Fizika tankih slojeva

Fizika tankih slojeva je naučna disciplina koja se bavi proučavanjem različitih aspekata oplemenjivanja površine čvrstog tela u slučaju kada upadni snop sa hipertermalnom energijom dejstvuje po površini. Pri tome sa porastom vremena interakcije upadnog snopa i podloge, površina sve više gubi prethodne karakteristike i menja se u željenom pravcu, dok unutrašnjost materijala zadržava svoje osobine.

Tanak sloj

Tanak sloj je deponovani materijal debljine u rasponu od delića nanometra (monosloj) do nekoliko mikrometara, sve dok se oseća uticaj podloge na merenu fizičku veličinu. Za debljine veće od ovih vrednosti deponovani materijal predstavlja prevlaku čija se debljina obično kreće od 0,1 do nekoliko stotina mikrometara. Elektronski poluprovodnici i optičke prevlake predstavljaju glavnu primenu konstrukcije tankih slojeva.

Poznata primena tankih slojeva je kućno ogledalo koje obično ima tanku metalnu prevlaku na poleđini stakla za formiranje refleksivnog lika. Proces prosrebravanja nekada je bio uobičajen za proizvodnju ogledala. Oblaganje vrlo tankim slojem (debljine manje od oko 50 nanometara) koristi se za proizvodnju dvosmernih ogledala.

Performanse optičkih prevlaka (npr. antirefleksivnih) uglavnom se poboljšavaju kada se tanak sloj sastoji od više slojeva različite debljine i indeksa prelamanja. Isto tako, periodična struktura naizmenično postavljenih tankih slojeva različitih materijala može zbirno da formira slojnu strukturu koja koristi pojavu kvantnog zatočenja ograničavajući elektronske pojave na dve dimenzije.

Feromagnetni i feroelektrični tanki slojevi koriste se kao memorija računara. Imaju primenu i u farmaciji utičući na oslobađanje leka u određenom delu tela. Koriste se za proizvodnju tankoslojnih baterija i solarnih ćelija.

Keramički tanki slojevi su u širokoj upotrebi. Relativno jaka tvrdoća i inertnost keramičkih materijala čine ovu vrstu tankih slojeva pogodnom za zaštitu podloge materijala od korozije, oksidacije i habanja. Naročito upotreba ovih prevlaka na rezni alat može mu produžiti vek trajanja za nekoliko reda veličine.

Vrši se istraživanje na novoj klasi tankih slojeva neorganskih oksida nazvanim amorfni teški metali katjona različitih oksida koji bi mogli da se koriste za proizvodnju transparentnih tranzistora koji su jeftini, stabilni i povoljni za životnu sredinu.

Deponovanje

Depozicione metode za izmenu osobina materijala na površini obuhvataju brojne postupke koji mogu da se koriste za deponovanje tankih slojeva/prevlaka različitih materijala. Sve depozicione metode mogu da se podele u nekoliko osnovnih grupa: fizičke metode deponovanja, hemijske metode deponovanja, plazma depozicija i kombinovani postupci.

Fizičke metode deponovanja

Fizičke metode deponovanja zasnovane su na prevođenju materijala u parno stanje, zagrevanjem u vakuumu ili bombardovanjem jonskim snopom. Procesi mogu da se izvode u atmosferi reaktivnog gasa, tako da se na podlozi formira jedinjenje depozita. Praktično svi metali, njihova jedinjenja, smeše i legure, mogu ovim postupkom da se deponuju na osnovni materijal. Metode omogućavaju deponovanje tankih slojeva malim (nm/min) i velikim (50μm/min) brzinama deponovanja.

Hemijske metode deponovanja

Hemijske metode deponovanja zasnovane su na hemijskoj reakciji osnovnog materijala sa sredinom koja materijal kontrolisano okružuje (čvrsta, tečna ili gasovita faza) i to elektrolizom ili deponovanjem iz parne faze. Kod galvanskih postupaka količina deponovanog materijala po jedinici površine G/A data je izrazom:

                 ${\frac {G}{A}}\$ = ${\mathit {J}}$·${\mathit {t}}$·${\mathit {E}}$·$\alpha \,$

gde su J - gustina struje, t - vreme,E - elektrohemijski ekvivalent, $\alpha \,$ - efikasnost strujnog procesa (odnos eksperimentalne i teorijske vrednosti težine depozita; vrednost je između 0,5 i 1).

Formiranje i rast tankog sloja

Teorijska analiza procesa nukleacije, formiranja i rasta tankog sloja, obuhvata više stupnjeva koji se eksperimentalno ne mogu jednoznačno da potvrde. Pored eksperimentalnih poteškoća za kontinualno praćenje svih faza procesa, problemi nastaju i zbog promena parametara deponovanja. Tako, promena visine vakuuma u sistemu za deponovanje menja sadržaj nečistoća u deponovanom materijalu i brzinu nukleacije. Do prvih rezultata o postojanju različitih faza procesa deponovanja došao je E. Andrade (1935), ispitujući deponovanje srebra transmisionim optičkim mikroskopom. Do istih rezultata došli su i (četrdesetih godina i kasnije) i drugi istraživači koristeći za svoja ispitivanja metodu transmisione mikroskopije i in-situ karakterizaciju procesa. Eksperimentalne vrednosti formiranja tankih slojeva predstavljene su sa četiri faze procesa: 1) nukleaciju i stvaranje ostrvske strukture, 2) spajanje ostrva u veće nakupine, 3) obrazovanje kanalske strukture i 4) formiranje kontinualnog sloja.

