Die folgende alphabetische Tabelle soll zum Kennenlernen und zur Weiterentwicklung der Vakuum- Dünnschichttechnik dienen. - Sie erhebt keinen Anspruch auf Fehlerfreiheit und Vollständigkeit. (02/07)
ALUMINIUM benetzt, deshalb gut aus Wendel verdampfbar (typ. Anwendung Folienbedampfung), legiert jedoch mit Metallen. Trick: Nach Beschichtung Blende schließen, Rest verdampfen, dadurch höhere Lebensdauer (typ. 20 Zyklen). Schiffchen-Verdampfung: nur mit Tiegeleinsätzen möglich. -
Elektronenstrahl (EB): Tiegelzentrum erhitzt stark, Rand bleibt kühl (hohe Wärmeleitung), deshalb hohe Leistung nötig. Zur therm Entkopplung Tiegeleinsatz verwenden (intermetallisch, weil Al mit C reagiert). Typ. Rate: > 9.000 A/min bei 0,8 kW (Edwards EB3). Problem "Herauskriechen" aus dem Tiegeleinsatz, deshalb nur zu 1/3 auffüllen.
Ringsdorff liefert Tiegel aus "dichterem" C und mit Rand-Rücksprung.
Sputtern: unkompliziert (typ. Elektronik, Halbleiter, Abschirmungen). Alu bildet “Referenz-Rate” beim Sputtern. - CVD: kein Verfahren
AUFDAMPFEN ist Standardverfahren für Metallisierung und in der Optik (SiO/ TiO). Vakuumbereich wird durch Mittlere Freie Weglänge vorgegeben, die Effizienz durch Dampfdruckkurven. Problemlos verdampfbar sind Al, Ag, Au und Cu, auch Cr (hoher Smp) mit Widerstands-Verdampfern (Wendel, Korb, Schiffchen, Tiegel). Achtung: Cr sublimiert. Si reagiert mit allen Metallschiff- chen, Wolframtiegel sind eingeschränkt möglich, Kohlenstofftiegel optimal. Folgende Verbindungen für die Optik verdampfen unzersetzt: ZnS, MgF2, LiF, AlF3, PbF3. Folgende zersetzen, aber rekombinieren wieder: Sulfide, Seleni- de, Telluride. Zersetzen, müssen reaktiv gedampft werden (d.h. bei ca. 10-5 mbar Sauerstoffdruck, kleine Raten, 200°C): Ta2O5, TiO2, ZrO2. Al2O3 und SiO2 sollten besser auch reaktiv erzeugt werden. Simultanbedampfen
(= Co-Verdampfen) möglich, z.B. Ni, Cr, Co für Magnetschichten.
HT-Supraleiter(Status: - 30 C, CNRS Paris) typ. YBa2Cu3O7 dampft man aus den jeweiligen Oxiden, ggf. mit Ionenstrahl- Unterstützung (Kristallstruktur).
BONDEN heißt allgemein "verbinden", z.B. Ultraschall- Bonden von Drähten an Schaltkreise ist eine Art verschweißen, Sputter-Target-Herstellung: Bonden von Targets auf die Kühlplatte oder eine kupferne Zwischenscheibe sichert optimale Übertragung der Sputterleistung zum Target und der Abwärme vom Target, "Bonden" weil Löten nicht immer möglich, z.B. Cr auf Kupfer : zunächst Chromtarget vernickeln und verkupfern (Galvanik oder Sputtern), danach mit Cu verlöten. Gebondet werden auch keramische Targets, z.B. ITO
BOR, hoher Smp 2300 °C, schwierig handzuhaben, sublimiert, bildet mit C Karbide, kann beim Abkühlen verspritzen
CHROM ist trotz hohen Smp 1857°C widerstands- verdampfbar. Sublimiert !
EB: aus Kohletiegel, Sputtern: Je reiner (z.B. > 99,99%), desto spröder ist das Target - kann brechen, deshalb gebondetes Target verwenden.
DEKORATIVE SCHICHTEN dienen der Oberflächen-"verschönerung". Sie werden oft auf Schmuck oder Uhrengehäuse aufgebracht, weiterhin als metallisierende Schichten (Alu) auf Kunststoff oder Papier (Etiketten- Hintergrund). Siehe auch Farben
DICHROITISCHE FARBEN entstehen durch konstruktive Interferenz in Wechselschichten hoch- und niedrigbrechender Materialien, z.B. ZnS und CaF. Je mehr Wechselschichten, desto deutlicher der Peak, desto satter der Farbton. Prinzipiell reicht auch schon eine hochbrechende Schicht auf Glas mit n x d = lambda. Anwendung z.B. als temperaturfeste Einfärbung für Werbe-Dias
DISSOZIATION: führt zur Zersetzung von Molekülen beim Verdampfen -> keine stöchiometrische Schicht. Elemente aus Gruppe VII und VI günstig ("-id", z.B. CeF3, LaF3, MgF2, NdF3, PbF2, YF3), Moleküle auf "-at" und "-it" ungünstig. Suboxide SiO, GeO, SnO, PbO und Oxide Al2O3, BeO (tox.), MgO, B2O3, SiO2, Sb2O5, WO3 sind günstig, reagieren allerdings oft mit Tiegel. Oft kann durch reaktives Verdampfen (O2-Zugabe) nahezu Stöchiometrie erzeugt werden (CeO2, HfO2, Nb2O5, Ta2O5, ZrO2) oder Suboxide aufoxidiert werden (SiO zu SiO2 oder Si2O3, TiO oder Ti2O3, Ti3O5 zu TiO2). ZnS, ZnSe und ZnTe dissoziieren zwar, rekombinieren aber selbständig (temp.-abhängig).
