Επιςτιμθσ Επιφανειϊν και Τεχνολογία Λεπτϊν Υμενίων. Π. Πατςαλάσ, Αναπλ. Κακθγθτισ

Transcript

1 Επιςτιμθσ Επιφανειϊν και Τεχνολογία Λεπτϊν Υμενίων Π. Πατςαλάσ, Αναπλ. Κακθγθτισ

2 Στοιχεία Επικοινωνίασ Γραφείο: Γ324 & Φ3-109β Εργαςτιριο: Εργαςτιριο ΘΜΟ, Νζο Κτίριο ΤΜΕΥ, 1 οσ Προφοσ Τθλ: 9012 (Εργαςτιριο), 8592 (Γραφείο) ppats@cc.uoi.gr

3 Ρεριεχόμενα του Μακιματοσ Ι 1)Βαςικά Στοιχεία Επιςτιμθσ Υλικϊν Αναςκόπιςθ Ρροαπαιτουμζνων γνϊςεων: Οριςμόσ ςτερεοφ, Είδθ ςτερεϊν: κεραμικά, μζταλλα, Θμιαγωγοί-Μονωτζσ-Διθλεκτρικά Κρυςταλλικζσ Δομζσ Δείκτεσ Miller Στοιχεία Θερμοδυναμικισ: Μεγαλοκανονικι Κατανομι (Grand Canonical Ensemble) Στερεά διαλφματα Διάχυςθ Διαγράμματα Φάςεων (P-T), (T-composition)

4 Ρεριεχόμενα του Μακιματοσ Ι 2)Ρυρθνοποίθςθ (Nucleation) και Ανάπτυξθ (Growth) Κρυςτάλλων από τθν Υγρι Φάςθ (Growth from the Melt) Ομογενισ και ετερογενισ πυρθνοποίθςθ Το μοντζλλο τθσ υγρισ ςταγόνασ: προςδιοριςμόσ του μζςου μεγζκουσ ευςτακϊν πυρινων και του ρυκμοφ ανάπτυξθσ

5 Ρεριεχόμενα του Μακιματοσ Ι 3) Φυςικζσ Μζκοδοι Ανάπτυξθσ από τθν Υγρι Φάςθ Μζκοδοι ανάπτυξθσ μονοκρυςτάλλων (υποςτρωμάτων) Μζκοδοσ Czochralski Μζκοδοσ Bridgeman

6 Ρεριεχόμενα του Μακιματοσ Ι 4)Ρροχποκζςεισ για Ανάπτυξθ από τθν Αζρια Φάςθ Κινθτικι κεωρία των αερίων: μζςο μικοσ ελεφκερθσ διαδρομισ, κινθτικι ενζργεια των ςωματιδίων ςτθ αζρια φάςθ Θ ζννοια του κενοφ (vacuum) και γιατί το χρειαηόμαςτε Κακαρότθτα επιφανειϊν και παραγομζνων υλικϊν και εξάρτθςι τουσ από τισ ςυνκικεσ κενοφ Δθμιουργία πλάςματοσ και γιατί το χρειαηόμαςτε

7 Ρεριεχόμενα του Μακιματοσ Ι 5) Φυςικζσ Μζκοδοι Ανάπτυξθσ από τθν Αζρια Φάςθ Φυςικι Εναπόκεςθ Ατμϊν (Physical Vapour Deposition) Εξάχνωςθ (Evaporation) Ραραλλαγζσ τθσ Eξάχνωςθσ: resistance and e-beam types Φυςικoχθμεία και Γεωμετρικά Χαρακτθριςτικά τθσ Εξάχνωςθσ Επιταξία Μοριακισ Δζςμθσ - Molecular Beam Epitaxy High-Tech Εξάχνωςθ? Οριςμόσ τθσ Επιταξίασ: Ομοεπιταξία, Ετεροεπιταξία, Συνάφεια Ρλζγματοσ, Ρεδία Ραραμόρφωςθσ και Δθμιουργία Εξαρμόςεων (Dislocations) Συνκικεσ Ραραγωγισ Μοριακϊν Δεςμϊν Κυψζλλεσ Knudsen Αποδόμθςθ με Laser (Laser Ablation or Pulsed Laser Deposition) Εναπόκεςθ Κακοδικοφ Τόξου Κζνου (Cathodic Vacuum Arc Deposition) Σφγκριςθ των διαφόρων τεχνικϊν PVD: Υπζρ & Κατά ( Pros & Cons)

8 Ρεριεχόμενα του Μακιματοσ Ι 6) Χθμικζσ Μζκοδοι Ανάπτυξθσ από τθν Αζρια Φάςθ Χθμικι Εναπόκεςθ Ατμϊν (Chemical Vapour Deposition) Τφποι Aντιδραςτιρων CVD Αντιδραςτιρεσ Θερμϊν και Ψυχρϊν Τοιχωμάτων (Hot and Cold Wall Reactors) Αντιδραςτιρεσ ςυνόλου διςκιδίων (Batch Reactors, for batches of wafers) CVD Ατμοςφαιρικισ Ρίεςθσ (APCVD) CVD Χαμθλισ Ρίεςθσ (LPCVD) CVD Υποβοθκοφμενθ Από Ρλάςμα (PECVD) Μεταλλοργανικι CVD ι Μεταλλοργανικι Επιταξία Αζριασ Φάςθσ (MOCVD, MOVPE) Επιταξία Αζριασ Φάςθσ Υδριδίων (HVPE) Σφγκριςθ των διαφόρων τεχνικϊν CVD: Υπζρ & Κατά ( Pros & Cons) Εναπόκεςθ Ατομικϊν Στρωμάτων (ALD): Γιατί δεν είναι CVD? Βαςικζσ Χθμικζσ Αντιδράςεισ: Χθμεία Σιλανίου, Μεταλλοργανικϊν (αλκυλίων μετάλλων), Αμμωνίασ, Υδρογονακράκων και Αλογονιδίων

9 Ρεριεχόμενα του Μακιματοσ Ι 7) Κινθτικά φαινόμενα κατά τθν ανάπτυξθ Κινθτικοί παράγοντεσ που κακορίηουν τον ρυκμό εναπόκεςθσ ςτθν CVD Reaction limited growth Transport limited growth Διαγράμματα Arrhenius Διάχυςθ και κίνθςθ νθςίδων ςτισ αναπτυςόμενεσ επιφάνειεσ: Μθχανιςμοί ςυνζνωςθσ νθςίδων

10 Βιβλιογραφία. Λογοκετίδθσ, Σθμειϊςεισ Τεχνολογία Λεπτϊν Υμενίων και Επιφανειϊν, ΑΡΘ Σθμειϊςεισ Ραραδόςεων M. Ohring, Materials Science of Thin Films, Academic Press L.B. Freund and S. Suresh, Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution, Cambridge University Press

11 ΟΡΙΜΟΙ ΣΩΝ ΤΜΕΝΙΩΝ, ΣΩΝ ΕΠΙΚΑΛΤΨΕΩΝ ΚΑΙ ΣΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ Διδιάςτατεσ δομζσ ςτερεϊν Τμζνια: Τεχνθτζσ δομζσ που θ μια διάςταςθ τουσ είναι πολφ μικρότερθ από τισ άλλεσ δφο. Πασιά Τμένια (Επικαλύτειρ): d > 0.5 μm Λεπηά Τμένια: ~5 nm<d<0.5 μm Τπεπ-λεπηά Τμένια: d < ~5 nm Επιθάνεια: Σα δύν σο πέληε εμσηεξηθά, αηνκηθά ζηξώκαηα ελόο ζηεξενύ (0.3 nm<d<3 nm). Σα ππεξ-ιεπηά πκέληα θαη νη επηθάλεηεο είλαη ραξαθηεξηζηηθά παξαδείγκαηα πιηθώλ ζηε ΝΑΝΟΚΛΙΜΑΚΑ

12 Μορφι Τμενίων-Επικαλφψεων Οκνγελή Τκέληα Ιλώδε Τκέληα Πνιπζηξωκαηηθά Τκέληα Ναλνζύλζεηα Τκέληα

13 Γιατί μασ ενδιαφζρουν τα προθγμζνα υλικά?

14 Τα προθγμζνα υλικά βρίςκονται και επθρεάηουν όλεσ τισ κλίμακεσ τθσ κακθμερινότθτάσ μασ Ημιαγωγοί Μίκρο-/Νάνοκλίμακα Οικιακι κλίμακα Καταςκευαςτικά Μάκρο-κλίμακα

15 Computers TV Flat panels Mobile phones Handheld communicators

16 Ο Κφκλοσ του Si: Το πιο επιτυχθμζνο παράδειγμα ανάπτυξθσ προςτικζμενθσ αξίασ βάςει Ε&Τ Κόκκοι Άμμου SiO 2 Ανάμιξθ με C και αναγωγι ςε >2000 ο C Κόκκοι poly-si Ραραγωγι wafer με Czochralski Σχεδιαςμόσ και Ραραγωγι Ρροϊόντων με βάςθ IC Ανάπτυξθ IC με CVD/PVD και Λικογραφία

17 Σι είναι το Transistor? To transistor είναι μια θμιαγωγικι διάταξθ θ οποία λειτουργεί ωσ ενιςχυτισ ι διακόπτθσ θλεκτρικϊν ςθμάτων. Συνεπϊσ, το transistor αποτελεί τθ βάςθ τθσ διαχείριςθσ και τθσ χειραγϊγιςθσ των θλεκτρικϊν ςθμάτων και αποτελεί τθ βάςθ όλων των ολοκλθρωμζνων κυκλωμάτων (Integrated Circuits - IC) και των διατάξεων μικροθλεκτρονικισ

18 Οι πιο κοινοί τφποι transistor Διπολικό Transistor Επαφισ (Bipolar Junction transistor) Transistor Θλεκτρικοφ Ρεδίου (Field Effect Transistor - FET) n Εκπομπόσ p n Συλλζκτθσ Source Gate Μζταλλο Drain Βάςθ Διθλεκτρικό p p p Εκπομπόσ n p Συλλζκτθσ n Βάςθ

19 Nόμοσ του Moore

20 Γιατί ανάπτυξη από την αζρια φάςη? Ζλεγχοσ πάχουσ (υπερ-λεπτά υμζνια) Βζλτιςτοσ ζλεγχοσ δομισ Ομοιογζνεια Conformality Ζλεγχοσ προςμίξεων

21 ΟΡΙΜΟΙ ΣΩΝ ΤΜΕΝΙΩΝ ΚΑΙ ΣΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ Διδιάςτατεσ δομζσ ςτερεϊν Τμζνια: Τεχνθτζσ δομζσ που θ μια διάςταςθ τουσ είναι πολφ μικρότερθ από τισ άλλεσ δφο. Πασιά Τμένια: d > 0.5 μm Λεπηά Τμένια: ~5 nm<d<0.5 μm Τπεπ-λεπηά Τμένια: d < ~5 nm Επιθάνεια: Σα δύν σο πέληε εμσηεξηθά, αηνκηθά ζηξώκαηα ελόο ζηεξενύ (0.3 nm<d<3 nm). Σα ππεξ-ιεπηά πκέληα θαη νη επηθάλεηεο είλαη ραξαθηεξηζηηθά παξαδείγκαηα πιηθώλ ζηε ΝΑΝΟΚΛΙΜΑΚΑ

22 Tεχνολογία Λεπτϊν Τμενίων ςτα Ηλεκτρονικά Τλικά 1) Ηλεκηπονικέρ, μαγνηηικέρ διαηάξειρ 2) Οπηοηλεκηπονικέρ διαηάξειρ 3) Οπηικέρ επικαλύτειρ ζε θακούρ και κάηοπηπα 4) Lasers 5) Σεσνολογία Διαζηήμαηορ

23 Tεχνολογία Λεπτϊν Τμενίων: Άλλεσ Εφαρμογζσ Προςτατευτικά κατά τθσ φκοράσ και διάβρωςθσ επιςτρϊματα πάνω ςε: μαγνθτικά μζςα εγγραφισ ιατρικά εργαλεία και μοςχεφματα μθχανολογικό εξοπλιςμό, προϊόντα ςυςκευαςίασ Machinery Επιςτρϊςεισ φραγμοφ για ςυςκευαςία τροφίμων Προθγμζνουσ νανοδομικοφσ καταλφτεσ Εγαρμογζσ ςτθν Αυτοκινθτοβιομθχανία

24 PLD PECVD Dual Sputtering Load AES EELS Laser

25

26 Dual-Cathode Reactive Magnetron Sputtering

27 Thermal Evaporation (Ohmic Contacts Metallizations - Mirrors)

28 Technical scale coating equipment

29 Επιταξία Μοριακισ Δζςμθσ Molecular Beam Epitaxy (MBE) Ρθγζσ MBE: 1) ΕΒΕ, κυρίωσ για ςτερεά υλικά (π.χ. Si, Ge) 2) Knudsen cells ι effusion cells για ςτερεά υλικά και υλικά χαμθλοφ ςθμείου τιξεωσ όπωσ το Ga 3) ECR gas sources για cracking Ν 2

30 MOCVD

31 Ειςαγωγι ςτθ Θερμοδυναμικι των Υλικϊν και ςτα Διαγράμματα Φάςθσ

32 Θερμοδυναμικι τθσ ανάπτυξθσ Το αν κα είναι επιτρεπτι κερμοδυναμικά μια διαδικαςία κακορίηεται από τθν ελζυκερθ ενζργεια Gibbs: DG = G final - G initial = DH - T DS DG < 0 => Επιτρεπτι διαδικαςία DG > 0 => Απαγορευμζνθ διαδικαςία DG = 0 => Ιςορροπία

33 Χθμικζσ Αντιδράςεισ aa + bb <=> cc Θ μεταβολι τθσ ελεφκερθσ ενζργειασ ςυνδζεται με τισ ςυγκεντϊςεισ των επιμζρουσ αντιδρϊντων/προϊόντων ςτισ ςυνκικεσ ιςορροπίασ και ςτισ ςυνκικεσ αντίδραςθσ όπου R = ςτακερά των αερίων = cal/(mole K)

34 Παράδειγμα: Διαγράμματα Ellingham Δθμιουργία Οξειδίου Αν το Al και το Al 2 O 3 είναι ςε επαφι με το Si και το SiO 2 : Το Al κα οξειδωκεί ςε Al 2 O 3 Το SiO 2 κα αναχκεί ςε Si Πμωσ δεν ζχουμε πλθροφορία για τον ρυκμό τθσ μεταβολισ

35 Παράδειγμα: Προτιμθταία Οξείδωςθ και Δθμιουργία Διαςτρωμάτωςθσ Ραρόμοια, αν ζχουμε ζνα κράμα Ni-Al, το Al κα οξειδωκεί κατά προτίμθς θ (λιγότερο αρνθτικό ΔG) με αποτζλςμα να υπάρξει διαχωριςμόσ Al-Ni και να προκφψει διαςτρωμάτωςθ με Al 2 O 3 ςτθν επιφάνεια που ακολουκείται από μια περιοχι εμπλουτιςμζνθ ςε Ni.

36 Διαγράμματα φάςθσ ενόσ ςτοιχείου Ρροκφπτουν από τθν ελαχιςτοποίθςθ τθσ ελζυκερθσ ενζργειασ κάκε φάςθσ και ειδικά για τισ μετατροπζσ φάςθσ: αερίου - υγροφ - ςτερεοφ Στερεϊν φάςεων διαφορετικισ δομισ (graphite <--> diamond) Στθ διαχωριςτικι γραμμι οι δφο φάςεισ μποροφν να ςυνυπάρχουν.

37 Στα διαγράμματα με τριπλό ςθμείο, ςτο τριπλό ςθμείο ςυνυπάρχουν τρεισ φάςεισ. Το τριπλό ςθμείο βρίςκεται ςε πολφ κακοριςμζνεσ τιμζσ Ρίεςθσ-Θερμοκραςίασ. Ροιό είναι το γνωςτότερο παράδειγμα διαγράμματοσ φάςθσ με τριπλό ςθμείο?

38 Διαγράμματα Φάςθσ Δυο υςτατικϊν Ραραδείγματα: GaAs, NiCr, SiGe, κλπ Μεταβλθτζσ: P, T, και ςφςταςθ => 3D διαγράμματα Για απλοφςτευςθ παρουςιάηουμε τα διαγράμματα για πίεςθ 1 atm και παίρνουμε το απλοφςτερο διάγραμμα Τ-ςφςταςθσ ΡΟΣΟΧΘ! Αυτά τα διαγράμματα είναι κατάλλθλα για ατμοςφαιρικζσ διεργαςίεσ (π.χ. χφτευςθ) αλλά ΠΧΙ για διεργαςίεσ κενοφ όπου θ πίεςθ είναι ποφ μικρότερθ τθσ 1 atm! Συνεπϊσ αυτά τα διαγράμματα φάςθσ δεν ζχουν κακολικι ιςχφ για τθν ανάπτυξθ από τθν αζρια φάςθ για δφο λόγουσ: 1) Χαμθλι πίεςθ 2) Καταςτάςεισ εκτόσ κερμοδυναμικθσ ιςοροπίασ

39 Διαδικά Στερεά ΔΙαλφματα: πλιρωσ διαλυτά ςτοιχεία ςε όλεσ τισ ςυςτάςεισ ςτθν ςτερεά κατάςταςθ Παράδειγμα: Διάλυματα αντικατάςταςθσ Si-Ge

40 Διαγράμματα Δυαδικών Συςτημάτων με Ευτηκτικό Σημείο: Συμβαίνουν όταν ζχουμε περιοριςμζνθ διαλυτότθτα των δφο ςτοιχείων ςτθν ςτερά φάςθ. Ραράδειγμα: δφο ςτερεζσ φάςεισ a, b, a = fcc διάλυμα αντικατάςτςςθσ Sn ςε Pb, b = tetragonal διάλυμα αντικατάςταςθσ Pb ςε Sn

41 Ρότε επιτυγχάνονται τα ςτερεά διαλφματα? Κανόνεσ των Hume-Rothery Καλόλεο γηα ζηεξεά δηαιύκαηα αληηθαηάζηαζεο: 1. Οη αηνκηθέο αθηίλεο ησλ δχν ζπζηαηηθψλ λα είλαη θνληηλέο. Δκπεηξηθά: 2. Οη θξπζηαιιηθέο δνκέο ησλ δχν ζπζηαηηθψλ λα είλαη φκνηεο ή ζπλαθείο (π.ρ. Diam-Si & Diam-Ge) 3. Μέγηζηε δηαιπηφηεηα ζπκβαίλεη φηαλ ηα δχν ζπζηαηηθά έρνπλ ην ίδην ζζέλνο. 4. Σα δπν ζπζηαηηθά λα έρνπλ παξφκνηα ειεθηξαξλεηηθφηεηα. Αλ ππάξρεη δηαθνξά ζηελ ειεθηξαξλεηηθφηεηα, αλ ηη ζηεξεψλ δηαιπκάησλ έρνπκε ηνλ ζρεκαηηζκφ δηκεηαιιηθψλ ελψζεσλ, φπνπ ιακβάλεη ρψξα ΜΔΣΑΦΟΡΑ ΦΟΡΣΗΟΤ θαη αλάπηπμε ρεκηθψλ δεζκψλ κεηαμχ ησλ δχν ζηνηρείσλ Δξώηεζε Πξνβιεκαηηζκνύ: Οη θαλόλεο #2 θαη #3 είλαη πξαγκαηηθά δηαθνξεηηθνί?

