Csík Attila–Lovics Riku
Vékonyrétegek között élünk
Napjainkban az anyagtudomány fontos feladatai közé tartozik a nanoszerkezetű anyagok előállítása, fizikai tulajdonságaik megismerése. Nem is olyan régen a „nano” sokunk számára csak mértékegységet, a milliméter egymilliomod részét jelentette. A nanoszerkezetű anyagok kutatása során hamar kiderült azonban, hogy a makroszkopikus méretű anyagban lejátszódó alapvető fizikai-kémiai folyamatok a nanoméretű tartományokban másképpen mennek végbe, és eddig ismeretlen, új, hasznos tulajdonságok jelennek meg. 

Ma egész iparágak fejlesztenek, gyártanak olyan termékeket, amelyek a nanotechnológiára épülnek. Gondoljunk csak a gyógyászatra: már célzottan juttatnak el gyógyszereket a beteg szövetrészekhez, hő hatására alakot változtató implantátumokat, például értágítókat ültetnek be a szervezetbe. Vagy nézzük a mikroelektronikát. Első számítógépeink hatalmasak, szobányiak voltak, és csak keveseknek adatott meg, hogy dolgozhassanak velük, ma pedig tenyérnyi eszközökkel telefonálunk, fényképezünk és internetezünk. Ezeknek a tárgyaknak a lelke a mikroméretű számítógép. A mobiltelefonok, számítógépek mind-mind a nanotechnológia eredményeit hasznosító eszközökből épülnek fel. Méretük egyre zsugorodik, mégis „egyre többet tudnak”, mivel kis térfogatba egyre több alkotóelemet tudunk összezsúfolni. A munkára és szórakozásra egyaránt alkalmas – kinek-kinek igényei szerint testre szabható – multimédiás eszközöket már bárki használhatja. Ez a nanotechnológia óriási léptékű és gyorsaságú fejlődésének köszönhető. Természetesen a fejlesztés és a kutatás nem állt meg, mindig vannak újabb lehetőségek, melyek kidolgozásával az elsődleges cél az, hogy jobbá és olcsóbbá tegyük a termékeket.

A nanostruktúrák speciális változatai, a nanométer vastagságú vékonyrétegek és multirétegek rendkívül fontos részét képezik nemcsak a szilárdtest-fizikai kutatásoknak, hanem a modern ipari technológia által előállított termékeknek is. Széles körben elterjedt alkalmazásuk ellenére azonban még ma sem ismerjük minden fizikai és kémiai tulajdonságukat. A multirétegek fizikai tulajdonságai – a nagyszámú réteghatár és a periodicitás miatt – számos esetben eltérnek a homogén, tömbi anyagok fizikai tulajdonságaitól, ami elsősorban az egyedi rétegek rendkívül kis, akár néhány atomsornyi vastagságának köszönhető. 

De mik azok a vékonyrétegek vagy multirétegek, hogyan lehet őket előállítani, vizsgálni, hasznosítani? 

1. ábra. Volfrám-szilícium multirétegről készült transzmissziós
mikroszkópos felvétel. A sötét csíkok a Si-, a világosak a W-réteget
mutatják. Az egyes rétegek vastagsága 2 nm
(A felvétel a Debreceni Egyetem Szilárdtest
Fizika Tanszékén készült)

A modern fizikában vékonyrétegről akkor beszélünk, ha egy adott anyagból néhány vagy néhányszor tíz nanométer vastagságú réteget alakítunk ki egy hordozó felületen – valamilyen fizikai vagy kémiai módszerrel. Multirétegek esetén két vagy több különböző anyagból készült vékonyréteg követi egymást periodikusan ismétlődve. A rendszer teljes vastagsága ebben az esetben elérheti akár a mikrométert is, de az egyedi rétegek mérete itt is a nanométeres tartományba esik. A szükséges tulajdonságokhoz pedig éppen erre van szükség. Az 1. ábrán volfrám és szilícium anyagokból készült rétegrendszert láthatunk. Az így kialakított multirétegeket más néven szuperrácsoknak is nevezzük. Ilyen szuperrácsokat előszeretettel használnak az elektronikában, az optikában, vagy röntgen- és ultraibolya-tükörként is. A számítógépek nagy kapacitású tárolóiban az adatok kiolvasására és bevitelére is mágneses/nem mágneses rétegekből készített, multiréteg típusú író/olvasó fejek szolgálnak. Ebben az esetben a nanométer vastagságú multirétegeknek azt a tulajdonságát használják ki, hogy elektromos vezetőképességüket a mágneses adattárolók mágnesezettségi állapotával befolyásolhatjuk.