EISEN ist ferromagnetisch! EB: Material "springt" deshalb aus dem Tiegel. Sputtern: Target schließt bei Magnetrons das Magnetfeld kurz. Ausweg: Sehr starke Magnete oder extrem dünnes Target < 0,5 mm oder Magnete ausbauen (Diodenprinzip, dabei Spannungen > 2000 V erforderlich). Bei zu hohem O2-Hintergrundsdruck (z.B. 0,1 mbar) entsteht Eisenoxid - für Kontrastschichten (Lichtmikroskop) allerdings ein erwünschter Effekt!
ELEKTRONENSTRAHL-Verdampfen erfolgt durch Glühelektronen-Emission aus einem Heizdraht (Filament) und anschließender elektrostatischer Beschleunigung, ggf. zusammen mit magn. Ablenkung. Vorteil gegenüber Widerstandsverdampfung: Alle Materialien verdampfbar, gegenüber Sputtern: wenig Materialverbrauch, ggf. auch geringere Energie, kolumnares Schichtwachstum
FARBEN können auf verschiedene Art erzeugt werden: auf transparentem Substrat durch Absorption in farbigen Schichten, als dichroitische Farben von Interferenzschichten, Goldtöne mittels Titannitrid , schwarz aus SiC, Grautöne aus Ta- und W-Verbindungen
FLASH-Verdampfen: Kleine Materialstücke werden mechanisch zugeführt und schlagartig verdampft, auch mittels Laser möglich. Daurch lassen sich auch dissoziierende Stoffe (typ. Telluride und Sulfide) stöchiometrisch aufdampfen
GERMANIUM, SMP 937 °C, deshalb widerstands-verdampfbar. Reagiert mit W. Darum Quarz- oder Al2O3-Einsatz nötig. - Sputtern: DC möglich, falls dotiert (= leitfähig)
GOLD ist universelles Material für leitfähige Schichten, auch in d. REM. Aufdampfen: Hohe Leistungen typ. 120 A für 50 A/s nötig. W-Schiffchen. Haftet schlecht, Haftvermittler Cr oder Ti verwenden. Bis ca. 100 nm Dicke mehr transparent (Teilverspiegelung).
EB: aus Kohletiegel. - Sputtern: DC problemlos, siehe auch Cool-Sputtern.
IONENUNTERSTÜTZTES AUFDAMPFEN, besonders für Hartstoffschichten (TiN). Die Ionisation des Dampfes durch ein Zusatzplasma wird z.B. durch ein separates Filament erzeugt oder durch Hochfrequenzeinspeisung in den Substratträger. Dieser (Kalotte oder Trommel) nimmt dadurch negatives Potential an (Bias), wodurch die Ionen beschleunigt auftreffen.
Da das Plasma im nur im Druckbereich 10-2 mbar brennt, der Elektronenstrahl jedoch < 10-4 mbar benötigt, muß in der Regel die Verdampferquelle differentiell gepumpt werden (siehe auch Mittlere freie Weglänge)
ITO = INDIUM-ZINN-OXID, eines der wenigen Materialien, welche transparent und gleichzeitig elektrisch leitfähig sind. Hauptanwendung für Flachbildschirme. Erzeugung über thermisches Verdampfen (600°C) oder Sputtern. Problem: instabiler reaktiver Prozess wie Titannitrid. Billigeres Alternativmaterial für Solarzellen: ZnO = Zinkoxid. Wegen schwindender Indium-Reserven wurde ZnO auch für hochwertige Anwendungen weiter optimiert zu ZnO:Al.
