Wiederholung: Verdampfen von Legierungen

Transkript

1 Wiederholung: Verdampfen von Legierungen log(r /R ) A B Legierungszusammensetzung: A:B=1:1 A ist das flüchtigere Material (p > p ) 0 0 A B n = n + n 0 n = n + n A B Teilchenzahl bei t = 0 Anzahl der abgedampften Teilchen A B =1 1 n/n =2 0 =10 Das Verdampfen einer Legierung entspricht einer fraktionierten Destillation. Grund dafür ist der Materialtransport in der Schmelze.

2 Wiederholung: der Sputterprozess Elementarprozesse: Besondere Kennzeichen: Substrat Masse Feste Quelle, d. h. beliebige Quellenform Geringe Abscheidetemperatur Hohe Abscheideraten erreichbar Weites Parameterfeld + + Quelle (wassergekühlt) Beschichtungsgut Arbeitsgas, ionisiert oder neutral -600V Schichtzusammensetzung = Quellenzusammensetzung Gute Schichthaftung Interessante Schichteigenschaften

3 Wiederholung: die Gasentladung Versuchsanordnung: U = 1-5 kv p = Pa + d = m Kriterien für eine selbstständigegasentladung: Eine Gasentladung kann dann aufrecht erhalten werden, wenn: die mittlere freie Weglänge der Elektronen groß genug ist, um bei gegebenem U neutrale Gasatome zu Ionisieren verdünntes Gas notwendig genügend Gasatome vorhanden sind, um eine Ionisierungskaskade zu ermöglichen kein "zu gutes" Vakuum notwendig

4 Wiederholung: RF-Sputtern Ein überschüssiger Elektronenstrom wird durch die höhere Elektronenbeweglichkeit erzeugt. Dieser bewirkt eine negative Nettospannung am Target, unabhängig davon, ob es leitet oder nicht.

5 Wiederholung: Magnetron-Sputtern

6 Wiederholung: Magnetron - Kennlinien Empirischer Zusammenhang: R I ( k lnu ) R = Erosionsrate I = Entladungsstrom U = Entladunsspannung Magnetronentladungen arbeiten bei wesentlich geringeren Gasdrücken!

7 Die Sputterausbeute I Y n n <n> = mittlere Anzahl der pro Einschuß emittierten Teilchen n + = Anzahl der auftreffenden Ionen Y hängt von mehreren Ionen- und Materialparametern ab.

8 Die Sputterausbeute II Abhängigkeit von: Ionenenergie Targetmaterial

9 Die Sputterausbeute III Abhängigkeit von: Massenzahl der Ionen Ioneneinfallswinkel

10 Sputterregimes: Single Knock On Ionenenergie klein, und/oder Ionenmasse klein + M Y : 10 1 E evy E 10 : U 0 U 0 = Oberflächenbindungsenergie

11 Sputterregimes: Lineare Stosskaskade I Freisetzungsvolumen: ca. 1 nm 3 Ionenenergie kev Stoßpotentiale: E kev: Born-Mayer E kev: Thomas-Fermi + Y 4M M E 2 M M U 0 t t M t = Masse der Targetatome

12 Sputterregimes: Lineare Stosskaskade II Senkrechter Einfall:

13 Sputterregimes: Lineare Stosskaskade III Schräger Einfall:

14 Sputterregimes: Thermal Spike Ionenenergie > 10 kev Y exp U 0 k B T + d. i. eine Verdampfungscharakteristik des Emissionsvolumens

15 Lineare Stosskaskade: Globale Charakteristika Freisetzungsvolumen: ca. 1 nm 3 + Y = 0,5-4

16 Sputterregimes: Simulation Stopping Range of Ions in Matter

17 Energieverteilung der emittierten Teilchen Die Energieverteilung gesputterter Teilchen unterscheidet sich deutlich von jener thermisch evaporierter Atome!

