid dem wurden viele neue und bessere Methoden entwickelt

• Dünne Schichten sind auch heute schon aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken ( Mikroelektronik… )

• Die Methoden der Herstellung unterscheiden sich vorallem in der Art der „Targetteilchenbeschaffung“

• Magnetron-Sputtern wird in der Industrie am häufigsten genutzt

• Verfahrenstechniken für neue Materialien müssen immer wieder neu angepasst werden; kann sehr aufwendig sein

• Ausblick: neue Materialien, magnetische Schichten (Speicherung), biologisches Schichtwachstum