Přednáška 3. Napařování : princip, rovnovážný tlak par, rychlost vypařování.

Transkript

1 Přednáška 3 Napařování : princip, rovnovážný tlak par, rychlost vypařování. Realizace vypařovadel, směrovost vypařování, vypařování sloučenin a slitin, Vypařování elektronovým svazkem a MBE

2 Napařování Každá látka má tenzi par (funkce např. teploty). Tedy pokud je umístěna ve vakuu, tak její částice opouštějí povrch určitou rychlostí. Častá metoda k vytváření vodivých spojů v integrovaných obvodech. Napařování probíhá následujícím postupem: Pevná látka musí být převedena do plynného skupenství Vypařené částice pevné látky musí být přeneseny na substrát Na substrátu částice kondenzují

3 Základní schéma Substrát ad depoziční rychlost nízký tlak = velká střední volná dráha p0 mezní tlak určuje čistotu vrstvy typicky pod 1x10-3 Pa Zdroj částic

4 Knudsenova cela zdroj částic Vyznačuje se malým výstupním otvorem uvnitř tlak nasycených par a teplot T odpařené částice Nevap a kondenz. č. Ncond jsou v rovnováze a rovnovážný tlak je peq. Teoretický případ Praktická realizace rozměry

5 Tlak v K.C. lze odvodit z kinetické teorie plynů pro případ b, že tlak par je kde dm/dt je odpařené množství, A0 plocha otvoru a W0 je pravděpodobnost průchodu molekuly otvorem (0-1) (závisí na geometrii). v K.C. to umíme analyticky spočítat u ostatních zdrojů par nikoliv

6 Tlak par často užívaných materiálů

7 Tlak par často užívaných materiálů

8 Zdroje par příklady realizace Knudsenovy cely

9 Zdroje par

10 Zdroje par

11 Zdroje par

12

13 Jak zlepšit homogenitu? Jak mít poměr d/d0 = 1 Stačí mít velké h Ale pak napařujeme na velkou plochu mimo vzorek a hustota toku na vzorek je malá dlouhá doba depozice Substrát Substrát Zdroj částic

14 Co ale pro dva zdroje? co pokud chceme povlakovat např. 150 cm dlouhý pás? pak použije dva zdroje jako na obrázku a Substrát typicky depoziční rychlost v mezích od 1 do μm.min Zdroj částic

15 Vhodné vzdálenosti

16 Příklad Chceme povlakovat 150 cm dlouhý prut s tolerancí max 10 % ze dvou zdrojů. d/d0 = 0.9 nebo 1.1 z grafu odečtu, že to lze pro D/Hv = 0.6 až do maximálního r/hv = 0.87 takže spočtu r = 150 / 2 = 75 cm a dále Hv = 75/0.87 = 86.2 cm při nutné vzdálenosti zdrojů od sebe D = 2 * 0.6 * 86.2 = cm z grafu lze najít i jiná řešení

17 Jak na to jít jinak? udělejme substrát rotační

18 A co ještě lépe? Je tloušťka napařeného materiálu homogenní? Není, je řízena cosinovou distribucí tloušťka napař. vrstvy je dána cos f distribucí nebo přesněji cosn f distribucí podle geometrie zdroje.

19 Umístíme substráty na kružnici

20 Poznámka v cosn f distribuci je n řiditelné geometrií zdroje. např. pro napařování látek kde chceme omezit kontaminaci komory (typicky radioaktivní látky) volíme zdroje s velkým n typicky malý průměr otvoru a větší délka K.C.

