Vékonyréteg szerkezetek mélységprofil-analízise

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Vékonyréteg szerkezetek mélységprofil-analízise"

Elemér Varga
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Vékonyréteg szerkezetek mélységprofil-analízise Vad Kálmán, Takáts Viktor, Csík Attila, Hakl József MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen, Bem tér 18/C Langer Gábor Debreceni Egyetem, Szilárdtest Fizika Tanszék, Debrecen, Bem tér 18/B TÁMOP A-11/1/KONV

Debrecen, Bem tér 18/C Langer Gábor Debreceni Egyetem, Szilárdtest

2 Mélységprofil-analízis: vékonyrétegek, felületi rétegek, határfelületek elemeloszlásainak mélységi feltárása. Roncsolás mentes mélységprofil-analízis: nincs felületi roncsolás. Az analizálható mélységet (vastagságot) a vizsgáló nyaláb behatolási mélysége határozza meg (AES, XPS). Roncsolásos mélységprofil-analízis (porlasztáson alapuló analízis) Nagyobb mélységek analízise csak roncsolásos módon végezhető el. Egy meghatározott területen porlasztva a felületet, a felületi összetétel folyamatosan meghatározható, vagy a visszamaradt felületi réteget lehet vizsgálni (AES, XPS, SIMS, SNMS, ISS, GDOES) Nukleáris nyaláb technika: RBS, PIXE (roncsolás mentes??)

Az analizálható mélységet (vastagságot) a vizsgáló nyaláb behatolási mélysége határozza meg (AES, XPS).

3 A mélységprofil-analízissel szemben támasztott követelmények nanométeres mélységi feloldás biztosítása szigetelők, oxidrétegek vizsgálata nemcsak laboratóriumi körülmények között előállított vékonyrétegek analízise Funkcionális vékonyrétegek vizsgálata Minták: adott célra készülnek (ipari minták) Az ipari minták felületei jobban szennyezettek a laboratóriumi mintáknál a felületi durvaság nagy a vizsgált minta alakja a vizsgálathoz nem ideális Kihívás: nanométeres mélységi feloldást biztosítása

vékonyrétegek vizsgálata Minták: adott célra készülnek (ipari minták) Az ipari minták felületei jobban szennyezettek a

4 Kvantitatív mélységprofil-analízis Feladat: I x ( t) c ( z) x Megoldás: 1) I ( t) c ( t) Valódi mélység meghatározása a g(z-z ) mélység-feloldás függvénnyel. c x x x t z' DRF ( z') c ( z) I( z) / I0 c ( z') g( z z') dz' 2) 3) x x

5 Koncentráció [at %] Mélységfeloldás-függvény 100 z 80 A 84 % B porlasztás iránya % Mélység [nm]

6 Atomi keveredés felületi durvaság információs mélység Mixing Roughness Information depth model, S. Hofmann, Rep. Prog. Phys. 61 (1998) 827. Atomi keveredés: g w ( z z') 1 w e ( zz' w) w,ha z' w z Felületi durvaság: g ( z z') 1 e 2 2 ( z z') 2 2 Információs mélység: g ( z z') 1 e ( z' z),ha z' z E ~ 300 ev energiájú Ar + ionok esetén az atomi keveredés < 1 nm, ezért kis energiájú porlasztáskor a porlasztás okozta atomi keveredés nem játszik szerepet. Csak a felületből kilépő részecskék detektálásakor az információs mélységnek nincs értelme. Esetünkben a felületi durvaság a meghatározó paraméter!

z' z E ~ 300 ev energiájú Ar + ionok esetén az atomi keveredés < 1 nm, ezért kis energiájú porlasztáskor a porlasztás okozta atomi keveredés nem

Anyagtudományi laboratórium SNMS/SIMS-XPS-LEIS berendezése A laboratórium kutatási területe: Felületfizika és vékonyréteg-fizika (nanométer vastagságú filmszerkezetek előállítása és tanulmányozása)

7 Anyagtudományi laboratórium SNMS/SIMS-XPS-LEIS berendezése A laboratórium kutatási területe: Felületfizika és vékonyréteg-fizika (nanométer vastagságú filmszerkezetek előállítása és tanulmányozása) Tudományos műszerparkja: Elektronspektroszkópiai berendezések Elektronmikroszkópok Röntgen-diffrakciós berendezés Vékonyfilm előállító berendezések elektronsugaras párologtatás, magnetronos porlasztás, ALD SNMS/SIMS-XPS-LEIS berendezés Profilométer A laboratóriumot a MTA ATOMKI és a DE SZFT közösen birtokolja és üzemelteti!

