Přednáška 10. Příprava substrátů: chemické ošetření, žíhání, iontové leptání.

Transkript

1 Přednáška 10 Příprava substrátů: chemické ošetření, žíhání, iontové leptání.

2 Proč? Každá vrstva nanesená na povrch materiálu by měla být s povrchem nějak spojena. Nejčastěji budeme požadovat mechanickou nebo mechanicko-chemickou vazbu adheze vrstev elektrický (ohmický) kontakt

3 Jak? Pokud skladujeme vzorky na vzduchu, tak na jejich povrchu lze očekávat adsorbovaný vzduch adsorbovanou vlhkost vodu prachové částice produkty chem. reakcí oxidy (rez) ty se mohou jen volně vázat k povrchu viz odlupování rzi z některých slitin železa olej, chladící kap. po obrábění, soli kyselin po moření, atd.

4 Vlivy Co na může mít vliv póry na povrchu chemický stav povrchu skladování (prašnost) atd.

5 Co s tím udělat? Před nanášením povlaků je obvykle nutné povrch nejdříve vhodně upravit Obvyklý postup pro nízkotlaké plazmové technologie úprava před vložením do komory úprava ve vakuové komoře před samotným nanesením vrstvy

6 Úpravy před vložením To jsou podobné procesy jako před úpravou nějakou konvenční technikou odstranění hrubých nečistot mechanicky - např. pískování odstranění narušeného povrchu mechanicky např. leštění (zejména ocel) odstranění povrchu chemicky (zejména kovy, skla) úprava fázového složení někdy (žíhání) pak nutné vhodné skladování před vložením do komory nebo ihned vložit některé kroky lze opakovat v různých variantách

7 O co jde

8 Průmysl - odstranění starých povlaků např. obráběcí nástroje se povlakují opakovaně, takže ještě musí být provedeno HSS - chemickou a elektrochemickou cestou a využívá silných oxidačních činidel, popř. účinku elektrického proudu, používá roztok peroxidu vodíku, vody a tetranatriumdifosfátu za teploty kolem 70 C. HS - mnohem komplikovanější technologií. Nevhodně volená technologie může způsobit narušení struktury materiálu vyleptáním kobaltu ze struktury.

9 Poznámka HSS a HS - Rychlořezná ocel (anglicky High speed steel nebo zkráceně HSS) a nástrojové oceli HS, jsou druh oceli určený na rychlé obrábění a pro výrobu vysoce namáhaných řezných nástrojů určených pro obrábění kovových součástek v tepelně nezpevněném stavu. Mezi její významné vlastnosti patří vysoká tvrdost a žárupevnost (zůstává tvrdá i po zahřátí). Používá se k výrobě nástrojů jako například pil, pilových pásů, pilových listů, soustružnických nebo hoblovacích nožů, fréz a dalších. Ocel HSS vydrží v místě řezu až 600 C. Pro výrobu se používá ocel třídy 19 která se dále kalí a popouští. Nevýhodou HSS je nízká životnost, rychlé opotřebení a neposlední řadě i fakt, že při velkém zahřátí v místě řezu se změní struktura kovu, ocel se začne drolit a je dále nepoužitelná.

10 Striping pro HS ocel Naleptání kobaltu do hloubky 5 μm způsobí vážné problémy při následném povlakování i použití nástrojů. Také pro tuto technologii je využíván peroxid vodíku ovšem ve výrazně nižších koncentracích a většinou za pokojové teploty. Dobrý Špatný

11 Požadavky na vzorky pro výzkum Pro vývoj a výzkum, je potřeba zejména dbát na reprodukovatelnost experimentů proto volíme modelové vzorky Modelové vzorky = definované vzorky leštěné např. ocel a kovy obecně některé lze snadno vyrobit (ocel, hliník, Si) s definovanou strukturou povrchu Si, safír, slída, monokrystaly kovů, s definovaným chemickým i fázovým složením amorfní a transparentní ve viditelném světle (skla, polymery,...)

12 Leštění kovových vzorků rotující brusný disk papír, voda rotující držák vzorků postupujeme postupně s různými zrnitostmi brusných papírů a past někdy je nutné malé vzorky upevnit do držáků např. zalít do pryskyřice leštěná ocel = zrcadlo

13 Leštěné ocelové vzorky %20Notes%20Stainless%20Steel%20English.pdf

14 Leštění

15 Vady vzorků škrábance pomerančová kůra závoj - není zcela lesklý povrch dírky - velké množství mikroskopických dírek na povrchu reliéf poškozené hrany vzorku vlnitost barevné mapy

16 Vady vzorků

17 Vady vzorků drážky praskliny dírky - občasné cizorodé vměstky

18 Poznámka ocel (kompozit?) 150x Duplex steel etched electrolytically with 40% aqueous sodium hydroxide solution, showing blue austenite and yellow ferrite

19 Chemická úprava povrchu moření v kyselinách + oplachy vodou chemické čištění odstranění oxidů kovů (zejména) také úprava stavu povrchu lesk (zejména skla) Před mořením Po mořením

20 Příklad aplikace na sváry Po mořením Před mořením

21 Praxe Využívá zejména právě kyseliny dusičné, fosforečné, sírové a chlorovodíkové. S poměrně dobrým výsledkem lze využívat například i kyseliny citrónové a šťavelové. Moření se všeobecně provádí buď jako antikorozní ochrana nebo jako čistící proces. Obvykle ponorem (tj. kyselinová lázeň) (průmysl) nebo v malém nátěry (speciální mořící gely, které se rozetřou nechají působit a pak setřou pryč).

