Wiederholung: Epitaxie

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1 Wiederholung: Epitaxie Epitaxie ist die Herstellung von Schichten, welche in grossen Bereichen einkristallin sind Homoepitaxie: Substratmeterial = Schichtmaterial Heteroepitaxie: Substratmaterial Schichtmaterial

2 Wiederholung: Heteroepitaxie I Epitaktische Relation: Substratmaterial Schichtmaterial Van-der-Waals Epitaxie: Die Wechselwirkung zwischen Substratmaterial und Schichtmaterial ist so gering, dass sich die Schichtatome selbstständig kristallographisch anordnen.

3 Wiederholung: Heteroepitaxie II Hochtemperaturepitaxie: Die kristallographisch günstige Anordnung der Atome wird durch eine hohe Substrattemperatur erreicht Niedertemperaturepitaxie: Die kristallographisch günstige Anordnung der Atome wird durch lokale Defektstrukturen erreicht Vicinalflächen Dendritische Inseln

4 Wiederholung: Wachstumsmoden Wachstumsmoden: A: Substratmaterial B: Schichtmaterial Frank-Van der Merwe: Lagenweise, W AB>WBB Volmer-Weber: Inseln, W AB<WBB Stranski-Krastanov: Lagen-Inseln, W AB>W BB Spannungsabbau durch 3d-Insenl Während die Frank-van der Merwe und Volmer-Weber Wachstumsmoden weitgehend spannungsfreie Schichten erzeugen, kommt es beim Stranski-Krastanov-Modus zum Aufbau signifikanter Spannungen in den ersten Wachstumsphasen.

5 Wiederholung: Spannungen/Schichtwachstum Gitterfehlanpassung (Lattice Mismatch) : = a a b 100[%] b Schicht, Gitterkonstante b Pseudomorphe Übergangszone Substrat, Gitterkonstante a a

6 Wiederholung: Rauhigkeitstypen h(x) h max h min x Stochastische Rauhigkeit h(x) a R R' R'' h Selbstähnlichkeit h(x) L L' R=f(L), R''>R'>R L'' x Ballistisches Aggregat x

7 Wiederholung: Abschattung Spitzen wachsen schneller als Täler + Bildung Kolumnarer Strukturen (a) + Porenbildung in Kombination mit Oberflächendiffusion (b) (a) (b)

8 Wiederholung: Rauhigkeitswerte R a -Wert: Mittlere absolute Abweichung R = 1 N h a N h i i= 1 R q -Wert oder RMS-Wert: Mittlere quadratische Abweichung R q = R RMS = RMS = 1 N N ( h h ) i i= 1 2

9 Wiederholung: Korrelationsfunktionen Nicht normierte Grössen Autokovarianzfunktion Normierte Grössen Autokorrelationsfunktion R( τ) = h(x) h(x + τ) dx ρ( τ) = R( τ) / R(0) Strukturfunktion S( τ) = [h(x) h(x + τ)] 2 S( τ) = 2R 2 q [1 ρ( τ)] Man beachte: Alle Höhenwerte werden von der mittleren Höhe h aus gemessen.

10 Wiederholung: Korrelationslänge ξ Oberflächenprofil Autokovarianzfunktion Innerhalb von ξ weist das Profil ähnliche Höhenwerte auf. Periodizitäten liegen vor, wenn R(τ) maxima bei τ 0 aufweist.

11 Schichtstruktur und Schichteigenschaften Die Schichtstruktur beeinflusst: + Dichte + Mechanische Eigenschaften + Elektrische Eigenschaften + Magnetische Eigenschaften + Elektronische Eigenschaften

12 Anwendungsprofile Je nach Anwendung kann eine bestimmte Schichtstruktur von Vorteil oder von Nachteil sein: + Werkzeug dicht, feinkörnig + Biolog. Material porös, weich + Elektronik dicht, monokristallin + Therm. Barrieren porös, hart

13 Strukturzonenmodelle Ergebnis der Wachstumsphasen einer Schicht Nukleation am Substrat Teilweise Koaleszenz und Grenzflächenbildung Totale Koaleszenz und Bildung eines Polykristalls Wachstum der Körner des Polykristalls Strukturzonenmodelle liefern den qualitativen Schichtaufbau in Abhängigkeit von den Beschichtungsparametern.

