Wikipédia

Vékonyréteg-leválasztás

A mikro- és nanotechnológiában vékonyréteg-leválasztásnak[m 1] azt a folyamatot nevezik, amikor fizikai vagy kémiai reakció segítségével egy anyag (hordozó) felületén vékonyréteg épülését idézik elő. A réteg épülése tipikusan néhányszor tíz-száz nanométeres mérettartományon kontrollálható, de molekulasugaras epitaxiával például atomi rétegek is leválaszthatók.

Az eljárást többek között optikai elemek gyártásakor (például reflexiós, vagy antireflexiós rétegek, dielektrikumtükrök kialakítására), elektronikában és félvezetőiparban (az integrált áramkörök egymáson kialakított vezető, félvezető és szigetelő rétegekből állnak), csomagolástechnikában (például alumíniumbevonatos PET fólia) alkalmazzák.

A rétegleválasztási eljárások két alapvető kategóriába sorolhatók. A vékonyréteg létrejöttét meghatározó folyamat szerint megkülönböztetnek kémiai és fizikai elvű rétegleválasztásokat.[1]

Mechanizmusa szerkesztés

A rétegek növekedését megszabják a felületi energiaviszonyok, azaz hogy a hordozó felülete és a kapcsolódó új atomok (adatom) között milyen a kölcsönhatás, illetve miként hatnak kölcsön egymással a leválasztott réteg atomjai. Eszerint három jellemző alapesetet különböztetnek meg:[2]

  • Frank–van der Merwe-folyamat,[3][4][5] azaz rétegenkénti növekedés. Ebben az esetben az adatom-felület kölcsönhatás és az adatom-adatom kölcsönhatás kiegyensúlyozza egymást. Szükséges hozzá a rácsilleszkedés, melyen ideális rétegnövekedés lehetséges.
  • Stranski–Krastanov-folyamat,[6] azaz összenövő szigetekben növekedés. Ez akkor jellemző növekedési mód, ha az adatom-felület kölcsönhatások dominálnak.
  • Volmer–Weber-folyamat,[7] azaz izolált szigetek növekedése. Ekkor a réteg atomjai közötti kölcsönhatások dominálnak, így az atomok "cseppekbe", "szigetekbe" rendeződnek.
  • Rétegépülési módok
  •  
    Frank–van der Merwe-folyamat
  •  
    Stranski–Krastanow-folyamat
  •  
    Volmer–Weber-folyamat

Típusai szerkesztés

Kémiai rétegleválasztás szerkesztés

 Bővebben: Kémiai gőzfázisú leválasztás

Ebben az esetben egy folyékony vagy gáz prekurzor kémiai reakciója során alakul ki a szilárd réteg a mintadarab felületén. Hétköznapi példa a kémiai rétegnövekedésre, amikor egy szilárd testet lángba tartva az bekormozódik. Mivel a hordozóanyag minden oldalról körbeveszi a mintadarabot, így a rétegépülés is minden oldalról, és rendszerint irányfüggetlenül történik.

A kémiai rétegleválasztás eljárásai az alábbi kategóriákba sorolhatók a prekurzor jellege és a megvalósítás szerint:

  • Fémes bevonat képzése (plating) folyadékfázisból történik, mely gyakran a leválasztandó fém sójának oldata. Egyes eljárások pusztán a kémiai reakción alapulnak (például nemesfémek leválasztásakor), de igen gyakori, hogy a reakciót elektrolízis segíti, például a galvanizálás esetén.
  • Kémiai leválasztás oldatból (Chemical solution deposition CSD, illetve sol-gel módszer): gyakran fémorganikus anyag szerves oldatából álló folyadék prekurzor alkalmazásával történik. Egyszerű és olcsó leválasztási mód, segítségével sztöchiometrikus összetételű kristályos rétegek hozhatók létre.[8]
 
