Fizikai gőzfázisú leválasztás

A fizikai gőzfázisú leválasztás (angol rövidítéssel PVD, physical vapor deposition) a vékonyréteg-leválasztás egy lehetséges módszere, amelyet vékonyrétegek kialakítására alkalmaznak a mikro- és a nanotechnológiában. A PVD-módszerek általános jellemzője az, hogy egy kezdetben jellemzően szilárd vagy folyékony halmazállapotban levő anyagot gőzfázisba juttatnak, mely egy kívánt hordozó felületén újra szilárd állapotba jut, így alakítva ki a felületi réteget.

A PVD sokféleképpen valósítható meg. Az egyes módszerek általában abban különböznek, hogy a leválasztandó anyag hogyan kerül gőzfázisba, és hogy milyen mérnöki megvalósításokat alkalmaznak. A két alapvető módszer a vákuumporlasztás és a vákuumpárologtatás. A megvalósítás hatással lehet arra, hogy a hordozón milyen kémiai összetételű, milyen fizikai tulajdonsággal (pl. sűrűséggel, kristályossággal, kristályiránnyal) jellemezhető réteg alakul ki. Különféle anyagok és hordozók is speciális eljárásokat igényelhetnek.

A PVD az ipari és kutatói gyakorlatban elterjedt módszer, amelyet például optikai bevonatok kialakítására, felületkezelésre, egyes mikro-és nanoszerkezetű eszközök gyártására alkalmaznak.

Típusai

Vákuumpárologtatás

Ellenállásfűtésű vákuumpárologtató berednezés csónak alakú forrástartóval

A vákuumpárologtatás (más néven vákuumgőzölés) során egy kívánt anyagot vákuumtérben magas hőmérsékletre hevítve elpárologtatják. Az anyag gőze ezt követően a hordozó felületén lekondenzálódik és megszilárdul.

A gőzfázisba vitel tehát ezen módszernél termikus elvű: a hevített forrásból termikus gerjesztés hatására lépnek ki atomok. A gőztér koncentrációviszonyait a szilárd és gáz halmazállapot közötti átmenetre jellemző egyensúlyi gőznyomás befolyásolja, melyet a Clausius–Clapeyron-egyenlet ír le. Ennek értelmében a gáztér nyomása a hőmérséklet függvénye. Mivel a rétegépülési sebesség a nyomástól függ, ezért a fűtéssel befolyásolható a rétegleválasztás sebessége. Ez azért fontos, mert a réteg szerkezeti jellemzőire (pl. kristályos, polikristályos vagy amorf jellegre) hatással van a rétegépülés termodinamikai lefolyása, illetve különféle anyagoknál is más-más leválasztási sebességek alkalmazandók.

A forrás fűtése történhet például áram átvezetésével a forráson, vagy a forrást tartó edényen, mely esetben a párolgáshoz szükséges energiát a Joule-hő biztosítja. Emellett léteznek elektronnyalábbal, illetve indukciós elven fűtött berendezések. Közös jellemzőjük azonban, hogy a gáztér atomjai termikus hatásra lépnek ki a forrásból.

Általában elvárás a párologtatásnál, hogy a bevonat egyenletes vastagságú és szerkezetű legyen. A forrás és a hordozó térbeli helyzete, illetve a gőz áramlásának irányfüggése a réteg homogenitását ronthatja, ezért gyakran forgatják a hordozót, hogy ezek a hatások a felületen kiátlagolódjanak.

Párologtatással ötvözet- és vegyületrétegek is leválaszthatók, bár ezen eljárások általában körültekintést, és összetettebb berendezést igényelnek. Ha több anyagot egyszerre gőzölnek, elképzelhető például, hogy az eltérő egyensúlyi gőznyomás nem a kívánt koncentrációviszonyokat hozza létre a gáztérben. Elképzelhető továbbá, hogy a vegyületforrás molekulái a fűtés hatására termikusan disszociálnak, a vegyületek kémiailag átalakulnak.

A vákuumpárologtatás néhány elterjedt módszere:

• Ellenállásfűtésű, elektronsugaras fűtésű illetve indukciós fűtésű párologtatás: e módszerek a fűtés módjában különböznek, jellemzően (de nem kizárólag) egykomponensű anyagok leválasztására alkalmazzák.