KaBr, weißes Granulat, problemlos therm. verdampfbar mit kleinen Raten
< 1 nm/s, Anwendung als opt. Schicht
KALZIUM ist im Widerstandsverdampfer verdampfbar, Smp 840 °C. Wird in Grenzflächenforschung untersucht. KALZIUMFLUORID ebenfalls thermisch verdampfbar (ca 1400 °C), als niedrigbrechende (n=1,4) Komponente in optischen Wechselschichten
KOHLENSTOFF, hohe Verd.-temperatur nötig, deshalb über Bogenentladung, el.-statische EB-Quelle oder Hochstrom-Widerstandsverdampfung (3 mm Stab >200 A bei 10 V nötig, GSI Targetlabor), "Spiegelverdampfung" für Feinkörnig- keit (Greifswald). Sehr geringes Atomgewicht, deshalb mit Schwingquarz schwierig zu messen, andererseits unentbehrliches Material bei Mikroanalyse
KOLUMNARES WACHSTUM ist typisch für thermisches Bedampfen - auch mit Elektronenstrahl. Die Schicht wächst säulenförmig mit mikroskopischen Nischen. Korngrößen nehmen zu, Bindungesenergien ab. In die Nischen können sich später Luftfeuchtigkeit oder sonstige Gase einlagern und dadurch das Verhalten drastisch ändern. Schichtspannungen und Streuverhalten sind betroffen. Dies kann zu verschlechterter Haftung, Zähigkeit oder Härte führen. Bei optischen Schichten ändernt sich die Wellenlänge von Filtern oder die Reflexion von Spiegeln. Darum ist kolumnares Wachstum für optische Schichten völlig unakzeptabel. Durch Einbringung zusätzlicher Energie während der Beschichtung kann das Problem beseitigt werden. Thermische Energie (Beheizung) erhöht zwar die Mobilität der beschichteten Teilchen, führt aber nicht zwingend zur erwünschten Erhöhung der Dichte. Zuverlässig erreicht man dies hingegen mit Ionenbeschuss, sei es durch eine mitlaufende Ionenquelle oder durch Hochfrequenz-Bias am Substratträger. Beides ist apparativ komplex. Sputterverfahren hingegen bringen i.A. ohne weitere Maßnahmen die benötigte Energie mit ein.
MAGNETRON-Sputterquelle hat im Gegensatz zur älteren Diodenanordnung zusätzliche Magnete, um die Elektronen auf Spiralbahnen zu zwingen. Dies erhöht die Plasmadichte und damit die Rate bei niedrigerer Brennspannung (typ. 500 V gegenüber > 1500 V). Niedrigere Spannung bedeutet auch niedrigere Substratbelastung. Die Magnetanordnung (starke, meist Seltene-Erden- Magnete) erzeugt die typischen "Racetracks"- die Ringe stärksten Abtrages. Für das Zünden des Plasmas ist der Abstand zur Anode (Dunkelraum-Abstand) essentiell: ca 3 mm bei DC, 5 mm bei HF-Anwendung. Die Entladung brennt normalerweise stabil im Bereich 0,001 - 0,01 mbar. (wg. Mittlerer freier Weglänge) Niedrige Drücke ergeben höhere Sputterrraten.
Zum Zünden können kurzzeitig etwas höhere Drücke erforderlich sein. Der optimale Sputterabstand liegt beim halben Target-Durchmesser. Näher dran würde das Substrat ins Plasma eintauchen. Weiter weg geht viel Material durch Streuung verloren. Dieser Effekt ist verstärkt, wenn das Sputtermaterial leichter als das Arbeitsgas ist (z.B. SiO2 in Argon). Viele Infos dazu auch auf www.alacritas-consulting.com.
MOLYBDÄN = hochschmelzendes Metall (2617°C), deshalb nur in Elektronenstrahlverdampfern möglich, unreines Material "spratzelt". Rate ca 1 nm/s mit EB1 möglich; 3 nm/s bei 150 mA in EB3 durch Einschmelzen einer dünnen Scheibe im Kohletiegel.
Mo kann auch als dünner Draht direkt verdampft werden (Eigenwiderstand).
NICKEL legiert mit Ta, Mo und W. Deshalb nur mit dickwandigen W- Schiffchen und in kleiner Menge verdampfbar. Rate ca 5 A/s bei 100 A. Im Balzers BD 482 010 (0,5 mm dick) sind ca 150 Amp nötig. Gilt auch für NiCr 90/10. EB: Nur kleine Mengen verwenden, Al2O3-Tiegel möglich, C-Tiegel kann reißen, Rate vom Slug 1 nm/s bei 300 mA bei 5 kV.
Sputtern: Ferromagnetisch! Schließt Magnetfeld kurz. Ausweg: siehe Eisen
ORGANISCHE LEDs
Spezielle polymere Materialien senden unter Wirkung eines elektrisches Feldes Licht aus. Seit kurzem setzt man solche Kunststoffe in neuartigen Anzeigen (Displays) ein, die neben den kommerziellen Leuchtdioden und LCD völlig neue Anwendungsfelder eröffnen.
Voraussetzung für die Funktionsweise von OLEDs sind Ladungsträger, die über Elektroden in eine dünne Schicht des organischen Materials eingebracht werden. Diese Ladungsträger (z.B. Elektronen) können zunächst zur Bildung angeregter Zustände im Material führen, deren Zerfall mit Lichtabstrahlung einhergeht.