42 Ρότε επιτυγχάνονται τα ςτερεά διαλφματα? Κανόνεσ των Hume-Rothery Καλόλεο γηα ζηεξεά δηαιύκαηα ελδνζέηωλ: 1. Ζ αθηίλα ησλ ελδνζέησλ αηφκσλ λα είλαη θαηά πνιχ κηθξφηεξε ηεο αθηίλαο ησλ αηφκσλ ηνπ θπξίσο πιέγκαηνο ψζηε λα κπνξνχλ λα δηαηαρζνχλ εληφο ηνπ θελνχ ρψξνπ. 2. Σα δπν ζπζηαηηθά λα έρνπλ παξφκνηα ειεθηξαξλεηηθφηεηα. Αλ ππάξρεη δηαθνξά ζηελ ειεθηξαξλεηηθφηεηα, αλ ηη ζηεξεψλ δηαιπκάησλ έρνπκε ηνλ ζρεκαηηζκφ δηκεηαιιηθψλ ελψζεσλ, φπνπ ιακβάλεη ρψξα ΜΔΣΑΦΟΡΑ ΦΟΡΣΗΟΤ θαη αλάπηπμε ρεκηθψλ δεζκψλ κεηαμχ ησλ δχν ζηνηρείσλ

43 Γηαγξάκκαηα Φάζεο πνπ πεξηέρνπλ δηκεηαιιηθέο ελώζεηο

44 Επανάλθψθ των Βαςικϊν Στοιχείων Κρυςταλλογραφίασ

45 Κρυςταλλικι δομι των τερεϊν Τα πλζγματα Bravais Τ Θ

46 Κυβικοί Κρφςταλλοι sc bcc fcc diamond zincblend

47 z Δείκτεσ Mueller To κάκε επίπεδο του κρυςτάλλου χαρακτθρίηετι από τρείσ αρικμοφσ (hkl) που ονομάηονται ΔΕΙΚΣΕ MILLER και ορίηονται ωσ οι αντίςτροφοι των τεταγμζνων των τριϊν κρυςταλλογραφικϊν αξόνων από το αντίςτοιχο επίπεδο y Παράδειγμα: Επίπεδο (100) ενόσ κυβικοφ κρυςτάλου x

48 Ο νόμοσ του Bragg για τθν περίκλαςθ d ζ ζ

49 Σφνκετοι Θμιαγωγοί Δομζσ Τετραεδρικισ Συμμετρίασ Δομι Αδάμαντα - Δομι Σφαλερίτθ (ZnS) Διαμάντι ZnS Zincblend

50 Δομζσ Οκταεδρικισ Συμμετρίασ (a) (b) (c)

51 Ανάπτυξθ Υλικϊν από τθν Αζρια Φάςθ

52 Αλλθλεπιδράςεισ ατόμων ςτισ επιφάνειεσ

53 Μθχανιςμοί προςρόφθςθσ Θ Φυςικι προςρόφθςθ (ι φυςιορόφθςθ) είναι ο μθχανιςμόσ προςρόφθςθσ κατά τον οποίο δεν ζχουμε δθμιουργία χθμικϊν δεςμϊν μεταξφ των προςροφθμζνων ατόμων και τθσ επιφάνειασ. Σε αυτι τθν περίπτωςθ οι δυνάμεισ που διζπουν το φαινόμενο είναι οι αςκενείσ δυνάμεισ Van der Waals (ενζργεια δεςμϊν ~0.5 ev).

54 Μθχανιςμοί προςρόφθςθσ Πταν κατά τθν προςρόφθςθ ζχουμε τθν δθμιουργία χθμικϊν δεςμϊν μεταξφ των προςροφθμζνων ατόμων και τθσ επιφάνειασ (ενζργεια δεςμϊν >1 ev) τότε αναφερόμαςτε ςτο μθχανιςμό τθσ Χθμικισ προςρόφθςθσ (ι χθμιορόφθςθσ). Θ υψθλι ενζργεια των δεςμϊν κατά τθν χθμικι προςρόφθςθ ςυνεπάγεται υψθλοφσ ςυντελεςτζσ προςκόλλθςθσ (S~1) άρα και μεγάλουσ ρυκμοφσ προςρόφθςθσ.

55 Μθχανιςμοί προςρόφθςθσ Πταν προςροφοφνται ςυγχρόνωσ δφο ι περιςςότεροι τφποι ατόμων (π.χ. ταυτόχρονθ προςρόφθςθ ατόμων υδρογόνου και άνκρακα) μποροφν να εμφανιςτοφν νζα πολφ ενδιαφζροντα φαινόμενα. To τελικό αποτζλεςμα μιασ διαδικαςίασ ταυτόχρονθσ προςρόφθςθσ εξαρτάται από τον βακμό διαλυτότθτασ των διαφόρων τφπων προςροφθμζνων ατόμων και από τθν φφςθ των δεςμϊν που δθμιουργοφν με τθν επιφάνεια. Μια ακραία περίπτωςθ ταυτόχρονθσ προςρόφθςθσ είναι θ επικοδομθτικι ταυτόχρονθ προςρόφθςθ κατά τθν οποία τα άτομα των δφο προςροφθμζνων υλικϊν αναμιγνφονται ι διαλφονται μεταξφ τουσ κι ζτςι ςχθματίηουν μια νζα μικτι φάςθ.

56 Τί ςυμβαίνει ςτθν επιφάνεια κατά τθν εναπόκεςθ? πκπύθλσζε Δμάηκηζε Αλάπηπμε Sputtering Πξνζξόθεζε ζε εηδηθέο πεξηνρέο Δπηθαλεηαθή Γηάρπζε Ππξελνπνίεζε Δλδνδηάρπζε

57 Τφποι ανάπτυξθσ (α) Ανάπηςξη ζε νηζίδερ Aνάπτυξθ ςε νθςίδεσ (ανάπτυξθ τφπου Volmer-Weber)- 3D. Σε αυτι τθν περίπτωςθ τα εναποτικζμενα άτομα αλλθλεπιδροφν εντονότερα μεταξφ τουσ από ότι με τα επιφανειακά άτομα του υποςτρϊματοσ, αυτό ζχει ωσ αποτζλεςμα να δθμιουργοφνται νθςίδεσ (islands) ατόμων του εναποκζτθ οι οποίεσ κακϊσ περνά ο χρόνοσ μεγαλϊνουν μζχρι που αρχίηει θ ςυνζνωςθ τουσ.

58 (α) Ανάπηςξη ζε νηζίδερ Τφποι ανάπτυξθσ (β) Ανάπηςξη ζε ζηπώμαηα Ανάπτυξθ ςε ςτρϊματα (ανάπτυξθ τφπου Franck-Van der Merwe)-2D. Σε αυτι τθν περίπτωςθ τα εναποτικζμενα άτομα αλλθλεπιδροφν εντονότερα με τα επιφανειακά άτομα του υποςτρϊματοσ από ότι μεταξφ τουσ, αυτό ζχει ωσ αποτζλεςμα να δθμιουργοφνται ομοιογενι ςτρϊματα του εναποκζτθ πάνω ςτο υπόςτρωμα.

59 Θερμοδυναμικι τθσ ανάπτυξθσ (επανάλθψθ για να το εμπεδϊνουμε!) Το αν κα είναι επιτρεπτι κερμοδυναμικά μια διαδικαςία κακορίηεται από τθν ελζυκερθ ενζργεια Gibbs: DG = G final - G initial = DH - T DS DG < 0 => Επιτρεπτι διαδικαςία DG > 0 => Απαγορευμζνθ διαδικαςία DG = 0 => Ιςορροπία

60 Θερμοδυναμικι τθσ ανάπτυξθσ ΡΟΣΟΧΘ! Θ Θερμοδυναμικι μασ λζει τί μπορεί να γίνει ςε κατάςταςθ ιςορροπίασ, αλλά ΠΧΙ πόςο γριγορα μπορεί να γίνει!

61 Το μοντζλο τθσ υγρισ ςταγόνασ Σφμφωνα με αυτό το μοντζλο οι προςροφθμζνοι ατμοί ςυμπεριφζρονται όπωσ μια υγρι ςταγόνα που ςτερεοποιείται: γ S, γ S/F και γ F είναι οι επιφανειακζσ τάςεισ μεταξφ υποςτρϊματοσ-κενοφ, υποςτρϊματοσ-υμενίου και υμενίουκενοφ, αντίςτοιχα.

62 Το μοντζλο τθσ υγρισ ςταγόνασ Η γωνία διαβροχισ φ κακόριηει τον τφπο ανάπτυξθσ: φ=0 ο Ανάπτυξθ ςε ςτρϊματα γ S >γ S/F +γ F cosφ ~90 ο >φ>0 ο Ανάπτυξθ ςε νθςίδεσ γ S <γ S/F +γ F cosφ φ~180 ο Κακι πρόςφυςθ

63 Ραράδειγμα: Ζλεγχοσ τθσ Μορφολογίασ Σφνκετων Υμενίων με Ζλεγχο τθσ Διαβροχισ (Wetting) Γηαδνρηθή ελαπφζεζε δπν ζηεξεψλ κε θαιή δηαβξνρή (θ~0 ν ) Απνηέιεζκα: Τπεξδνκέο! Surface Layer (e.g. TiN)

64 Ραράδειγμα: Ζλεγχοσ τθσ Μορφολογίασ Σφνκετων Υμενίων με Ζλεγχο τθσ Διαβροχισ (Wetting) Γηαδνρηθή ελαπφζεζε δπν ζηεξεψλ κε θαθή δηαβξνρή (θ~180 ν ) Απνηέιεζκα: Δκπεδσκέλα Ναλνζθαηξίδηα! Surface Layer (e.g. a-c)

65 Το μοντζλο τθσ υγρισ ςταγόνασ Ο όροσ γ F cosφ ςυνδζεται με τθν ελεφκερθ ενζργεια Gibbs κατά τθ ςτερεοποίθςθ. Θ μεταβολι τθσ ελεφκερθσ ενζργειασ ΔG για τθν ςτερεοποίθςθ n ατόμων ατμοφ υπολογίηεται και είναι: ΔG=nkTln(p/p o ) p ο είναι θ πίεςθ ςτερεοποίθςθσ (για τθ δεδομζνθ κερμοκραςία Τ) και p είναι θ πίεςθ του καλάμου κενοφ. Για να ςυμβεί ςτερεοποίθςθ ο λόγοσ p/p o, που ονομάηεται βακμόσ υπζρτθξθσ (degree of supersaturation), κα πρζπει να είναι μεγαλφτεροσ ι ίςοσ με τθ μονάδα.

66 Το μοντζλο τθσ υγρισ ςταγόνασ Για τθν τριςδιάςτατθ πυρθνοποίθςθ θ ελεφκερθ ενζργεια για ζναν πυρινα n ατόμων είναι: ΔG 3D =nktln(p o /p)+n 2/3 [C S/F (γ S/F -γ S )+C γ F ] Ππου C και C S/F είναι γεωμετρικζσ ςτακερζσ που ςυνδζουν τθν επιφάνεια και τον όγκο του πυρινα με τον αρικμό των ατόμων, αντίςτοιχα. Για ζναν θμιςφαιρικό πυρινα ακτίνασ r και όγκου V : ΔG 3D =-2πkTln(p o /p)r 3 /3V+2πr 2 γ F + πr 2 (γ S/F -γ S )

67 Το μοντζλο τθσ υγρισ ςταγόνασ Θ ελεφκερθ ενζργεια για ζναν διδιάςτατο πυρινα n ατόμων είναι: ΔG 2D =nktln(p o /p)+n V 2/3 *γ S/F -γ S +γ F ]+n 1/2 Cγ E Για ζναν πυρινα γεωμετριάσ επίπεδου, κυκλικοφ δίςκου ακτίνασ r και πλεγματικισ ςτακεράσ α: ΔG 2D =-πktln(p o /p)αr 2 /V+παr 2 (γ F +γ S/F -γ S )/V 1/3 + 2πrγ E Οι τελευταίοι όροι είναι κετικοί και αποτελοφν τουσ φραγμοφσ πυρθνοποίθςθσ.

68 Το μοντζλο τθσ υγρισ ςταγόνασ

69 Το μοντζλο τθσ υγρισ ςταγόνασ Ο υπολογιςμόσ του κριςίμου μεγζκουσ και τθσ αντίςτοιχθσ ελεφκερθσ ενζργειασ γίνεται μζςω διαφόριςθσ των ςχζςεων τθσ ελεφκερθσ ενζργειασ: 3D: ΔG 3D (n cr )=(4/27) [C S/F (γ S/F -γ S )+C γ F ] 3 / [ktln(p o /p)] 2 n cr =[2{C S/F (γ S/F -γ S )+C γ F } / 3kTln(p o /p)] 3 2D: ΔG 2D (n cr )=(1/4) [Cγ E ] / [ktln(p o /p)-(γ F -γ S/F -γ S )] n cr =[(Cγ E ) /{2kTln(p o /p)-(γ F -γ S/F -γ S )}] 2

70 Το μοντζλο τθσ υγρισ ςταγόνασ Ο ρυκμόσ δθμιουργίασ διδιάςτατων ι τριςδιάςτατων πυρινων κριςίμου μεγζκουσ (N 3D ι Ν 2D, αντίςτοιχα) προςδιορίηεται από τθν ελεφκερθ ενζργεια με τον εκκετικό νόμο του Arrhenious (Μ είναι μια ςτακερά): N 3D =M exp[-δg 3D (n cr )/kt] N 2D =M exp[-δg 2D (n cr )/kt] Ο ρυκμόσ πυρθνοποίθςθσ επθρεάηει και τον ρυκμό εναπόκεςθσ του υμενίου.

71 Προτιμθταία πυρθνοποίθςθ Τα περιςςότερα υποςτρϊματα δεν είανι απολφτωσ λεία, παρουςίαηουν βιματα/ςκαλοπάτια, ταράτςεσ, κλπ, που δρουν ωσ ςθμεία προτιμθταίασ πυρθνοποίθςθσ. Γιατί?

72 Τεχνολογία Κενοφ

73 H έλλνηα ηνπ θελνύ Με ηνλ όξν κενό (vacuum) ελλννύκε έλα ρώξν ε πίεζε ηνπ νπνίνπ είλαη κηθξόηεξε από ηελ αηκνζθαηξηθή. Eλα πεξηβάιινλ θελνύ είλαη έλα ζύλζεην πεξηβάιινλ θαη, παξόιν πνπ ελδερνκέλσο ν όξνο παξαπιαλεί, δελ είλαη νύηε αδξαλέο νύηε άδεην. Γηα πξαθηηθνύο ιόγνπο δηαθξίλνπκε ηέζζεξεηο πεξηνρέο ζην εύξνο θαη ηηο θιίκαθεο κέηξεζεο θαη επίηεπμεο ηνπ θελνύ : Υακειό (Low or Rough Vacuum) Μέζν (Medium Vacuum) Τςειό (HV, High Vacuum) Τπεξ-πςειό (UHV, Ultra-High Vacuum) 1013 mbar - ιίγα mbar ιίγα mbar mbar 10-3 mbar mbar 10-7 mbar

74 Μνλάδεο κέηξεζεο πίεζεο ζην θελό mbar torr (mmhg) pascal (Nm -2 ) Atmospheres mbar x10-4 torr (mmhg) x10-3 pascal (Nm -2 ) x x10-6

75 Μνλάδεο κέηξεζεο πίεζεο ζην θελό

76 Κινητική Αερίων Ι Tα επηθαλεηαθά άηνκα ησλ ζηεξεώλ πιηθώλ έρνπλ έλαλ αξηζκό από ειεύζεξνπο δεζκνύο. Σν γεγνλόο απηό έρεη σο απνηέιεζκα λα είλαη πνιύ εύθνιν άηνκα ηνπ πεξηβάιινληνο κέζνπ ελόο πιηθνύ, γηα παξάδεηγκα ε αηκόζθαηξα, λα πξνζθνιεζνύλ ζηελ επηθάλεηά ηνπ, νπόηε ιέκε όηη ε ππό κειέηε επηθάλεηα ηνπ πιηθνύ είλαη μη καθαπή (dirty). Βεβαίσο απηά ηα άηνκα είλαη μέλα πξνο ην πιηθό θαη κπνξνύλ λα ζρεκαηίζνπλ κηα άιιε επηθάλεηα ή λα πξνθαιέζνπλ ηελ αθεηεξία γηα ηελ θαηαζηξνθή ή ηελ δηάβξσζε ηνπ πιηθνύ. Αο δνύκε ηώξα πνηεο είλαη ε ζπλζήθεο πνπ απαηηνύληαη, έηζη ώζηε λα δηαηεξεζεί ε επηθάλεηα ελόο πιηθνύ θαζαξή. Έζησ όηη ε πξνο εμέηαζε επηθάλεηα ελόο πιηθνύ βξίζθεηαη ζε έλα ζάιακν όγθνπ V, εάλ Ν είλαη ν αξηζκόο ησλ αηόκσλ (ή κνξίσλ) ηνπ αεξίνπ πνπ βξίζθεηαη ζηνλ ζάιακν θαη απνηειεί ην πεξηβάιινλ ηεο επηθάλεηαο, <v z > ε κέζε ηαρύηεηα ησλ κνξίσλ ηνπ αεξίνπ ζηελ θάζεηε πξνο ηελ επηθάλεηα δηεύζπλζε, ηόηε από ηελ θηλεηηθή ζεσξία ησλ αεξίσλ ν αξηζκόο dn/dt ησλ αηόκσλ πνπ πξνζπίπηνπλ ζηελ επηθάλεηα είλαη: dn s /dt = S dn/dt= S(N/V) <v z >, όπνπ dn s /dt είλαη αξηζκόο ησλ αηόκσλ πνπ επηθάζνληαη ζε κηα επηθάλεηα 1 cm 2 ζε ρξόλν 1 sec θαη S ν ζςνηελεζηήρ πποζκόληζηρ πνπ νξίδεηαη σο ην πνζνζηό ησλ πξνζπηπηόλησλ αηόκσλ πνπ επηθάζεηαη ζηελ επηθάλεηα.

77 Κινητική Αερίων ΙΙ όηη: Από ηελ θιαζζηθή ζηαηηζηηθή κεραληθή (θαηαλνκή Maxwell - Boltzmann) έρνπκε <v z > = (k B T/2πm) 1/2, όπνπ k B είλαη ε ζηαζεξά ηνπ Boltzmann, Σ είλαη ε απόιπηε ζεξκνθξαζία θαη m ε αηνκηθή κάδα ηνπ αεξίνπ. Υξεζηκνπνηόληαο ηελ βαζηθή ζρέζε ησλ ηδαληθώλ αεξίσλ PV=Nk B T θαηαιήγνπκε ζηελ αθόινπζε ζρέζε: S P dn s /dt = S (N/V) (k B T/2πm) 1/ / 2 ( cm sec ), ( mt) όπνπ Ρ ε πίεζε ηνπ ζαιάκνπ κεηξνύκελε ζε Torr. Γλσξίδνληαο όηη γηα λα έρνπκε πιήξε θάιπςε (όιε ε επηθάλεηα λα θαιπθζεί κε κία ζηξώζε - monolayer) κηαο επηθάλεηαο 1 cm 2 ρξεηάδεηαη λα πξνζθνιεζνύλ ~3x10 14 άηνκα, θαηαιαβαίλνπκε όηη ζε ζεξκνθξαζία δσκαηίνπ (300 ν K), γηα ηππηθέο αηνκηθέο κάδεο (π.ρ. 16 γηα ην νμπγόλν) θαη γηα ζπληειεζηή πξνζθόιεζεο ηεο ηάμεο ηεο κνλάδαο ζα έρνπκε: dn s /dt 106 P( monolayers / sec). Γειαδή, θάησ από απηέο ηηο ζπλζήθεο ζα έρνπκε αλάπηπμε ελόο κνλνζηξώκαηνο (monolayer, ML) αηόκσλ ηνπ αεξίνπ ζε ρξόλν ν νπνίνο ζα δίλεηαη από ηε ζρέζε: t 10 6 (sec). P

78 Σν κέζν κήθνο ειεύζεξεο δηαδξνκήο Σν κέζν κήθνο ειεχζεξεο δηαδξνκήο είλαη ην κέζν κήθνο πνπ δηαλχεη έλα κφξην ηνπ αεξίνπ κεηαμχ δχν θξνχζεσλ. Δμαξηάηαη άκεζα απφ ηελ πίεζε ηνπ ζαιάκνπ. Γηα έλα ηδαληθφ αέξην (PV=NkT) κε ζθαηξηθά κφξηα δηακέηξνπ ζ ηζρχεη: Γηα ηα ζπλήζε αέξηα (Ο 2, Ζ 2, CO, CO 2, H 2 O, θιπ) ζε Κ:

79 Σύπνη ξνήο αεξίωλ ζε ζπζηήκαηα θελνύ Ιμώδεο ξνή (viscous flow) ζπκβαίλεη γηα πηέζεηο κεγαιχηεξεο απφ 10-2 torr/mbar ραξαθηεξίδεηαη απφ ζπρλέο θξνχζεηο κεηαμχ ησλ κνξίσλ ηνπ αεξίνπ νη θξνχζεηο κεηαμχ ησλ κνξίσλ ηνπ αεξίνπ είλαη ζπρλφηεξεο απφ ηηο θξνχζεηο κε ηα ηνηρψκαηα ηνπ ζαιάκνπ ην αέξην ζπκπεξηθέξεηαη σο ζπλερέο κέζν (φπσο ηα πγξά) Σερληθέο παξαζθεπήο ιεπηώλ πκελίωλ κε ρξήζε ημώδνπο ξνήο: Sputtering, PECVD, APCVD

80 Σύπνη ξνήο αεξίωλ ζε ζπζηήκαηα θελνύ Μνξηαθή ξνή (molecular flow) ζπκβαίλεη γηα πηέζεηο κηθξφηεξεο απφ 10-4 torr/mbar νη θξνχζεηο κεηαμχ ησλ κνξίσλ ηνπ αεξίνπ είλαη ζπαληφηεξεο απφ ηηο θξνχζεηο κε ηα ηνηρψκαηα ηνπ ζαιάκνπ ην κφξηα ηνπ αεξίνπ δηαλχνπλ κεγάιεο απνζηάζεηο κεηαμχ θξνχζεσλ ην κφξηα ηνπ αεξίνπ ζπκπεξηθέξνληαη σο αλεμάξηεηα ζσκαηίδηα ησλ νπνίν νη θηλήζεηο δελ αιιειεπηδξνχλ Σερληθέο παξαζθεπήο ιεπηώλ πκελίωλ κε ρξήζε κνξηαθήο ξνήο: Evaporation (ζπλήζσο), MBE, PLD, LPCVD

81 Σφςταςθ αζρα ςε ΚΣ

82 Σσμπέρασμα από την Κινητική Αερίων Απηό ζεκαίλεη όηη γηα λα ζρεκαηηζζεί ζηελ επηθάλεηα ελόο πιηθνύ, κέζα ζε έλα ζάιακν ρακειήο πίεζεο, ην πνιύ έλα κνλό κνλόζηξσκα (ML) αηόκσλ θαηά ηε δηάξθεηα ελόο δεπηεξνιέπηνπ ή κίαο ώξαο, ζα πξέπεη ε πίεζε ζην ζάιακν καο λα είλαη ηεο ηάμεο 10-6 Torr ή Torr, αληίζηνηρα. Η πεξηνρή απηώλ ησλ πηέζεσλ ζε έλα ζάιακν αλαθέξεηαη ζαλ πςειό θελό (High Vacuum) ή ζαλ ςπεπςτηλό κενό (Ultra High Vacuum - UHV), αληίζηνηρα. Η πεξηνρή απηώλ ησλ πηέζεσλ, θαη ηδίσο ηνπ ππεξπςεινύ θελνύ επηηπγράλεηαη κόλν ζε εηδηθνύο κνλσκέλνπο κεηαιιηθνύο ζαιάκνπο ππό θαζεζηώο πςειήο άληιεζεο κε ηε βνήζεηα εηδηθώλ αληιηώλ. Σέηνηνπ είδνπο ζάιακνη ππεξπςεινύ θελνύ, ιόγσ ησλ πιήξσο ειεγρόκελσλ ζπλζεθώλ ζην εζσηεξηθό ηνπο, ρξεζηκνπνηνύληαη θαη γηα ηελ αλάπηπμε ιεπηώλ πκελίσλ κε ειεγρόκελε πεξηεθηηθόηεηα ζε πξνζκίμεηο.

