Vybrané technologie povrchových úprav. Metody vytváření tenkých vrstev Doc. Ing. Karel Daďourek 2008

Transkript

1 Vybrané technologie povrchových úprav Metody vytváření tenkých vrstev Doc. Ing. Karel Daďourek 2008

2 Metody vytváření tenkých vrstev Vakuové metody dnes nejužívanější CVD Chemical vapour deposition PE CVD Plasma Enhanced CVD PVD Physical vapour deposition - napařování vysokou teplotou - naprašování účinkem plasmy

3 Podstata CVD povlakování Tepelný rozklad halogenidu kovu ve vakuu Příklad : TiCl4 + CH4 TiC + 4 HCl 2 TiCl4 + N2 + 2 H2 2 TiN + 4 HCl Probíhá při teplotách 900 až 1200 oc a tlaku několika set Pascalů Rychlost růstu vrstvy okolo 5 µm za hodinu Nejnižší teplota těchto reakcí je 750 oc Dnes pro snížení teploty často PECVD plasmou podporovaná chemická kondenzace z par CVD jen na keramiku, slinuté karbidy, příp. rychlořeznou ocel (HSS) U nás Pramet Šumperk povlakované SK

4 Princip CVD Vakuová komora

5 PA CVD (Plasma Assisted se spoluúčastí plasmy) Elektrony a kladné ionty pomáhají reakci

6 Zařízení s VF plasmou

7 Příklad PACVD Rozklad jakéhokoliv plynného uhlovodíku VF plasma C:H -vrstva uhlíku -se zabudovanými atomy H - DLC

8 Základní druhy PVD Vysoké vakuum Nosný plyn v něm hoří výboj Nižší vakuum

9 Schema naprašování Rychlost naprašování je úměrná rozdílu tlaku par a tlaku v komoře a nepřímo úměrná odmocnině z teploty

10 Strukturní model pro napařování

11 Odporový ohřev spirálka lodička Ze žáruvzdorného materiálu Wolfram, molybden Přímý ohřev - jen sublimace

12 Indukční ohřev

13 Odpařování elektronovým dělem

14 Odpařování obloukem Ve vakuu je oblouk stabilnější Nutnost pomocné zapalovací elektrody Me - odpařovaný kov Pevný terčík - target z odpařovaného kovu často tyč

15 PLD Pulsní laserová deposice paprsek laseru reflektor čočka vstupní okno - Targety na karuselu vytápěný stolek se substrátem 7 čerpací systém 8, 9 - vakuometry

16 Napařování slitin Složky nemají stejný tlak par, neodpařují se tedy stejně rychle Řešení : Odpařování z několika zdrojů flash evaporation pulzní odpařování při T >> Tmi - přerušovaný oblouk - laserové pulzy

17 Reaktivní napařování

18 Nízkonapětový oblouk Balzers a ZEZ zařízení NNO 150

19 Plasma v přírodě

20 Děje při dopadu iontu

21 Základní schema odprašování

22 Základní schema naprašování

23 Model pro naprašování Thornton

24 Diodové naprašování

25 Schema reaktivního plátování

26 Movchanův model tvorby vrstev

27 Nutnost kompromisů planární magnetron Reaktivní proces vyžaduje poměrně značný tlak reaktivního plynu (dusíku) Pro dobrou účinnost nesmí být atomy odprášené z targetu příliš rozptylovány na dráze k substrátu co nejdelší volná dráha Iontové plátování vyžaduje delší volné dráhy iontů Pro dobrou ionizaci plynu musí být skutečná dráha elektronů mezi anodou a katodou daleko delší než volná dráha elektronů Proto snaha udržet velkou volnou dráhu elektronů, ale současně co nejvíce prodloužiz skutečnou dráhu elektronů.

28 Magnetronový efekt Pohyb elektronu ve zkřížených polích Maximální efekt pro kolmé elektrické a magnetické pole

29 Srovnání magnetronového a diodového naprašování

30 Princip planárního magnetronu

31 Děje v magnetronu

32 Konstrukce magnetronu

33 Magnetrony Výboj v magnetronu Malý kruhový magnetron

34 Příklad konstrukce magnetronu 1 - permanentní magnety 2 - titanový target Vzhled již 3 - držák targetu upotřebených 4 - pólový nástavec targetů 5 - chladicí voda 6 - držák magnetronu

35 Magnetron a feromagnetický target

36 Průmyslové magnetrony Několik vedle sebe Oboustranný typ

37 Efektivnost magnetronu

38 Schema magnetronového zařízení

39 Magnetronové zařízení Balzers a ZEZ DAM 300K 2/2

40 ABS magnetrony zařízení Hauser

41 Velké průmyslové zařízení (HVM Plasma s.r.o.)

42 Přípravky na vsázku vlevo CVD, vpravo - PVD

43 Teploty a tloušťky vrstev

44 Porovnání teplot procesů Slinuté karbidy Rychlořezné a žárupevné oceli Běžné oceli bez TZ Běžné oceli s TZ plasty

45 Vlastnosti vrstev a teplota depozice

46 Energie jednotlivých procesů Pro jemné vakuum U šipek příklady procesů s touto energií

47 Implantace příměsí do kovů Lze implantovat libovolné ionty do libovolné látky. Nezáleží na rozpustnosti. Lze pracovat při libovolné teplotě. Často nutné chlazení substrátu. Rozdělení koncentrace podle Gaussovy křivky Velmi tenká vrstva. Hloubka průniku 1 nm na každý kev energie nutné alespoň 100 kev. Nedochází k rozměrovým změnám ani poškození povrchu. V povrchové vrstvě vzniká tlakové pnutí. Dobře kontrolovatelná a ekologická technologie Prakticky bodový průnik do povrchu. Po ploše musí být paprsek rozmítán.

48 Schema iontového implantátoru

49 Zařízení na iontovou implantaci

50 Ukázka koncentračního profilu Nahoře implantace cínu do křemíku, energie 150 kev 1 přímo po implantaci 2- po ohřevu elektronovým paprskem 1,5 J/cm2 Dole implantace cínu do hliníku, energie 150 kev 1 přímo po implantaci 2- po ohřevu elektronovým paprskem 1,5 J/cm2

51 Užití ve strojírenství Povrchové zpevnění implantace dusíku a p. do nástrojových materiálů - chemické změny - tlakové napětí na povrchu Rozmytí rozhraní mezi povlakem a substrátem Amorfizace povrchové vrstvy kovové sklo Přímá reakce v povrchové vrstvě implantace dusíku do titanu