22 Moření uhlíkové ocel nejvhodnější kyseliny dusičná a fosforečná kyselina dusičná vzlíná do pórů kovu a po ukončení reakce s kovem na vzduchu ještě zapříčiní oxidaci na povrchu ve velmi tenké (mikroskopické) vrstvě, tak k materiálu nemá přes oxidy dobrý přístup vlhkost a kov už nemůže dál snadno oxidovat. kyselina fosforečná při reakci na povrchu kovu vysráží ve vodě nerozpustné fosfáty, k povrchu materiálu pak nemá opět snadný přístup vlhkost.

23 Moření nerezová ocel hlavně kyselina dusičná a fosforečná. po moření ztrácí nerez svůj kovově lesklý zevnějšek a nepatrně zmatní a zbělá. Tím pádem na něm není vidět každý otisk prstu.

24 Chemické leštění skla provádí se podobně jako moření kovů leštící lázeň zejména s fluorovodíkovou kyselinou

25 Úpravy vzorků v komoře typicky jde o procesy před nanášení povlaků magnetronovým naprašováním nebo obloukovým výbojem ideál žádné úpravy nejsou potřebné typicky v inline procesu, kde jednotlivé operace probíhají ihned rychle po sobě a vzorky (díly) jsou mezi zpracováním skladovány ve vakuu typické pro výrobu magnetických ploten (hd), a mikročipů, částečně solárních panelů a LCD a plazma obrazovek prakticky vždy je ale substrát nejprve na vzduchu předúprava před první vrstvou

26 Typy vhodných úprav Desorbce nečistot z povrchu ohřevem Čištění povrchu iontovým bombardem Příprava povrchu implantací vhodných atomů

27 Desorpce kinetická teorie plynů známe dobu setrvání na povrchu jako t = t0 exp(q/(rt)), mějme cca t0 = 1 x s Q [kj/mol] t [s] t = -196 oc 20 oc 500 oc 77 K 293 K 773 K E E E E E E E E E E E E E E E E E E E

28 Desorpce pro praktickou realizaci musíme být schopni ohřát vzorky před depozicí nad cca 400 oc to není jednoduché pokud není vzorek v dobrém kontaktu vyhřívaným povrchem nebo ozářen přímo IR světlem vakuum nevede teplo dobře vedením nebo prouděním plynu pozor některé vzorky mohou být zničeny teplotou typicky polymery a např. i již vytvořené polovodičové nebo i jiné struktury jak tedy očistit povrch bez ohřevu do hloubky vzorku?

29 Problémy konstrukce vyhřívaného držáku vzorků je poměrně komplikovaná zvláště pokud má být ještě např. posuvný a otočný (homogenní vrstvy) s možností přivedení RF předpětí a to vše vakuově kompatibilní ohřev také poměrně dlouho trvá a je potřeba i chlazení vakuum vede teplo špatně, tedy i špatně chladí!

30 Žíhání ve vakuu metoda byla původně zaváděna pro dostatečné odplynění porézních pájek u nástrojů s pájenými částmi. Nástroje se po určitou dobu žíhají ve vakuu při teplotě blížící se povlakovacím teplotám. Jde o samostatný proces v technologickém cyklu povlakování. Tím se zabrání případnému znečistění vakuové komory během samostatného procesu povlakování. Metoda žíhání ve vakuu může mít ovšem také pozitivní vliv v případech nástrojů s chladícími otvory, kde běžné metody čištění nemusí stoprocentně zajistit odstranění všech nečistot. Vakuové žíhání lze také doporučit pro některé HSS materiály, ale to by mělo být spíše záležitostí samotného výrobce nástrojů.

31 Iontové leptání dopady iontů (zejména) těžkých lze uvolnit atomy vázané na povrchu a i atomy samotného povrchu vzorku viz. iontové rozprašování prahová energie 10 až 30 ev - nízký tlak a bias od 50V

32 Praktická realizace pokud máme vakuový systém pro plazmové vytváření povlaků zejména magnetron stačí na kovový držák vzorků přivést záporné předpětí tím ionty z plazmatu urychlíme k substrátu (obvykle ionty Ar - použijeme čistý Ar) při splnění podmínky rychlost depozice menší než rychlost leptání budeme materiál ze substrátu odstraňovat. lze i zamezit přímému dopadu rozprášených částic z terče na substrát krytem a také malým proudem - jen zdroj nabitých částic

33 Praktická realizace pro dielektrické substráty je problém vytvoření záporného předpětí na jejich povrchu nabíjejí se takže řešením je RF napájení s přizpůsobovacím členem drahé a složité

34 Příklady např PE polyethylen jako substrát pro vrstvu stříbra přilnavost roste od neupraveného povrchu, Ar plasma, O2-plasma, N2-plasma Ag se váže na PE chemicky přes Ag-O-C nebo AgN-C obdobně Ti na PE, kde se povrch ionty očistí a aktivuje (volné vazby na C) a pak se tvoří vazby Ti-C různé vrstvy - různé mechanizmy nutno znát ISBN

35 Pro ověření se používají různé testy adheze - jednoduchý scratch test

36 Scratch test

37 Literatura al_07/lists/papers/065.pdf a-a-rust-vrstvy/technologie.html