83 Χριςεισ κενοφ ςφμφωνα με τθν Κινθτικι των αερίων

84

85 Γιατί το κζλουμε? 1.Απομάκρυνςθ ενεργϊν ατμοςφαιρικϊν ςυςτατικϊν που μποροφν να προκαλζςουν φυςικζσ ι χθμικζσ αντιδράςεισ (π.χ. ςε θλεκτρικζσ λάμπεσ, ςυςκευαςία προϊόντων) 2.Επίτευξθ διαφοράσ πίεςθσ (π.χ. για ςυγκράτθςθ, ανφψωςθ, μεταφορά) 3. Μείωςθ μεταφοράσ ενζργειασ (π.χ. για κερμικι και θλεκτρικι μόνωςθ) 4. Απομάκρυνςθ προςροφθμζνων ι διαλυμζνων αερίων και πτθτικϊν υγρϊν από τθν κφρια μάηα υλικϊν (π.χ. degassing λαδιϊν και λυοφιλοποίθςθ (freeze-drying)) 5. Αφξθςθ τθσ απόςταςθσ που πρζπει να διανφςει ζνα ςωματίδιο πριν ςυγκρουςτεί με ζνα άλλο, βοθκϊντασ ζτςι τα ςωματίδια να διανφςουν τθν απόςταςθ ανάμεςα ςε μια πθγι και ζνα ςτόχο χωρίσ ςυγκροφςεισ (π.χ. παραγωγι επικαλφψεων, ςωλινεσ ακτίνων-χ και τθλεόραςθσ, επιταχυντζσ ςωματιδίων, κ.λ.π.). 6. Ραραγωγι κακαρϊν επιφανειϊν (χριςιμθ ςτθν παραςκευι κακαρϊν λεπτϊν υμενίων και ςε μελζτεσ επιφάνειασ για εφαρμογζσ, όπωσ διάβρωςθ, κατάλυςθ, μικροθλεκτρονικι, κ.λ.π.).

86 Φαινόμενα ποσ σσμβαίνοσν στα τοιτώματα των θαλάμων κενού

87 Σηκέο Πηέζεωλ ρεηηθέο κε πζηήκαηα Αλάπηπμεο Τιηθώλ θαη Λεπηώλ Τκελίωλ Ζ ΒΑΙΚΗ ΠΙΔΗ είλαη ραξαθηεξηζηηθή πίεζε ηνπ θάζε ζπζηήκαηνο θελνχ/αλάπηπμεο θαη νξίδεηαη σο: Η ρακειόηεξε δπλαηή πίεζε πνπ κπξεί λα επηηεπρζεί ζε έλα ζάιακν θελνύ ζε θαηάζηαζε πιήξνπο άληιεζεο θαη κεδεληθήο παξνρήο αεξίωλ/πγξώλ θαη ρωξίο ηεο ελεξγνπνίεζε ηωλ πήγώλ αηκώλ. Ζ βαζηθή πίεζε είλαη ραξαθηεξηζηηθή ηνπ ζπζηήκαηνο θελνχ ΚΑΗ ΌΥΗ ησλ δηεξγαζηψλ πνπ κπνξνχλ λα ζπκβνχλ εληφο ηνπ ζαιάκνπ. Ζ ΠΙΔΗ ΛΔΙΣΟΤΡΓΙΑ είλαη ραξαθηεξηζηηθή πίεζε ηεο θάζε δηεξγαζίαο θαη καηξάηαη θαηά ηε δηάξθεηα ηεο δηεξγαζίαο κε ηηο παξνρέο αεξίσλ/πγξψλ ζηαζεξέο θαη ηηο πεγέο αηκψλ αλνηρηέο

88 Ειςαγωγι ςτισ αντλίεσ Το ιδανικό ςφςτθμα κενοφ αποτελείται από ζναν πλιρωσ αεροςτεγι κάλαμο κενοφ ςυνδεδεμζνο με μια τζλεια αντλία Θ αντλία είναι ςε κζςθ να αιχμαλωτίςει οποιοδιποτε μόριο περάςει τθν είςοδο τθσ, ενϊ δεν ςυνειςφζρει ανεπικφμθτα αζρια και ατμοφσ ςτθν ατμόςφαιρα του καλάμου. Κανζνασ από τουσ υπάρχοντεσ τφπουσ αντλιϊν δεν διακζτει όλα τα ιδανικά χαρακτθριςτικά. Ρ.χ. οι πραγματικζσ αντλίεσ δεν είναι εξίςου αποτελεςματικζσ ςτθν άντλθςθ διαφορετικϊν αερίων, ενϊ επιτυγχάνουν ικανοποιθτικι ταχφτθτα ςε περιοριςμζνθ περιοχι πιζςεων.

89 Τφποι αντλιϊν Gas transfer pumps (αντλίεσ μεταφοράσ αερίων) : Οι αντλίεσ αυτζσ απομακρφνουν τα μόρια των αερίων από τον αντλοφμενο όγκο και τα αποδίδουν ςε ζνα ι περιςςότερα ςτάδια ςυμπίεςθσ ςε υψθλότερθ πίεςθ. Ραραδείγματα τζτοιων αντλιϊν : rotary-vane, rotary-piston, mechanical booster (roots pump), turbomolecular pump. Capture pumps (αντλίεσ ςφλλθψθσ) : Σε αυτζσ τα αζρια παραμζνουν μζςα ςτθν αντλία αφοφ κατακρατοφνται ςτα εςωτερικά τουσ τοιχϊματα με ρόφθςθ, ςυμπφκνωςθ, κ.λ.π. Ραραδείγματα τζτοιων αντλιϊν : sorption pump, sublimation pump, sputter-ion pump, cryopump.

90 Χριςθ αντλιϊν

91 Αντλίες LV Υακειφ θαη κέζν θελφ: Αληιίεο φπσο ε: 1) rotary-vane, 2) roots pump (mechanical booster). Μεηψλνπλ ηελ πίεζε ζε έλα ζχζηεκα κε επαλαιεπηηθή ιήςε δεηγκάησλ αεξίνπ. Ο κεραληζκφο ηεο αληιίαο απνκνλψλεη ην αέξην απφ ηελ είζνδν, ην ζπκπηέδεη θαη ην απνβάιιεη κέζσ κηαο εμφδνπ.

92 Υακειφ θαη κέζν θελφ: Αντλίες LV II Αληιίεο rotary-vane

93 Diffusion pump : Στθν αντλία διάχυςθσ θ μεταφορά αερίων επιτυγχάνεται μζςω μιασ ςειράσ ακροφυςίων ατμϊν υψθλισ ταχφτθτασ (ςυνικωσ χρθςιμοποιείται ατμόσ ελαίων), τα οποία βρίςκονται μζςα ςτο κυρίωσ ςϊμα τθσ αντλίασ. Σε κανονικι λειτουργία ζνα μζροσ του αερίου που ειςζρχεται ςτθν είςοδο του ακροφυςίου ςυμπαραςφρεται, ςυμπιζηεται και μεταφζρεται ςτο επόμενο ςτάδιο. Αντλίεσ HV-UHV I

94 Αντλίεσ HV-UHV I Aντλία διάχυςθσ πολλαπλϊν ςταδίων

95 Αντλίεσ HV-UHV II Turbomolecular pump: Αυτόσ ο τφποσ περιλαμβάνει ζνα ςτροφζα (rotor) με κεκλιμζνα πτερφγια που κινοφνται με μεγάλθ ταχφτθτα ανάμεςα ςε αντίςτοιχα ακίνθτα πτερφγια ςε ζνα ςτάτορα (stator). Τα μόρια του ειςερχόμενου αερίου αποκτοφν μια πρόςκετθ ςυνιςτϊςα ταχφτθτασ και ςυγκεκριμζνθ κατεφκυνςθ μζςω επαναλαμβανόμενων ςυγκροφςεων με τον ταχζωσ κινοφμενο ςτροφζα.

96 Μανόμετρα υποπίεςθσ

97 Μανόμετρα υποπίεςθσ Οη κεηξεηηθέο απηέο δηαηάμεηο (ή κεηξεηέο θελνχ) ηαμηλνκνχληαη ζηηο εμήο θχξηεο θαηεγνξίεο : 1. κεηξεηέο κεραληθψλ θαηλνκέλσλ, 2. κεηξεηέο θαηλνκέλσλ κεηαθνξάο, 3. κεηξεηέο θαηλνκέλσλ ηνληζκνχ.

98 Μεραληθά Μαλφκεηξα Ζ ιεηηνπξγία ησλ κεηξεηψλ κεραληθψλ θαηλνκέλσλ ζηεξίδεηαη ζηελ πξαγκαηηθή δχλακε πνπ αζθείηαη απφ ην αέξην. Παξαδείγκαηα ηέηνησλ κεηξεηψλ είλαη : U-tube, capsule dial, strain, capacitance manometer, McLeod, θ.ι.π. Ζ κέηξεζε ηεο πίεζεο ζηεξίδεηαη ζηε κέηξεζε π.ρ. ηεο κεηαηφπηζεο ελφο ειαζηηθνχ πιηθνχ ή ηεο δχλακεο πνπ απαηηείηαη γηα ηελ εμηζνξξφπεζε απηήο ηεο κεηαηφπηζεο.

99 Μαλφκεηξα Φαηλνκέλσλ Μεηαθνξάο Οη κεηξεηέο θαηλνκέλσλ κεηαθνξάο: κεηξνχλ ηελ αληίζηαζε ηνπ αεξίνπ ζε έλα θηλνχκελν ζψκα, π.ρ. spinning rotor gauge βαζίδνληαη ζηε ζεξκηθή αγσγηκφηεηα ηνπ αεξίνπ, π.ρ. Pirani θαη thermocouple gauges.

100 Μαλφκεηξα Υσξεηηθφηεηαο (Capacitance Manometers) Ζ κεραληθή πίεζε πνπ αζθείηαη απφ ηα κφξηα ηνπ αεξίνπ παξακνξθψλεη έλα δηάθξαγκα (κεκβξάλε) ζε έθηαζε. Μεηαμχ ηνπ δηαθξάγκαηνο θαη ελφο αθιφλεηνπ ειεθηξνδίνπ δεκηνπξγείηαη έλαο ππθλσηήο αέξνο ηνπ νπνίνπ ε ρσξεηηθφηεηα κεηαβάιιεηαη αλάινγα κε ηελ απφζηαζε ησλ δχν ειεθηξνδίσλ. Σα καλφκεηξα ρσξεηηθφηεηαο έρνπλ εληππσζηαθή γξακκηθή απφθξηζε Έρνπλ ηελ ίδηα απφθξηζε αλεμάξηεηα ηεο ρεκείαο ηνπ αεξίνπ

101 Μαλφκεηξα Υσξεηηθφηεηαο (Capacitance Manometers) Κάζε καλφκεηξν ρσξεηηθφηεηαο κπνξεί λα ιεηηνπξγήζεη ζε έλα εχξνο ην πνιχ 3-4 ηάμεσλ κεγέζνπο πίεζεο. Γηα λα επηηχρνπκε ιεηηνπξγία ζε ρακειφηεξεο πηέζεηο πξέπεη λα ηνπνζεηήζνπκε κηα κεραληθά πην επαίζζεηε κεκβξάλε Ζ θαηψηεξε πίεζε ιεηηνπξγίαο κπνξεί λα είλαη κέρξη 10-5 torr/mbar Σα καλφκεηξα ρσξεηηθφηεηαο είλαη ηα πην ζπλεζηζκέλα φξγαλα κέηξεζεο ηεο ΠΗΔΖ ΛΔΗΣΟΤΡΓΗΑ

102 Μαλφκεηξα Θεξκνδεχγνπο (Thermocouple Gauges) Σα καλφκεηξα ζεξκνδεχγνπο βαζίδνληαη ζηελ κέηξεζε ηεο απαγσγήο ηεο ζεξκφηεηαο απφ ηα κφξηα ηνπ αεξίνπ Ζιεθηξηθφ ξεχκα ζεξκαίλεη κηα αληίζηαζε κέρξη κηα ηειηθή ζεξκνθξαζία ε νπνία εμαξηάηαη απφ ηνλ ξπζκφ απαγσγήο ζεξκφηεηαο (πίεζε αεξίνπ). Σν ζεξκνδεχγνο κεηξά απηή ηε ζεξκνθξαζία ε νπνία αλάγεηαη ζε κνλάδεο πίεζεο κέζσ θαηάιιειεο βαζκνλφκεζεο Σν εχξνο ιεηηνπξγίαο είλαη ζπλήζσο απφ 1 έσο 1000 Torr

103 Μαλφκεηξo Pirani Σo καλφκεηξν Pirani είλαη αληίζηνηρν κε ηα καλφκεηξα ζεξκνδεχγνπο Ζ βαζηθή ηνπ δηαθνξά είλαη φηη αληί ηεο κέηξεζεο ηεο ζεξκνθξαζίαο κε ζεξκνδεχγνο, κεηξά ηε ζεξκνθξαζία κέζσ ηεο εηδηθήο αληίζηαζεο ηνπ λήκαηνο ζέξκαλζεο Δίλαη ην ζπλεζέζηεξν καλφκεηξν ρακεινχ θελνχ

104 Μαλφκεηξα Ηνληζκνχ Οη κεηξεηέο, ε ιεηηνπξγία ησλ νπνίσλ ζηεξίδεηαη ζε θαηλφκελα ηνληζκνχ, ηνλίδνπλ ην αέξην θαη κεηξνχλ ην ζπλνιηθφ ξεχκα ησλ ηφλησλ. Παξαδείγκαηα ηέηνησλ κεηξεηψλ είλαη : cold cathod ionization (Penning) gauges θαη hot cathod ionization (Bayart/Alpert) gauges.

105 Μαλφκεηξν ηνληζκνχ ζεξκήο θαζφδνπ Bayart-Alpert Βαζίδεηαη ζηε κέηξεζε ηνπ ειεθηξηθνχ ξεχκαηνο δηακέζνπ ηνπ ζπιιέθηε ην νπνίν πξνθαιείηαη απφ ξνή ηφλησλ Σα ηφληα δεκηνπξγνχληαη θνληά ζε έλα πιέγκα (grid) ιφγσ θξνχζεσλ κε ειεθηξφληα πςειήο ελέξγεηαο ηα νπνία εθπέκπνληαη ζεξκηνληθά απφ έλα παξαθείκελν λήκα

106 Μαλφκεηξν ηνληζκνχ ζεξκήο θαζφδνπ Bayart-Alpert Ο βαζκφο ηνληζκνχ εμαξηάηαη απφ ηε ρεκεία ηνπ αεξίνπ, ζπλεπψο ε επαηζζεζία ηνπ καλφκεηξνπ Bayart-Alpert κεηαβάιιεηαη ζηα δηάθνξα αέξηα Έρεη κεγάιν εχξνο ιεηηνπξγίαο ( Torr/mbar) Δλεξγνπνίεζε ζε πςειέο πηέζεηο κπνξεί λα πξνθαιέζεη θζνξά (αθφκα θαη θαηαζηξνθή) ηνπ λήκαηνο Πξέπεη λα απνθεχγεηαη ε ρξήζε ηνπ ζε ζαιάκνπο κε εχθιεθηα αέξηα Απνηειεί ην θαιχηεξν φξγαλν κέηξεζεο ηεο ΒΑΗΚΖ ΠΗΔΖ ζε ζαιάκνπο UHV

107 Μαλφκεηξν ηνληζκνχ ςπρξήο θαζφδνπ Penning Βαζίδεηαη ζηε κέηξεζε ηνπ ειεθηξηθνχ ξεχκαηνο δηακέζνπ ηεο ςπρξήο θαζφδνπ ην νπνίν πξνθαιείηαη απφ ξνή ηφλησλ Σα ηφληα δεκηνπξγνχληαη ιφγσ ηνπ ηζρπξνχ ειεθηξηθνχ πεδίνπ Ο βαζκφο ηνληζκνχ απμάλεη κε ρξήζε καγλεηηθνχ πεδίνπ

108 Μαλφκεηξν ηνληζκνχ ςπρξήο θαζφδνπ Penning Ο βαζκφο ηνληζκνχ εμαξηάηαη απφ ηε ρεκεία ηνπ αεξίνπ, ζπλεπψο ε επαηζζεζία ηνπ καλφκεηξνπ Penning κεηαβάιιεηαη ζηα δηάθνξα αέξηα Έρεη ζρεηηθά κεγάιν εχξνο ιεηηνπξγίαο ( Torr/mbar), αιιά κηθξφηεξν απφ ην Bayart-Alpert Δίλαη πην αδξαλέο απφ ην Bayart-Alpert αιιά κπνξεί θαη απηφ λα πξνθαιέζεη αλάθιεμε Απνηειεί ελαιιαθηηθφ φξγαλν κέηξεζεο ηεο ΒΑΗΚΖ ΠΗΔΖ ζε ζαιάκνπο HV Δίλαη ην κνλαδηθφ φξγαλν κέηξεζεο ΒΑΗΚΖ ΠΗΔΖ θαη ΠΗΔΖ ΛΔΗΣΟΤΡΓΗΑ (γηα δηεξγαζίεο κνξηαθήο ξνήο)

109 Φαζκαηνγξάθνο Μάδαο Δάλ ζε θάπνηα δηεξγαζία θελνχ είλαη απαξαίηεηε ιεπηνκεξέζηεξε πιεξνθνξία απφ ηελ ρνλδξηθή εθηίκεζε ηεο ζπλνιηθήο πίεζεο, ηφηε απαηηείηαη ε αλίρλεπζε θαη πνζνηηθνπνίεζε θάζε αεξίνπ θαη αηκνχ πνπ ππάξρεη κέζα ζην ζχζηεκα. Όξγαλα πνπ κπνξνχλ λα δψζνπλ ηέηνηα πιεξνθνξία, αθφκε θαη ζε αηκνζθαηξηθή πίεζε, είλαη νη θαζκαηνγξάθνη κάδαο, νη νπνίνη ζπλαληψληαη θαη σο: αλαιπηέο κεξηθήο πίεζεο (partial pressure analyzers), αλαιπηέο θελνχ (vacuum analyzers), αλαιπηέο ελαπνκελφλησλ αεξίσλ (residual gas analyzers)).

110 Φαζκαηνγξάθνο Μάδαο Οη θαζκαηνγξάθνη κάδαο είλαη ζχλζεηεο κνλάδεο ή φξγαλα κέηξεζεο θαη ζπλήζσο απνηεινχληαη απφ ηέζζεξα βαζηθά ηκήκαηα: 1. Δλα ζηάδην ηνληζκνχ, φπνπ παξάγνληαη ηφληα (πεγή ηφλησλ) 2. Έλα ζηάδην αλάιπζεο κάδαο, φπνπ ηα ηφληα δηαρσξίδνληαη αλάινγα κε ηνλ ιφγν ηεο κάδαο πξνο ην θνξηίν ηνπο, έηζη ψζηε έλαο κφλν ηχπνο ηφλησλ λα πξνρσξήζεη πξνο ηνλ 3. Αληρλεπηή ηφλησλ, φπνπ νη ζρεηηθέο πνζφηεηεο ησλ ηφλησλ ζπιιέγνληαη σο ξεχκα ηφλησλ (ion current) 4. Σν ηειηθφ ζηάδην, φπνπ ην ξεχκα ησλ ηφλησλ εληζρχεηαη θαη εκθαλίδεηαη γηα ζπγθεθξηκέλν ξεχκα εθπνκπήο.