Die einfachste Bauform einer OLED besteht aus drei Schichten. Dabei dient ein mit Indium-Zinn-Oxid beschichtetes Glas (oder Folie) als transparenter Träger und erste Elektrode. Darauf wird eine organische Schicht (ca. 100 Nanometer) aufgebracht, die anschließend von einer zweiten Elektrode (meist Metallelektrode) bedeckt wird.
Polymere Materialien (z.B. lösliche Polyphenylenvinylen-Derivate) werden aus der Lösung durch einen Spin-Coating Prozess zu dünnen Schichten verarbeitet.
Typische Materialien im niedermolekularen Bereich sind metallorganische Verbindungen wie Aluminiumhydroxychinolat (Alq3, verdampft bei ca 250°C), Kupfer-Phtalocyanine (verdampft bei ca 400 °C) oder aromatische Diamine, welche stabile amorphe Dünnschichten bilden. Perylen (ab 350 °C) dient oft als Referenz. Zur Erhöhung der Effizienz kommen Dotierungsmaterialien, wie z.B. Quinacridon-Derivate zum Einsatz.
Niedermolekulare Stoffe erzeugt man durch Aufdampfen, wobei eine genaue Dosierung der Materialien und eine präzise Steuerung kleinster Raten bei einer Co-Verdampfung unerläßlich ist.
Dies benötigt ist eine separate Schwingquarz-Ratenmessung aller organischen Materialien, eventuellen Dotierstoffe und Elektrodenmetalle. Falls Dichte unklar, 2,2 für Quarz einsetzen. Z-Faktoren werden durch Rückschluss ermittelt.
Die in F+E-Anlagen sind üblicherweise 4 – 6 Quellen (mit gegenseitiger Abschirmung) installiert, um Mehrschichtsysteme und Endelektrode in einem Arbeitsgang aufbringen zu können. Die metallische Deckelektrode – ggf. mit Zusatzstoffen zur Verbesserung der Elektroneninjektion – wird ebenfalls mittels Aufdampfen erzeugt.
Eine gemeinsame Problematik vieler Elektrodenaufdampfmaterialien als auch den organischen Funktionsschichten ist deren Empfindlichkeit gegen Luftsauerstoff. Diese Problem wurde auf zwei Arten gelöst -
1. Handhabung und Transport unter Vakuum (Transfersysteme, Shuttles)
2. Handhabung unter Inertgas
In modernen Handschuhboxen (Glove Boxes) sind Sauerstoff oder Wasserdampf auf den ppm-Bereich beschränkt, und Schritte wie Spin-Coating und Temperung können in den Arbeitsablauf integriert werden.
OPTISCHE SCHICHTEN siehe auch Farben und Siliziumdioxid, Titandioxid , Zinksulfid und Kalzium(-fluorid)
PASCHENKURVEN geben die Durchbruchspannung in Gasen an. Kriterium ist das Produkt aus Druck und Abstand p x d (in Torr x cm). Die Durchbruch- spannung hängt jedoch auch von Elektrodenform und -material ab! Beim Abpumpen einer Anlage wird fast jeder p x d -Wert durchlaufen. Um einen Durchschlag zu verhindern, müssen auftretende Spannungen < Umin von Luft (= ca 200 V) gehalten werden.
PLASMAPOLYMERISATION- Dem Plasma-CVD verwandtes Verfahren, bei dem Monomere unter Feinvakuum (typ. 0,1 mbar, mittl. freie Weglänge) durch Hochfrequenz (13.56 MHz, typ.einige 10 W) polymerisiert werden.
Auch klassisch nicht herstellbare Polymere sind erzeugbar. Besonders interessant sind siliziumorganische Verbindungen, welche technisch relevante Eigenschaften besitzen (dünn, dicht, hart, transparent, gut haftend). Zur Schutzbeschichtung von Brillengläsern, Autoscheinwerfer-Reflektoren und Kaltlichtlampen ist der Verfahren bereits Standard.
Ausgangsmaterialien sind z.B. Tetramethylsilan (TMS), Tetraethoxysilan (TEOS) oder Hexamethyldisiloxan (HDMSO), alle mit Siedepunkten um die 100°C. Deshalb wird Trägergas (typ. Argon) durch den Monomervorrat geleitet ("geblubbert"), wodurch man die Monomere im %-Anteil in den Reaktionsraum bringt.
Geringe Leistung bei hohem Gasfluß und Molekulargewicht erhält weitgehend die Monomerstruktur im Polymer (Yasuda-Faktor).
PLATIN ist nicht trivial! Reagiert mit allen Materialien. Al2O3-Isolierung nötig.
Direktverdampfung vom Draht möglich.
