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.