Prof. Dr. Paul Seidel VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2013/14 1

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Mareke Klein
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3 Einleitung, Motivation, Konzept, Ausblick Grundlagen der Vakuumphysik und deren Anwendung in Beschichtungsanlagen Dünnschichtabscheidungsverfahren Physik der Schichtbildungsprozesse und des Schichtwachstums Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und mechanische Eigenschaften 3

W. Pupp, H. K. Hartmann, Vakuumtechnik, Grundlagen und Anwendungen, Hanser-Verlag, München, 1991. C. Edelmann, Vakuumphysik, Spektrum, Berlin, 1998. R.

4 W. Pupp, H. K. Hartmann, Vakuumtechnik, Grundlagen und Anwendungen, Hanser-Verlag, München, C. Edelmann, Vakuumphysik, Spektrum, Berlin, R. Haefer, Oberflächen-und Dünnschicht- Technologie, Springer, Berlin, J.E. Mahan, Physical vapor deposition of thin films, John Wiley, New York, J.A. Venables, Introduction to surface and thin film processes, Cambridge University Press, Cambridge,

5 R. Wördenweber, FZ Jülich, Vorlesungen zur 6th SCENET School on Superconducting Materials and Applications, Harjattula, Finnland, 2005 A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner, Physik und Technologie Dünner Schichten, Vorlesungsskript, TU Wien K. Nietzsche, Schichtmesstechnik, Vogel-Verlag,

6 Miniaturisierung, Materialeffektivität Oberflächen/Volumeneffekte neue Eigenschaften Breites Materialspektrum Künstliche Materialien Verbundsysteme Vielseitige Anwendungsgebiete 6

7 [R.Wördenweber] 7

8 [R.Wördenweber] 8

9 Equivalent circuit: L A antenna layout: dc - SQUID L M L P L A 9

10 ~1650: Beobachtung und Erklärung von Interferenzerscheinungen an dünnen Schichten (beispielsweise Ölfilm auf Wasser) durch R.Boyle, R.Hooke, I.Newton. ~1850: Beginn der Entwicklung der Beschichtungstechniken (M.Faraday; W.Grove: T.A.Edison) und der Schichtdickenmeßverfahren (Arago, Fizeau; Wernicke; Wiener) Galvanotechnik: kommerzieller Einsatz für Vergoldung von Uniformteilen. 10

11 ~1940: Industrielle Erzeugung von Dünnschichtsystemen für optische, elektronische, mechanische und dekorative Anwendungen (zumeist im Rüstungsbereich). ~1965: Dünnschichttechnologie ermöglicht den Beginn der Massenfertigung in der Halbleiterindustrie und in der optischen Fabrikation. 11

12 ~1990: Dünne Schichten für High Tc- Supraleiter. ~1995: Einsatz von Beschichtungsverfahren für die gezielte Herstellung atomarer und mesoskopischer Strukturen ( Quantum-Dots durch PVD, Cu-Technologie durch Galvanotechnik in der µp-technik). 12

13 ~2000: Herstellung nanokristalliner Materialien definierter Zusammensetzung und Sruktur für den Einsatz als tribologische und protektive Schichten. Abscheidung geordneter Systeme von Objekten mit Grössen im Nanometerbereich. ~2004: Abscheidung organischer Halbleiter, Herstellung von Prototypen grossflächiger flexibler Displays. Massenfertigung magnetischer Speichermedien mit Speicherkapazitäten von mehreren GByte mittels PVD-Techniken 13

14 Maschinenbau Verfahrenstechnik Optik Elektronik Optoelektronik Kryoelektronik Magnettechnik Energietechnik Biophysik [ 14

15 [ R.Wördenweber ] 15

16 Die Erzeugung einer Dünnen Schicht kann in drei Phasen unterteilt werden: 1. Erzeugung der Beschichtungsspezies (Atome; Moleküle; Cluster) 2. Transport dieser Teilchen von der Quelle zum Substrat 3. Adsorption der Teilchen am Substrat und Schichtwachstum 16

17 [ R.Wördenweber ] 17

18 PVD (Physical Vapour Deposition) CVD (Chemical Vapour Deposition) Plasmapolymerisation Elektrochemische Abscheidung Chemische Abscheidung Thermische Spritzverfahren Auftragsschweißen Plattieren Abscheidung aus der Schmelze Abscheidung von Emulsionen, Pasten 18

19 [ R.Wördenweber ] 19

20 [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 20

21 [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 21

22 22

23 23

24 [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 24

25 [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 25

26 Teilchentransport - Vakuumphysik [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 26

27 [ R.Wördenweber ] 27

28 Inselwachstum Volmer-Weber Lagen&Inseln Stranski-Krastanov Layer by layer Frank-van der Merwe 28

29 [ K. Morgenstern ] 29

30 [ K. Morgenstern ] 30

31 31

32 Dreizonenmodell Von Movchan und Demchishin [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 32

33 33

34 Mikroskopie Oberflächenanalytik Spektroskopie 34

35 Surface roughness of laser ablated thin films YBCO - thin film (roughness 9 nm) YBCO / STO - bilayer (roughness 2 nm) 35

7 0.6 0.5 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 100 105 110 115 120 125 130 T, in K 0.

36 Struktur-Eigenschaftsbeziehungen Hg-1212 on 1 x 1 cm 2 LaAlO 3 Tl-2212 Hg Seite a 0.9 Seite b χ(t), in willk. Einh T, in K [H.Schneidewind, IPHT Jena] 36

37 mechanische elektrische dielektrische optische magnetische u.v.a.m. LBCO [J. P. Loquet] 37

38 Funktionale Kombination verschiedener Materialien Einfache Mehrlagensysteme bis Mehrlagenepitaxie Lokale Modifikation, z.b. Dotierung [ Theva] 38

39 Fotolithografie Elektronenstrahllithografie Nasschemisches Ätzen Trockenätzen Direktschreiben Inhibitstrukturierung [ H. Stöcker] 39

40 Ar - ion beam etching: - 3 cm and 6 cm Kaufman source (500 ev, 1 ma/cm 2 ) - liquid nitrogen cooled sample holder b < 400 nm without degradation of the superconducting properties T C and j C!

41 Passivierung Kontaktierung Vereinzelung Halterung Multichipmodule Kapselung Silizium-Durchkontaktierung [wikipedia] 41

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