RASTER- oder SCANNING-ELEKTRONENMIKROSKOPIE (REM)- Anwendung der kurzen (de Broglie-)Wellenlänge von Elektronen(-strahlen): z.B. 0,04 Angstrom bei 100 kV. Durchstrahlungstyp (Transmission) funktioniert wie optisches Mikroskop, Haarnadel-Katode, Wehnelt-Blende, Anode, Probe (max 100 nm dick), magn. Linsen statt opt. Linsen, Fluoreszenzschirm, Kamera.
Rastertyp siehe Abbildung, die Probe wird gescannt, Helligkeit entspricht Sekundärelektronen-Ausbeute, nicht-leitende Proben werden zur Vermeidung von Aufladung mit dünnem (10 - 50 nm) Metall- (Al, Au) oder Kohlenstoff-Film beschichtet.
SCHWINGQUARZMESSUNG, in-situ Schichtdickenmessung nach dem Prinzip der Mikrowaage: Ein Quarzplättchen (z.B. d= 14 mm, Dicke = 1 mm entspr. 1g) wird per aufgedampfter HF-Elektroden in Schwingungen versetzt (typ. Scherschwingung bei 6 MHz). Die Dämpfung ist extrem abhängig von Temperatur und aufgedampften Fremdschichten - letzteres wird ausgenutzt und dabei die Temperatur per Wasserkühlung konstant gehalten. Einfachster Ansatz:
m(fremd)/m(Quarz) = [f(Quarz)-f(gedämpft)]/f(Quarz) und daraus
Dicke = m(Quarz)*[f(Quarz)-f(gedämpft)]/g(Schicht)*A*f(Quarz)
mit g= spez. Gewicht des Beschichtungsmaterials, A = exponierte Fläche.
Dieser Ansatz gilt für dünne Schichten (bis Massenbelegung 2%) - die sog. Periodenmessung funktioniert bis 10%, bei Einbeziehung der Stoffgröße akustische Impedanz bis 70% Massenbelegung ("Z-Match"). Damit beträgt die Standzeit eines Quarzes (bis herunter zu 5,2 MHz) etwa 1 mm Belegung bei Kohlenstoff und 0,1 mm bei Goldbeschichtung. Wegen der Temperatur- abhängigkeit Schwierigkeiten bei heißen Quellen und leichten Stoffen wie Kohlenstoff.
Bestimmung des Z-Faktors bei unbekannten Material:
(1) Bedampfen Sie einen Schwingquarz mit beliebigem Material so lange, bis er ausfällt, d.h. die Schwingung stoppt. Notieren Sie die angezeigte Schichtdicke.
(2) Dann führen Sie die gleiche Beschichtung bis zu 80% der notierten Dicke durch.
Nun haben wir einen stark beladenen Quarz vorliegen, und für diesen Zustand ist die Auswirkung des Z-Faktors am deutlichsten.
(3) Decken Sie ein Testsubstrat halb ab und beschichten Sie es in der gleichen Apparatur mit einer dünnen Schicht des gefragten Materials (ca 80 nm). Notieren Sie den Meßwert, und führen Sie nach der Beschichtung KEIN Abnullen durch.
(4) Messen Sie nun die tatsächliche Schichtdicke extern, z.B. mit einem Stufen- Profilometer.
(5) Korrigieren Sie jetzt den Z-Faktor an der Meßelektronik so lange, bis der korrekte Wert angezeigt wird.
SILIZIUM, reagiert mit W, deshalb im Schiffchen nur mit C-Einsatz und hoher Leistung verdampfbar. Dennoch SiC-Bildung und kurze Lebensdauer. Für sinnvolle Rate gutes Vakuum nötig. EB: Optimal. Leistung langsam erhöhen, bei Halteleistung abkühlen lassen. Tiegeleinsatz: C (kurze Lebensaduer) oder Mo mit guter Wärmeabfuhr am oberen Rand (z.B. Cu-Band als Zwischenlage), vermeidet "Blumenkohl"- Wachstum. Rate 400 A/min mit EB3. Intermetallischer Einsatz ebenfalls möglich, Bor-Gehalt dotiert jedoch halbleitendes Si.
Sputtern: HF o.k., auch DC möglich, falls dotiert = leitfähig, Rate ca 1 nm/s bei
200 W.
SILIZIUMDIOXID (Quarz). Siedepunkt > 2000 °C zu hoch für Widerstands- verdampfung. Umweg: Siliziummonoxid bei hohen Leistungen (typ 200 A) aus abgedecktem Ta-Schiffchen bei O-Hintergrund ca 10-4 mbar. SiO bindet beim Verdampfen Restgas, Druck sinkt ca 1 Dekade. Typ Rate im Megatech- Schiffchen 1 A/s bei 130 A. n = 1,8 entgegen 1,46 von SiO2. Es kann sich auch Si2O3 bilden (n=1,55). Entsprechend ist auch TiO erzeugbar.