21 Další problém jak pokrýt nerovnou plochu? typicky pro integrované obvody.

22 A co čistota napařené vrstvy to je přece počet atomů příměsí ve vytvořené vrstvě. předpokládejme, že vstupní materiály je zcela čistý blízko obvyklému stavu (jinak vnese nečistoty) další poměrně malý zdroj nečistot je odpařený materiál ohřívadla obvykle keramika nebo Mo pak množství příměsí je dáno převážně zbytkovým tlakem plynu v komoře

23 Kontaminace napař. vrstvy kde Ma a Mg jsou molekulární hmotnosti napařovaného materiálu a zbytkového plynu P zbytkový tlak v Torrech r je hustota deponovaného materiálu a d je depoziční rychlost, a T je teplota

24 Jak snížit kontaminaci podle vzorečku, snížit zbytkový tlak, to jde je do určité míry pak také pomůže zvýšit depoziční rychlost

25 Reaktivní napařování do vakuového systému připouštíme reaktivní plyn např. In2O3 z In s připouštěním O2 Indiový ingot dáme do Mo-lodičky s odporovým ohřevem, dep. rychlost změříme jako 0.1 nm/s Zbytkový tlak 1 x 10-5 mbar -3 Tlak kyslíku kolem 2 x 10 mbar K.G. Gopchandran, PII, S X(97)

26 Reaktivní napařování vliv teploty K.G. Gopchandran, PII, S X(97)

27 Reaktivní napařování vliv tlaku kyslíku K.G. Gopchandran, PII, S X(97)

28 Vodivost a průhlednost K.G. Gopchandran, PII, S X(97)

29 Jak jinak převést pevnou látku na páry? Ohřev odporový, indukční Ohřev dopady elektronů Ohřev dopady fotonů Laserová ablace Odprášení dopady iontů

30 Jak napařovat slitiny? Lze to vůbec, co rozdílná tenze par? např. z více zdrojů navíc přidávat těkavější složku el. svazkem explozivní metoda velkým proudem odpaříme tenké vlákno najednou Napařování oxidů a polovodičů? Některé částečně disociují, nutno připouštět reaktivní složku např. kyslík

31 Více zdrojů K.C. Směrovány pro depozici na stejném místě

32 Odpařování elektronovým svazkem

33 MBE Epitaxe molekulárním svazkem (MBE Molecular Beam Epitaxy) je ve své podstatě způsob přípravy, který umožňuje růst epitaxních vrstev s přesně definovanými elektronickými vlastnostmi. MBE je používána při výrobě Si a SiGe bipolárních tranzistorů a diodových laserů. V devadesátých letech se objevují první aplikace založené na kvantových jevech kvantový kaskádní laser, jehož aktivní část je tvořena kvantovou jámou. V současné době umožňují nové vypařovací zdroje a technologie růstu připravovat stále menší a menší epitaxní objekty nanometrických velikostí s význačnými vlastnostmi založenými zejména na kvantových jevech.

34 MBE aparatura Kvalita polovodičových součástek je velmi závislá na extrémně čistých polovodičových krystalech. Zajištění čistoty rostoucích krystalů a vrstev metodou MBE spočívá v použití lokalizovaných svazků atomů nebo molekul dopadajících na povrch substrátu v ultra vakuových podmínkách (UHV). UHV podmínky při použití kryopanelů v okolí vypařovacích elementů umožňují velmi nízké depoziční rychlosti aniž by docházelo ke Kontaminaci. MBE zařízení tvoří zpravidla více komorový systém, ve kterém se substráty předávají mezi jednotlivými komorami pomocí transferu bez porušení vakua. MBE zařízení je většinou vybaveno vkládací komorou pro rychlé zakládání substrátů, dále vlastní depoziční komorou a analyzační komorou. Moderní zařízení mohou mít i více depozičních komor, které umožňují růst multivrstev aniž by docházelo ke vzájemné kontaminaci použitých materiálů.

35 Aparatura

36 Jak měřit tloušťku vrstvy nejlépe během depozice a to lze např. pomocí: krystalový měřič tlouštěk IR insitu měření viz Char. mat. II LEED a RHEED viz později

37 Krystalový měřič tlouštěk využívá změny frekvence kmitů křemenného krystalu v závislosti na hmotnosti deponovaného materiálu POZOR, tlouštíku určíme přepočtením hmotnosti materiálu na tlouštíku vrstvy, ale hustotu vrstvy známe jen přibližně. Je vhodné provést kalibraci podle skutečné tloušťky.