Wachstum und Eigenschaften von dünnen Schichten

Transkript

1 Wachstum und Eigenschaften von dünnen Schichten

2 1 Einleitung 2 Wachstum Schichtanfänge Einfache Wachstumsmodelle Strukturzonen-Modelle 3 Eigenschaften elektrische Eigenschaften Langzeitverhalten 4 Zusammenfassung 5 Quellen

3 Besonderheiten dünner Schichten Die physikalischen Eigenschaften dünner Schichten weichen teilweise von denen normaler Festkörper ab.

4 Besonderheiten dünner Schichten Die physikalischen Eigenschaften dünner Schichten weichen teilweise von denen normaler Festkörper ab. Die Beschaffenheit der Oberfläche und Oberflächeneffekte sind bei dünnen Schichten relevant, bei normalen Festkörpern meist vernachlässigbar.

5 Besonderheiten dünner Schichten Die physikalischen Eigenschaften dünner Schichten weichen teilweise von denen normaler Festkörper ab. Die Beschaffenheit der Oberfläche und Oberflächeneffekte sind bei dünnen Schichten relevant, bei normalen Festkörpern meist vernachlässigbar. Der Schlüssel zum Verständnis liegt im Schichtwachstum.

6 Schichtanfänge Anfänge der Schicht Adatom Reflexion nicht alle Atome bleiben an der Oberfläche haften (Reflektion) Oberfläche Dissoziation

7 Schichtanfänge Anfänge der Schicht Oberfläche Adatom Reflexion Dissoziation nicht alle Atome bleiben an der Oberfläche haften (Reflektion) Adatome können je nach Energie (kinetische, thermische, Wechselwirkung) dauerhaft haften bleiben (Kondensieren) oder nach einiger Zeit desorbieren

8 Schichtanfänge Keime Keimbildung Keime verteilen sich ungleichmäßig auf der Oberfläche

9 Schichtanfänge Keime Keimbildung Keime verteilen sich ungleichmäßig auf der Oberfläche Keimdichte und weiteres Wachstum hängt von mehreren Faktoren ab

10 Schichtanfänge Einflussfaktoren Rauigkeit der Oberfläche

11 Schichtanfänge Einflussfaktoren Rauigkeit der Oberfläche Adhäsions- und Kohäsionskräfte

12 Schichtanfänge Einflussfaktoren Rauigkeit der Oberfläche Adhäsions- und Kohäsionskräfte Diffusionsenergien, chemische Bindungensenergien

13 Schichtanfänge Einflussfaktoren Rauigkeit der Oberfläche Adhäsions- und Kohäsionskräfte Diffusionsenergien, chemische Bindungensenergien thermische Energien (Temperaturen von Oberläche und Substrat)

14 Schichtanfänge Einflussfaktoren Rauigkeit der Oberfläche Adhäsions- und Kohäsionskräfte Diffusionsenergien, chemische Bindungensenergien thermische Energien (Temperaturen von Oberläche und Substrat) Gasdruck über der Schicht

15 Einfache Wachstumsmodelle Vereinfachungen Rauigkeit und Übergänge Rauigkeit der Oberfläche vernachlässigt

16 Einfache Wachstumsmodelle Vereinfachungen Rauigkeit und Übergänge Rauigkeit der Oberfläche vernachlässigt Übergangseffekte nicht berücksichtigt (chemische Bindungen, Diffusion)

17 Einfache Wachstumsmodelle Frank-van-der-Merve-Wachstum 2D-Wachstum Monolage für Monolage Adhäsion, Kohäsion nicht ausschlaggebend Verfahren: Epitaxie

18 Einfache Wachstumsmodelle Volmer-Weber-Wachstum 3D-Wachstum Inselwachstum Adhäsion und Kohäsion spielen entscheidende Rolle Verfahren: Bedampfung

19 Einfache Wachstumsmodelle Stranski-Krastanov-Wachstum Sammelbegriff für alle Übergangsformen zwischen Volmer-Weber- und Frankvan-der-Merve-Wachstum Verfahren: Sputtern

20 Strukturzonen-Modelle Übergangszonen mechanisch chemische Bindung Monoschicht Diffusion je nach verwendetem Materialen und Temperaturen bilden sich unterschiedliche Übergangszonen