A nanorétegek mechanikai tulajdonságai különböznek a tömbi anyagétól, ezért például a fémgyártásban a forgácsolóeszközök felületének keménységét és kopásállóságát növelő bevonatok kialakítására is használhatjuk a multirétegeket. A 70–80-as években már számos közlemény jelent meg a szakirodalomban olyan fém- és kerámiarétegeket tartalmazó multirétegekről, amelyek periódusa 100 nm-nél kisebb volt és jelentős mechanikai szilárdsággal rendelkeztek. A réteg-előállítási technológiák jelentős fejlődésének köszönhetően ma már ennél sokkal vékonyabb, egyenletes rétegvastagságú multirétegek előállítására is képesek vagyunk. Gyakorlati példák igazolják, hogy egy ilyen multirétegbevonatú eszköz élettartalma sokkal hosszabb a hagyományos felületkezeléssel előállított eszközökénél (2. ábra).

2. ábra. A korábban alkalmazott néhány száz nanométeres
rétegvastagságú bevonatokkal szemben a nanométeres
rétegvastagságú multirétegek sokkal hatékonyabban
akadályozzák meg a szerszámok (pl. fúró- és marófejek)
felületein képződő repedések és törések okozta
elhasználódást
(forrás: http://www.oerlikonbalzerscoating.com/bhu/hun)

A nanotechnológiának köszönhetők a szemüveglencsék antireflexiós, pára- és karcmentesítő rétegei, melyek valójában különféle multirétegek. A nanotechnológia az építőiparba is bevonult, sőt az ablaküvegeken is „nyomot hagyott”. Az ablaküveg felületén különböző anyagokból kialakított, nanométeres, egyedi vastagságú rétegek rendszerével teljesítik egyszerre a jó fényáteresztő és hőszigetelő képességet. A napelemek egyik típusát ugyancsak egy üveglemez felületén kialakított vékonyréteg-szerkezet segítségével állítják elő. Ezek az úgynevezett vékonyréteg-napelemek.

A nanométeres vastagságú rétegek gyakorlati alkalmazása szempontjából és a hosszú távú megbízható működés érdekében is alapkövetelmény a megfelelő anyagi minőség, valamint a vékonyrétegek-rétegrendszerek időbeli stabilitása. A felhasználás szempontjából hátrányt jelenthet, hogy a multirétegek hajlamosak szerkezeti átalakulásokra, mivel jelentős szabadenergia-felesleggel rendelkeznek. A leggyakrabban előforduló átalakulások az amorf-kristályos átmenet és azok a reakciók, amelyeket az anyagban végbemenő diffúziós mechanizmusok és atomi keveredések határoznak meg. Így mielőtt a multirétegeket beépítenék az elektronikai vagy optikai alkatrészekbe, szükség van a stabilitásuk vizsgálatára, a szerkezeti változások leírására és a hozzájuk vezető hatások értelmezésére. Az integrált áramkörök működésük közben jelentős hőt termelnek, és ezt komolyabb szerkezeti változás nélkül kell elviselni ahhoz, hogy hosszú távon is megbízhatóan működjön az eszköz (pl. egy érzékelő idő előtti meghibásodása oda vezethet, hogy nem tudunk elindulni az autónkkal). Az alapkutatás elsődleges feladata éppen ezért az, hogy előre megtervezze és kidolgozza azokat a működési elveket, amelyek egy ilyen nagy bonyolultságú eszközben lejátszódnak és alkalmassá teszik a végtermékbe való beépítésre.

A korszerű technológiai eredmények eléréséhez, egy új szerkezet létrehozásához hosszú kutatási-fejlesztési munkára van szükség. Az elmúlt néhány évtized során a méréstechnika fejlődésének köszönhetően ma már egyre kifinomultabb és megbízhatóbb vizsgálati módszerek állnak rendelkezésre. Ennek egyik lehetséges módja, hogy multiréteg-modellrendszereket készítünk, és tanulmányozzuk az olyan jelenségeket, mint az elektromos vezetőképesség, termikus stabilitás vagy az atommozgási folyamatok [1].

A vékonyrétegek és multirétegek előállítására szolgáló eljárásokat két nagy csoportra oszthatjuk. Az egyik a fizikai, a másik a kémiai utat követi [2]. A technológiák (molekulasugaras epitaxiális növesztés, porlasztás, párologtatás, elektrokémiai leválasztás) az utolsó évtizedben annyit fejlődtek, hogy ma már néhány atomsor vastagságú és atomi simaságú multirétegeket, ezekből pedig egyre bonyolultabb rétegszerkezeteket állítunk elő.

Az Atomkiban ionbombázással végrehajtott porlasztással, más néven magnetronos katódporlasztással dolgozunk. Ez a fizikai módszer az egyik legelterjedtebb vákuumtechnikai eljárás vékonyréteg-bevonatok létrehozására a félvezetőipartól kezdve egészen a dekoratív bevonatokig. Elterjedését olcsóságával magyarázhatjuk, továbbá azzal, hogy nagy, egyenletes rétegek előállítására alkalmas, viszonylag bonyolult geometriájú felületeken is. 