111 Φαζκαηνγξάθνο Μάδαο Μαγλεηηθνχ Πεδίνπ

112 Σεηξαπνιηθφο Φαζκαηνγξάθνο Μάδαο Μηα ηεηξαγσληθή δηάηαμε ειεθηξνδίσλ απνηεινχκελε απφ ηέζζεξηο παξάιιειεο θπθιηθέο ξάβδνπο πνπ δεκηνπξγνχλ έλα πεδίν ζπγθεθξηκέλεο ξαδηνζπρλφηεηαο ιίγσλ MHz. Ωο απνηέιεζκα ηνπ ελαιιαζζφκελνπ πεδίνπ πνπ δεκηνπξγείηαη, ηα ζεηηθά ηφληα πνπ εηζέξρνληαη ζηελ πεξηνρή ηνπ ηεηξαπφινπ ππνρξεψλνληαη ζε ηαιάλησζε.

113 Σεηξαπνιηθφο Φαζκαηνγξάθνο Μάδαο Γηα κηα ζπγθεθξηκέλε ζπρλφηεηα κφλν ηφληα ζπγθεθξηκέλεο κάδαο ζα πθίζηαληαη ζηαζεξή ηαιάλησζε θαη ζα θζάλνπλ ζην ζπιιέθηε, ελψ ηα ππφινηπα (κεγαιχηεξεο ή κηθξφηεξεο κάδαο) ζπιιέγνληαη ζηηο ξάβδνπο. Με απηφ ηνλ ηξφπν επηηπγράλεηαη ν δηαρσξηζκφο ησλ ηφλησλ.

114 Φαζκαηνγξάθνη Μάδαο: χγθξηζε Μαγνηηικήρ εκηποπήρ 1. Ογθώδεο 2. Ληγόηεξν επαίζζεηνο ζε κόιπλζε 3. Σν καγλεηηθό πεδίν κπνξεί λα επεξεάδεη ηνλ ππόινηπν εμνπιηζκό 4. Ο καγλήηεο κπνξεί λα ρξεηάδεηαη πεξηνδηθή απνκάθξπλζε γηα ζέξκαλζε Τεηπάπολος 5. Δπζύλνπηνο (compact) 6. Eπαίζζεηνο ζε κόιπλζε 7. Γελ ρξεζηκνπνηεί καγλεηηθό πεδίν 8. Μπνξεί λα είλαη θζελόηεξνο από ηνλ καγλεηηθνύ ηύπνπ

115 Φαζκαηνγξάθνη Μάδαο: Γεληθά Υαξαθηεξηζηηθά Όξηα πίεζεο : Σν αλψηεξν φξην πίεζεο γηα ηθαλνπνηεηηθή ιεηηνπξγία είλαη ζπλήζσο 10-4 mbar. ε πςειφηεξεο πηέζεηο ε κέζε ειεχζεξε δηαδξνκή κηθξαίλεη πνιχ κε απνηέιεζκα ηα ηφληα λα ζπγθξνχνληαη κε ηα κφξηα θαη λα ράλνληαη απφ ηε δέζκε. Δπηπξνζζέησο πάλσ απφ ηα 10-3 mbar ππάξρεη θίλδπλνο νμείδσζεο ηνπ λήκαηνο ππξάθησζεο. Δπαηζζεζία : Ζ κηθξφηεξε αληρλεχζηκε κεξηθή πίεζε είλαη mbar, αλ θαη ππάξρνπλ θαζκαηνγξάθνη πνπ ρξεζηκνπνηνχλ βειηησκέλεο κεζφδνπο αλίρλεπζεο ηφλησλ θαη κπνξνχλ λα κεηξήζνπλ θαη πηέζεηο κηθξφηεξεο.

116 Φαζκαηνγξάθνη Μάδαο: Γεληθά Υαξαθηεξηζηηθά Πεξηνρή καδώλ : Σν εχξνο ηεο πεξηνρήο καδψλ πνπ κπνξεί λα αληρλεχζεη έλαο θαζκαηνγξάθνο πνηθίιεη. Κάπνηα φξγαλα έρνπλ αλψηεξν φξην αλίρλεπζεο ηα 80 a.m.u., ελψ άιια έρνπλ έλα εχξνο αξθεηψλ εθαηνληάδσλ a.m.u. Γεληθά έλα αλψηαην φξην 100 a.m.u. είλαη αξθεηφ γηα ηελ αλίρλεπζε ησλ αεξίσλ ζηα πεξηζζφηεξα ζπζηήκαηα θελνχ. Γηαθξηηηθή ηθαλόηεηα (resolution) : Δίλαη ε ηθαλφηεηα ηνπ νξγάλνπ λα δηαρσξίδεη ηφληα κε θνληηλνχο κνξηαθνχο αξηζκνχο.

117 Φάζκαηα Μαδψλ Οη θαζκαηνγξάθνη κάδαο δηαρσξίδνπλ ηα ηφληα αλάινγα κε ην ιφγν κάδαο/θνξηίνπ, ην θάζκα ησλ καδψλ πνπ πξνθχπηεη πξέπεη λα ηαπηνπνηεζεί σο πξνο ηα αέξηα είδε. Ακθηβνιίεο ή αζάθεηεο ζηελ εξκελεία ησλ κεηξήζεσλ κπνξεί λα δεκηνπξγεζνχλ ζηελ πεξίπησζε φπνπ δηαθνξεηηθά κφξηα έρνπλ ηελ ίδηα κάδα ή ηνλ ίδην ιφγν κάδαο/θνξηίνπ. Απηή ε δπζθνιία κπνξεί λα μεπεξαζηεί ιακβάλνληαο ππφςε ηε δηάζπαζε (dissocoation) θαη ηνλ πνιιαπιφ ηνληζκφ ησλ κνξίσλ, δηεξγαζίεο πνπ είλαη θαζνξηζκέλεο γηα δηαθνξεηηθά είδε. Ζ δηάζπαζε κπνξεί λα είλαη ρεκηθή, θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ ηνληζκνχ, ή ζεξκηθή, απφ ην λήκα ππξάθησζεο. Ζ θφξηηζε ησλ ηφλησλ επίζεο κπνξεί λα είλαη πνιιαπιή, αλάινγα κε ην εάλ έρνπλ ράζεη έλα, δχν ή ηξία ειεθηξφληα θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ ηνληζκνχ, νπφηε ιέκε φηη ην ηφλ είλαη απιά, δηπιά ή ηξηπιά ηνληζκέλν, αληίζηνηρα.

118 Φάζκαηα Μαδψλ Σα πνζνζηά ησλ ζσκαηηδίσλ πνπ δηαζπψληαη ή πθίζηαληαη δηπιφ ηνληζκφ είλαη ραξαθηεξηζηηθά ηνπ αεξίνπ, θαη γη απηφ δίλνπλ θνξπθέο πξνβιέςηκνπ κεγέζνπο ζε ζρέζε κε ηελ θχξηα θνξπθή. Ζ νκάδα ησλ θνξπθψλ πνπ πξνθχπηεη είλαη γλσζηή σο cracking pattern. Απφ ηα ζπλεζέζηεξα παξαδείγκαηα αεξίσλ κε ίζεο κάδεο είλαη ην άδσην (N 2 ) θαη ην κνλνμείδην ηνπ άλζξαθα (CO). Ζ δηάθξηζε αλάκεζα ζηα δχν είδε είλαη δπλαηή κε ηελ αλάιπζε ησλ cracking patterns. Σν κφξην ηνπ N 2 ζπιιέγεηαη θπξίσο σο Ν 2+ θαη δίλεη θνξπθή ζηα 28, ελψ πνιχ κηθξφηεξα πνζνζηά, κεηαηξέπνληαη ζε Ν 2 2+ θαη Ν + θαη δίλνπλ θνξπθή ζηα 14. Σν CO, απφ ηελ άιιε πιεπξά, παξάγεη πνιιά πξντφληα δηάζπαζεο, φπσο C +, O + θαη CO 2+, πνπ δίλνπλ ζρεηηθά αζζελείο θνξπθέο ζε κάδεο 12, 16 θαη 14, αληίζηνηρα.

119 Φάζκαηα Μαδψλ

120 ΜΕΟΣ B Τεχνικζσ Ανάπτυξθσ Λεπτϊν Υμενίων από Ατμοφσ

121 Tεχνολογία Λεπτϊν Τμενίων Για τθν παραγωγι των Λεπτϊν Υμενίων ζχουν αναπτυχκεί διάφορεσ τεχνικζσ : Δλαπόζεζε αηκώλ Δλαπόζεζε από πγξά PVD CVD Spray π.ρ. Sol-Gel Ηιεθηξναπόζεζε

122 Tεχνολογία Λεπτϊν Τμενίων PVD: Μθχανιςμοί δθμιουργίασ ατμϊν Sputtering E-beam Evaporation Molecular Beam Epitaxy Cathodic Arc Pulsed Laser Deposition Ion Beam Deposition Μεταφορά Ορμισ Μετατροπι Κινθτικισ Ενζργειασ/Θερμότθτασ Μεταφορά Θερμότθτασ Μεταφορά Θερμότθτασ (μζςω τόξου) Ενζργεια μζςω οπτικισ απορρόφθςθσ Μεταφορά Ορμισ

123 Tερλνινγία Λεπηώλ Τκελίωλ Παραγωγι λεπτϊν υμενίων με τεχνικζσ εναπόκεςθσ ατμϊν: Ραραγωγι ατμϊν με φυςικζσ ι χθμικζσ διεργαςίεσ Εξάχνωςθ (evaporation) δζςμθσ θλεκτρονίων, laser, κλπ Εκκζνωςθ τόξου (vacuum arc) Ιοντοβολι από ςυμπαγείσ ςτόχουσ (sputtering) οι πτθτικϊν (αερίων) αντιδραςτθρίων (chemical vapor deposition) Μεταφορά των ατμϊν ςτθν επιφάνεια του υποςτρϊματοσ Συμπφκνωςθ των ατμϊν ςτθν επιφάνεια του υποςτρϊματοσ Ρροςρόφθςθ Επιφανειακι διάχυςθ Χθμικζσ αντιδράςεισ Ρυρθνοποίθςθ και ανάπτυξθ υμενίου

124 Φυσική Εναπόθεση ατμών (PVD) Εξάχνωση Sputtering Χημική Εναπόθεση Ατμών (CVD) Θερμικό Σπρέι Μησανιζμόρ παπαγωγήρ ηων εναποηιθέμενων ζωμαηιδίων Θεξκηθή ελέξγεηα Μεηαθνξά νξκήο Υεκηθή αληίδξαζε Από θιόγα ή πιάζκα Ρςθμόρ εναπόθεζηρ Τςειόο (κέρξη ρεηηθά ρακειόο Πνιύ κηθξόο ( nm/min) Πνιύ πςειόο nm/min) Εναποηιθέμενα ζωμαηίδια Άηνκα θαη Άηνκα θαη Άηνκα ηαγνλίδηα ηόληα ηόληα Εναπόθεζη μεηάλλων Ναη Ναη Ναη Ναη Εναπόθεζη κπαμάηων Ναη Ναη Ναη Ναη Εναπόθεζη πςπίμασων ζςζηαηικών Ναη Ναη Ναη Ναη Ενέπγεια εναποηιθέμενων ζωμαηιδίων Υακειή ev Μπνξεί λα είλαη πςειή Μπνξεί λα γίλεη πςειή κε Μπνξεί λα είλαη πςειή (1-100 ev) plasma-aided CVD Βομβαπδιζμόρ ηος ςποζηπώμαηορ/εναπόθεζη με ιόνηα αδπανούρ αεπίος Όρη, ζπλήζσο Ναη ή όρη αλαιόγσο ηελ Γπλαηόο Ναη γεσκεηξία Ανάπηςξη interface perturbation Όρη, ζπλήζσο Ναη Ναη Όρη Θέπμανζη ςποζηπώμαηορ Ναη, ζπλήζσο Όρη, ελ γέλεη Ναη Όρη, ζπλήζσο

125 Thin film process Physical process Ion process Thermal process Sputtering ΔΒΔ Laser Ablation MBE Ion plating ARE IBD FCVA Plasma CVD Chemical process Laser CVD

126 Τεχνικζσ Εξάχνωςθσ Δμάρλσζε κε αληηζηάζεηο: Δμάρλσζε δέζκεο ειεθηξνλίσλ: Electron Beam Evaporation Φαηλφκελν Joule Κξνχζεηο ειεθηξνλίσλ Δπηηαμία Μνξηαθήο Γέζκεο: Molecular Beam Epitaxy (MBE) EBE/Knudsen πςειήο θαζαξφηεηαο Δμάρλσζε κε laser: Laser ablation or Pulsed Laser Deposition PLD Μαδηθή νπηηθή απνξξφθεζε κέρξη ηήμεο Vacuum Arc Δμάρλσζε ηφμνπ: Γηέιεπζε ειεθηξηθνχ ξεχκαηνο

127 Εξάχνωςθ Θ τεχνικι τθσ εξάχνωςθσ είναι μια από τισ πρϊτεσ που αναπτφχκθκαν και ακόμα και ςιμερα διακρίνεται για τθν υψθλι ποιότθτα και κακαρότθτα των υμενίων που παράγει. Τα υμζνια που παράγονται με τθν τεχνικι τθσ εξάχνωςθσ ζχουν εφαρμογζσ ςτθ μικροθλεκτρονικι, οπτικι, τθλεπικοινωνίεσ, επιφανειακι κατεργαςία και τθν ετερογενι κατάλυςθ.

128 Εξάχνωςθ Τα ςθμαντικότερα πλεονεκτιματα τθσ είναι: θ κακαρότθτα των παραγομζνων υλικϊν, οι μεγάλοι ρυκμοί εναπόκεςθσ, θ ευκολία ςτθ χριςθ και το ςχετικά χαμθλό κόςτοσ.

129 Εξάχνωςθ με αντιςτάςεισ ι δζςμθ θλεκτρονίων Τα κυριότερα μειονεκτιματα τθσ είναι: ο περιοριςμζνοσ αρικμόσ υλικϊν που μποροφν να εξαχνωκοφν, θ δυςκολία επίτευξθσ τθσ επικυμθτισ ςφςταςθσ ςε κράμματα ο περιοριςμζνοσ βακμόσ ελζγχου και επζμβαςθσ ςτθ διαδικαςία εναπόκεςθσ που περιορίηει τθ δυνατότθτα προεπιλογισ των ιδιοτιτων των υλικϊν

130 Βαςικά Χαρακτθριςτικά Ατμϊν Θ παραςκευι των λεπτϊν υμενίων μπορεί να επιτευχκεί ςε ςυνκικεσ υψθλοφ ι υπερυψθλοφ κενοφ. Οι κυριότεροι παράγοντεσ που κακορίηουν τθν εναπόκεςθ των υμενίων είναι: α) θ μζςθ ελεφκερθ διαδρομι (Μean Free Path - MFP) που κακορίηεται από τθν πίεςθ του καλάμου, β) ο λόγοσ τθσ ροισ των εναποτικζμενων ατόμων προσ τθ ροι των εναπομεινάντων αερίων (residual gases) ςτθν επιφάνεια του υποςτρϊματοσ (Arrival Rate Ratio - ARR) που εξαρτάται από τθν πίεςθ του καλάμου και τθ ροι των ατόμων από τθν πθγι εξάχνωςθσ).

131 Βαςικά Χαρακτθριςτικά Ατμϊν Πίλαθαο ΙΙΙ: Ο ζπζρεηηζκόο ηεο MFP θαη ηεο ARR (γηα ξπζκό εμάρλσζεο 0.1 nm/sec) κε ηελ πίεζε ηνπ ζαιάκνπ ελαπόζεζεο Πίεζη (Torr) MFP ARR mm mm cm cm m m m km km 10000

132 Θερμοδυναμικι τθσ εξάχνωςθσ Γηα ηελ εμάρλσζε νπνηνπδήπνηε ζηεξενχ ζψκαηνο απαηηείηαη ε απφδνζε ελέξγεηαο πξνο απηφ. Ζ απαηηνχκελε ελέξγεηα πνπ απνδίδεηαη ζην πιηθφ πξνθεηκέλνπ λα επηηεπρζεί ε ελαπφζεζε ηνπ ιεπηνχ πκελίνπ δίλεηαη ζε κνξθή: (α) ιαλζάλνπζαο ζεξκφηεηαο ηνπ πιηθνχ (ε ζεξκφηεηα πνπ απαηηείηαη γηα ηελ αχμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ηνπ πιηθνχ κέρξη ην ζεκείν ηήμεο) (β) ειεχζεξεο ελέξγεηαο Gibbs ηνπ πιηθνχ (ε απαηηνχκελε ελέξγεηα γηα ηελ αιιαγή θάζεο) (γ) πεξίζζεηαο θηλεηηθήο ελέξγεηαο ψζηε λα κεηαθεξζνχλ ηα άηνκα ηεο αέξηαο θάζεο θαη λα ελαπνηεζνχλ ζην ππφζηξσκα.

133 Θερμοδυναμικι τθσ εξάχνωςθσ ηελ απιή εμάρλσζε ε κέγηζηε θηλεηηθή ελέξγεηα ησλ αηφκσλ ηνπ εμαρλνχκελνπ πιηθνχ πεξηνξίδεηαη απφ ηε ζεξκηθή ελέξγεηα (π.ρ. γηα 1000 ν C είλαη 0.2 ev θαη γηα 2000 ν C είλαη 0.4 ev). Αληίζεηα ζηελ πεξίπησζε ηεο εμάρλσζεο ππνβνεζνχκελεο απφ δέζκε ηφλησλ (ion process) ε θηλεηηθή ελέξγεηα είλαη θαηά πνιχ κεγαιχηεξε (1-3 ηάμεηο κεγέζνπο) θαη εμαξηάηαη θπξίσο απφ ηελ ελέξγεηα ησλ ηφλησλ.

134 Θερμοδυναμικι τθσ εξάχνωςθσ Πίλαθαο ΙV: Σα ζεκεία ηήμεσο ηνπ Al γηα δηάθνξεο ραξαθηεξηζηηθέο πηέζεηο Πίεζη (Torr) ημείο Σήξηρ (ζεκείν βξαζκνύ)

135 Εξάχνωςθ κραμμάτων Κακηά ηερληθή εμάρλσζεο δελ κπνξεί εχθνια λα ελαπνζέζεη πκέληα θξακάησλ, κεηγκάησλ ή ζχλζεησλ πιηθψλ δηαηεξψληαο ηε ζηνηρεηνκεηξία ηνπο. ήκεξα ε εμεχξεζε ηξφπσλ ελαπφζεζεο ζχλζεησλ πκελίσλ κε ηερληθέο εμάρλσζεο είλαη αληηθείκελν εθηεηακέλεο έξεπλαο. Καηά ηελ εμάρλσζε ηα ζπζηαηηθά ελφο θξάκαηνο εμαρλψλνληαη κε δηαθνξεηηθνχο ξπζκνχο ιφγσ ησλ δηαθνξεηηθψλ ζεκείσλ ηήμεσο ηνπο κε απνηέιεζκα ην ελαπνηηζέκελν πκέλην λα έρεη δηαθνξεηηθή ζηνηρεηνκεηξία απφ ην αξρηθφ εμαρλνχκελν πιηθφ.

136 Εξάχνωςθ κραμμάτων (α) εμάρλσζε απφ ζηφρν θξάκκαηνο κε ρξήζε ελφο εμαρλσηή. ε απηή ηελ πεξίπησζε έρνπκε νκνηφκνξθε θαηαλνκή αιιά δηαθνξεηηθή ζηνηρεηνκεηξία απφ απηή ηνπ ζηφρνπ, (β) εμάρλσζε απφ ζηφρνπο ησλ ζπζηαηηθψλ ηνπ θξάκκαηνο κε ρξήζε δχν ή πεξηζζνηέξσλ εμαρλσηψλ. ε απηή ηελ πεξίπησζε κπξνξνχκε ζε κηα πεξηνρή λα επηηχρνπκε ηελ επηδησθφκελε ζηνηρεηνκεηξία αιιά δεκηνπξγνχκε θαη βαζκίδεο ζπγθέληξσζεο

137 Γεωμετρία Εξάχνωςθσ ην ζρήκα 4.3 παξνπζηάδεηαη ε γεσκεηξία ηεο ελαπόζεζεο από κηα ζεκεηαθή πεγή ζπλεκηηνλνεηδνύο θαηαλνκήο. Παξαηεξνύκε όηη ε ελαπόζεζε δελ είλαη νκνηόκνξθε δηόηη ηα δηάθνξα ζεκεία ηνπ επηπέδνπ ππνζηξώκαηνο έρνπλ δηαθνξεηηθή απόζηαζε από ηελ πεγή θαη ηα πάρε αθνινπζνύλ ην λόκν ηνπ ηεηξαγώλνπ. T 1 T 2 d 1 d 2 ρήκα 4.3: Η γεσκεηξία ηεο ελαπόζεζεο ελόο ιεπηνύ πκελίνπ ζε επίπεδν ππόζηξσκα κε ρξήζε ζεκεηαθήο πεγήο εμάρλσζεο κε ζπλεκηηνλνεηδή θαηαλνκή.

