NANAŠANJE TANKIH PLASTI PO METODI CURKA lONIZIRANIH SKUPKOV, CIS Dr. Bruno CvikI, Tehniška fakulteta. Univerza v Mariboru. Smetanova 17, 62000 Maribor, in Institut "Jožef Stefan", Univerza v Ljubljani. Jamova 39, 61111 Ljubljana IONIZED CLUSTER BEAM THIN FILM DEPOSITION, ICB Abstract The description o1 the method for the thermal vacuum evaporation of suitable substance, used for the low-temperature deposition and epitaxy of high-quality thin films, by the ionized cluster beam method is presented. Povzetek V članku je opisan postopek r^aparevanja tankih plasti po metodi curka ioniziranih skupkov, ki rabi za nlzkotemperaturno nanašanje in epitakso visoko kvalitetni h tankih plasti. 1 Uvod Široko razvejanost uporabe tankih plasti raznovrstnili materialov, zlasti na področjih ti. visokih tehnologij, ki smo ji priča dandanes, gre pripisati ogromnim raziskovalnim naporom, ki so bili v zadnjih desetletjih vloženi v obsežno področje proučevanja in krojenja lastnosti tankih plasti ter iskanja najbolj ustreznih metod preverjanja njihove kvalitete. Eno izmed tekočih temeljnih teženj raziskav je proučitev optimalne metode nanašanja tankih plasti ob upoštevanju zahtev po njihovih vnaprej predpisanih kemijskih, strukturnih, elektronskih, optičnih, mehanskih itd. lastnostih. Posledica omenjenih zahtev se je odrazila v razvoju vrste metod nanašanja tankih plasti, ki jih v grobem delimo na metode naparevanja, plazemske metode in pa kemijske postopke. Sočasno z. razvojem metod nanašanja je potrebno omeniti tudi razvoj analitičnih metod proučevanja kvalitete /1/ tako dobljenih tankoplastnih materialov. Tanke plasti predstavljajo same po sebi obsežno področje raziskav fizike trdne snovi, pri čemer gre za proučevanje najraznovrstnejšega vedenja, kot npr. študij rotacijskih preklopov feromagnetnih tankih plasti, raziskave cele vrste različnih pojavov, povezanih s tuneliranjem elektronov in vrzeli, proučevanje vrste elektromagnetnih površinskih efektov, proučevanje nekaterih pojavov optične interference, raziskav nukleacije In rasti kristalov itd. Njihova neposredna uporaba v industrijske namene pa posega na področje dekoracije (npr. pozlatitev, tudi plastičnih predmetov), izdelave raznovrstnih optičnih prevlek (antirefleksne prevleke, večplastni interferenčni filtri, fluorescentna prekritja, selektivni solarni absorberji), proizvodnja elektronskih komponent (senzorjev, mikro- in optoelektronskih elementov, električnih Izolatorjev, magnetnih zapisov, sončnih celic itd.), izdelave tankih plasti danih mehanskih odzivnosti (za potrebe tribologije, za difuzijske zaščite, za plasti, odporne na obrabo in erozijo, za trde prevleke obdelovalnih orodij itd.) In za Izdelavo plasti s posebnim ozirom na kemijske zahteve (korozijske zaščite, katalizatorji, zaščite strojnih delov in komponent, zaščita opreme pred vremenskimi vplivi In vplivu morja itd.). 2 Nanašanje tankih plasti po metodi CIS 2.1 Metoda molekularnega curka, MBE Nanašanje tankih plasti po metodi curka ioniziranih skupkov je eden od postopkov rasti na osnovi termalnega izhlapevanja atomov oziroma molekul, med katerimi je sicer najbolj poznana metoda epitakse z molekularnim curkom, MBE (molecular beam epitaxy) /21. Ob tem se je treba spomniti, da se omenjeni postopek rasti uporablja za epitaksno nanašanje tanke plasti (epitaksna plast je tista, katere kristalografska struktura je določena s strukturo podlage) na monok-fistalu izbrane podlage. Bistvo metode so t.i. Knud-senove