A magnetron elődje a nagyfeszültségű (500–1000 V) plazmakisülés volt. A réteg előállításához használt forrás szolgált katódként és előtte helyezkedett el a gyűrű alakú anód. A vákuumkamrába semleges gázt (többnyire argont) vezetve a nagyfeszültségű elektromos térrel kisülést hoztak létre. A mintakészítés során a kisülés plazmájából a vékonyréteg forrásául szolgáló katódba csapódó ionok a katódból atomokat, esetleg atomcsoportokat (klasztereket) ütöttek ki, amelyek a katóddal szemben, megfelelő geometriai elrendezésben elhelyezett hordozón – mint bevonandó felületen – kondenzálódva hozták létre a kívánt réteget.

A módszer továbbfejlesztett változata a magnetron típusú porlasztóforrás. „Legnagyobb erőssége” a forrás felületéhez közel elhelyezkedő, speciálisan kialakított állandó mágnes, amely a nagyfeszültségű térrel létrehozott plazma elektronjait csapdába ejti. A mágneses tér miatt csapdába került és körkörös pálya mentén mozgó elektronok fokozzák az ionizációt, javítják a porlasztási folyamat hatékonyságát. Ezzel a porlasztás stabilabbá, a porlasztási hozam és a rétegek épülési sebessége pedig jól szabályozhatóvá válik. A magnetron plazmája a mágneses tér nélküli kisülésekre jellemző 1–10 Pa üzemi nyomásnál egy-két nagyságrenddel kisebb nyomású gázban a kisüléshez szükséges kisebb feszültség mellett (300–500 V) is fenntartható. 

Ahhoz azonban, hogy az elkészített modellrendszerben a már említett fizikai tulajdonságokat, illetve magának a rétegszerkezetnek a viselkedését különböző körülmények között vizsgálni tudjuk, olyan módszerekre is szükség van, amelyekkel az anyagban fellépő szerkezeti változásokat megfelelő érzékenységgel tárhatjuk fel.

Az Anyagtudományi Laboratóriumban üzemel egy ilyen berendezés, a Szekunder Semleges/Ion Tömegspektrométer (SNMS/SIMS) [3, 4] (3. ábra). Több módszer is alkalmas az anyagok felületi és szerkezeti tulajdonságainak a vizsgálatára, de vékonyrétegek és multirétegek koncentráció-összetételének mélységi analízisére ezek már nem, vagy csak nagyon nehézkesen használhatók. Az ilyen mérésekre megfelelőbb a tömegspektrometrométeres módszerek ezen típusa.

3. ábra. Az Anyagtudományi Laboratórium tömeg- és elektronspektrométere

Az eljárás lényege, hogy a vizsgálandó mintadarab felületét ionokkal bombázzuk, és a mintából kilépő részecskéket elemezzük a tömegspektrométerrel. A berendezés alkalmas mélységi koncentrációeloszlás meghatározására (akár 1 nm-es feloldással), különböző anyagok elemösszetételének és felületének ppm (milliomodrésznyi) érzékenységű vizsgálatára (a teljes periódusos rendszer elemeit és azok izotópjait beleértve), vagy a felülethez képest mélyebben fekvő határrétegek összetételének kutatására. 

Csoportunk elsősorban a kondenzált rendszerek területén folytat alapkutatásokat: mágneses, nem mágneses, félvezető és szupravezető vékonyfilmek/többrétegű rendszerek magnetronos porlasztásos előállítása, vizsgálata, valamint magas átmeneti hőmérsékletű szupravezetők elektromágneses tulajdonságainak tanulmányozása a célunk.

Az alapkutatás mellett ipari termékek minősítésére és elemzésére is lehetőség nyílik. A vizsgálatok innovatívak, az eredmények felhasználásával minőségnövekedés érhető el, illetve a selejtes végtermékek száma csökkenhet. 

4. ábra. A vizsgálandó minta felületének porlasztásához
szükséges ionok például a neon (piros) és a kripton (kék)
által létrehozott plazmából származnak

A tömegspektrométeres módszer lehetőséget nyújt a légköri szilárd részecskék felületéhez tapadt szennyezők, biológiai és ipari minták felületének szerkezeti és elemi összetételének vizsgálatára is. Az alapkutatásban és a gyártási problémák megválaszolásában sikeresen használt berendezés nemrég kiegészült egy röntgengerjesztésű elektronspektrométerrel (XPS). Ez alkalmas a vizsgálandó minta felületén található elemek kémiai állapotának meghatározására, ami a röntgen­diffrakciós és elektronmikroszkópos mérésekkel együtt megteremti az adott minta széles körű vizsgálatának lehetőségét. 

IRODALOM
[1] D. Beke, Z. Erdélyi, G. Langer: Keveredés nanoskálán; Fizikai Szemle 8 (2006) 258.
[2] David A. Glocker: Handbook of thin film process technology; Institute of Physics, Publishing Bristol and Philadelphia, 1995.
[3] H. Oechsner, W. Gerhard: A method for surface analysis by sputtered neutrals; Physics Letters 17 (1972).
[4] H. Oechsner, H. Paulus, P. Beckmann: High resolution sputter depth profiling of implantation structures in Si by low energy SNMS; J. Vac. Sci. Technol. A3 (3) (1985) 1403.


Természet Világa, 143. évfolyam, 5. szám, 2012. május
http://www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/