Für Präzisionsoptik wird jedoch stöchiometrisches SiO2 und TiO benötigt
EB: o.k. - Sputtern: HF o.k., kleine Rate 1 A/s bei 400 W
SUPRALEITUNG: Während die verlustfreie Stromleitung zunächst an Quecksilber, Blei und Niob-Legierungen gefunden wurde, sind seit ca 1988 keramische Mischoxide aktuell, z.B.Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO), Wismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxid (BSCCO), Thallium- (TBCCO) und Quecksilber-Barium-Verbindungen (HBCCO), welche die höchste Sprungtemperatur (ca 130 K) haben. Ker. Supraleiter arbeiten problemlos in flüssigem Stickstoff (-196 °C = 77 K). Herstellung z.B. durch Co-Sputtern, bei YBCO z.B. mittels 3 HF- Magnetrons. Z.t. wird bei untypisch hohem Druck gesputtert.
TETRAETHOXYSILAN Si(OC2H5)4 (“TEOS”), erzeugt Precursor für SiO-Herstellung mittels PECVD. - Mit Metallen (Ti, Ta) anstelle des Si im Zentrum der Methoxy-Gruppen kann man MO-CVD durchführen
THERMOCHROMES Verhalten beschreibt eine sprunghafte Änderung der optischen Transmission bei einer bestimmten Temperatur. Anwendung: Selbstregulierende Fensterscheiben. Vanadiumoxid zeigt diese Eigenschaft bei 68°C. Dotierte Schichten, z.B. mit 2 vol.-% Wolfram, springen bei Zimmertemperatur (= Ziel). Ionenquellen-Sputtern scheint geeignet -> Jorgensen, Lee (Honeywell Minneapolis): "DOPED VO FOR OPTICAL SWITCHING FILMS", North Holland Phys. Publ. Div. 1986
TITAN, Schmelzpunkt 1660 °C, deshalb nicht widerstands-verdampfbar. EB: o.k., Ergebnisse: > 900 A/min in 20 cm Abstand bei 1,5 kW (EB1), 300 A/min bei 200 mA*5,5 kV = 1 kW (vom Slug im C-Einsatz). Ti ist O2-Getter und reagiert mit W, siehe auch Titannitrid.
TITANNITRID wird im wesentlichen als Hartstoffschicht (goldfarben) auf Werkzeugen verwendet (sogar auf echten Gold-Uhrengehäusen). Verfahren: DC-Reaktiv-Sputtern mit N2-Hintergrund (oder Ar/N2 60%/40%). Problem: Stöchiometrie muß sehr genau eingehalten werden, sonst Kippen zum metallischen bzw. keramischen Modus (wie bei ITO). Dazu optische Linienüberwachung oder extremes Saugvermögen nötig.
DC vom keram Target ist einfacher (TiN ist elektrisch leitfähig), etwas Stickstoff- Hintergrund erforderlich (z.B. 10% in Argon). Ebenso HF vom keram. Target möglich. Dekorative Schichten: Hinsichtlich des Farbenwertes ist der Reaktivprozeß sehr sensibel, d.h. konstantes Saugvermögen, Rate und Gasfluß (> 35 sccm) sind nötig. Da beim Dampfen die Rate schwankt, kann realistisch nur Sputtern verwendet werden. Auch Bias (ca 150 V) und Substrattemperatur (möglichst > 400 C) sind relevant
UHV-Anlagen sind gekennzeichnet durch die Verwendung Ultrahochvakuum- tauglicher Bauteile (CF-Flansche, Metalldichtungen) und Materialien (Edelstahl, Glas, Keramik). Ein Beschichtungsverfahren, welches UHV-Bedingungen erfordert, ist z.B. typischerweise die Epitaxie (MBE, Dampfstrahl aus sog. Knudsen-Zellen). Anlagenhersteller: Omikron (D) , Riber (F).
ZINKSULFID, einfachstes Ausgangsmaterial zum Aufdampfen hochbrechender optischer Schichten, n = , Smp = 1830 °C, Z = 11,3 - 12,2 - sublimiert, deshalb feines Granulat verwenden.
ZnO:Al, Zinkoxid mit Aluminium-Dotierung, transparent-leitfähiges Material (TCO = Transparent Conductive Oxide) als Deckelektrode für Displays und Solarzellen. Ersetzt zunehmend das Standardmaterial ITO. Ähnlich wie ITO ist es reaktiv oder vom keramischen Target mit Mittel- oder Hochfrequenz zu sputtern.
LANGMUIR-BLODGETT-Schichten sind monomolekulare Schichten, die durch adhäsive Haftung erzeugt werden. So wird z.B. das Schichtmaterial gelöst und die Lösung auf einer nicht-lösenden Flüssigkeit verteilt. Zieht man einen geeigneten Träger (Spange oder Gitter) aus der Flüssigkeit, so erhält man eine Membran und nach Verdampfen des Lösungsmittels die gewünschte Schicht. Zur EM-Untersuchung kann die Schicht dann bedampft werden.