efuzijske celice (na krajišču odprti globoki talilni lonček, ki je obdan s ščitom, hlajenim s tekočim dušikom), iz katerih izhlapevajo atomi ali molekule v curku, vpadajo na podlago, pri čemer je le-ta segreta na temperaturo, ki ustreza kemični reakciji, nastopu epitakse in reevaporaciji presežnih vpadnih atomarnih sestavin. Celotni postopek rmnašanja poteka v ultra-visokem vakuumu okoli 10"® Pa. Z ustreznim nadzorom curka, kar se doseže s vrtljivimi mehanskimi lo-putami, ki se nahajajo med podlago in Knudsenovimi celicami, je mogoče izdelati super rešetke različnih sestavin z natančno definirano debelino stične plasti. Kot je znano, se z MBE metodo izdelujejo lll-V in IV-VI polprevodniške heteroplastne sestave (super rešetke), to so tvorbe, ki so sestavljene iz periodično nanesenih plasti alternativnih sestavin (npr. GaAs/AIGaAs), uporabnih zlasti na področju visokih tehnologij, kot npr. za mikrovalovne polprevodniške elektronske elemente, za polprevodniške laserje svetlovodnih telekomunikacijskih mrež itd. /3/. Shematska skica MBE naprave je prikazana na sliki 1. 2.2 Mikroskupki Znano je, da so pri dani sestavi kemijskih elementov ali spojin fizikalne lastnosti ti. mikroskupkov, kot npr. porazdelitev električnega naboja In spina elektronov, afiniteta elektronov, ionizacijski potencial, reaktivnost z molekulami plina ali površin, elektronska struktura, temperatura tališča itd., močno odvisne od velikosti mikroskupkov in se zaznavno razlikuje od tistih za snovi, ki se nahajajo v makroskopski kondenzirani fazi. Izraz mikroskupki tukaj pomeni mikroskopski grozd (aggregates), ki je sestavljen iz nekaj deset pa do nekaj tisoč atomov. Sami po sebi so mikroskupki preveliki, da bi jih lahko popisali v smislu anorganskih molekul, toda hkrati so premajhni, da bi imeli trans-lacijsko simetrijo in zaradi tega izkazujejo eksotične lastnosti, ki niso svojstvene niti samim molekulam niti njihovi kondenzirani (trdni) fazi. Iz omenjenega razloga se v okviru raziskav mikroskupkov /4/ Išče v pretežni meri odgovore na vprašanja, kot so: kakšna Epllakina plasi - Grelnik pocšsfl« ^^^Twrnoeten l.. 1 f/ ''^■■■■■■■■SHi'*^--GaAs monokristalna podiä^a (T - MOOoTOO'O Mdekularnl curek pospeševalna elektroda za skupke pospeševalna elektroda ' ionizatorja Šoba snov, ki JO nanašamo a® t fermočlen nosilec substrata grelec substrat loputa ionizirani in nevtralni skupki katoda ionizatorja k at oda za. gretje lončka lonček Slika 1. S^^ema naprave za epitakso tankiti plasti po metodi molekularnega curka, MBE. Sistem se nat}aja v vakuumski komori, ki na sliki ni prikazana 12/ Slika 2. Shema naprave za epitakso tankih plasti po metodi curka ioniziranih skupkov, CIS. Sistem se nahaja v vakuumski komori, ki na sliki ni prikazana /51 je sestava in zgradba različnih skupkov - aii Je enolična? Kako se elektronske, optične in kemijske lastnosti skupkov spreminjajo v odvisnosti od števila in vrste konstitutivnih atomo\^ Kako veliki morajo biti skupki, preden jih je mogoče popisati z razdelanimi metodami fizike trdne snovi? Kakšne so magnetene lastnosti izoliranih (golih) in pa delno nezasičenih, vezanih (oblečenih) skupkov? Slednje vprašanje posega na področje raziskav kemije površin, pri čemer je za praktične namene na področju kemijske katalize posebnega pomena proučevanje kemijske reaktivnosti skupkov in pa način njihove selektivnosti za reakcijo. Toshinori Takagi in sodelavci /5/ so leta 1972, v okviru razmišljanj o možnosti in načinu nadzora kvalitete