14 Movchan-Demchishin: Aufdampfprozesse

15 Thornton: Sputterprozesse

16 Ionenplattieren

17 Zonen und Wachstumsmechanismen Zone Mechanismus Merkmal 1: T/T M <0,2 T: T/T M <0,4 2: T/T M <0,8 3: T/T M >0,8 Abschattung Teilchenenergie Oberflächendiffusion Volumsdiffusion Fibern, Poren Nanokörner Säulige Kristalle 3d - Körner

18 Spannungen Arten von Spannungen: σ = σ + σ + σ MECH T I Mechanische Spannung: σ MECH Thermische Spannung: σ T = E S ( α S α U )(T B T E S... E-Modul Schicht α S... Ausdehnungskoeff. Schicht α U... Ausdehnungskoef. Substrat T B... Beschichtungstemperatur T M... Messtemperatur M ) Erzeugt durch Einspannung des Substrates und nachfolgendes entspannen Erzeugt durch verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Schicht

19 Spannungen und Schichtstruktur Intrinsische Spannung: σ I Intrinsische Spannungen sind eine direkte Folge der Schichtstruktur und der Depositionsbedingeungen. Zugspannug Druckspannug Variabel Druckspannug Zugspannug

20 Intrinsische Sannungen: Sputtern

21 Spannungsmessung: Grundlagen Gekrümmtes Substrat: Zugspannug Druckspannug Gesamtspannung σ einer dünnen Schicht: σ = Esd 6(1 ν 2 s s )d F 1 R s1 1 R s2 a) Substrat b) Schicht c) Referenzplättchen E S... E-Modul Substrat ν S... Poisson-Konstante Substrat d S... Dicke des Substrates d F... Schichtdicke R S1, R S2... Krümmungsradius vor bzw. nach der Beschichtung

22 Spannungsmessung: Biegearm (Cantilever) Geometrie: Prinzip: α tan(2α) H Substrat Schicht Druckspannung Zugspannung l l R S δ α 1 2 a tan H l sin α α = R S R S l 2 a tan H 2lH H 2α Vernachlässigungen und Voraussetzungen: a) laterale Versetzung des Biegebalkens b) vertikale Versetzung des Biegebalkens (δ) c) geringe Verhältnisse /H

23 Spannungen und Schichtwachstum I In-Situ-Messungen mittels Biegearmmethode: Durchbiegung Zugspannung t BESCHICHTUNG Type I: T gross, Mobilität klein M Druckspannung 0 Koaleszenz Type II: T klein, Mobilität gross M t Volumsverringerung durch Rekristallisation nach der Beschichtung führt zu Zugspannungen Einfluss der Schichtdicke auf σ I

24 Spannungen und Schichtwachstum II In-Situ-Messungen mittels Biegearmmethode: Aufdampfen von Al -6 >10 mbar Typ I Zugspannung 0 Druckspannung -11 <10 mbar mbar mbar t Typ II Übergang: Segregation Einfluss von Verunreinigungen im Restgas wäherend des Aufdampfprozesses auf σ I

25 Gitterfehlanpassung und Selbstorganisation I Detaillierter Mechanismus: Gitterfehlanpassung (Lattice Mismatch) : = a a b 100[%] b Schicht, Gitterkonstante b Pseudomorphe Übergangszone Substrat, Gitterkonstante a a

26 Gitterfehlanpassung und Selbstorganisation II Beispiel: Selbstorganisation von Inselpositionen in InAs/GaAs Multilayern: Quantenpunkt Zwischenlage Stranski-Krastanov Benetzungsfilm Die Gitterverzerrung in der Zwischenlage erzeugt einen bevorzugten Nukleationsplatz direkt über einer Insel.

27 Röntgenographische Spannungsmessung Prinzip: Messung der globalen Verzerrung der Elementarzelle durch: + Zwischengitteratome + Fehlstellen Vorteile: + Zerstörungsfrei + In Situ möglich Nachteile: Zahlreiche Einflussgrössen: + Gitterdefekte + Versetzungen + Verunreinigungen + Fremdphasen

28 Beispiel: Temperaturvariation Röntgenographische Spannungsmessung bei variabler Temperatur: Spannung [MPa] Druckspannung Zugspannung as deposited Delamination 1. Zyklus: heizen 1. Zyklus: kühlen 2. Zyklus: heizen 2. Zyklus: kühlen Temperatur [ C] Kohlenstoffsubstrat beschichtet mit 4 µm Cu α Cu = 16 ppm/k α C = 2 ppm/k