SCHIFFCHEN, KÖRBCHEN oder WENDEL (engl. boats, baskets, or filaments) werden durch Stromfluss erhitzt, um darin untergebrachte Materialien “thermisch” zu verdampfen. Je nach Schiffchenlänge, -form und Materialstärke (typ. 0,01 mm) sind dazu Stromstärken von 50 – 400 A nötig. Die Spannung liegt tpischerweise bei 3 – 30 V. Man kann mit Wechselstrom arbeiten, was den Aufbau vereinfacht. Schiffchenmaterial ist typischerweise ein hochschmel- zendes Metall wie Tantal, Molybdän oder Wolfram. Wendel aus einem oder mehreren verdrillten Drähten brauchen am wenigsten Strom und werden zum Verdampfen von Materialien verwendet, welche sich als Draht oder Stab einlegen lassen und den Wendeldraht “benetzen”, also umfließen. Körbchen aus ähnlichem Draht werden meist zusammen mit Tiegeln verwendet – kleinen Töpfchen aus Graphit oder Keramik, welche in das Körbchen eingesetzt werden, z.B. gut geeignet zum Verdampfen von Aluminium in mittelgroßen Mengen. Schiffchen werden am häufigsten verwendet. Es sind im Prinzip dünne Blechstreifen, in die eine Mulde eingepresst ist. Je nach deren Form sind unterschiedliche Formen von Dampfkegeln erzeugbar (Schichtdicken- Gleichmäßigkeit!). Außerdem gibt es Spezialschiffchen mit Abdeckung (engl. baffled boats) für verpuffende Materialien wie Siliziummonoxid, sowie Schiffchen mit keramischem Überzug für Materialien, die selbst mit Wolfram legieren würden, wie z.B. Aluminium.
Während der Aufheiz- und Abkühlzyklen verspröden Schiffchen und Wendel, und bei Legierung mit dem Aufdampfmaterial entstehen spröde Verbindungen. Dadurch werden Schiffchen nach gewisser Zeit während der Aufheiz- oder Abkühlphase brechen, sind also ein typisches Verbrauchsmaterial.
Typische Bauformen und Spezifikationen findet man auf http://www.megatechlimited.co.uk/Default.asp?category=products&Manufacturerid=12
THERMOELEMENTE benutzen den thermoelektrischen Effekt der Spannungsentstehung (Millivolt-Bereich) zwischen zwei unterschiedlichen Metallen
Typ J = Fe-CuNi - 40 .. + 750 C , Kl. 1+2 Typ T = Cu-CuNi - 40 .. + 350 C ,
Kl. 3 -200 .. + 40 C , Typ K = Ni-CrNi - 40 .. +1200 C (auch NiCrSi-NiSi) -200 .. + 40C , Typ E = NiCr-CuNi - 40 .. + 900 C -200 .. + 40 C
Widerstandsthermometer, z.B. Pt10Rh-Pt 0 .. +1600 C bei nom. 100 Ohm = "Pt100"
TIEGELEINSÄTZE sind für Elektronenstrahlverdampfer- Tiegel nötig, entweder um Verschmutzung des Tiegels oder chem Reaktion mit ihm zu verhindern, oder zur therm Entkopplung. Einsätze müssen elektr leitfähig sein, sonst Aufladung und damit Streuung des Elektronenstrahls. Typ Material: Mo als hochschmelzen- der Einsatz, z.B. für Si geeignet. C als therm Isolator, leitfähige Bornitrid- Mischkeramik ("inter- metallisch") für Al, da Al mit C reagiert.
Die Abbildung zeigt rechts oben Kohleeinsätze für Einfach- und Vierfachtiegel (Edwards EB3-Quelle)
Beim SPUTTERN wird das Beschichtungsmaterial durch Ionenbeschuss von einem Materialvorrat (Target) abgetragen und fliegt ballistisch zum Werkstück (Substrat). Die Ionen können von einer Ionenquelle stammen, üblicherweise wird jedoch ein Planar-Magnetron verwendet. Magnetron-Sputtern erfolgt im Druckbereich magnetfeldunterstützter Glimmentladungen 0,1 - 0,001 mbar (wg. Mittl freier Weglänge) Leitfähige Materialien werden mit Gleichstrom gesputtert, für Nichtleiter müssen die Quellen mit Hochfrequenz (Industriefrequenz 13,56 MHz) oder gepulstem Gleichstrom gespeist werden , da sich die Targets sonst aufladen würden. Sputterprozesse sind gut repoduzierbar weil proportional zu Dauer und Stromstärke. Reaktive Varianten sind möglich.