21 Modell nach Movchan und Demchishin

22 Modell nach Thornton

23 elektrische Eigenschaften R l b Schicht als elektrischer Widerstand R = ρ l bd U d...schichtdicke ρ...spezifischer elektrischer Widerstand des Materials

24 elektrische Eigenschaften Vermutetes Widerstandsverhalten R R 1 d d

25 elektrische Eigenschaften Vermutetes Widerstandsverhalten Echtes Widerstandsverhalten R R max R R 1 d d Kupfer: 13nm Zinn: 45nm d Schwingquarzmessung

26 elektrische Eigenschaften Erklärung des Widerstandsverhaltens U

27 elektrische Eigenschaften Erklärung des Widerstandsverhaltens U

28 Langzeitmessung Z in n -L e ite r b a h n R in W K u p fe r -L e ite r b a h n K u p fe r /Z in n -L e ite r b a h n t in h

29 Langzeitverhalten Substrat Oberfläche Erklärung des Abfalls bei den reinen Schichten schließen einiger Lücken durch thermische Bewegungen

30 Langzeitmessung Z in n -L e ite r b a h n R in W K u p fe r -L e ite r b a h n K u p fe r /Z in n -L e ite r b a h n t in h

31 Langzeitverhalten Kupfer Zinn Oberfläche Erklärung des Anstieges bei der Mischschicht Schichten diffundieren in einander Legierung entsteht, leitet schlechter

32 Viele Faktoren beeinflussen das Schichtwachstum: Rauigkeit der Oberfläche, Diffusionsenergien, chemische Bindungensenergien, thermische Energien, Gasdruck über der Schicht.

33 Viele Faktoren beeinflussen das Schichtwachstum: Rauigkeit der Oberfläche, Diffusionsenergien, chemische Bindungensenergien, thermische Energien, Gasdruck über der Schicht. Unterschiedliche Modelle eignen sich zur Beschreibung des Wachstums bei unterschiedlichen Wachstumsverfahren: z.b. Frank-van-der-Merve-Wachstum: Epitaxie, Volmer-Weber-Wachstum: Bedampfung.

34 Viele Faktoren beeinflussen das Schichtwachstum: Rauigkeit der Oberfläche, Diffusionsenergien, chemische Bindungensenergien, thermische Energien, Gasdruck über der Schicht. Unterschiedliche Modelle eignen sich zur Beschreibung des Wachstums bei unterschiedlichen Wachstumsverfahren: z.b. Frank-van-der-Merve-Wachstum: Epitaxie, Volmer-Weber-Wachstum: Bedampfung. Eigenschaften dünner Schichten können sich aufgrund des inhomogenen Wachstums und der verhältnismäßig großen Rauigkeit von denen makroskopischer Festkörper unterscheiden.

35 Viele Faktoren beeinflussen das Schichtwachstum: Rauigkeit der Oberfläche, Diffusionsenergien, chemische Bindungensenergien, thermische Energien, Gasdruck über der Schicht. Unterschiedliche Modelle eignen sich zur Beschreibung des Wachstums bei unterschiedlichen Wachstumsverfahren: z.b. Frank-van-der-Merve-Wachstum: Epitaxie, Volmer-Weber-Wachstum: Bedampfung. Eigenschaften dünner Schichten können sich aufgrund des inhomogenen Wachstums und der verhältnismäßig großen Rauigkeit von denen makroskopischer Festkörper unterscheiden. Schichten "leben", d.h. sie verändern ihre Struktur je nach äußeren Einflüssen auch nach dem eigentlichen Wachstum noch.

36 Haefer, Renè A.: Oberflächen- und Dünnschichttechnologie; Teil I: Beschichtungen von Oberflächen; Berlin, Heidelberg: Springer, 1987 Eisenmenger-Sittner, Christoph: Vorlesungsskript: Technologie Dünner Schichten;

37 Merkmale der Strukturzonenonen Zone 1: poröse Struktur aus nadelförmigen Kristalliten Zone T: dichtes faserförmiges Gefüge Zone 2: säulenförmiges Gefüge Zone 3: rekristallisiertes Gefüge