Egy spin-coater berendezés
  • Forgatva bevonás (spin coating) során a hordozót egy célberendezésben egy forgó tárcsán rögzítik, a prekurzor folyadék vagy sol-gel anyag lehet. A mintadarab nagy fordulatszámú forgatása közben cseppentik le a prekurzort a minta felületére. A forgatási sebesség és a folyadék viszkozitása szabja meg a kialakuló réteg vastagságát. A forgatás segít elkerülni a száradási foltok kialakulását és elősegíti az oldószer párolgását is. Szükség esetén többszöri cseppentéssel vastagabb réteg is kialakítható. A forgatásos bevonást gyakran kíséri hőkezelés is, mely a bevonat kristályosítására szolgálhat. A módszer sokféle hordozó és prekurzor esetén alkalmazható, például spin-coaterrel lehet fotoreziszt bevonatot készíteni elektron- és fotolitográfiás eljárásokhoz,[8][9][10] illetve nanotechnológiai eljárásokban és vizsgálatokban is alkalmazható például oldószerben diszpergált (eloszlatott) nanoszerkezetek felületen való megtapasztásához.[11]
  • Kémiai gőzfázisú leválasztás (chemical vapor deposition, CVD) során gáz halmazállapotú a prekurzor, gyakran a leválasztandó elem halogenidjeit és hidridjeit alkalmazzák. Fémorganikus CVD (MOCVD) esetén a prekurzor maga fémorganikus gáz.[12]
  • Plazmával segített CVD (PECVD) a CVD egy speciális esete, mely során ionizált gázt, azaz plazmát alkalmaznak. A plazmát általában rádiófrekvenciás vagy mikrohullámú elektromágneses térrel gerjesztik.[12]
  • Az atomi rétegleválasztást (Atomic Layer Deposition, ALD) atomi rétegenkénti, irányfüggetlen rétegépítésre lehet alkalmazni. A tipikus ALD-folyamat két lépésből álló ciklusokban történik, amikor is minden ciklus alatt egy atomi réteg épül a hordozón. Az első lépés során az egyik reagens kiül a mintadarab felületén. A réteget kialakító reakció ekkor még nem megy végbe, mivel csak az egyik reagens van jelen, ez lehetőséget ad a mintadarab teljes lefedésére. A második lépésben bevezetik a második reagenst, mely reakcióba lép a minta felületén az elsővel, reakciójuk eredménye pedig az egyatomos rétek kialakulása. E két lépés ismétlésével többatomos rétegek is építhetők. Az ALD folyamat jóval lassabb a tipikus CVD-nél, de alacsony hőmérsékleten is alkalmazható és jobban kontrollált szerkezetű vékonyréteget eredményez.[13]

Fizikai rétegleválasztás szerkesztés

 Bővebben: Fizikai gőzfázisú leválasztás

A fizikai leválasztási eljárások lefolyását általában mechanikai, elektromechanikai, termodinamikai törvényszerűségek szabják meg. A hétköznapokban ilyen folyamat a dér képződése.

A fizikai leválasztás mechanizmusa általában az alábbiak szerint történik. Szükség van egy részecskeforrásra, egy közegre, melyben ezek a részecskék a minta felé terjedhetnek, illetve magára a mintadarabra, melyen a vékonyréteg kialakul. A részecskék áramát úgy segítik elő, hogy a rétegleválasztás vákuumkamrában zajlik. A részecskeforrást sok esetben céltárgynak, vagy targetnek[m 2] nevezik. Mivel a részecskenyaláb irányított, ezért ezek az eljárások jellemzően irányfüggő rétegépülést eredményeznek.

A fizikai rétegleválasztás leggyakoribb megvalósításai:

