Vékonyréteg szerkezetek mélységprofil-analízise

Vékonyréteg szerkezetek mélységprofil-analízise

Vad Kálmán, Takáts Viktor, Csík Attila, Hakl JózsefMTA Atommagkutató Intézet, Debrecen, Bem tér 18/C

Langer GáborDebreceni Egyetem, Szilárdtest Fizika Tanszék, Debrecen, Bem tér 18/B

TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0036

http://www.mta.atomki.hu/SNMS, Vad Kálmán ELFT MFV, Debrecen, 2013.08.21-24.

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??)

http://www.mta.atomki.hu/SNMS

Funkcionális vékonyrétegek vizsgálataMinták: 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

A mélységprofil-analízissel szemben támasztott követelmények

• nanométeres mélységi feloldás biztosítása• szigetelők, oxidrétegek vizsgálata • nemcsak laboratóriumi körülmények között előállított vékonyrétegek analízise



1) )()( tctI xx

)()( zctI xx

Kvantitatív mélységprofil-analízis

Valódi mélység meghatározása a g(z-z’) mélység-feloldás függvénnyel.

)()'( zczc xx

'zt

DRF

')'()'(/)( 0 dzzzgzcIzI x

Feladat:

Megoldás:

2)

3)



Mélységfeloldás-függvény

0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

Kon

cent

ráci

ó [a

t %]

Mélység [nm]

A B

porlasztás iránya

84 %

16 %

z



„Mixing Roughness Information depth” model, S. Hofmann, Rep. Prog. Phys. 61 (1998) 827.

Atomi keveredés: zwzew

zzg w

wzz

w

' ha, 1

)'()'(

Felületi durvaság: 2

1)'(22

2)'(

zz

ezzg

zzezzgzz

' ha, 1

)'(

)'(

Információs mélység:

Atomi keveredés –felületi durvaság – információs mélység

• 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!



Tudományos műszerparkja:

Elektronspektroszkópiai berendezések Elektronmikroszkópok Röntgen-diffrakciós berendezés Vékonyfilm előállító berendezések elektronsugaras párologtatás, magnetronos porlasztás, ALD SNMS/SIMS-XPS-LEIS berendezés Profilométer

Anyagtudományi laboratórium SNMS/SIMS-XPS-LEIS berendezése

A laboratórium kutatási területe:

Felületfizika és vékonyréteg-fizika (nanométer vastagságú filmszerke- zetek előállítása és tanulmányozása)

A laboratóriumot a MTA ATOMKI és a DE SZFT közösen birtokolja és üzemelteti!



SIMS/SNMS működési elv

SIMS Secondary Ion Mass Spectroscopy IP

+ IIP

+A+, A (~99%)

B+, B (~99%)

AxB1-x

Secondary Neutral Mass SpectroscopySNMSH.Oechsner and W.Gerhard, Phys.Letters 40A (1972) 211.

Nincs mátrix-effektus!

Post ioni-

zation

massspektrometer

sample

Ion source

Post ioni-

zation

sampleSBM DBM

massspektrometer

Ion source

sample



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.

Mélységprofil-analízist elősegítő modell


Mélységprofil-analízist elősegítő modell

0 10 20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

Határréteg

Ko

ncen

tráció

[at

%]

Mélység [nm]

Határréteg

Réteg-vastagság


M. Bosi et al. Journal of Crystal Growth 318 (2011) 367.

CVD-vel előállított filmek analízise

Hol van a hordozó felülete?

GaAs vékonyfilmek Ge szubsztráton

100 200 300

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

G

e ko

ncen

tráci

ó

Mélység [nm]

T=600 oC mért számolt

T=Buffer 500 oC + 600 oC mért számolt

Ge hordozóGaAs film


ZnO film GaN hordozón

Mintapreparálás: ALD (Baji Zs. és Lábadi Z, MFA, Budapest).

0 10 20 30 40 50 60 70 800,01

0,1

1

10

100

Zn O Ga N

ZnO//GaN

K

once

ntr

áció

[%

]

Mélység [nm]

0 50 100 150 200 250 300 350 400-150

-100

-50

0

50

Mél

ység

[nm

]

Laterális távolság [m]

RPV = 22.4 nm


Cu(35 nm)/V(36 nm)/Fe(7,2 nm)//Si Cu(35 nm)/V(45 nm)/Fe(4,5 nm)//Si

Porlasztás

Cu/V/Fe rétegszerkezet Si szubsztráton

MBE


0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

100

Cu V Fe Si

20 nmRPV = 8,8 nm K

once

ntrá

ció

[at %

]Mélység [nm]

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

100

Mélység [nm]

Kon

cent

ráci

ó [a

t %]

RPV = 7,6 nm 20,6 nm

7,6 nm

Cu V Fe Si


ZnO / Al / ZnO vékonyfilm

Mintapreparálás: ALD (Baji Zs. és Lábadi Z, MFA, Budapest).

0 20 40 60 80 100100

101

102

103

104

105

Si

Al

Zn

Inte

nzitá

s [c

ps]

Mélység [nm]

O

140 130 120 11063000

66000

69000

72000

Kötési energia [eV]

Inte

nzitá

s [cp

s]

160 150 140 130 120 110 100

70000

80000

90000

100000

110000

120000

130000

140000

150000

Al2s

(oxid)

Zn3s

(AlK34)

Zn3p

plazmon

Zn3s

(AlK12)

Inte

nzit

ás [

cps]

Kötési energia [eV]

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.


TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0036

Köszönöm a megtisztelő figyelmüket!

Documents

Vékonyréteg szerkezetek mélységprofil-analízise