Využití plazmových metod ve strojírenství. Metody depozice povlaků a tenkých vrstev

Transkript

1 Využití plazmových metod ve strojírenství Metody depozice povlaků a tenkých vrstev

2 Metody depozice povlaků Využití plazmatu pro depozice (nanášení) povlaků a tenkých vrstev je moderní a stále častěji aplikovaná metoda Tenké vrstvy dostatečně tenké vrstvy cizího nebo modifikovaného vlastního materiálu vlastnosti jsou podstatným způsobem ovlivněny přechodovými oblastmi mezi vrstvou a základním materiálem nebo mezi vrstvou a okolím. Tloušťky řádově nm. Povlak vrstva cizího materiálu natolik tlustá, že se převážně uplatňují vlastnosti materiálu povlaku. Tloušťka řádově 0,5 až 10 μm (horní hranici omezují vnitřní pnutí ve vrstvě). Výjimka plazmově stříkané povlaky mohou být tlustší.

3 Metody depozice povlaků Plazmově podporované metody depozice dělíme na : PVD (physical vapour deosition) - (vakuové) napařování - magnetronové naprašování (nereaktivní nebo reaktivní) - depozice molekulovými svazky (ve strojírenství neužívaná) - plazmový nástřik. CVD (chemical vapour deposition) Metody smíšené PE CVD (plasma enhanced CVD ) nebo PACVD (plasma assisted CVD)

4 Vakuové napařování Princip metody : materiál určený k pokrytí substrátu (součásti) je při sníženém tlaku (10-4 až 10-5 Pa) zahřát na tak vysokou teplotu, aby došlo k jeho vypařování nebo rychlé sublimaci. Vzniklé páry se šíří ze zdroje přímočaře a kondenzují na všech tělesech o nízké teplotě. Na substrátu roste povlak, jehož struktura je závislá na podmínkách procesu, zejména na teplotě substrátu, na úhlu dopadu a na tlaku v aparatuře (možnost srážek atomů s molekulami vzduchu). Problematické je napařování slitin rozdílná teplota varu a skupenské teplo varu složek slitiny způsobuje, že složení povlaku se může i podstatně lišit od složení vypařovaného materiálu. V průmyslové praxi se používají tři metody ohřevu vypařovaného materiálu : průchodem proudu odporovým členem, elektronovým svazkem a nízkonapěťovým obloukem.

5 Odporový ohřev

6

7 Nízkonapěťový oblouk Katodová skvrna se chaoticky pohybuje po povrchu targetu (katody), je do ní soustředěn prakticky celý proud výboje (50 až 100 A). V místě skvrny se vypařuje materiál. V důsledku prudkého ohřevu páry materiálu targetu strhávají makroskopické částice ( μm)

8 VAKUOVÝ OBLOUKOVÝ VÝBOJ KATODA ( - ) + ANODA ( + ) makročástice + HVM Plasma s.r.o. KATODOVÁ SKVRNA: ODPAŘOVÁNÍ + IONIZACE ATOMŮ KATODY, RYCHLÝ NEUSPOŘÁDANÝ POHYB PO TERČI STEJNOSMĚRNÝ - + ZDROJ ~50 V / A

9

10 ŘÍZENÍ POHYBU KATODOVÉ SKVRNY NÁHODNÝ POHYB KATODOVÉ SKVRNY NEROVNOMĚRNÉ OPOTŘEBENÍ TERČE HODNĚ MAKROČÁSTIC "ODSKAKOVÁNÍ" MIMO TERČ ŘÍZENÍ POHYBU KATODOVÉ SKVRNY MAGNETICKÝM POLEM (20 70 G) OBÍHÁNÍ DOKOLA TERČE

11 Jiná možnost : filtrace svazek částic prochází magnetickým polem, které odkloní pouze nabité částice, makročástice se pohybují přímo.. Nevýhoda: velké ztráty, vhodné jen pro zvláštní případy