138 Γεωμετρία Εξάχνωςθσ ε κηθξνζθνπηθφ επίπεδν θαη ζχκθσλα κε ηε ζηαηηζηηθή ζεξκνδπλακηθή, κηα ζεκεηαθή πεγή εμάρλσζεο (ε νπνία είλαη κέξνο κηαο επίπεδεο επηθάλεηαο) ζα δίλεη κηα θαηαλνκή ζπλεκηηφλνπ, θαη ζα ελαπνζέηεη νκνηφκνξθα ζηελ επηθάλεηα κηαο ζθαίξαο εθαπηφκελεο ζηελ επίπεδε επηθάλεηα. Αλ ρξεζηκνπνηνχκε κηα ζεκεηαθή πεγή, πξνθεηκέλνπ λα επηηχρνπκε νκνηφκνξθε ελαπφζεζε, αξθεί λα ηνπνζεηεζνχλ ηα ππνζηξψκαηα ζε έλα ζθαηξηθφ πιέγκα εθαπηφκελν ζηελ επηθάλεηα ηεο πεγήο. Μηα εθηεηακέλε πεγή κπνξεί λα πξνζνκνησζεί απφ έλα άζξνηζκα ζπλεκηηνληθψλ πεγψλ ησλ νπνίσλ φκσο νη ζθαίξεο έρνπλ άιιε ζέζε θαη άιιν πξνζαλαηνιηζκφ αλάινγα κε ηε γεσκεηξία ηεο πεγήο.

139 Γεωμετρία Εξάχνωςθσ Ζ ξνή ηνπ εμαρλνχκελνπ πιηθνχ είλαη ζηαζεξή γηα δεδνκέλε ζηεξεά γσλία. Απηφ έρεη σο απνηέιεζκα ε επίδξαζε ηεο απφζηαζεο πεγήο (ζηφρνπ) θαη ππνζηξψκαηνο λα πεξηγξάθεηαη απφ έλα λφκν ηεηξαγψλνπ: (Σ 1 /Σ 2 )=(d 1 /d 2 ) 2, φπνπ Σ 1,2 είλαη ηα πάρε ησλ πκελίσλ ηνπνζεηεκέλσλ ζε απφζηαζε d 1,2 αληίζηνηρα απφ ηελ πεγή. Απηφο ν λφκνο ησλ ηεηξαγψλσλ ηζρχεη γηα φια ηα πιηθά κε ηελ πξνυπφζεζε φηη ε εμάρλσζε γίλεηαη ζε ρακειέο πηέζεηο, φπνπ ε MFP είλαη πνιχ κεγαιχηεξε ηεο απφζηαζεο πεγήο-ππνζηξψκαηνο, ψζηε λα απνθεχγνληαη ηα θαηλφκελα ζθέδαζεο. Ο ιφγνο d 1 /d 2 κπνξεί λα ππνινγηζηεί αλάινγα κε ηελ θαηαλνκή ηεο πεγήο θαη κέζσ απηνχ θαη ηνπ λφκνπ ηνπ ηεηξαγψλνπ κπνξνχκε λα πξνζδηνξίζνπκε ηνλ ιφγν Σ 1 /Σ 2.

140 Γεωμετρία Εξάχνωςθσ

141 Εξάχνωςθ με Αντιςτάςεισ Ζ εμάρλσζε κε ρξήζε ειεθηξηθψλ αληηζηάζεσλ ήηαλ ρξνληθά ε πξψηε κέζνδνο πνπ ρξεζηκνπνηήζεθε γηα ηελ ελαπφζεζε ιεπηψλ πκελίσλ. Αθφκε θαη ζήκεξα ρξεζηκνπνηείηαη επξέσο θαζψο είλαη πνιχ θζελή θαη εχθνιε ζηε ρξήζε. Eίλαη δεκνθηιήο γηα ηελ παξαζθεπή νπηηθψλ δηαηάμεσλ φπσο νπηηθά θηιηξά, αληηαλαθιαζηηθέο επηθαιχςεηο, δηρξσηθά θάηνπηξα, θιπ. Ζ εμάρλσζε γίλεηαη κέζσ εηδηθψλ πεγψλ φπνπ ηνπνζεηείηαη ε πξψηε χιε γηα ηελ εμάρλσζε. Ζ πεγή είλαη θηηαγκέλε απφ εηδηθά ππξίκαρα κέηαιια φπσο Μν, W, Ta, θιπ. Ζ πεγή ζα πξέπεη λα πιεξνί κηα ζεηξά πξνυπνζέζεσλ φπσο ρεκηθή αδξάλεηα θαη κεγάιε αληνρή ζε πςειέο ζεξκνθξαζίεο.

142 Εξάχνωςθ με Αντιςτάςεισ Οη πεγέο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη ηαμηλνκνχληαη ζε: (α) ζπείξεο (coils), θαη (β) ρνάλεο (boats).

143 Εξάχνωςθ με Αντιςτάςεισ: Ρροβλιματα Δμαηηίαο ηεο πνιχ πςειήο ζεξκνθξαζίαο ηεο ρνάλεο επλνείηαη ε ελδνδηάρπζε θαη πηζαλφλ ε ρεκηθή αληίδξαζε ηνπ ελαπνηηζέκελνπ πιηθνχ κε ην πιηθφ ηεο ρνάλεο θαη ε δεκηνπξγία ζηεξεψλ δηαιπκάησλ θαη θξακκάησλ. Ζ θξακκαηνπνίεζε ηεο ρνάλεο πξνθαιεί ιέπηπλζε θαη ςαζπξφ ραξαθηήξα. Οξηζκέλεο θνξέο (π.ρ. Pt ζε ρνάλε W) ην θξάκκα ησλ δχν πιηθψλ (ρνάλεο θαη εμαρλνχκελνπ) έρεη ρακειφηεξν ζεκείν ηήμεο απφ ην ππξίκαρν κέηαιιν κε απνηέιεζκα ηελ εμάρλσζε ηεο ίδηαο ηεο ρνάλεο. Γηα λα απνθχγνπκε ηελ θξακκαηνπνίεζε πξέπεη λα επηιέγνπκε θάζε θνξά ηα πιηθά ηεο ρνάλεο θαη ηα εμαρλνχκελα λα έρνπλ πνιχ κηθξφ βαζκφ δηαιπηφηεηαο.

144 Εξάχνωςθ με Δζςμθ Θλεκτρονίων Ζ εμάρλσζε κε δέζκε ειεθηξνλίσλ (ΔBE) βαζίδεηαη ζηε θηλεηηθήο ελέξγεηαο απφ κηα δέζκε ειεθηξνλίσλ πςειήο εληάζεσο πνπ πξνζθξνχεη ζηελ επηθάλεηα ηνπ εμαρλνχκελνπ πιηθνχ πνπ βξίζθεηαη ηνπνζεηεκέλν ζε κηα θαηάιιειε ρνάλε (crucible) ε νπνία ςχρεηαη. Ζ ςχμε ηεο ρνάλεο θαη ε επηθαλεηαθή εμάρλσζε ηνπ πιηθνχ απνηξέπνπλ ηελ θξακκαηνπνίεζε θαη έηζη επηηπγράλεηαη κεγαιχηεξνο ρξφλνο δσήο ηεο ρνάλεο (αλάπηπμε παρχηεξσλ πκελίσλ), ιηγφηεξεο πξνζκίμεηο ζηα πκέληα θαη ιεηηνπξγία ζε κεγαιχηεξε ηζρχ (κεγαιχηεξνη ξπζκνί ελαπφζεζεο) απφ ηελ εμάρλσζε κε αληηζηάζεηο.

145 Εξάχνωςθ με Δζςμθ Θλεκτρονίων

146 Εξάχνωςθ με Δζςμθ Θλεκτρονίων Σα ζεκαληηθά πιενλεθηήκαηα ηεο ΔΒΔ θαη θπξίσο ην πνιχ ρακειφ πνζνζηφ πξνζκίμεσλ ζηα πκέληα πνπ παξάγεη. Δίλαη ε θπξίαξρε ηερληθή γηα ηηο επηκεηαιιψζεηο (metallizations) ζηε βηνκεραλία ηεο κηθξνειεθηξνληθήο. Σα θχξηα πιηθά επηκεηαιιψζεσλ ζηε κηθξνειεθηξνληθή πνπ παξαζθεπάδνληαη κε ΔΒΔ είλαη Al, Cu, Ti, Co θιπ. Ζ ΔBE πξνζαξκφδεηαη εχθνια ζε ζπζηήκαηα sputtering θαη MBE πνπ παξαζθεπάδνπλ εκηαγσγνχο πςειήο πνηφηεηαο θαη θαζαξφηεηαο. Έηζη ζην ίδην ζχζηεκα ελαπνζέζεσλ κπνξεί λα γίλεη ε παξαζθεπή ησλ εκηαγσγηθψλ δηαηάμεσλ κε sputtering ή MBE θαη ε επηκεηάισζε κε ΔΒΔ. Ζ ζπκβαηφηεηα κε ηελ ηερληθή sputtering έρεη εηζάγεη ηελ ΔΒΔ θαη ζηα πεδία ησλ πξνζηαηεπηηθψλ θαη νπηηθψλ επηθαιχςεσλ θαζηζηψληαο ηελ κηα απφ ηηο δεκνθηιέζηεξεο ηερληθέο βηνκεραληθήο παξαγσγήο

147 Εξάχνωςθ με Δζςμθ Θλεκτρονίων Τπάξρνπλ νξηζκέλνη γεληθνί θαλφλεο πνπ πξέπεη λα αθνινπζνχληαη φηαλ ρξεζηκνπνηείηαη ε ΔΒΔ θαη απηέο είλαη: (α) ε κνξθή ηνπ εμαρλνχκελνπ πιηθνχ λα έρεη ηελ κεγαιχηεξε δπλαηή ελεξγή επηθάλεηα ρσξίο φκσο λα είλαη θαη ζθφλε (β) ν ιφγνο ηνπ φγθνπ πξνο ηελ επηθάλεηα ηεο ρνάλεο πξέπεη λα είλαη ν κεγαιχηεξνο δπλαηφο (γ) πξέπεη νη καγλήηεο ζάξσζεο λα ξπζκίδνληαη θαηάιιεια ψζηε λα επηηεπρζεί ε κεγαιχηεξε δπλαηή ζάξσζε ηεο επηθάλεηαο.

148 Επιταξία Επιταξία ονομάηουμε τθν διαδικαςία ανάπτυξθσ ενόσ λεπτοφ ςτρϊματοσ (υμενίου) ςε ζνα ΚΥΣΤΑΛΛΙΚΟ υπόςτρωμα όταν το υμζνιο και το υπόςτρωμα παρουςιάηουν ΣΥΝΑΦΕΙΣ κρυςταλλικζσ δομζσ. Ρ.χ. Ge/Si, GaAs/Si, SiC/Si)

149 Καλοφμε: Επιταξία ΟΜΟΕΡΙΤΑΞΙΑ τθν επιταξία υμενίου του ίδιου υλικοφ με το υπόςτρωμα (π.χ. Si/Si, Diamond/Diamond, etc). ΕΤΕΟΕΡΙΤΑΞΙΑ τθν επιταξία υμενίου άλλου υλικοφ από το υπόςτρωμα (π.χ. Ge/Si, GaN/sapphire, GaAs/Si, etc).

150 MBΕ: Θ παράμετροσ τθσ πλεγματικισ αςυνάφειασ (lattice mismatch) Ζ ζεκαληηθφηεξε παξάκεηξνο γηα ηελ αλάπηπμε κε ΜΒΔ είλαη ε πιεγκαηηθή αζπλάθεηα κεηαμχ πκελίνπ θαη ππνζηξψκαηνο: a a epi a sub sub Material Lattice Constant (Å) Mismatch : GaAs % on InP AlAs % on InP InP % on GaAs

151 MBΕ: Θ παράμετροσ τθσ πλεγματικισ αςυνάφειασ (lattice mismatch) Δθεζπραζκφο ηεο αζπλάθεηαο κέζσ εμαξκψζεσλ ζηε δηεπηθάλεηα (misfit dislocations)

152 Επιταξία Μοριακισ Δζςμθσ Molecular Beam Epitaxy (MBE) Θ ΜΒΕ είναι ουςιαςτικά μια παραλλαγι εξάχνωςθσ με πολφ ιδιαίτερα χαρακτθριςτικά: 1) Σχετικά μικρι πλεγματικι αςυνάφεια μεταξφ υμενίου και υποςτρϊματοσ ϊςτε να επιτυγχάνεται επιταξία 2) Ρολφ χαμθλι ΒΑΣΙΚΘ ΡΙΕΣΘ (ςυνικωσ UHV) 3) Ρολφ χαμθλι ΡΙΕΣΘ ΛΕΙΤΟΥΓΙΑΣ (ςυνικωσ mbar)

153 Επιταξία Μοριακισ Δζςμθσ Molecular Beam Epitaxy (MBE) Θ ΜΒΕ είναι ουςιαςτικά μια παραλλαγι εξάχνωςθσ με πολφ ιδιαίτερα χαρακτθριςτικά: 4) Ρολφ υψθλι κερμοκραςία υποςτρϊματοσ (Zone III) 5) MFP πολφ μεγαλφτερο από το μζγεκοσ του καλάμου (ςυνκικθ μοριακισ δζςμθσ-κριτιριο Knudsen) 6) Χαμθλόσ ρυκμόσ εναπόκεςθσ

154 Επιταξία Μοριακισ Δζςμθσ Molecular Beam Epitaxy (MBE) Πεγέο MBE: 1) ΔΒΔ, θπξίσο γηα ζηεξεά πιηθά (π.ρ. Si, Ge) 2) Knudsen cells ή effusion cells γηα ζηεξεά πιηθά θαη πιηθά ρακεινχ ζεκείνπ ηήμεσο φπσο ην Ga 3) ECR gas sources γηα cracking Ν 2

155 Επιταξία Μοριακισ Δζςμθσ Molecular Beam Epitaxy (MBE)

156 Κελιά Knudsen

157 Επιταξία Μοριακισ Δζςμθσ Molecular Beam Epitaxy (MBE) Δθαξκνγέο - Πιενλεθηήκαηα: 1) Ζιεθηξνληθέο θαη νπηνειεθηξνληθέο δηαηάμεηο θαη πιηθά απφ ζηνηρεηαθνχο (Si, Ge) θαη ζχλζεηνπο (compound) εκηαγσγνχο 2) Ζκηαγσγνί ΗΗΗ-V: GaN, InP, GaAs, ternary InGaN, AlGaN, θιπ 3) Ζκηαγσγνί ΗΗ-VI: CdTe, Telurides, Selinides 4) Δχθνιν doping κε P, B.

158 Επιταξία Μοριακισ Δζςμθσ Molecular Beam Epitaxy (MBE) Eπηινγή ζαιάκνπ: Κάζε ζχζηεκα ΜΒΔ κπνξεί λα παξάγεη κφλν νξηζκέλα πιηθά θαζψο θάζε πιηθφ κπνξεί λα απνηειεί βιαβεξή πξφζκημε γηα θάπνην άιιν πιηθφ. Έηζη έρνπκε ζπζηήκαηα εηδηθά γηα: 1) Si-Ge 2) GaN, InN, InGaN, etc 3) GaAs, AlGaAs, etc Απαγνξεχεηαη ε ρξήζε C!!!

159 MBΕ: Ραρακολοφκθςθ με RHEED

160 MBΕ: Ραρακολοφκθςθ με RHEED Ραράδειγμα: Ανάπτυξθ GaAs

161 MBΕ: Εναλλακτικι παρακολοφκθςθ με οπτικι ανακλαςτικότθτα

162 Εφαρμογζσ ΜΒΕ

163 Κβαντικζσ Δομζσ Οι κβαντικζσ δομζσ είναι δομζσ υλικϊν των οποίων τουλάχιςτον θ μία διάςταςθ είναι τόςο μικρι (λίγα nm) ϊςτε να εμφανίηονται κβαντικά φαινόμενα. Οι κβαντικζσ δομζσ χωρίηονται ςε: Κβαντικά πθγάδια (Quantum Wells): 2D Κβαντικά Σφρματα (Quantum Wires): 1D Κβαντικά Σθμεία (Quantum Dots): 0D

164 Quantum Wells Definition: thin layers confining carriers in one dimension A quantum well is a thin layer which can confine (quasi-) particles (typically electrons or holes) in the dimension perpendicular to the layer surface, whereas the movement in the other dimensions is not restricted. The confinement is a quantum effect. It has profound effects on the density of states for the confined particles. Encyclopedia of Laser Physics and Technology

165 Quantum Wells Γιατί wells (πθγάδια)? CB VB Ζνα θλεκτρόνιο ςτθ ηϊνθ αγωγιμότθτασ βρίςκεται ςε ζνα δυναμικό που προςομοιάηει το τετράγωνο πθγάδι δυναμικοφ τθσ κβαντικισ φυςικισ

166 Quantum Wells Ρϊσ καταςκευάηονται? (Encyclopedia of Laser Physics and Technology) A quantum well is often realized with a thin layer of a semiconductor medium, embedded between other semiconductor layers of wider bandgap (examples: GaAs quantum well embedded in AlGaAs, or InGaAs in GaAs). The thickness of such a quantum well is typically 5 20 nm. Such thin layers can be fabricated with molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). If a large amount of optical gain or absorption is required, multiple quantum wells (MQWs) can be used. MQW GaAs InGaAs GaAs QW InGaAs GaAs GaAs InGaAs InGaAs GaAs GaAs

167 MQW Quantum Wells GaAs InGaAs GaAs GaAs InGaAs GaAs InGaAs GaAs InGaAs GaAs InGaAs GaAs InGaAs CB GaAs

168 Quantum Wells A semiconductor quantum well (shown in the illustration in purple) is electrically excited by current from a battery (marked as V). The released energy is non-radiatively transferred to the nanocrystal quantum dots - shown as red spheres at the top of the system. The nanocrystal quantum dots (red spheres) are covered by the stabilizing layer of organic molecules shown in the image as white "cones." The transferred energy is released as optical radiation, indicated by the red glow. The frequency of the light is tunable by virtue of the quantum dot size. Los Alamos National Laboratory, USA

169 Quantum Wires Mονοδιάςτατεσ δομζσ υλικϊν Επιτρζπουν τθν αγωγι των θλεκτρονίων μόνο ςε μια διάςταςθ (1D)

170 Quantum Wires Ρϊσ καταςκευάηονται? Υπάρχουν πολλζσ μζκοδοι. Συνικωσ εκμεταλλευόμαςτε τθν προτιμθταία ετερογενι πυρθνοποίθςθ Σε αναδομθμζνεσ επιφάνειεσ Με κατάλλθλθ κοπι υποςτρϊματοσ STM image of ordered (In,Ga)As Quantum Wires on GaAs (411) Iowa State University, USA

171 Quantum Wires Σε αναδομθμζνεσ επιφάνειεσ. Ραράδειγμα Si(100) QW Επιφάνεια προ αναδόμθςθσ Επιφάνεια μετά αναδόμθςθσ

172 Quantum Wires Με κατάλλθλθ κοπι υποςτρϊματοσ QW

173 Quantum Dots Μονοδιάςτατσ κβαντικζσ δομζσ που αναπτφςςονται αυκόρμθτα όταν μικρζσ ποςότθτεσ ατμϊν ςνόσ ςτερεοφ ςυμπυκνϊνονται ςε μια επιφάνεια με τθν οποία ζχουνμεγάλθ αςυνάφεια πλζγματοσ. Θ τελικι μορφι εξαρτάται από τθ γωνία διαβροχισ και τα κρυςταλλογραφικά χαρακτθριςτικά των δυο υλικϊν Iowa State Northwestern Iowa State

174 Εξάχνωςθ ςε ιοντικι μορφι Εναπόκεςθ τόξου Εξάχνωςθ με laser

175 Αλλθλεπιδράςεισ ιόντων-υλικϊν

176 Αλλθλεπιδράςεισ ιόντων-υλικϊν Ακνξθνπνίεζε ηνπ ζηφρνπ (amorphisation) Δκθχηεπζε ηνπ ηφληνο (implantation) Δλψζεηο ζηνηρείσλ (compound formation) Γεκηνπξγία δηαδνρηθψλ θξνχζεσλ (cascade formation) Σνπηθή ζέξκαλζε (local heating) εκεηαθέο αηέιεηεο (point defects).