18 Lineare Stosskaskade: Energieverteilung n(e)de E -2 E U/2 0 E E max E n( E) de E U de 3 0 E max = Maximalenergie, E E max E = mittlere Emissionsenergie

19 Lineare Stosskaskade: Winkelverteilung n=1 n>1 n<1 n( ) cos n n 1 E < 1 kev n 1 E > 1 kev

20 Sputtern von Legierungen: verschiedenes Y Bei einer gleichmässigen Verteilung von Materialien verschiedener Sputterausbeuten entspricht (nach einer Einlaufphase) die Dampfstrahlzusammensetzung der ursprünglichen Targetzusammensetzung.

21 Sputtern von Legierungen: Konusbildung I Liegt Material einer geringeren Sputterausbeute in Form von grossen Ausscheidungen vor, so kommt es zur Konusbildung am Target.

22 Sputtern von Legierungen: Konusbildung II Die Seitenflächen der Konusse sind oft kristallographische Oberflächen oder haben einen Neigungswinkel, der dem des maximalen Y entspricht.

23 Sputtern von Einkristallen: Channelling Je nach Einfallsrichtung dringen Ionen mehr oder weniger tief in einen Einkristall ein.

24 Sputtern von Einkristallen: Wehner-Spots Stossfokussierung entlang dicht gepackter kristallographischer Richtungen: Y = Maximum entlang dieser Richtungen! Positioniert man einen halbkugelförmigen Kollektor über einem einkristallinen Target, so entstehen dort "Wehner-Spots".

25 Reaktive Prozesse I Bei reaktiven Sputterprozessen bilden sich Verbindungen des gesputterten Materials und eines Reaktionsgases. Diese formieren am Target und am Substrat. Berg-Modell Reaktivgas (N ) 2 q 0 q c Rezipientenwand/ Substrate (RF)-Spannung p q N t (Ti)-Target q p Pumpe Für die Gasflüsse des Reakitvgases, q i, gilt: q 0 q t qc qp q 0... Gesamtfluss q t... Fluss zum Target q c... Fluss zur Wand q p... Fluss zur Pumpe

26 Reaktive Prozesse II Bilanz der Flächenbedeckungen und Teilchenflüsse: Target 1 1 A t J J F Substrat/ Wand F F F F Reagierte Fläche Target 2... Reagierte Fläche Wand F 1,3... Flüsse Reaktionsprodukt F 2,4... Flüsse Metall F J... Fluss Trägergas F... Fluss Reaktionsgas Resultat: numerisch lösbare Bilanzgleichungen A c

27 Reaktive Prozesse: Beispiel TiN I Erosionsrate am Target in Abhängigkeit vom N 2 -Fluss: Erosionsrate [a. u.] metallisch Hysterese beim Übergang vom metallischen zum nitridischen Modus. D C instabil A B nitridisch N -Fluss [sccm] 2

28 Reaktive Prozesse: Beispiel TiN II Druck in der Kammer in Abhängigkeit vom N 2 -Fluss: 0.2 kein Plasma Totaldruck [Pa] C metallisch D A N -Fluss [sccm] 2 Zunächst wird aller Stickstoff verbraucht; Optimal wäre der instabile Arbeitspunkt A. B nitridisch

29 TiN: Experimentelle Daten Die Hysterese im Zusammenhang zwischen N 2 -Fluss und Totaldruck ist gut sichtbar. Totaldruck [Pa] 0,25 0,24 0,24 0,23 0,23 0,22 0,22 N 2 -Fluss steigern N 2 -Fluss senken Theorie B C D A 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 N -Fluss [sccm]

30 Reaktive Prozesse: Grossanlagen Sputteranlage zur reaktiven Abscheidung von Solarzellenmaterialien. 1.5 m Reaktive Sputterprozesse zählen heute zu den akzeptierten Verfahren zur Abscheidung oxidischer, nitridischer und carbidischer Materialien.