  • A termikus párologtatás során elektromos ellenálláson átfolyó áram következtében felszabaduló Joule-hővel fűtik a céltárgyat. Az megolvad, az olvadékból részecskék lépnek ki. A kilépés ütemét az adott anyag egyensúlyi parciális gőznyomása szabályozza (természetesen a céltárgy gőznyomásának jóval nagyobbnak kell lennie, mint a melegítő mechanikus alkatrészek anyagainak, nehogy az abból származó atomok elszennyezzék a forrást). A művelet nagyvákuumban zajlik, egyrészt hogy elkerüljék a target részecskéinek szóródását és reakcióját más atomokkal, másrészt a szennyezés csökkentése végett. Ennek az eljárásnak egy igen kifinomult módszere a molekulasugaras epitaxia.
    • Az elektronsugaras párologtatást (EBPVD) alacsonyabb egyensúlyi gőznyomású anyagok leválasztásakor alkalmazzák. Ekkor egy nagyenergiás elektronnyalábot[m 3] irányítanak a targetre, mely kis területen megolvad. Az elektronnyaláb mágneses elhajlításával olyan elrendezés alakítható ki, melyben az elektronforrás nem akadályozza a párologtatott target részecskenyalábjának a mintára jutását. A rétegleválasztási sebesség tipikusan 1-10 nanométer másodpercenként.
    • A molekulasugaras epitaxia (MBE) egy hasonló elvű, de kifinomultabb eljárás, mely során gyenge részecskenyalábot lehet a mintadarabra irányítani. A részecskeforrás ez esetben lehet fizikai elvű Knudsen-cella, vagy kémiai forrás (kémiai nyaláb epitaxia, CBE). Az MBE eljárásban gyakorlatilag atomi rétegenként építhető a vékonyréteg, több forrás alkalmazásával pedig finoman szabályozható az összetétel. Például gallium és arzén egymást követő ismételt leválasztásával gallium-arzenid réteg kialakítása lehetséges.[14][15][16]
       
      Vákuumpárologtató PVD-berendezés
  • A vákuumporlasztásnál (physical vapor deposition, PVD) a forrásból nem termikus hatásra lépnek ki a részecskék: plazmát hoznak létre, melynek energiájú részecskéi a targetbe ütközve atomokat ütnek ki abból. Mivel nem termikus párolgásról van szó, ez a folyamat alacsonyabb hőmérsékleten is végbemehet. A párologtatással szemben fontos előnye a porlasztásnak, hogy vegyületeken és keverékeken is alkalmazható, ugyanis ezek párolgásakor az anyagok különböző gőznyomása miatt a komponensek aránya eltérhet, míg a porlasztás megőrzi a komponensek arányát. Sok alkalmazása van, például az optikai adattárolók (CD, DVD, BD) gyártásakor. A félvezetőiparban is alkalmazzák, például a kijelzőgyártásnál. Itt a termelékenység növelése érdekében igen nagy rétegleválasztó vákuumkamrákra van szükség:[17][18] 2012 utáni évektől kezdve a nagyobb TFT-kijelző gyárak már 2200×2500 mm méretű (8,5-ös generációjú[m 4]) üvegpaneleken végeznek vákuumporlasztásos rétegleválasztást.[19][20][21]
  • Impulzuslézeres rétegleválasztás (Pulsed Laser Deposition, PLD) során fókuszált lézerimpulzusokkal porlasztják a tartgetet, a kiporlasztott részecskék egy plazma csóvába állnak, mely gyakran gáz halmazállapotúvá válik, mire a hordozóra jut.[22]
  • A katódsugaras leválasztás (arc-PVD) az ionsugaras leválasztás egy típusa, mely során ívkisüléssel porlasztanak ki anyagot a katód targetből. A kisülés nagy teljesítménysűrűsége következtében többszörösen ionizált atomok, semleges atomok és kisebb-nagyobb szemcsék hagyják el a targetet. Ha porlasztási folyamat közben reagens gázt juttatnak a gáztérbe, az reagál az ionnyalábbal, disszociáció, ionizáció és gerjesztés léphet fel. A reakciók termékei lerakódnak a mintadarabon, kialakítva a vékonyréteget.

Tudományos szakfolyóiratok szerkesztés

A felületmódosítás és a vékonyréteg-leválasztás számos nemzetközi szakfolyóirat elsődleges tárgyát képezi, például az alábbiakét:[23]

Megjegyzések szerkesztés

  1. ↑ A magyar rétegleválasztás szakkifejezés gyakran félreértésre ad okot: a leválasztás itt a mintadarab felületére történik, azaz a réteg épülésével jár, nem pedig onnan egy réteg eltávolításával.
  2. ↑ Nem összetévesztendő a hordozóval, melyen a réteg épül.
  3. ↑ Kb 10-30 kV gyorsítófeszültséget alkalmaznak az elektronnyaláb gyorsítására, lásd pl. a Midwest Tunsten Service leírásában.
  4. ↑ A panel generációján a kijelzőgyártó iparban a hordozó üveglap méretét ertik. A pontos méretekért lásd: Applied Materials Glossary (gen) Archiválva 2017. április 15-i dátummal a Wayback Machine-ben