177 Εναπόκεςθ Τόξου - Cathodic Vacuum Arc Εξάχνωςθ μζςω εκκζνωςθσ τόξου Μεγάλθ ροι ρεφματοσ δια μζςου του αγϊγιμου ςτόχου

178 Εναπόκεςθ Τόξου: Ρλεονεκτιματα Υψθλόσ βακμόσ ιονιςμοφ (ςχεδόν 100 %) Φπαρξθ πολλϊν θλεκτρονίων μεταξφ ςτόχου-υποςτρϊματοσ: διατιρθςθ πλάςματοσ Επιτάχυνςθ των ιόντων ςε κινθτικι ενζργεια μζχρι πολλζσ εκατοντάδεσ ev Εναπόκεςθ υπερ-πυκνϊν υμενίων

179 Εναπόκεςθ Τόξου: Μειονεκτιματα Δεν εφαρμόηεται ςε μθ-μεταλλικοφσ ςτόχουσ Δθμιουργία μεςοςκοπικϊν ςωματιδίων τα οποία προκαλοφν επιφανειακζσ ανωμαλίεσ και περιοχζσ χαμθλισ ενζργειασ

180 Filtered Cathodic Vacuum Arc (FCVA) Το πρόβλθμα των ςωματιδίων λφνεται με χριςθ μαγνθτικοφ φίλτρου Απιό Fίιηξν (90 ν ) Φίιηξν Tύπνπ S

181 Εξάχνωςθ Ραλμικοφ Laser Pulsed Laser Deposition (PLD) Θ ανάπτυξθ υμενίων με τθν τεχνικι PLD βαςίηεται ςτθ μαηικι απορρόφθςθ φωτονίων από το υλικό ςτόχο όταν ακτινοβολείται από μια δζςμθ laser μικουσ κφματοσ που αντιςτοιχεί ςε ενζργεια μεγαλφτερθ από το ενεργειακό χάςμα

182 Απορόφθςθ Φωτόσ Τα φωτόνια αποροφϊνται από τα θλεκτρόνια του υλικοφ τα οποία μεταπίπτουν ςε υψθλότερεσ ενεργειακζσ καταςτάςεισ: photon ΕΑ-CB (θάησ φξην) Ε-VB (άλσ φξην) Τα φωτόνια ορατοφ και υπεριϊδουσ ςυνικωσ προκαλοφν διαηωνικζσ μεταβάςεισ (ΗΣ-ΗΑ) ςε θμιαγωγοφσ και μονωτζσ Στθν περίπτωςθ των μετάλλων ενδοηωνικι απορόφθςθ μπορεί επίςθσ να ςυμβεί Τα φωτόνια του υπερφκρου διεγείρουν φωνόνια και είναι υπεφκυνα για τθ κζρμανςθ του υλικοφ

183 Απορόφθςθ φωτόσ Θ ενζργεια των φωτονίων E=hv πρζπει να είναι μεγαλφτερθ από το ενεργειακό χάςμα του ςτόχου για να ςυμβεί θ οπτικι απορόφθςθ CB (lower edge) photons VB (upper edge) Επιπλζον, ςτον πραγματικό κόςμο, ο οποίοσ είναι κβαντικόσ, ΥΡΑΧΕΙ ΣΘΜΑΝΤΙΚΘ ΡΙΘΑΝΟΤΘΤΑ ΡΟΛΥΦΩΤΟΝΙΚΩΝ ΔΙΕΓΕΣΕΩΝ, με δεδομζνο ότι ζχουμε επαρκι ροι φωτονίων Οι πολυφωτονικζσ διεγζρςεισ είναι τόςο ζντονεσ που μποροφν να προκαλζςουν ακόμα και ΙΟΝΙΣΜΟ των ατόμων του ςτόχου

184 Απορόφθςθ Φωτόσ Στθν κακθμερινι μασ ηωι παρατθροφμε τισ ςυνζπειεσ τθσ ζκκεςθσ ςε φωτόνια (ειδικά μζςω τθσ ζκκεςθ ςτο θλιακό φωσ) όπωσ: κζρμανςθ (π.χ. φωτιά με χριςθ μεγενκυντικοφ φακοφ ςτο δάςοσ) Δερματικά εγκαφματα Υποβάκμιςθ πολυμερϊν, χρωμάτων και κονιαμάτων Πμωσ δεν παρατθροφμε εντονότερα φαινόμενα όπωσ αποδόμθςθ (ablation) και τιξθ μετάλων Αυτό οφείλεται ςτισ ςχετικά χαμθλζσ ροζσ φωτονίων που βρίςκονται ςτο περιβάλλον μασ

185 Laser vs. Θλιακό Φωσ Ρνή θωηνληωλ από ηνλ Ήιην ζηελ Δπηθάλεηα ηεο Γεο (UIUC, USA): 8x10 16 photons/cm 2 s x 3.5 ev/photon (θαηά κέζν φξν) πλνιηθή ξνή ελέξγεηαο: 28x10 16 ev/cm 2 s~1.75 x10-2 Joule/cm 2 s Σππηθό πείξακα ελαπόζεζεο κε παικηθό laser PLD: Fluence: 10 J/cm 2, Pulse width: 6 ns πλνιηθή ξνή ελέξγεηαο: ~1.67x10 9 J/cm 2 s H εζηηαζκέλε δέζκε laser θαηά ηε δηάξθεηα ηνπ παικνύ είλαη ~10 11 (100 δηο!) ιακπξόηεξε από ην θωο ηνπ ήιηνπ!!!

186 Αρχζσ των Laser LIGHT AMPLIFICATION BY Σα δηεγεξκέλα άηνκα πξνθαινχληαη (εμαλαγθάδνληαη) λα εθπέκςνπλ έλα αληίγξαθν ελφο ππάξρνληνο θσηνλίνπ: ίδην κήθνο θχκαηνο, ίδηα δηεχζπλζε, ίδηα θάζε STIMULATED EMISSION OF RADIATION

187 Ρεριγραφι μιασ πθγισ Laser Μια πθγι laser αποτελείται από τρια τμιματα: Σν πξψην είλαη ε πεγή ηζρχνο (power source). Ζ πεγή ηζρχνο κπνξεί λα είλαη είηε ειεθηξηθή πεγή είηε κηα ηζρπξή πεγή θσηνλίσλ (π.ρ. νη flashlamps ζε κηα πεγή Nd:YAG). Σν δεχηεξν είλαη ην ελεξγφ κέζν (active medium). Απηφ είλαη ην πιηθφ κέζα ζην νπνίν δεκηνπξγείηαη ε δέζκε ηνπ laser (δει. εθεί φπνπ ζπκβαίλεη ε εμαλαγθαζκέλε εθπνκπή). Tν ελεξγφ κέζν κπξεί λ είλαη ζηεξεφ (π.ρ. ruby ή Nd Y-Al Garnet - Nd:YAG), πγξφ (π.ρ. δηάθνξα dyes) ή αέξην (π.ρ. CO 2 ή κίγκα He-Ne). Tν ηξίην ηκήκα είλαη ε θνηιφηεηα (resonator or cavity) ε νπνία απνηειείηαη απφ δχν θάηνπηξα (έλα κε 100% αλαθιαζηηθφηεηα θαη έλα κε κεξηθή ή κεηαβαιφκελε αλαθιαζηηθφηεηα) ηνπνζεηεκέλα ζηηο άθξεο ελφο ζσιήλα φπνπ βξίζθεηαη ην ελεξγφ κέζν. Απηά ηα θάηνπηξα αλαγθάδνπλ ηε δέζκε λα πεξάζεη πνιιέο θνξέο κέζα απφ ην ελεξγφ κέζν πξνθαιψληαο απμαλφκελε ελίζρπζε ηεο ξνήο θσηνλίσλ.

188 Laser-beam generation and production (Solid state) 1. The laser off 2. The flash lamps (tube) fire and inject light into the ruby or Nd:YAG rod. The light excites atoms in the rod

189 Laser-beam generation and production (Solid state) 3. Some of these atoms emit photons. 4. Some of these photons run in a direction parallel to the rod's axis, so they bounce back and forth off the mirrors. As they pass through the crystal, they stimulate emission in other atoms.

190 Laser-beam generation and production (Solid state) 5. Monochromatic, single-phase, coherent photons in the form of a collimated light beam gets out of the rod through the partially reflecting mirror LASER LIGHT!

191 Μηα ηππηθή πεγή Laser ζηεξεάο Power Supply Mirror θαηάζηαζεο (7) (8) (2) Q2 (4) (5) (3) (5) (5) (5) (4) Q1 (2) (6) (1) 1) Cavity/Resonator 2) Flash Lamps (Optical Pumping) 3) Active Medium (e.g. Nd:YAG or Ruby Rod) 4) Mirrors 5) Lasing and Amplifying Photons 6) Electro-optic/Acousto-optic Modulator (Q-switching) 7) Aperture 8) Non-linear Crystal for High-Harmonic Generation Q1: Direction of photons through the modulator for low-q operation Q2: Direction of photons for high-q operation

192 Laser vs. Απιφ Φσο (a) (b) (c) (d)

193 Tφποι Lasers Lasers κατθγοριοποιοφνται ανάλογα με το είδοσ του ενεργοφ μζςου και ανάλογα μα τθ διάρκεια των παλμϊν (όταν είναι παλμικά) Στα lasers αερίων επριλαμβάνονται π.χ. τα ArF, KrF Tα lasers ςτερεάσ κατάςταςθσ βαςίηονται ςε κρυςτάλλουσ όπωσ π.χ. ruby, Νeodymium-YAG (Nd:YAG), Ti:Sapphire και χρθςιμοποιοφν ωσ πθγι ιςχφοσ οπτικζσ flashlamps Ωσ προσ τθ διάρκεια του παλμοφ διακρίνονται ςε ns-, ps-, fs-lasers

194 Εξάχνωςθ Ραλμικοφ Laser Pulsed Laser Deposition (PLD) Πταν τα φωτόνια απορροφθκοφν ατμοί του υλικοφ εξζρχονται εκρθκτικά (ablation) Κατά τθ διαδικαςία ablation λαμβάνουν χϊρα αλλθλεπιδράςεισ φωτονίωνςτερεοφ και φωτονίων-ατμϊν

195 Εξάχνωςθ Ραλμικοφ Laser Pulsed Laser Deposition (PLD) Καηά ην ablation ζπκβαίλεη ηζρπξφο ηνληζκφο ησλ αηκψλ ηφζν ζηελ αέξηα φζν θαη ζηε ζηεξεή θάζε, φπσο επίζεο θαη εθπνκπή ειεθηξνλίσλ (1) (7) (6) (5) (4) (3) (2) 1) Laser Beam 2) Solid Target 3) Region of Laser-Solid Interactions 4) Region of Laser- Gas(Plume) Interactions 5) Plume Transport of Gas Species 6) Solid Substrate 7) Condensation of Vapors and Film Growth

196 Εξάχνωςθ Ραλμικοφ Laser Pulsed Laser Deposition (PLD) Ο θψλνο πνπ πεξηέρεη ρσξηθά ηνπο ηνληζκέλνπο αηκνχο νλνκάδεηαη plume

197 Εξάχνωςθ Ραλμικοφ Laser Pulsed Laser Deposition (PLD) (1) (2) (3) (8) (7) (1) Laser Source (2) Convex Focusing Lens (6) (3) Quartz Viewport (4) (5) (4) Laser Beam (5) Rotating Target (6) Plume (7) Rotating Sample Holder (8) Heating Lamps (9) Plume Analysis Techniques (Time Of Flight Mass Spectrometry; Optical Emission Spectroscopy) (9) TOF-MS OES (a)

198 Pulsed Laser Deposition *Laser safety shield has been removed for the photo demonstration

199 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΡΛΑΣΜΑΤΟΣ

200 Τί είναι το πλάςμα; Ρλάςμα είναι θ ΤΕΤΑΤΘ ΜΟΦΘ τθσ φλθσ ςτθν οποία τα άτομα (μόρια) του αερίου ζχουν τόςο μεγάλθ ενζργεια ϊςτε να ιονιςτοφν. Συνεπϊσ, το πλάςμα αποτελείται από ΙΟΝΤΑ, ΘΛΕΚΤΟΝΙΑ και ουδζτερα άτομα (μόρια).

201 Τί είναι το πλάςμα; Ο βακμόσ ιονιςμοφ του πλάςματοσ ορίηεται ωσ ο λόγοσ των ιόντων προσ τα ουδζτερα ςωματίδια. Θ βαςικι ςυμπεριφορά του πλάςματοσ κακορίηεται από τα θλεκτρικά του χαρακτθριςτικά.

202 Τί είναι το πλάςμα; Κυρίαρχο θλεκτρικό χαρακτθριςτικό είναι θ διαφορά ςτθν ευκινθςία μεταξφ ιόντων και θλεκτρονίων. Τα ευκίνθτα θλεκτρόνια είναι αυτά που κυρίαρχα ςυνειςφζρουν ςτθν αυτόςυντιρθςθ του πλάςματοσ.

203 Ρϊσ δθμιουργείται το πλάςμα; Απαραίτθτθ προχπόκεςθ για τθ δθμιουργία πλάςματοσ είναι θ πολφ μεγάλθ ενζργεια των ςωματιδίων (μεγαλφτερθ τθσ ενζργειασ ιονιςμοφ).

204 Ρϊσ δθμιουργείται το πλάςμα; Θ πολφ μεγάλθ ενζργεια μπορεί να αποδοκεί ωσ: Θερμότθτα Δυναμικι ενζργεια θλεκτρικοφ πεδίου Κινθτικι ενζργεια μζςω κροφςεων

205 Ραραδείγματα πλάςματοσ (εκτόσ υλικϊν) Τα αςτρικά αζρια βρίςκονται ςε κατάςταςθ πλάςματοσ Oι αςτραπζσ είναι περιοχζσ όπου τα αζρια τθσ ατμόςφαιρασ λόγω τθσ θλεκτρικισ εκκζνωςθσ βρίςκονται ςε κατάςταςθ πλάςματοσ

206 Το πλάςμα ςτθν επιςτιμθ των υλικϊν Το πλάςμα είναι πάρα πολφ ςθμαντικό ςτθν επιςτιμθ των υλικϊν για: Ραραςκευι υλικϊν ςε μορφι λεπτϊν και παχζων υμενίων) Κακαριςμό επιφανειϊν Patterning Ανόπτθςθ τοπικοφ χαρακτιρα Ενεργοποίθςθ χθμικϊν αντιδράςεων Ραραγωγι νανοδομθμζνων υλικϊν (π.χ. CNTs με PECVD)

207 Κατθγοριοποιιςεισ του πλάςματοσ ςτθν επιςτιμθ των υλικϊν Ωσ προσ τθν κατευκυντικότθτα και τον τρόπο δθμιουργίασ: Ρλάςμα εκκζνωςθσ Ευρεία χωρικι κατανομι και κατανομι ενεργειϊν Ιοντικζσ δζςμεσ Υψθλι κατευκυντικότθτα Καλά κακοριςμζνθ κινθτικι ενζργεια Ιοντικζσ δζςμεσ με διαχωριςμό μαηϊν Επιπλζον καλά κακοριςμζνθ μάηα και βακμόσ ιονιςμοφ (λόγοσ q/m)

208 Κατθγοριοποιιςεισ του πλάςματοσ ςτθν επιςτιμθ των υλικϊν Ωσ προσ τθν χθμικι δράςθ του: Αδρανζσ (φυςικά φαινόμενα-κροφςεισ) ανταλλαγι ορμισ και κροφςθσ, απόδοςθ κινθτικισ ενζργειασ, sputtering Δραςτικό (active) - κακαριςμόσ/patterning απόξεςθ (etching) ςυγκεκριμζνων ςυςτατικϊν από τισ επιφάνειεσ μζςω χθμικισ αντίδραςθσ Αντιδρόν (reactive) - χθμικζσ αντιδράςεισ παραςκευισ χθμικζσ αντιδράςεισ ςτθν αζρια φάςθ: ςφνκεςθ (PVD) και αποςφνκεςθ (PECVD)

209 Χαρακτθριςτικά Ρλάςματοσ ςε ςυςτιματα κενοφ Έλα απηνζπληεξνχκελν πιάζκα (εθθέλσζε) απαηηεί ζπγθξνχζεηο κεηαμχ ειεθηξνλίσλ-νπδεηέξσλ θαη κεηαμχ ηφλησλνπδεηέξσλ. Απηφ ζπκβαίλεη κφλν φηαλ ην MFP είλαη ζπγθξίζηκν ή θαη κηθξφηεξν απφ ηηο δηαζηάζεηο ηεο εθθέλσζεο. Άξα νη δηαδηθαζίεο πιάζκαηνο απαηηνχλ ΥΑΜΖΛΟ-ΜΔΟ ΚΔΝΟ ( mbar). Όκσο κεγάιε αχμεζε ηεο πίεζεο (άλσ ηνπ 10-1 mbar) κπνξεί λα απμήζεη πνιχ ηνλ αξηζκφ ησλ θξνχζεσλ νπδεηέξσλ κε απνηέιεζκα ηε κείσζε ηεο θηλεηηθήο ελέξγεηαο ησλ ζσκαηηδίσλ.

210 Χαρακτθριςτικά Ρλάςματοσ ςε ςυςτιματα κενοφ Οη δηαδηθαζίεο ηνληηθψλ δεζκψλ κπνξνχλ λα ιεηηνπξγήζνπλ ζε πηέζεηο πνπ αληηζηνηρνχλ ζε πςειφ θελφ ( mbar) ζην ρψξν παξαζθεπήο ηνπ πιηθνχ ην ρψξν παξαγσγήο ηεο δέζκεο φκσο νη πηέζεηο είλαη ζπλήζσο κεγαιχηεξεο ( mbar)

211 Χαρακτθριςτικά Ρλάςματοσ ςε ςυςτιματα κενοφ Σν ρξψκα θαη ε έληαζε ηνπ πιάζκαηνο είλαη ραξαθηεξηζηηθά ηνπ πιηθνχ ηνπ ζηφρνπ, ησλ αηκψλ, ηεο ζπλνιηθήο πίεζεο ζην ζάιακν ελαπφζεζεο θαη ηνπ βαζκνχ δηέγεξζεο. Έηζη, είλαη δπλαηφ λα αληρλεπηεί ε παξνπζία ζπγθεθξηκέλσλ ηφλησλ κέζα ζην πιάζκα κε ηελ παξαθνινχζεζε ησλ ραξαθηεξηζηηθψλ κεθψλ θχκαηνο πνπ εθπέκπεη ην θάζε ζηνηρείν.

212 Συνικεισ διατάξεισ παραγωγισ πλάςματοσ

213 Αλλθλεπιδράςεισ ιόντων-υλικϊν

214 Αλλθλεπιδράςεισ ιόντων-υλικϊν

215 Αλλθλεπιδράςεισ ιόντων-υλικϊν Καζψο ν ζηφρνο βνκβαξδίδεηαη κε ηφληα, ιακβάλνπλ ρψξα κία ζεηξά απφ δηαδηθαζίεο. Αλαθνξηθά θαηά ηελ αιιειεπίδξαζε ησλ πξνζπηπηφλησλ ζεηηθά θνξηηζκέλσλ ηφλησλ νη δηαδηθαζίεο πνπ ζπκβαίλνπλ είλαη: Απειεπζέξσζε νπδέηεξσλ αηφκσλ Οπδεηεξνπνίεζε θαη νπηζζνζθέδαζε ησλ πξνζπηπηφλησλ ηφλησλ (backscattered particles) Δθπνκπή Αθηίλσλ Υ (X-ray emission) Παξαγσγή γέλεζε θσηνλίσλ (photon generation) Δθπνκπή δεπηεξνγελψλ ειεθηξνλίσλ (secondary electron emission) Γηαζθνξπηζκφο ησλ αηφκσλ ηνπ αεξίνπ πνπ βξίζθνληαη ζηελ επηθάλεηα ηνπ ζηφρνπ (gas desorption)

216 Αλλθλεπιδράςεισ ιόντων-υλικϊν Απφ ηελ άιιε πιεπξά, ζην βνκβαξδηζκέλν ζηφρν κπνξνχλ λα ζπκβνχλ ηα αθφινπζα θαηλφκελα: Ακνξθνπνίεζε ηνπ ζηφρνπ (amorphisation) Δκθχηεπζε ηνπ ηφληνο (implantation) Δλψζεηο ζηνηρείσλ (compound formation) Γεκηνπξγία δηαδνρηθψλ θξνχζεσλ (cascade formation) Σνπηθή ζέξκαλζε (local heating) εκεηαθέο αηέιεηεο (point defects).