nanesenih tankih plasti, proučili neposredni vpliv velikosti kinetične energije transiacije (ioniziranih) skupkov atomov ustreznih kovin na lastnost tankih plasti, nastalih na račun njihove kondenzacije. Na takšen način osnovana nova metoda priprave tankih plasti, ki jo je avtor poimenoval: "Nanašanje po metodi curka ioniziranih skupkov (ionized cluster beam deposition, ICB)", je uspela šele nedavno vzbuditi resnični interes raziskovalcev s področja fizike tankih plasti. Vrsta do sedaj izvedenih poiskusov je pokazala, da je mogoče z navedeno metodo pripraviti zelo kvalitetne tanke plasti različnih materialov. Ob tem pa velja še posebej omeniti dejstvo, da je sama narava fizikalnih in kemijskih pojavov, še danes slabo raziskana. 2.3 Metoda curka ioniziranih skupkov, CIS Osnovna izvedba Takagijeve /5/ ideje nanašanja tankih plasti po metodi curka ioniziranih skupkov, CIS je prikazana na sliki 2. Snov. ki jo želimo nanesti na izbrano podlago, je vstavljena v sicer zaprt talilni lonček z ozko šobo valjaste oblike na vrhu. Pri tem se je izkazalo, da z ozirom na kvaliteto dobljenih plasti, leži najustreznejše razmerje dolžine šobe z njenim premerom v intervalu med 0.2 do 2.0. Pri nanašanju kovin pa velja, da je za kvaliteto plasti zlasti kritičen parameter premer šobe, ki bi naj bil od 0.5 do največ 2 mm. To stališče gre pripisati dejstvu, da je konverzija stohastičnega gibanja atomov oziroma molekul par v lončku (ta pojav se predvsem odvija v sami šobi) v transiacijsko energijo curka v smer. ki jo narekuje šoba. možno le tedaj, če je povprečna prosta pot delcev v območju šobe dosti manjša, kot je njen premer. Navadno je talilni lonček izdelan iz grafita velike gostote in čistote, občasno pa je v uporabi tudi lonček iz borovega nitrida. Z elektronskim ali pa z uporovnim gretjem ionček segrejemo do te mere, da parni tlak raztaljene snovi naraste na nekaj milibarov ali celo desetin milibarov (torej bistveno več, kot pa v primeru, da je talilni lonček odprt kot npr. pri MBE metodi). Skozi šobo uhajajoče pare raztaljene snovi so podvržene adiabatni nadzvočni ekspanziji v območje visokega vakuuma v vakuumski posodi, pri čemer pride do tvorbe skupkov atomov ali pa molekul, pač v odvisnosti od uparjene snovi (v lončku), ki je tahko element ali pa kemijska spojina. Meritve transiacijske hitrosti in transiacijske temperature nastalega curka skupkov so pokazale /5/, da je transiacijska temperatura skupka (definirana s T = 2E /3k, kjer je E kinetična energija skupka, k je Boltzmanova konstanta) v curku bistveno nižja kot je temperatura talilnega lončka in v primeru, da le-ta narašča, se odgovarjajoča transiacijska temperatura znižuje, slika 3. To dejstvo predstavlja pomembno razliko od ostalih metod napa-revanja, npr. MBE, kjer je transiacijska temperatura izhlapelih individualnih atomov oziroma molekul skoraj enaka temperaturi talilnega lončka in z njegovim porastom narašča tudi njihova transiacijska temperatura. V splošnem pa velja pripomniti, da trenutno ne obstaja enotno stališče, kar zadeva način nastanka, poteka in pa končne velikosti v procesu adiabatne ekspanzije dobljenih skupkov. Ob tem velja omeniti, da leži vrednost kinetične energije transiacije ob izstopu iz šobe približno v intervalu od 0.1 do 0.2 eV/atom. Najnovejša dogajanja /6/ kažejo, da je vsaj za primer srebra, Ag, zelo malo iz šobe izhajajočih srebrovih atomov spojenih v skupke, ki bi bili večji kot 25 600 - 500 - ce S 400 - «C DC ■< S«; LT, Z? 200 - o C C