Hivatkozások szerkesztés

  1. ↑ Functional Polymer Films Eds.
  2. ↑ Grabow, M. H., & Gilmer, G. H. (1988). Thin film growth modes, wetting and cluster nucleation. Surface science, 194(3), 333-346.
  3. ↑ Frank, F. C. (1949. április 2.). „One-Dimensional Dislocations. I. Static Theory”. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences 198 (1053), 205–216. o. DOI:10.1098/rspa.1949.0095.  
  4. ↑ Frank, F. C. (1949. április 2.). „One-Dimensional Dislocations. II. Misfitting Monolayers and Oriented Overgrowth”. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences 198 (1053), 216–225. o. DOI:10.1098/rspa.1949.0096.  
  5. ↑ Frank, F. C. (1949. április 2.). „One-Dimensional Dislocations. III. Influence of the Second Harmonic Term in the Potential Representation, on the Properties of the Model”. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences 200 (1060), 125–134. o. DOI:10.1098/rspa.1949.0163.  
  6. ↑ Stranski, I. N. (1938. április 2.). „Zur Theorie der orientierten Ausscheidung von Ionenkristallen aufeinander”. Sitzungsber. Akad. Wiss. Wien. Math.-Naturwiss. 146, 797–810.. o.  
  7. ↑ Volmer, M. (1926. április 2.). „Keimbildung in übersättigten Gebilden”. Z. Phys. Chem 119, 277–301. o.  
  8. ↑ a b Natsume, Y., & Sakata, H. (2000). Zinc oxide films prepared by sol-gel spin-coating. Thin solid films, 372(1), 30-36.
  9. ↑ Lawrence, C. J. (1988). The mechanics of spin coating of polymer films. Physics of Fluids (1958-1988), 31(10), 2786-2795.
  10. ↑ Bornside, D. E., Macosko, C. W., & Scriven, L. E. (1991). Spin coating of a PMMA/chlorobenzene solution. Journal of The Electrochemical Society, 138(1), 317-320.
  11. ↑ Tans, S. J., Devoret, M. H., Dai, H., Thess, A., Smalley, R. E., Georliga, L. J., & Dekker, C. (1997). Individual single-wall carbon nanotubes as quantum wires. Nature 386 (6624), 474-477.(1997).
  12. ↑ a b Sherman, A. (1987). Chemical vapor deposition for microelectronics: principles, technology, and applications.
  13. ↑ Leskelä, M., & Ritala, M. (2002). Atomic layer deposition (ALD): from precursors to thin film structures. Thin solid films, 409(1), 138-146.
  14. ↑ Cho, A. Y., & Arthur, J. R. (1975). Molecular beam epitaxy. Progress in solid state chemistry, 10, 157-191.
  15. ↑ Joyce, B. A. (1985). Molecular beam epitaxy. Reports on Progress in Physics, 48(12), 1637.
  16. ↑ Arthur, J. R. (2002). Molecular beam epitaxy. Surface science, 500(1), 189-217.
  17. ↑ Archivált másolat. [2017. június 4-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. április 21.)
  18. ↑ Archivált másolat. [2017. július 21-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. április 21.)
  19. ↑ CSOT 8.5-Generation LCD Panel Production Line Achieves Target Capacity Ahead of Schedule. [2016. szeptember 18-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. április 21.)
  20. ↑ ORBOTECH TO SUPPORT CEC PANDA’S NEW GEN 8.5 FAB IN A $55 MILLION DEAL. [2016. március 4-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. április 21.)
  21. ↑ Sharp enters $2.9b deal with Chinese LCD maker
  22. ↑ Chrisey, D. B., & Hubler, G. K. (Eds.). (1994). Pulsed laser deposition of thin films.
  23. ↑ Bertóti 2003.

Források szerkesztés

Tananyagok, ismeretterjesztő weblapok szerkesztés

Szakkönyvek szerkesztés

A lap eredeti címe: „https://hu.wikipedia.org/w/index.php?title=Vékonyréteg-leválasztás&oldid=26332420”