217 Ηνληηθή Φζνξά (Radiation Damage) Ο βνκβαξδηζκόο κε ηόληα πξνθαιεί ηε δεκηνπξγία δεπγώλ νπώλ (V) ελδνζέηωλ (I), ηα νπνία νλνκάδνληαη δεύγε Frenkel. Γηα ηε δεκηνπξγία ελόο δεύγνπο Frenkel απαηηείηαη δαπάλε ελέξγεηαο U d (ε ελέξγεηα γηα λα κεηαηνπηζηνύλ αξθεηά καθξπα κεηαμύηνπο ε νπή θαη ην ελδόζεην). U d =15-80 ev γηα ηα δηάθνξα πιηθά. Γηα λα ζπκβεί απηό ε θηλεηηθή ελέξγεηα Δ i ηνπ ηόληνο πξέπεη λα είλαη κεγαιύηεξε από ην U d. Απηή ε δηαδηθαζία πξνθαιεί θζνξά θαη ακνξθνπνίεζε ηνπ πιηθνύ πνπ αθηηλνβνιείηαη. E i <U d E i >U d

218 Ινληηθή Δπηβξάδπλζε Καηά ηελ εκθχηεπζε ησλ ηφλησλ ζε έλα πιηθφ ηα ηφληα επηβξαδχλνληαη εμαηηίαο ηεο ειεθηξνζηαηηθήο άπσζεο ησλ ειεθηξνλίσλ ηνπο απφ ηα ειεθηξφληα ηνπ πιηθνχ αιιά θαη ιφγσ ππξεληθψλ ζπγθξνχζεσλ. Ζ επηβξάδπλζε ζπκβαίλεη ζε ηέζζεξα (4) ζηάδηα. Σν θάζε ζηάδην έρεη δηαθνξεηηθή ρξνληθή δηάξθεηα. ην θάζε ζηάδην ζπκβαίλνπλ δηαθνξεηηθέο αιιειεπηδξάζεηο (κε ηαπηφρξνλε αληαιιαγή ελέξγεηαο) θαη πξνθαινχληαη δηαθνξεηηθέο δηεξγαζίεο.

219 Ινληηθή Δπηβξάδπλζε τάδιο Διάρκεια Αποδιδόμενθ Ενζργεια/άτομο Διεργαςίεσ I II Ιοντικι επιβράδυνςθ (e - ) Ρυρθνικζσ ςυγκροφςεισ ~1 fs <<E i Ιοντοβολι Ιοντικι φκορά ~fs-ps ~3-100 ev III Υπερκερμικό ~ps-10 ns ~0.1-3 ev Τιξθ Αναδιάταξθ ατόμων IV Θερμικό >10 ns <0.1 ev Διάχυςθ Χθμικζσ αντιδράςεισ

220 Το φαινόμενο Sputtering (Ιοντοβολι) Όηαλ κία επηθάλεηα αθηηλνβνιείηαη ή βνκβαξδίδεηαη κε ελεξγεηηθά ζσκαηίδηα (ηφληα) δηαβξψλεηαη (eroded) θαη απνκαθξχλνληαη επηθαλεηαθά άηνκα. Tν θαηλφκελν απηφ νλνκάδεηαη sputtering ζηα Αγγιηθά θαη pulverisation ζηα Γαιιηθά. Ο ζρεηηθφο Διιεληθφο φξνο είλαη ηνληνβνιή

221 Το φαινόμενο Sputtering (Ιοντοβολι) Sputtering: Όηαλ ε επηθάλεηα ελφο ζηεξενχ βνκβαξδίδεηαη απφ επηηαρπλφκελα ηφληα ηφηε ηα άηνκα ηεο επηθάλεηαο ηνπ ζηεξενχ νπηζζνζθεδάδνληαη ιφγσ θξνχζεσλ κεηαμχ πξνζπηπηφλησλ ηφλησλ θαη επηθαλεηαθψλ αηφκσλ. To θαηλφκελν απηφ νλνκάδεηαη back-sputtering ή απιά sputtering. ηελ πεξίπησζε πνπ ην ελεξγεηηθφ ηφλ εηζρσξήζεη κέζα ζην ζηεξεφ ηφηε έρνπκε ηελ εκθχηεπζή ηνπ (implantation).

222 Το φαινόμενο Sputtering (Ιοντοβολι)

223 Φαινόμενα Ανταλλαγισ Ορμισ

224 Απόδοςθ του Sputtering (Sputtering Yield) Ζ απφδνζε ηνπ sputtering (sputter yield) είλαη ν ξπζκφο απνκάθξπλζεο επηθαλεηαθψλ αηφκσλ ηνπ πιηθνχ ηνπ ζηφρνπ θαηά ηνλ βνκβαξδηζκφ ηεο επηθάλεηάο ηνπ κε ηφληα. Ωο απφδνζε ηνπ sputtering νξίδεηαη ν ιφγνο ηνπ κέζνπ αξηζκνχ ησλ αηφκσλ πνπ απνκαθξχλνληαη απφ ηελ επηθάλεηα ηνπ ζηφρνπ αλά πξνζπίπηνλ ηφλ θαη δίλεηαη απφ ηελ ζρέζε: S=(atoms removed) / (incident ions), H απφδνζε ηνπ sputtering κπνξεί λα επεξεάδεηαη απφ ηνπο αθφινπζνπο παξάγνληεο: 1. Δλέξγεηα ησλ πξνζπηπηφλησλ ηφλησλ 2. Τιηθφ ηνπ ζηφρνπ 3. Γσλίεο πξφζπησζεο ησλ ζσκαηηδίσλ 4. Κξπζηαιιηθή δνκή ηεο επηθάλεηαο ηνπ ζηφρνπ - ζχζηαζε ζηφρνπ.

225 Εξάρτθςθ του Sputtering Yield από τθν Κινθτικι Ενζργεια των Ιόντων ην ρήκα εηθνλίδεηαη ε εμάξηεζε ηνπ S απφ ηελ ελέξγεηα απφ ev ησλ πξνζπηπηφλησλ ηφλησλ γηα πέληε δηαθνξεηηθά πιηθά ζηφρνπ. Δίλαη θαλεξή ε χπαξμε ελφο ελεξγεηαθνχ θαησθιίνπ γχξσ ζηα 30 ev, γηα ηελ έλαξμε ηνπ sputtering.

226 Εξάρτθςθ του Sputtering Yield από τθν Κινθτικι Ενζργεια των Ιόντων H ελεξγεηαθή εμάξηεζε ηνπ S γηα κεγαιχηεξεο ελέξγεηεο ηφλησλ κέρξη 1000 kev. To ζπγθεθξηκέλν S αλαθέξεηαη ζηελ απφδνζε sputtering ζηφρνπ ραιθνχ (Cu) κε ρξήζε ηφλησλ Kr +. Δίλαη θαλεξφ φηη ην κέγηζην ηνπ S παξαηεξείηαη ζε πνιχ πςειέο ελέξγεηεο ~ 100 kev. Ζ κείσζε ηνπ S ζηηο κεγάιεο ελέξγεηεο νθείιεηαη ζηελ βαζπά εκθχηεπζε ησλ ηφλησλ ζην ζηφρν.

227 Υλικό του ςτόχου και μαηικόσ αρικμόσ ιόντων Σν sputtering ησλ πιηθψλ πξνζδηνξίδεηαη θπξίσο απφ κεραληζκνχο κεηαθνξάο νξκήο θαη ελέξγεηαο ηνπ πξνζπίπηνληνο ηφληνο πξνο ηα άηνκα ηεο επηθάλεηαο ηνπ ζηφρνπ. Δπνκέλσο, είλαη αλακελφκελν φηη ην S δελ εμαξηάηαη κφλν απφ ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ πιηθνχ ηνπ ζηφρνπ αιιά θαη απφ ηελ κάδα ηνπ πξνζπίπηνληνο ηφληνο.

228 Υλικό ςτόχου & μαηικόσ αρικμόσ ιόντων

229 Γωνίεσ πρόςπτωςθσ των ςωματιδίων Σν S κεηαβάιιεηαη αλάινγα κε ηελ γσλία πξφζπησζεο ησλ ηφλησλ. ηα κέηαιια ηα νπνία έρνπλ κεγάιε απφδνζε sputtering φπσο Au, Ag, Cu θαη Pt, ην S θαίλεηαη λα εμαξηάηαη αζζεληθά απφ ηελ γσλία πξφζπησζεο ησλ ηφλησλ. Αληηζέησο, ζηα κέηαιια φπσο Fe, Ta θαη Μo πνπ έρνπλ κηθξή απφδνζε sputtering ην S εμαξηάηαη ηζρπξά απφ ηελ γσλία πξφζπησζεο ησλ ηφλησλ. Ζ γεληθή εμάξηεζε ηεο απφδνζεο S κε ηελ γσλία πξφζπησζεο. ε γσλίεο αλάθιαζεο (Θ~0 ο ) ε απφδνζε είλαη ακειεηέα θαη απμάλεη ζεκαληηθά κε ηελ γσλία Θ κέρξη κία κέγηζηε ηηκή θαη θαηφπηλ κεηψλεηαη απφηνκα γηα ζρεδφλ εθαπηνκεληθή πξφζπησζε (Θ~90 ο ).

230 Γωνίεσ πρόςπτωςθσ των ςωματιδίων

231 Σφςταςθ ςτόχου Επιλεκτικό sputtering Ζ ρεκηθή ζχζηαζε ηνπ ελαπνηηζέκελνπ πκελίνπ είλαη παξφκνηα κε απηή ηνπ ζηφρνπ φηαλ απηφο απνηειείηαη απφ έλα πιηθφ θξάκαηνο. Ζ δηαηήξεζε ηεο ζηνηρεηνκεηξίαο πηζηνπνηεί γηα άιιε κηα θνξά φηη ε δηαδηθαζία ηνπ sputtering νθείιεηαη ζε κεραληζκνχο κεηαθνξάο νξκήο θαη φρη ζε ζεξκηθά θαηλφκελα φπσο γηα παξάδεηγκα ζηελ εμάρλσζε. Οη δηαθνξέο ζηελ απφδνζε S ηνπ sputtering γηα ηα δηαθνξεηηθά ζπζηαηηθά ηνπ ζηφρνπ κπνξεί λα νδεγήζνπλ ζε επηιεθηηθφ sputtering ηνπ ελφο ζηνηρείνπ πξνθαιψληαο ηνλ εκπινπηηζκφ ηνπ επηθαλεηαθνχ ζηξψκαηνο κε ην ζπζηαηηθφ πνπ έρεη κηθξφηεξε απφδνζε ζην sputtering.

232 Σφςταςθ ςτόχου Επιλεκτικό sputtering Ζ επηθαλεηαθή ζπγθέληξσζε ηνπ ζηνηρείνπ πνπ έρεη πςειφηεξν S κεηψλεηαη ζεκαληηθά. Μεηά απφ ιίγν ρξφλν, απνθαζίζηαηαη κία ζηαζεξή θαηάζηαζε φπνπ ε επηθαλεηαθή ζχζηαζε ελφο ζχλζεηνπ ζηφρνπ δηαηεξεί κία ηζνξξνπία ζηηο απνδφζεηο ηνπ sputtering ησλ δηάθνξσλ ζπζηαηηθψλ θαη ζηελ ζχζηαζε ηνπ ζηφρνπ. ε ζηαζεξή θαηάζηαζε ηζρχεη ε αθφινπζε ζρέζε: Θ Α S A C A = Θ B S B C B, (1) Όπνπ Θ είλαη ην επηθαλεηαθφ πνζνζηφ, S είλαη ε απφδνζε sputtering, θαη C είλαη ε ζχζηαζε φγθνπ ησλ Α θαη Β ζπζηαηηθψλ ελφο δπαδηθνχ ζηφρνπ.

233 DC-Diode Sputtering Αλάκεζα ζηηο δηαηάμεηο πνπ βαζίδνληαη ζην θαηλφκελν sputtering θαη ρξεζηκνπνηνχληαη γηα ηελ αλάπηπμε ιεπηψλ πκελίσλ είλαη ε dc diode sputtering ε νπνία απνηειείηαη απφ έλα δεχγνο επίπεδσλ ειεθηξνδίσλ (planar electrodes). Έλα απφ ηα ειεθηξφδηα απηά είλαη ε ςπρξή θάζνδνο θαη ην άιιν είλαη ε άλνδνο. Ζ επηθάλεηα ηεο θαζφδνπ απνηειείηαη απφ ην πιηθφ ή ηνλ ζηφρν (target), ην νπνίν πξφθεηηαη λα ελαπνηεζεί.

234 DC-Diode Sputtering Ζ εθθέλσζε αίγιεο (glow discharge) δεκηνπξγείηαη κε ηελ εθαξκνγή κίαο ζπλερνχο (dc) ηάζεο κεηαμχ ησλ δχν ειεθηξνδίσλ.

235 DC-Diode Sputtering Σα ππνζηξψκαηα πάλσ ζηα νπνία πξφθεηηαη λα γίλεη ελαπφζεζε ηνπνζεηνχληαη ζηελ άλνδν. ηνλ ζάιακν θελνχ (deposition chamber) εηζάγεηαη ην αδξαλέο αέξην (sputtering gas) πνπ είλαη ζπλήζσο Αξγφ (Ar) κε ελδεηθηηθή κεξηθή πίεζε 0.1 Σorr.

236 DC-Diode Sputtering Αλάινγα κε ην είδνο ηνπ πκελίνπ ηα ππνζηξψκαηα κπνξεί λα ςχρνληαη κε λεξφ ή λα ζεξκαίλνληαη ζε ζπγθεθξηκέλεο ζεξκνθξαζίεο. Ζιεθηξηθά ηα ππνζηξψκαηα κπνξνχλ λα είλαη γεησκέλα, αξλεηηθά πνισκέλα ή ζηνλ αέξα (floating) ρσξίο ειεθηξηθή ζχλδεζε. Δθφζνλ ν ζάιακνο ελαπφζεζεο βξίζθεηαη ζε ηθαλνπνηεηηθφ θελφ θαη επαλεηζάγεηαη ην αέξην πνπ ζα πξνθαιέζεη ην θαηλφκελν sputtering, ζπλήζσο Ar, κία αξλεηηθή ηάζε εθαξκφδεηαη ζην ζηφρν γηα ηελ έλαξμε ηνπ πιάζκαηνο. Σα ζεηηθά ηφληα ηνπ πιάζκαηνο βνκβαξδίδνπλ ηελ επηθάλεηα ηνπ ζηφρνπ θαη εμάγνπλ θπξίσο νπδέηεξα άηνκα ηνπ πιηθνχ ηνπ ζηφρνπ ηα νπνία ζπκππθλψλνληαη πάλσ ζην ππφζηξσκα θαη ζρεκαηίδνπλ ην πκέλην.

237 DC-Diode Sputtering Σα ηφληα Ar + πνπ δεκηνπξγνχληαη θαηά ηελ εθθέλσζε επηηαρχλνληαη πξνο ηελ θάζνδν πξνζπίπηνπλ πάλσ ζηνλ ζηφρν, θάλνπλ sputter ηνλ ζηφρν, κε απνηέιεζκα λα δεκηνπξγείηαη κία ξνή απφ άηνκα ή ζπζζσκαηψκαηα απφ ην πιηθφ ηνπ ζηφρνπ πνπ θηλνχληαη πξνο ηελ άλνδν θαη έηζη επηηπγράλεηαη ε ελαπφζεζε ελφο ιεπηνχ πκελίνπ πάλσ ζην ππφζηξσκα. ηα dc sputtering ζπζηήκαηα δηαηάμεηο νη ζηφρνη απνηεινχληαη απφ κεηαιιηθά πιηθά κηαο θαη ε εθθέλσζε αίγιεο (π.ρ. ξνή ειεθηξηθνχ ξεχκαηνο) δεκηνπξγείηαη κεηαμχ κεηαιιηθψλ ειεθηξνδίσλ.

238 DC-Diode Sputtering Εφροσ Τάςθσ-εφματοσ Οη ηππηθέο dc ηάζεηο πνπ εθαξκφδνληαη ζηελ θάζνδν είλαη απφ V. Μία απηνζπληεξνχκελε εθθέλσζε ή πιάζκα επηηπγράλεηαη κφλν φηαλ ε ηάζε είλαη αξθεηά πςειή γηα λα επηηαρχλεη ηα ηφληα λα πξνζθξνχζνπλ πάλσ ζηελ επηθάλεηα ηνπ ζηφρνπ θαη λα παξαρζνχλ ηα δεπηεξνγελή ειεθηξφληα έηζη ψζηε ην θάζε έλα απφ απηά λα παξάγεη ηθαλνπνηεηηθφ αξηζκφ λέσλ ηφλησλ θαη κε ηελ ζεηξά ηνπο απηά λα παξάγνπλ λέα ειεθηξφληα απφ ηελ επηθάλεηα ηνπ ζηφρνπ. Έλαο άιινο ηξφπνο γηα ηελ αχμεζε ηνπ ξεχκαηνο, δει. ηνπ ξπζκνχ sputtering, ζε κία δεδνκέλε ηάζε είλαη ε αχμεζε ηεο πίεζεο. Όκσο εάλ ε πίεζε απμεζεί ζεκαληηθά, ηφηε ν ξπζκφο sputtering κεηψλεηαη θαζψο ηα ηφληα επηβξαδχλνληαη ιφγσ ησλ κε-ειαζηηθψλ θξνχζεσλ κε ηα άηνκα ηνπ αεξίνπ.

239 DC-Diode Sputtering Εφροσ Τάςθσ-εφματοσ Οη ηππηθέο πηέζεηο πνπ ρξεζηκνπνηνχληαη γηα dc sputtering είλαη mtorr. Ζ θαηάιιειε απφζηαζε κεηαμχ ησλ ειεθηξνδίσλ αλφδνπ-θαζφδνπ παξέρεη κία αξθεηά κεγάιε πεξηνρή φπνπ ηα δεπηεξνγελή ειεθηξφληα ππνβάιινληαη ζε ζπγθξνχζεηο ηνληζκνχ πξηλ απηά θηάζνπλ ζηελ άλνδν. Όκσο ε απφζηαζε δελ ζα πξέπεη λα είλαη αξθεηά κεγάιε έηζη ψζηε ηα ηφληα πνπ παξάγνληαη λα κε ράζνπλ ηελ ελέξγεηά ηνπο ιφγσ ηνπ κεγάινπ αξηζκνχ ησλ ζπγθξνχζεσλ. Απηφ εμαζθαιίδεη φηη θαηά ηελ άθημή ησλ ηφλησλ ζηελ θάζνδν ε ελέξγεηα ηνπο είλαη ηθαλνπνηεηηθή γηα ηελ παξαγσγή δεπηεξνγελψλ ειεθηξνλίσλ. Ζ απφζηαζε κεηαμχ ησλ ειεθηξνδίσλ (ζηφρνπ ππνζηξψκαηνο) γεληθά πξέπεη λα είλαη κεξηθά εθαηνζηά.

240 Radio Frequency (RF) Sputtering Ζ ελαπφζεζε πκελίσλ απφ κνλσηηθφ ζηφρν κε ρξήζε ζπλερνχο dc ηάζεο δελ είλαη εθηθηή ιφγσ ηεο επηθαλεηαθήο θφξηηζεο ηνπ ζηφρνπ. ηελ πεξίπησζε ησλ κνλσηηθψλ πιηθψλ εθαξκφδεηαη κία ελαιιαζζφκελε ac ηάζε ζην ζηφρν. H επηινγή ηεο ζπρλφηεηαο ηεο ελαιιαζζφκελεο ηάζεο πνπ πξέπεη λα ρξεζηκνπνηεζεί γηα κία ηέηνηα δηαδηθαζία είλαη πνιχ ζεκαληηθή. Πξέπεη λα ιεθζνχλ ππφςε νη δηαθνξέο ζηελ επθηλεζία ησλ ειεθηξνλίσλ θαη ησλ ηφλησλ πνπ πξνθχπηνπλ απφ ηελ αχμεζε ηεο ζπρλφηεηαο ζε έλα εθαξκνδφκελν ac ζήκα.

241 Radio Frequency (RF) Sputtering Όηαλ ε ζπρλφηεηα είλαη 50 khz δελ ππάξρνπλ ζεκαληηθέο δηαθνξέο κεηαμχ ηεο ac κε ηελ αληίζηνηρε dc εθθέλσζε. Ζ κφλε δηαθνξά είλαη φηη ιφγσ ηεο αληηζηξνθήο πφισζεο ζε θάζε θχθιν ηoπ ac ζήκαηνο, ηφζν ν ζηφρνο φζν θαη ην ππφζηξσκα πθίζηαηαη sputtering. ε ζπρλφηεηεο κεγαιχηεξεο ησλ 50 khz, δειαδή ζηελ πεξηνρή ησλ ξαδηνζπρλνηήησλ (radio-frequency, rf), νη ηαιαληψζεηο ησλ ειεθηξνλίσλ κπνξνχλ λα πξνθαιέζνπλ κεγάιν πνζνζηφ ηνληζκνχ ηνπ αεξίνπ, ρσξίο λα είλαη απαξαίηεηε ε εθπνκπή δεπηεξνγελψλ ειεθηξνλίσλ γηα ηελ δηαηήξεζε ηεο εθθέλσζεο.