• Pillanatpárologtatás: a forrást kis adagokban juttatják a rendszerbe, és minden lépésben teljesen elpárologtatják. Előnye, hogy a kémiai összetétel a fenti módszerekkel szemben jobban kontrollálható.
• Lézerablációs párologtatás: jellemzően magas olvadáspontú oxidok és szupravezetők leválasztására alkalmazzák. A párologtatás energiáját rövid hullámhosszú impulzus-excimerlézer biztosítja. Mivel a rétegépülés rövid impulzusokban történik, így a forrástartó kevéssé melegszik csak, így e módszer segítségével csökkenthető a leválasztott réteg szennyezettsége.
• Reaktív gőzölés: az elpárologtatott anyag a leválasztókamrába engedett reaktív gázzal kémiai reakcióba lép, amelynek terméke a hordozón kicsapódik és megszilárdul. Jellemzően oxidrétegek leválasztására alkalmazzák, amely során a vákuumtérbe engedett oxigénnel való reakció terméke válik le a hordozóra.
• Molekulasugaras epitaxia: többkomponensű rétegen szoros felügyelet alatti építésére alkalmazott eljárás, melyben Knudsen-cellák segítségével a leválasztandó anyagok olyan nyalábját hozzák létre, amely ténylegesen egyedi atomokból vagy molekulákból áll. Jellemzője, hogy rétegépülés igen lassú, akár 0,001–1 nm/s is lehet, miközben a koncentrációviszonyok folyamatosan jól szabályozhatók. A lassú rétegnövekedés nem kívánt hatása azonban, hogy a szennyezők koncentrációjának csökkentése végett az eljárás nagyobb vákuumot (tipikusan 10^-9 mbar nyomásnál alacsonyabbat) igényel.

Vákuumporlasztás

A vákuumporlasztás egy megvalósításának sematikus rajza. Jelen példában a _target atomjait argongázzal porlasztják ki, melyek a felületből kilépnek, majd a hordozó felületén lecsapódva réteget képeznek

A vákuumporlasztás, illetve az ezzel rokon katódporlasztás során a szilárd vagy folyékony anyagot (melyet e folyamatban céltárgynak, vagy olykor még a magyar szakirodalomban is _targetnek neveznek) nem párologtatással juttatják gáz halmazállapotba, hanem porlasztással. Ez azt jelenti, hogy például valamilyen részecskenyalábbal bombázzák az anyagot, mely hatására atomok és atomcsoportok szakadnak ki annak felületéből. A kémiai reakciók elkerülése végett porlasztásra jellemzően nemezgáz-atomokat alkalmaznak.

A céltárgyba becsapódó ionok többféle hatást váltanak ki az anyagban. Egyrészt visszaszóródhatnak, másrészt a céltárgyba becsapódva beépülhetnek (implantálódhatnak), illetve az anyagszerkezetet is megváltoztathatják (utóbbit a szakirodalom a céltárgy sugárkárosodásának nevezi). Ezek mellett a bombázó ionok a céltárgy atomjai között ütközések sorozatát indítják el, amelyek végeredményében atomokat és atomcsoportokat lökhetnek ki a felületből; ez a vákuumporlasztás alapvető jelensége. Az így kiporlasztott atomok és atomcsoportok gázfázisba jutnak. A porlasztó energia ~95%-át a céltárgy elnyeli, melyet hűtéssel el kell vonni, közben mindössze 5% fordul a kiporlasztott atomok energiájának fedezésére.

A vákuumporlasztás megvalósításának alapvető jellemzője, hogy az eszközben milyen módon hozzák létre a porlasztó ionnyalábot. Eszerint megkülönböztetnek gázkisüléses plazma-, lokalizált gázkisüléses plazma- és ionágyús eszközöket. Minden vákuumporlasztó közös jellemzője, hogy a ritka gáztér ionizációja hatására benne önfenntartó gázkisülés, és plazma keletkezik. A gyakorlatban az alábbi fő eszközcsoportokat alkalmazzák:

• Egyenáramú diódás vákuumporlasztás: a porlasztás megvalósítható vákuumtérben elhelyezett elektródák közötti egyenáramú előfeszítéssel. Ekkor a ritka, kb. 10^-2 mbar nyomású nemezgáz gáztér ionizálódik, az ionok az elektródák felé gyorsulva újabb és újabb ionizációkat okozva gázkisülést idéznek elő, és plazma alakul ki. Ebben az elrendezésben a céltárgy a katód, a hordozó pedig az anód, melyekre 2–5 kV-os előfeszítést kapcsolnak. A katódba becsapódó argonionok hatására a céltárgyból semleges atomok, szekunder elektronok és szekunder ionok lépnek ki. A leválasztott réteg minőségét befolyásolni lehet a hordozó hőmérsékletével, a gáztér nyomásával, a gázkisülés jellemző áramsűrűségével, illetve a céltárgy és a hordozó távolságával. A módszer olcsó porlasztást tesz lehetővé, viszont hátránya a lassú rétegépülés, a kis vákuum miatti viszonylagos szennyezettség, illetve hogy a céltárgy elektromos feltöltődésének elkerülése végett csak vezető anyag választható le.