12 většina atomů deponovaného materiálu (u filtrovaného všechny) jsou - většina atomů deponovaného materiálu (u filtrovaného všechny) jsou většina atomů deponovaného materiálu (u ionizovány na povrch s předpětím dopadají kolmo filtrovaného všechny) jsou depozice vrstvy na dno úzkých brázd (mikroelektronika) - možnost mělké implantace deponovaných iontů pod povrch substrátu vytvoření mezivrstvy, která je pevně zakotvena v substrátu vysoká adheze vrstvy k substrátu (obráběcí aj. nástroje)

13 Magnetronové naprašování Princip : dopad iontů nebo neutrálních částic na povrch pevné látky může způsobit vytrhávání atomů nebo iontů provázené emisí sekundárních elektronů a emisí fotonů. γ M E = ev ohřev terče

14 Metoda se realizuje pomocí doutnavého výboje, využívá se oblast katodového spádu potenciálu k urychlení iontů pracovního plynu (obvykle argon v případě nereaktivního naprašování).

15 Aby bylo dosaženo vysokých depozičních rychlostí, je třeba dosáhnout co nejvyššího stupně ionizace pracovního plynu. K ionizaci dochází nárazy elektronů (původem jednak v ionizaci plynu, jednak sekundárními elektrony) a pravděpodobnost srážek se zvyšuje s délkou dráhy elektronů. Z toho důvodu se nad katodou vytváří magnetické pole zakřivující jejich dráhy. Toto uspořádání se nazývá magnetron.

16 O rychlosti depozice rozhoduje mj. počet atomů materiálu targetu vyražených (odprášených) při dopadu jednoho iontu pracovního plynu odprašovací výtěžek (sputtering yield). Z grafu lze vyvodit, že nemá cenu zvyšovat napětí nad stovky voltů (technické potíže), depoziční rychlost již výrazně neroste. SELFSPUTTERING sputtering yield Cr Nb V Ti C ion energy [ev]

17 Magnetronové naprašování je poměrně složitý technologický proces Hlavní parametry procesu jsou : - deponovaný materiál, - složení pracovního plynu, - tlak plynu, - napětí na magnetronu, - výkon ve výboji, - teplota substrátu. Vliv uvedených parametrů na strukturu vrstvy popisují různé modely. Thortonův model

18 Metody depozice povlaků Reaktivní naprašování Výhodou této technologie je možnost vytváření povlaků ze sloučenin materiálu terče (targetu) a reaktivních plynů. V těchto případech je pracovní plyn směsí argonu a reaktivního plynu : O 2 oxidy, N 2 nitridy, C 2 H 2 nebo CH 4 karbidy. Tímto způsobem jsou deponované např. tvrdé a otěru vzdorné povlaky TiN, TiCN, CrN, CrCN, TiC, ZrO 2, Al 2 O 3 atd. Naprašování v rf výboji Naprašovat je možno i nevodivé materiály. Je však třeba použít výboj napájený radiofrekvenčním střídavým napětím (obvykle 13,56 MHz nebo 2,14 GHz). Střídavé napětí brání nabíjení terče kladným nábojem iontů. Elektrické pole by další ionty odpuzovalo a tím bránilo dopadu dalších iontů.

19 Průmyslová zařízení pro naprašování

20 Systém magnetronů s uzavřeným magnetickým polem CLOSED FIELD CONFINEMENT

21

22

23 Skla s povlaky nanášenými v magnetronu (měkký povlak) Sklo Planibel opatřené na jedné straně povlakem několika vrstev kovových oxidů nanášených ve vakuu elektromagnetickým postupem. Toto vysoce výkonné sklo s povlakem je určeno pro následující funkce: Tepelná izolace: Planibel TopN+, Planibel TopN+T protisluneční a tepelná izolace: Planibel EnergyN - Planibel EnergyNT (škála Planibel Low-E), Stopray. Vysoce výkonná skla s povlaky nanášenými v magnetronu jsou určena k použití v izolačních dvojsklech (škála Planibel Low-E, Stopray).

24 Vysoce výkonná skla s povlaky nanášenými v magnetronu jsou určena k použití v izolačních dvojsklech (škála Planibel Low-E, Stopray).