Wiederholung: Verdampfen von Legierungen
Das Verdampfen einer Legierung entspricht einer fraktionierten Destillation. Grund dafür ist der Material- transport in der Schmelze.
100
10
1
0.1
1
=10
=2
=1 n/n
log(R /R )A
A B
A
00 0
0
B
B
A B
Legierungszusammensetzung: A:B=1:1A ist das flüchtigere Material (p > p )
Teilchenzahl bei t = 0Anzahl der abgedampften Teilchen
n = n + nn = n + n
Wiederholung: der Sputterprozess
Feste Quelle, d. h. beliebigeQuellenform
Geringe Abscheidetemperatur
Weites Parameterfeld
Hohe Abscheideratenerreichbar
Gute Schichthaftung
Schichtzusammensetzung =Quellenzusammensetzung
Interessante Schichteigenschaften
Quelle (wassergekühlt)
+
+
+
+ +
Substrat
-600V
Masse
+BeschichtungsgutArbeitsgas, ionisiert oder neutral
Elementarprozesse: Besondere Kennzeichen:
Wiederholung: die GasentladungVersuchsanordnung:
Kriterien für eine selbstständigeGasentladung:Eine Gasentladung kann dann aufrecht erhalten werden, wenn:
die mittlere freie Weglänge der Elektronen groß genug ist, um bei gegebenem U neutrale Gasatome zu Ionisieren verdünntes Gas notwendig
genügend Gasatome vorhanden sind, um eine Ionisierungskaskade zu ermöglichen kein "zu gutes" Vakuum notwendig
-
-
+
+
d = 0.1 - 1 m
p = 0.1 - 10 Pa
U = 1 - 5 kV
Wiederholung: RF-Sputtern
Ein überschüssiger Elektronenstrom wird durch die höhere Elektronenbeweglichkeit erzeugt. Dieser bewirkt eine negative Nettospannung am Target, unabhängig davon, ob es leitet oder nicht.
Wiederholung: Magnetron-Sputtern
Wiederholung: Magnetron - Kennlinien
)ln( UkIR
Empirischer Zusammenhang:
R = ErosionsrateI = EntladungsstromU = Entladunsspannung
Magnetronentladungen arbeiten bei wesentlich geringeren Gasdrücken!
Die Sputterausbeute I
Yn
n
<n> = mittlere Anzahl der pro Einschuß emittierten Teilchenn+ = Anzahl der auftreffenden Ionen
Y hängt von mehreren Ionen- und Material- parametern ab.
Die Sputterausbeute II
Abhängigkeit von:
TargetmaterialIonenenergie
Die Sputterausbeute III
Abhängigkeit von:
IoneneinfallswinkelMassenzahl der Ionen
Sputterregimes: Single Knock On
+
Ionenenergie klein,und/oderIonenmasse klein
110: YM
E eV YEU
100
:
U0 = Oberflächen-bindungsenergie
Sputterregimes: Lineare Stosskaskade I
+
Freisetzungs-volumen: ca. 1 nm3 Ionenenergie 0.1 - 10 keV
Stoßpotentiale: E+ 0.1 - 1 keV: Born-MayerE+ 1 - 10 keV: Thomas-Fermi
02
4UE
MMMMY
t
t
Mt = Masse der Targetatome
Sputterregimes: Lineare Stosskaskade IISenkrechter Einfall:
Sputterregimes: Lineare Stosskaskade IIISchräger Einfall:
Sputterregimes: Thermal Spike
+
Ionenenergie > 10 keV
YUk TB
exp 0
d. i. eine Verdampfungs-charakteristik des Emissionsvolumens
Lineare Stosskaskade: Globale Charakteristika
+
Freisetzungs-volumen: ca. 1 nm3
Y = 0,5 - 4
Sputterregimes: Simulation
www.srim.org
Stopping Range of Ions in Matter
Energieverteilung der emittierten Teilchen
Die Energieverteilung gesputterter Teilchen unterscheidet sich deutlich von jener thermisch evaporierter Atome!