• Egyenáramú triódás vákuumporlasztás: a fenti módszer olyan kiegészítése, melyben a vákuumtérbe helyezett izzókatóddal, és egy vele szemben elhelyezett, előfeszített elektródával jelentősen megnövelik a plazmabeli elektronok mennyiségét. Mivel az ilyen készülék gázterében nagyobb az ionizáció hatásfoka, ezért nagyobb vákuum (jellemzően 10^-3–10^-4 mbar) is alkalmazható.
• Váltóáramú rádiófrekvenciás vákuumporlasztás: szigetelő rétegek leválasztására az egyenáramú módszerek nem alkalmasak, ugyanis a becsapódó töltött részecskéktől a szigetelő céltárgy feltöltődne, ami taszításával akadályozná a további töltések becsapódását. Ha a céltárgy és a hordozó közé egyenfeszültség helyett nagyfrekvenciás (jellemzően ~14 MHz-es) váltakozó feszültséget kapcsolnak, ez a korlát áthágható, hiszen a feszültségváltozások hatására a töltésfelhalmozódásnál gyorsabban váltakozik a polaritás, így nem áll le a gázkisülés. A módszer további előnye, hogy a nagyfrekvenciás térben a töltések oszcilláló mozgása miatt megnő az ionizáció hatásfoka, így a gáztér nyomása csökkenthető. Mivel ilyen rendszerben a plazma a céltárgy és a hordozó rétegét is porlasztaná, ezért mechanikailag aszimmetrikus rendszert kell kialakítani, mely a hordozón való rétegépülésnek kedvez.
• Magnetronos vákuumporlasztás (Penning-porlasztás): ezen eszközben az elektromos térre merőleges mágneses tér segítségével a plazmát a céltárgy felületéhez fókuszálják. Ennek következtében az elektronok és a munkagáz közti ütközések ionizációs hatásfoka igen nagy. További előny, hogy az elektronok és a munkagáz ionjai nem jutnak túl az anódon, így a hordozó sugárkárosodása igen lecsökken.
• Ionsugaras porlasztás: a fenti eszközökben a porlasztó ionok előállítása, a céltárgy porlasztása és a réteg leválasztása ugyanabban a gáztérben történik, ezért a gáztér nyomása viszonylag nagy. Ha az ionforrást elválasztják ettől, a nyomás jelentősen csökkenthető, az nagyvákuumos környezet pedig a kedvez a rétegtisztaságnak.

Ötvözetek, vegyületek porlasztása során figyelembe kell venni, hogy a céltárgy komponenseinek porlasztási hozama eltérhet, a gyengébben porlasztható összetevő feldúsul a céltárgy felületén. Ez a leválasztott rétegben az összetevők arányának változását okozza az egyensúly beálltáig. A kívánt koncentrációjú réteg leválasztása tehát a céltárgy komponensarányainak szabályozásával lehetséges. Oxidok és nitridek leválasztásakor reaktív porlasztást alkalmaznak. Ekkor a gáztérbe oxigént, vagy nitrogént kevernek, mely a hordozóra kicsapódva reagál. A gáztérbe beengedett reaktív gáz parciális nyomásával befolyásolható a leválasztott réteg összetétele. Ezen módszert arra is alkalmazzák, hogy egyenáramú leválasztásban fém céltárgyból szigetelő réteget válasszanak le a hordozóra.

Általános rétegjellemzők

A párologtatásos és porlasztásos módszerekkel nyerhető rétegek közötti alapvető különbségeket az alábbi táblázat foglalja össze:

A rétegjellemzők alakulása és a módszer jellemzői a fizikai leválasztási módtól függően

	Vákuumpárologtatással	Vákuumporlasztással
Vákuumkönyzezet	nagyvákuum	kisebb vákuum
Tisztaság	tisztább réteg	kevésbé tiszta réteg
Leválasztási sebesség	gyorsabb, kontrollálható	lassabb
A réteg tapadása	gyengébb	erősebb
A réteg tömörsége	lazább	tömörebb
Magas olvadáspontú anyag leválasztása	kevésbé alkalmas	alkalmasabb
Ötvözetek leválasztása	bonyolultabb	egyszerűbb

Források

Tanagyagok, ismeretterjesztő weblapok

• Vékonyréteg leválasztás - Fizipedia. fizipedia.bme.hu. [2018. április 28-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2018. április 25.)
• Korszerű anyagok és technológiák (előadás III. éves BME mérnök-fizikus hallgatók részére). www.szfki.hu. [2013. június 6-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2018. április 25.)
• Tanczikó Ferenc, Major Márton, Nagy Dénes Lajos, Major Márton, Nagy Dénes Lajos (2007. március). „Molekulanyaláb-epitaxia berendezés az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézetében”. Fizikai Szemle 2007 (3), 78-83. o. 

Szakkönyvek

• Giber János és szerzőtársai: Szilárdtestek felületfizikája. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1987. ISBN 9789631071115  
• M. Ohring. Materials Science of Thin Films, 2nd, Boston: Academic Press (2001). ISBN 9780125249751 
• Waser, Rainer. Nanoelectronics and information technology : advanced electronic materials and novel devices. Wiley (2003). ISBN 978-3-527-40363-9. OCLC 50056108 
• D.M. Mattox. The Foundations of Vacuum Coating Technology. Norwich: Noyes / William Andrew Publishing (2003). ISBN 0-8155-1495-6 
• Dr. Mojzes Imre, Molnár László Milán - NanoTechnológia, S2457, www.kiado.bme.hu, ISBN 978-963-420-918-8 , Műegyetemi Kiadó, 2007.