COOL-SPUTTER-Geräte sind i.A. Diodensysteme für Beschichtungen in der Raster-Elektronenmikroskopie REM. Sie benötigen hohe Betriebsspannungen > 1500 V und Hintergrundsdruck von 0,1 mbar zum Zünden des Plasmas. Eingebaute Magnete (s. Bild) dienen zum Ablenken von Elektronen - kein echter Magnetron- Effekt
Die Abbildung zeigt ein Schiffchen mit keramischem Überzug (s. Text)
MO-CVD = Metallorganisches-CVD =Variante des Plasma-CVD (PE-CVD, siehe Übersicht Verfahren) mit organischen Trägermaterialien. Basis sind Metalle der Gruppe III (Gallium, Indium, Aluminium) kombiniert mit Phosphor oder Stickstoff aus Gruppe V. Der Stickstoff wird mittels Ammoniak NH3 eingebracht, Phosphor über das hochgiftige Gas Phosphin. Hauptanwendung sind Leuchtdioden (LEDs), wobei Nitride grünes, blaues und UV-Licht erzeugen während Phosphide orange bis rotes Licht liefern.
MASKEN
Der Begriff wird in der Dünnschichttechnik zweifach verwendet.
(1) Masken zur Erzeugung von Oberflächen-Strukturen: Bei der Herstellung
integrierter Schaltkreise werden mittels Foto-Lithografie die verschiedenen
Leiterbahn-Ebenen entwickelt und in Einzelschritten bedampft oder
besputtert. Dabei werden z.B. Chrom-Masken verwendet, bei denen das Muster in eine Chromschicht geätzt auf einer Glasplatte vorhanden ist. Wenigerfeine Strukturen können auch direkt durch "Schattenwurf" des
Beschichtungsmaterials, also mittels Masken mit Öffnungen (Lochmasken,
Gitter) erzeugt werden.
(2) Masken zur Optimierung der Schichtdickenverteilung:
Beim Beschichten mit Elektronenstrahlverdampfern (Punktquelle) oder Sputter-Magnetrons (Flächen-Quelle) auf drehende Substrat-Teller kann man die Schichtdicken-Gleichmäßigkeit zunächst dadurch optimieren, indem man die Quelle außermittig verschiebt. Die Verteilung flacht dadurch zunächst ab, erreicht dann ein Optimum (Ziel typisch +/- 5% bei Elektronik-Anwendungen, +/- 2% bei Optik-Anwendungen) und bildet schließlich ein Atoll mit un- zureichender Dicke in der Tellermitte.
Die nutzbare Fläche bzw. deren Homogenität kann weiter verbessert werden, wenn die Quelle weniger weit außen sitzt, aber dafür der der Bereich zur Substratmitte hin durch eine (z.B. kreisförmige) Blende abgedunkelt wird, welche seitlich über die Beschichtungsquelle ragt. In Kombination mit der Drehung des Substrat- halters wird dadurch der Randbereich bevorzugt beschichtet. Durch komplexe Blendenformen (Rechenprogramme) wird hohe Gleichmäßigkeit erreicht, aber immer zum Nachteil der Material- ökonomie.
Abb.: BOC Temescal
MITTLERE FREIE WEGLÄNGE (mean free path MFP) - ein Begriff aus der Gasdynamik, beschreibt die statistische frei Flugbahn eines Teilchens, bevor es auf ein anderes trifft. - Eckdaten: Bei Atmosphärendruck 1013 mbar ca
1019 Teilchen pro cm³ und MFP= 0,1 µm, bei 10-4 mbar ca 1012 / cm³ und MFP= 1 m, bei 10 -9 mbar ca 10 7 /cm³ und MFP= 100 km
Daraus ergeben sich typische Arbeitsbereiche: beim Aufdampfen in einer
1 m hohen Kammer soll nichts stoßen, also mindestens 10 -4 mbar Vakuum erforderlich; bei Plasma-Verfahren müssen im cm-Bereich ionisierende Stöße erfolgen, also Arbeitsbereich > 10 -2 mbar.
Der MFP ist gasart-abhängig, aber immer in ähnlicher Größenordnung.
MAGNESIUM-FLUORID, Standardmaterial für opt. Schichten, einfach thermisch verdampfbar, für gute Haftung Heizen nötig
LIFT-OFF ist ein Verfahren in der Halbleitertechnik zur Erzeugung von Leiter- bahnen auf ICs. Mittels Fotolithografie werden dort “Gräben” erzeugt, wo die Leiterbahnen entstehen sollen. Durch akkurat senkrechtes Aufdampfen wird dann die Leiterbahn aufgebracht, ohne die seitlichen Wände zu be- schichten. Dann wird die unbenötigte obere metal- lisierte Fläche (nass-) chemisch abgetragen.
Um die seitliche Beschich- tung zu vermeiden, muss die Bedampfung isotrop erfolgen, mit max 5° Ab- weichung von der Senk- rechten. Der Tangens liefert direkt das Verhältnis von Abstand zu Substrat- durchmesser.
 |
 |
 |
 |
 |
Rev. 11/09