Kontinualni sloj

1. U prvoj fazi deponovanja formiraju se trodimenzionalni nukleusi koji rastu i formiraju stabilna ostrva dimenzija 1-5 nm. Površinskom difuzijom adatoma i subkritičnih nukleusa mala ostrva i dalje rastu pri čemu neka od njih dobijaju geometrijski oblik.
2. Daljim deponovanjem dimenzije ostrva rastu, a međusobno rastojanje opada. Usled koalescencije manjih ostrva njihova gustina na površini se smanjuje. Neka od većih ostrva poprimaju heksagonalne oblike koji karakteršu koalescenciju.
3. Kada formirana ostrva dostignu kritičnu veličinu, međusobno se brzo spajaju formirajući mrežu deponovanog materijala. Mreža depozita je razdvojena kanalskom strukturom nepravilnog oblika. Širina kanala je 10-20 nm i mestimično u njima mogu da se uoče mala ostrvca sekundarne nukleacije.
4. Konačno, deponovanjem novog materijala,na površini podloge formira se kontinualni sloj sitnozrne strukture. Veličina kristalitata je 10-20 nm (kvaziamorfna struktura). Rekristalizacija depozita počinje u fazi koalescencije, pa je veličina zrna znatno veća od rastojanja između nukleusa. Spajanjem naraslih nukleusa formiraju se granice i kristaliti sa velikom koncentracijom defekata - dvojnika i grešaka pakovanja.

Za nastajanje faza najveći uticaj imaju parametri deponovanja: brzina deponovanja, debljina sloja i stanje na podlozi (temperatura i obrada). Osobine deponovanog materijala mogu značajno da budu izmenjene promenom samo jednog od parametara deponovanja (Thorton-ov dijagram). Tako npr. za deponovanje višekomponentnih materijala (legure, smeše, jedinjenja) parcijalni pritisak rezidualnog gasa može da bude osnovni činilac koji određuje mogućnost deponovanja i strukturu sloja. Karakteristike materijala značajno utiču na pokretnjivost adatoma i subkritičnih nukleusa. Materijali sa visokom tačkom topljenja (W, Ta, metalni oksidi i nitridi) na sobnoj temperaturi podloge formiraju kontinualan sloj pri debljinama manjim od 10 nm. Lako topljivi metali (Au, Ag i Cu) više aglomeriraju i kontinualan sloj se formira na debljinama između 20 i 30 nm.

Osnovne karakteristike tankih slojeva

Strukturne karakteristike

Dobro poznavanje strukturnih karakteristika značajno je ne samo sa stanovišta osnovnih istraživanja, već i zbog mogućnosti uticanja na druge osobine. Mnoge osobine tankih slojeva/prevlaka zavise od kristalne strukture, posebno od karakteristika koje su definisane prvom fazom, nukleacijom i rastom. Strukturna ispitivanja obuhvataju ispitivanja homogenosti, kristaličnosti i zrnovitosti sloja, koncentracije i vrste defekata.

Električne osobine

Električne osobine tankih slojeva značajno se razlikuju od istih karakteristika komadnog uzorka. Vrednosti električnog otpora tankog sloja zavise od koncentracije mesta za rasejavanje elektrona (defekti, nečistoće), dakle, od uslova pri kojima je materijal deponovan. Eksperimentalno se vrednosti slojne otpornosti mere metodom „četiri tačke“.

Mehaničke osobine

Osnovna karakteristika prevlaka za funkcionalnu zaštitu je njihova postojanost u radnim uslovima — mehaničke osobine sistema deponovani materijal/podloga. Najčešće ispitivane mehaničke osobine su:

• adhezija sloj/podloga (rad koji je potrebno utrošiti za njihovo razdvajanje)
• unutrašnji naponi u sloju (kompresivna ili atraktivna sila koja izaziva formiranje mikroprsotina)
• zatezne karakteristike (tvrdoća, lom i elastičnost).

Svaka od navedenih karakteristika zavisi od velikog broja parametara, a sve zajedno od osnovnih karakteristika materijala prevlake, materijala podloge i uslova deponovanja.

Optičke osobine

Tankoslojne strukture predstavljaju idealne sisteme za ispitivanje optičkih osobina kao što su: optička refleksija, transmisija, adsorpcija i njihov odnos sa optičkom konstantom deponovanog materijala. Na bazi ispitivanja optičkih osobina materijala deponovanog u vakuumu konstruisani su sistemi sa pojačanom refleksijom, adsorpcijom, interferencijom i polarizacijom. Sintezom višeslojnih optičkih materijala dobijene su karakteristike koje je nemoguće dobiti na komadnom uzorku.

Hemijski sastav

Većina savremenih metoda za ispitivanje osobina materijala zasnovana je na interakciji snopa upadnih čestica ili elektomagnetnog zračenja sa površinom i analizi emitovanih čestica ili zračenja sa uzorka. Kako male količine primesa i nečistoća utiču na osobine depozita, procesi se ispituju u vakuumu uz korišćenje poznatih tehnika za formiranje snopa, detektovanje i analizu emitovanog signala.