Lineare Stosskaskade: Energieverteilung
E-2
E
n(E)dE
U /20 EmaxE
dE
UEEdEEn 3
0
)(
Emax = Maximalenergie, E Emax
E = mittlere Emissionsenergie
Lineare Stosskaskade: Winkelverteilung
n<1n=1
n>1
n n( ) cos n 1 E < 1 keVn 1 E > 1 keV
Sputtern von Legierungen: verschiedenes Y
Bei einer gleichmässigen Verteilung von Materialien verschiedener Sputterausbeuten entspricht (nach einer Einlaufphase) die Dampfstrahlzusammensetzung der ursprünglichen Targetzusammensetzung.
Sputtern von Legierungen: Konusbildung I
Liegt Material einer geringeren Sputterausbeute in Form von grossen Ausscheidungen vor, so kommt es zur Konusbildung am Target.
Sputtern von Legierungen: Konusbildung II
Die Seitenflächen der Konusse sind oft kristallographische Oberflächen oder haben einen Neigungswinkel, der dem des maximalen Y entspricht.
Sputtern von Einkristallen: Channelling
Je nach Einfalls- richtung dringen Ionen mehr oder weniger tief in einen Einkristall ein.
Sputtern von Einkristallen: Wehner-Spots
Stossfokussierung entlang dicht gepackter kristallographischer Richtungen:
Y = Maximum entlang dieser Richtungen! Positioniert man einen halbkugelförmigen Kollektor über einem einkristallinen Target, so entstehen dort "Wehner-Spots".
Reaktive Prozesse IBei reaktiven Sputterprozessen bilden sich Ver- bindungen des gesputterten Materials und eines Reaktionsgases. Diese formieren am Target und am Substrat.
q
p
Reaktiv-gas (N )
(Ti)-Target
(RF)-Spannung
Pumpe
Rezipientenwand/Substrate
t
N
2
c
0
p
q
q
q
Für die Gasflüssedes Reakitvgases, qi , gilt:
pct0 qqqq
Berg-Modell
q0 ... Gesamtflussqt ... Fluss zum Targetqc ... Fluss zur Wandqp ... Fluss zur Pumpe
Reaktive Prozesse IIBilanz der Flächenbedeckungen und Teilchenflüsse:
J J F
F
F F F F
ATarget
Substrat/Wand
A
1
1
2 2
1
2 3 4
t
c
1 ... Reagierte Fläche Target2 ... Reagierte Fläche WandF1,3 ... Flüsse ReaktionsproduktF2,4 ... Flüsse Metall
J ... Fluss TrägergasF ... Fluss Reaktionsgas
Resultat: numerisch lösbare Bilanzgleichungen
Reaktive Prozesse: Beispiel TiN IErosionsrate am Target in Abhängigkeit vom N2 -Fluss:
Hysterese beim Übergang vom metallischen zum nitridischen Modus.
0
D
C B
A
0
2
4
6
8
10metallisch
instabil
nitridisch
12
14
0.2 0.4 0.6N -Fluss [sccm]
Ero
sion
srat
e [a
. u.]
2
0.8 1 1.2 1.4
Reaktive Prozesse: Beispiel TiN IIDruck in der Kammer in Abhängigkeit vom N2 -Fluss:
Zunächst wird aller Stickstoff verbraucht; Optimal wäre der instabile Arbeitspunkt A.
0
C
B
00.2
0.2
0.1
0.4 0.6N -Fluss [sccm]
Tota
ldru
ck [P
a]
2
0.8 1 1.2 1.4D A
kein Plasma
metallisch
nitridisch
TiN: Experimentelle DatenDie Hysterese im Zusammenhang zwischen N2 -Fluss und Totaldruck ist gut sichtbar.
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
0,22
0,22
0,23
0,23
0,24
0,24
0,25
N -Fluss [sccm]
Tota
ldru
ck [P
a]
B
A
C
D
N -Fluss steigernN -Fluss senkenTheorie
2
2
Reaktive Prozesse: GrossanlagenSputteranlage zur reaktiven Abscheidung von Solarzellenmaterialien.
1.5 m
Reaktive Sputterprozesse zählen heute zu den akzeptierten Verfahren zur Abscheidung oxidischer, nitridischer und carbidischer Materialien.