Elektronmikroszkópok Röntgen-diffrakciós berendezés Vékonyfilm előállító berendezések elektronsugaras párologtatás, magnetronos

8 SIMS/SNMS működési elv Ion source mass spektrometer sample SIMS Secondary Ion Mass Spectroscopy I + P I + P I A +, A (~99%) B +, B (~99%) A x B 1-x mass spektrometer Secondary Neutral Mass Spectroscopy SNMS H.Oechsner and W.Gerhard, Phys.Letters 40A (1972) 211. Nincs mátrix-effektus! Ion source SBM Post ioni- zation sample DBM Post ioni- zation sample

Secondary Neutral Mass Spectroscopy SNMS H.Oechsner and W.Gerhard, Phys.

9 Mélységprofil-analízist elősegítő modell Cél: a porlasztás által előidézett zavaró jelenségek figyelembevétele A porlasztás által előidézett felületi összetétel változás: felületi diffúzió és szegregáció, preferenciális porlasztás, visszaporlódás. A porlasztás által előidézett felületi topográfiai változás: a porlasztás statisztikai jellegű folyamat, illetve a lokális porlasztási sebességek is változhatnak a felületi tulajdonságok miatt. A felületi durvaság és a porlasztással létrehozott kráter alakja a két legfontosabb tényező, ami a mélységfeloldást meghatározza.

A porlasztás által előidézett felületi topográfiai változás: a porlasztás statisztikai jellegű folyamat, illetve a lokális porlasztási

10 Koncentráció [at %] Mélységprofil-analízist elősegítő modell Határréteg Rétegvastagság Határréteg Mélység [nm]

11 Ge koncentráció CVD-vel előállított filmek analízise GaAs vékonyfilmek Ge szubsztráton 1 0,1 0,01 T=600 o C mért számolt T=Buffer 500 o C o C mért számolt 1E-3 M. Bosi et al. Journal of Crystal Growth 318 (2011) E-4 GaAs film Ge hordozó Mélység [nm] Hol van a hordozó felülete?

mért számolt 1E-3 M. Bosi et al. Journal of Crystal Growth 318 (2011) 367.

12 Koncentráció [%] Mélység [nm] ZnO film GaN hordozón ZnO//GaN Zn O Ga N , , Mélység [nm] RPV = 22.4 nm Laterális távolság [m] Mintapreparálás: ALD (Baji Zs. és Lábadi Z, MFA, Budapest).

13 Koncentráció [at %] Koncentráció [at %] Cu/V/Fe rétegszerkezet Si szubsztráton Porlasztás MBE Cu V Fe Si 80 Cu V Fe Si 60 RPV = 7,6 nm 7,6 nm 20,6 nm 60 RPV = 8,8 nm 20 nm Mélység [nm] Mélység [nm] Cu(35 nm)/v(36 nm)/fe(7,2 nm)//si Cu(35 nm)/v(45 nm)/fe(4,5 nm)//si

60 RPV = 8,8 nm 20 nm 40 40 20 20 0 0 20 40 60 80 100 Mélység [nm] 0 0 20 40 60

14 Intenzitás [cps] Intenzitás [cps] Intenzitás [cps] ZnO / Al / ZnO vékonyfilm O 10 5 Si Zn Zn 3s (AlK12) Al Mélység [nm] Kötési energia [ev] Zn 3s (AlK34) Al 2s (oxid) Zn 3p plazmon Kötési energia [ev] Mintapreparálás: ALD (Baji Zs. és Lábadi Z, MFA, Budapest).

100000 90000 80000 70000 66000 63000 140 130 120 110 Kötési energia [ev] Zn 3s (AlK34) Al 2s (oxid) Zn 3p

15 Következtetések 1.) A felületi durvaság meghatározó szerepet játszik a porlasztáson alapuló mélységprofil-analízisben. 2.) A kidolgozott modell segít eldönteni, hogy a mért elemeloszlást a porlasztás maga idézte elő, vagy más fizikai folyamatok következménye. Ezzel elősegíti a valós fizikai folyamatok tanulmányozását.

16 Köszönöm a megtisztelő figyelmüket! TÁMOP A-11/1/KONV

Hasonló dokumentumok

NÉHÁNY KÜLÖNLEGES FÉMES NANOSZERKEZET ELŐÁLLÍTÁSA ELEKTROKÉMIAI LEVÁLASZTÁSSAL. Neuróhr Katalin. Témavezető: Péter László. SZFKI Fémkutatási Osztály

NÉHÁNY KÜLÖNLEGES FÉMES NANOSZERKEZET ELŐÁLLÍTÁSA ELEKTROKÉMIAI LEVÁLASZTÁSSAL Neuróhr Katalin Témavezető: Péter László SZFKI Fémkutatási Osztály 2011. május 31. PhD témám: Fémes nanoszerkezetek elektrokémiai