242 Radio Frequency (RF) Sputtering Οη ραξαθηεξηζηηθέο ξεχκαηνο - ηάζεο εθθέλσζεο, ζε έλα rf ζχζηεκα πιάζκαηνο είλαη αζχκκεηξεο θαη κνηάδνπλ κε εθείλεο ελφο δηαξξένληνο αλνξζσηή ή δηφδνπ ιφγσ ηεο δηαθνξεηηθήο επθηλεζίαο ηφλησλ-ειεθηξνλίσλ. Έηζη ν ζηφρνο (θάζνδνο) απνθηά έλα θαζαξά αξλεηηθφ δπλακηθφ self-bias. Απηφ φκσο ζπκβαίλεη θαη ζηελ άλνδν. Δπνκέλσο, εάλ κφλν ε θάζνδνο πξέπεη λα γίλεη sputter, ν ζηφρνο πξέπεη λα είλαη έλαο κνλσηήο θαη/ή έλαο αγψγηκνο ζηφρνο πξέπεη λα ζπλδεζεί κε ην rf ηξνθνδνηηθφ κέζσ ππθλσηή.

243 Radio Frequency (RF) Sputtering

244 Magnetron Sputtering Κίνθςθ φορτιςμζνου ςωματιδίου ςε μαγνθτικό πεδίο

245 Magnetron Sputtering ε έλα sputtering ζχζηεκα ε ρξήζε ελφο καγλεηηθνχ πεδίνπ θάλεη πην απνδνηηθή ηελ ρξήζε ησλ ειεθηξνλίσλ θαη ηα εμαλαγθάδεη λα πξνθαιέζνπλ εληνλφηεξν ηνληζκφ. ηα ζπζηήκαηα magnetron sputtering εθηφο ηνπ φηη αμηνπνηείηαη ε επίδξαζε ηνπ καγλεηηθνχ πεδίνπ ζηελ θίλεζε ηνπ ειεθηξνλίνπ, φπσο πεξηγξάθεθε παξαπάλσ, γίλεηαη θαη παγίδεπζε ησλ ειεθηξνλίσλ θνληά ζην ζηφρν θαη ηελ αχμεζε ηεο απνηειεζκαηηθφηεηάο ηνπο ζηνλ ηνληζκφ. Απηφ επηηπγράλεηαη κε ηελ ηαπηφρξνλε εθαξκνγή ειεθηξηθνχ θαη καγλεηηθνχ πεδίνπ θάζεηα κεηαμχ ηνπο.

246 Magnetron Sputtering

247 Magnetron Sputtering

248 Magnetron Sputtering

249 Ion Beam Sputtering Ο αλεμάξηεηνο έιεγρνο ηεο ελέξγεηαο ησλ ηφλησλ θαη ηνπ ξεχκαηνο ζηηο glow discharge δηαδηθαζίεο, είλαη πνιχ δχζθνινο. Ζ κφλε ρξήζηκε παξάκεηξνο γηα ηνλ αιιεινεμαξηψκελν έιεγρν ηνπ ξεχκαηνο ηάζεο είλαη ε πίεζε ηνπ αεξίνπ sputtering. Ζ ηερληθή sputtering κε δέζκεο ηφλησλ (ion beam sputtering, IBS) πξνζθέξεη ην πιενλέθηεκα ηνπ εχθνινπ θαη αλεμάξηεηνπ ειέγρνπ ηεο ξνήο θαη ηεο ελέξγεηαο ησλ ηφλησλ. Έλα επηπιένλ πιενλέθηεκα ηεο ηερληθήο απηήο είλαη ε κεηαβαιιφκελε γσλία ησλ πξνζπηπηφλησλ ζηελ επηθάλεηα ηφλησλ. Tφζν ε ελέξγεηα φζν θαη ε γσλία πξφζπησζεο ησλ ηφλησλ επεξεάδνπλ ζεκαληηθά ηελ απφδνζε ηνπ sputtering ησλ δηαθφξσλ πιηθψλ.

250 Ion Beam Sputtering

251 Τί είναι θ Χθμικι Εναπόκεςθ Ατμϊν; Αλάπηπμε πιηθώλ κέζσ ρεκηθώλ αληηδξάζεσλ αεξίσλ αληηδξαζηεξίσλ. Η αληίδξαζε θαηαιήγεη ζε έλα ζηεξεό πξντόλ (πιηθό) θαη αέξηα πξντόληα ηα νπνία κεηαθέξνληαη εθηόο ηνπ αληηδξαζηήξα από ηηο αληιίεο. Η CVD κπνξεί λα παξαζθεπάζεη εκηαγσγνύο, κέηαιια, νμείδηα, ληηξίδηα θαη νξγαληθά πιηθά.

252 PVD Process Substrate Film: Gas-Solid transition Gas/Vapor Solid Target Molecular Dynamics Kinetics Capillary Nucleation theory Statistical Mechanics (ideal gas) Classical Thermodynamics (latent heat, Gibbs free energy) Process-dependent phenomena (collisions, multi-photon absorption, etc)

253 CVD Process Substrate Film: Gas-Solid transition Gas/Precursor Quantum Chemistry Reaction Rates/Kinetics Capillary Nucleation theory Statistical Mechanics Fluid Dynamics

254 PVD: Μθχανιςμοί δθμιουργίασ ατμϊν Sputtering E-beam Evaporation Molecular Beam Epitaxy Cathodic Arc Pulsed Laser Deposition Ion Beam Deposition Μεταφορά Ορμισ Μετατροπι Κινθτικισ Ενζργειασ/Θερμότθτασ Μεταφορά Θερμότθτασ Μεταφορά Θερμότθτασ (μζςω τόξου) Ενζργεια μζςω οπτικισ απορρόφθςθσ Μεταφορά Ορμισ

255 CVD: Αντιδραςτιρια και Χθμεία Υδρίδια: SiH 4, CH 4, Ge 2 H 4 (Group IV) Υδρογονάνκρακεσ: CH 4, C 2 H 2, C 6 H 6, κλπ Αλογονίδια: π.χ. TiCl 4 Μεταλλοργανικά: π.χ. αλκφλια Μετάλλων Al(CH 3 ) 3 NH 3 για άηωτο Κλαςςικζσ αντιδράςεισ: Al(CH 3 ) 3 +ΝΘ 3 AlN+3CH 4 SiH 4 Si(solid)+2H 2 (με ενδιάμεςα ςτάδια) 6TiCl 4 +8ΝΘ 3 6TiN+24HCl+N 2

256 Τί είναι θ Χθμικι Εναπόκεςθ Ατμϊν; πλήζσο νη δηεξγαζίεο CVD ζπκβαίλνπλ ζε πςειέο ζεξκνθξαζίεο θαη ρακειέο πηέζεηο (ρσξίο λα είλαη απαξαίηεην) Όιεο νη δηεξγαζίεο CVD απαηηνύλ ηελ ύπαξμε κηαο ελεξγεηαθήο πεγήο γηα ηε δηάζπαζε ησλ αεξίσλ αληηδξαζηεξίσλ θαη ηελ έλαξμε ηεο ρεκηθήο αληίδξαζεο

257 Ραραδείγματα Χθμικισ Εναπόκεςθσ Ατμϊν Οη θύξηεο εθαξκνγέο είλαη ζηελ ηερλνινγία CMOS θαη άιισλ δηαηάμεσλ κηθξνειεθηξνληθήο: Ηκηαγσγνί: Si, Ge, InP, GaAs, GaN, AlN Αγσγνί: Μέηαιια: W, Cu, Al heavily doped Si Μνλσηέο: SiO 2, Si 3 N 4, DLC Τιηθά Φξαγκνύ: TiN, TaN

258 Αντιδραςτιρεσ CVD: Γενικά

259 Αντιδραςτιρεσ CVD Αληηδξαζηήξαο Θεξκώλ Σνηρωκάηωλ Αληηδξαζηήξαο Ψπρξώλ Σνηρωκάηωλ σιήλαο Υαιαδία Θάιακνο Κελνχ (ss316) Θεξκελφκελνο δεηγκαηνθνξέαο

260 Τί ςυμβαίνει ςε ζναν Αντιδραςτιρα;

261 Ραραλλαγζσ Χθμικισ Εναπόκεςθσ Ατμϊν Low-Pressure CVD (LPCVD) Πίεζε Λεηηνπξγίαο Torr Δίλαη ε ηερληθή παξαγσγήο Si από SiH 4

262 MFC MFC MFC Low-Pressure CVD (LPCVD) N 2 C 2 H 2 MFC NH 3 MFC Hot-Wall LPCVD Reactor: SiC, TiC SiC x N y, TiC x N y TiN:SiN x F5 SS316L Tube Bubbler for Bubbler for Ag/Cu MO HMDS SiCl 4 TiCl 4 Pressure Gauge F5 SS316L Tube 3-zone Furnace Wafer Holder zone 1 zone 3 zone 2 F5 Quartz Tube Butterfly Valve Diffusion Pump Exhaust Liquid Trap Rotary Pump

263 LPCVD και με ςτερεό αντιδραςτιριο N 2 NH 3 MFC MFC MFC MFC Ar F5 SS316L Tube Bubbler for Ag/Cu MO TiCl 4 Pressure Gauge F5 SS316L Tube 3-zone Furnace AlCl 3 Boat Wafer Holder zone 1 zone 3 zone 2 Butterfly Valve F5 Quartz Tube Diffusion Pump Exhaust Liquid Trap or TiCl 4 Rotary Pump

264 Ραραλλαγζσ Χθμικισ Εναπόκεςθσ Ατμϊν Plasma-Enhanced CVD (PECVD) Πίεζε Λεηηνπξγίαο Torr Δλέξγεηα Ιόλησλ ev H ηερληθή παξαγσγήο DLC από CH 4 ή C 2 H 2

265 Αντιδραςτιρεσ CVD: PECVD

266 Αντιδραςτιρεσ CVD: PECVD Παλεπηζηήκην Ιωαλλίλωλ

267 Ραραλλαγζσ Χθμικισ Εναπόκεςθσ Ατμϊν Metal-Organic CVD (MOCVD) Κάλεη ρξήζε κεηαιινξγαληθώλ ζπκπιόθσλ ζε πηέζεηο ζαλ ηελ LPCVD θαη ζε πςειέο ζεξκνθξαζίεο Δίλαη ε θαηάιιειε ηερληθή γηα ληηξίδηα

268 Ραραδείγματα μεταλλοργανικϊν αντιδραςτθρίων για MOCVD tetrakis-(dimethylamido)- titanium TDMAT: tetrakis-(diethylamido) titanium TDEAT :

269 Ραραλλαγζσ Χθμικισ Εναπόκεςθσ Ατμϊν Metal-Organic CVD (MOCVD) Οξηζκέλα ζύκπινθα είλαη πγξά νπόηε ρξεζηκνπνηνύληαη εηδηθέο δηαηάμεηο δεκηνπξγίαο αηκώλ (blowers ή bubblers)

270 Ανάπτυξθ ΙΙΙ-V ςφνκετων θμιαγωγϊν με MOCVD Ο πην δεκνθηιήο εκηαγσγόο ηεο θαηεγόξίαο III-V είλαη ην GaN. Σν πςειόηεξεο πνηόηεηαο GaN αλαπηύζζεηαη κε ηελ ηερληθή MOCVD κε αληηδξαζηήξηα ην ηξη-κέζπιν-γάιιην θαη ηελ ακκσλία: Ga(CH 3 ) 3 + NH 3 -->GaN+3CH 4 Η επηηπρία ηεο όιεο δηεξγαζίαο εμαξηάηαη από ηελ επηηπρή ππξόιπζε ηνπ ηξη-κέζπιν-γαιιίνπ θαη ηελ απαγσγή ηνπ κεζαλίνπ. Απηό ζπκβαίλεη γηα ζεξκνθξαζίεο >800 o C

271 Ανάπτυξθ ΙΙΙ-V ςφνκετων θμιαγωγϊν με MOCVD Γηα ηξηαδηθνύο εκηαγσγνύο ρξεζηκνπνηνύκε κίγκαηα κεηαιινξγαληθώλ αληηδξαζηεξίσλ, γηα παξάδεηγκα ηξηκέζπιν-γάιιην θαη ηξη-κέζπιν-ίλδην: Kx In(CH 3 ) 3 + (1-x) Ga(CH 3 ) 3 + NH 3 --> --> In x Ga 1-x N+3CH 4 Όπνπ ν όξνο Κ θαζνξίδεηαη από ηελ από ηνλ ιόγν ησ λ πνζνζηώλ ππξνιπόκελσλ κνξίσλ In(CH 3 ) 3 θαη Ga(CH 3 ) 3

272 Αντιδραςτιρεσ CVD: MOCVD

273 MetallOrganic Chemical Vapour Deposition (MOCVD)

274 Τα πιο ςυνθκιςμζνα αντιδραςτιρια Let's look at examples of precursors that are often used for films important in microelectronics:

275 Αντιδραςτιρεσ CVD

276 Αντιδραςτιρεσ CVD

277 Αντιδραςτιρεσ CVD

278 Αντιδραςτιρεσ CVD

279 Ταχφτθτα Αντίδραςθσ - υκμόσ Εναπόκεςθσ - Διαγράμματα Arrhenius

280 Ταχφτθτα Αντίδραςθσ - υκμόσ Εναπόκεςθσ - Διαγράμματα Arrhenius Ο ξπζκφο ελαπφζεζεο θαη ε πνηφηεηα ηνπ πκελίνπ εμαξηάηαη απφ: Σελ ηαρχηεηα αληίδξαζεο Σελ ελέξγεηα πνπ απνδίδεηαη γηα ηελ ελεξγνπνίεζε ησλ αληηδξαζηεξίσλ Σα θαηλφκελα κεηαθνξάο ζηελ αέξηα θάζε (ξεπζηνκεραληθή) Σε δηάρπζε ησλ ελαπνηηζεκέλσλ ζσκαηηδίσλ ζηελ επηθάλεηα

281 Χθμεία και Χαρακτθριςτικά του SiH 4 H Si H H H Σν ζηιάλην (SiH 4 ) είλαη έλα επζηαζέο κόξην κε ηεηξαεδξηθή δνκή αληίζηνηρε ηνπ κεζαλίνπ (CH 4 )

282 Χθμεία και Χαρακτθριςτικά του SiH 4 Βξίζθεηαη ζηελ αέξηα θάζε ζηε ζεξκνθξαζία δσκαηίνπ Δίλαη επζηαζέο ζε ζπλζήθεο απνζήθεπζεο ζε θηάιεο πςειήο πίεζεο ΑΛΛΑ ΔΙΝΑΙ ΠΟΛΤ ΔΤΦΛΔΚΣΟ ΚΑΙ ΔΚΡΗΚΣΙΚΟ ΑΝ ΔΡΘΔΙ Δ ΔΠΑΦΗ ΜΔ ΣΟ ΟΞΤΓΟΝΟ

283 Χθμεία και Χαρακτθριςτικά του SiH 4 ΠΡΔΠΔΙ ΝΑ ΔΙΜΑΣΔ ΠΟΛΤ ΠΡΟΔΚΣΙΚΟΙ ΣΗ ΥΡΗΗ ΣΟΤ ΙΛΑΝΙΟΤ Σνπνζεηείηαη ζε εηδηθέο θηάιεο θαηάιιειεο γηα εθξεθηηθά αέξηα Οη γξακκέο ζηιαλίνπ πξέπεη λα ζπλνδεύνληαη από γξακκέο αδώηνπ γηα θαζαξηζκό (purging).

284 Χθμεία και Χαρακτθριςτικά του SiH 4 Δίλαη επίζεο ηνμηθό (παξά ην όηη πεξηζζόηεξα αηπρήκαηα έρνπλ ζπκβεί ζε εθξήμεηο παξά ζε ηνμηθέο ζπλέπεηεο). Δίλαη ζπλεπώο απαξαίηεηε ε ηνπνζέηεζε θαηάιιεισλ αηζζεηήξσλ δηαξνήο Σα ζπλήζε αληηδξαζηήξηα γηα ηηο πξνζκίμεηο, (δηβνξάλην B 2 H 6 θαη θσζθίλε PH 3 ) είλαη ΙΓΙΑΙΣΔΡΩ ΣΟΞΙΚΑ θαη ζαλαηεθόξα!!! Δπηπρώο ε δηάρπζε απηώλ ησλ αεξίσλ είλαη αξγή (12-15 cm ζε 5 min).

285 Χθμεία και Χαρακτθριςτικά του SiH 4 Παξά απηέο ηηο δπζθνιίεο ε ηερλνινγία Si ησλ ειεθηξνληθώλ δηαηάμεσλ βαζίδεηαη ζηε ρεκεία ζηιαλίνπ θαη ζε πξνζκίμεηο B 2 H 6 θαη PΗ 3. Έηζη έρνπλ αλαπηπρζεί νη θαηάιιειεο δηαδηθαζίεο αζθαινύο ρξήζεο απηώλ ησλ αληηδξαζηεξίσλ

286 Χθμεία SiH 4 για τθν παραγωγι Si Η θπξίαξρε ρεκηθή αληίδξαζε γηα ηελ αλάπηπμε Si από αέξην SiH 4 είλαη ε ππξόιπζε ηνπ SiH 4 ζηελ αέξηα θάζε:

287 Χθμεία SiH 4 για τθν παραγωγι Si Πιήξεο δηάγξακκα ησλ αληηδξάζεσλ ηνπ SiH 4 :

288 Στάδια ανάπτυξθσ υμενίου Si Σχθματιςμόσ ενεργϊν ριηϊν ςτο πλάςμα Αλλθλεπίδραςθ των ενεργϊν ριηϊν με τθν επιφάνεια Μετατροπι του ςχθματιηόμενου επιφανειακοφ ςτρϊματοσ ςε ςτερεό υλικό

289 χθματιςμόσ ενεργϊν ριηϊν ςτο πλάςμα Κφρια αντίδραςθ : H+SiH 4 => SiH * 3 + H 2 Ραράπλευρεσ αντιδράςεισ : H+ SiH * 3 => SiH* 2 + H 2 SiH * 3 + SiH* 3 => SiH* 2 +SiH 4 SiH* 2 +SiH 4 => Si 2 H 6 Κυρίαρχθ ρίηα: SiH * 3 Δεν μπορεί να ειςζλκει απευκείασ ςτουσ δεςμοφσ Si-Si και Si-H Μικρό ςυντελεςτι επικόλλθςθσ Αποτζλεςμα : επαφι με πολλά sites πριν αντιδράςει

290 Ειςαγωγι προςμίξεων α-si:h Αφξθςθ τθσ αγωγιμότθτασ μζςω του doping. p doping : ωσ precursor Β 2 Θ 6 (διβοράνιο) ςε ποςοςτό 1% τθσ ςυχνότθτασ ροισ του ςιλανίου n doping : ωσ precursor PH 3 (φωςφίνθ) Τα αντιδραςτιρια (precursors) αποςυντίκενται ςτθν επιφάνεια και το Β,P ενςωματϊνονται ςτο δίκτυο του Si

291 When oxygen is present in excess, water is the main b conditions, hydrogen will be produced (LPCVD). Be Χθμεία SiH 4 για τθν παραγωγι SiΟ 2 Σν SiO 2 κπνξεί Deposition λα παξαζθεπαζηεί κέζσ ηεο αληίδξαζεο ηνπ SiH 4 κε κνξηαθό Ο 2? sent in excess, water is the main byproduct (APCVD), whereas in low-oxygen n will be produced (LPCVD). Because the heat of formation of silane is small ioxide is large, this process is very exothermic: The basic overall reaction for the deposition of silicon atoms and addition of two oxygens: ΕΞΩΘΕΡΜΗ!!! ds through a complex series of reactive gas-phase intermediates; an example, in ed by the burning of other silane molecules attackes a silene radical, is:

292 Χθμεία SiH 4 για τθν παραγωγι SiΟ 2 Γξαζηηθέο ξίδεο κπνξνύλ επίζεο λα πξνζθνιιεζνύλ ζηελ επηθάλεηα ηνπ ζηεξενύ δείγκαηνο θαη λα ζπκβάινπλ ζηελ αλάπηπμε ηνπ SiO 2 :

293 Ραραγωγι SiΟ 2 από ΤΕΟS To TEOS είλαη ην tetra-ethoxy-silane: To TEOS ρξεζηκνπνηείηαη γηαηί είλαη πην θηιηθό αληηδξαζηήξην (πγξό) θαη ε ππξόιπζε ηνπ δελ είλαη εμώζεξκε αληίδξαζε όπσο ε νμείδσζε ηνπ ζηιαλίνπ

294 Atomic Layer Deposition (ALD) Θ ALD είναι μια μοντζρνα παραλλαγι τθσ MOCVD με το επιπλζον χαρακτθριςτικό τθσ self-limiting reaction Αυτό επιτυγχάνεται με τθν εναλλαγι ροισ αντιδραςτθρίων τα οποία αντιδροφν για τθν ανάπτυξθ μόνο ενόσ ML και μετά αδρανοποιοφνται λόγω τθσ χθμείασ τθσ αναπτυγμζνθσ επιφάνειασ Ζτςι επιτυγχάνεται ζλεγχοσ ςε ατομικό επίπεδο

295 Κχθινο ALD