Vakuové metody přípravy tenkých vrstev

Transkript

1 Vakuové metody přípravy tenkých vrstev

2 Metody vytváření tenkých vrstev Vakuové metody dnes nejužívanější CVD Chemical Vapour Deposition (PE CVD Plasma Enhanced CVD nebo PA CVD Plasma Assisted CVD) PVD Physical Vapour Deposition - napařování (evaporation) (vysokou teplotou) - naprašování (sputtering) (účinkem plasmy)

3 Podstata CVD metody 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 Pa (hrubé vakuum) Rychlost růstu vrstvy okolo 5 µm za hodinu Nejnižší teplota těchto reakcí je 750 oc, běžně okolo 1000 oc Dnes pro snížení teploty často PECVD, PACVD 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 Substrát

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

6 Zařízení s VF plasmou kapacitní vazba

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 napařování Rychlost napařování je úměrná rozdílu tlaku par a tlaku v komoře a nepřímo úměrná odmocnině z teploty

10 Strukturní model pro napařování nejlepší

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 (např Ti + Al) 6 vytápěný stolek se substrátem 7 čerpací systém 8, 9 - vakuometry

16 Napařování slitin Složky nemají stejný tlak par, neodpařují se tedy stejně rychle Např Ti + Al (1670 oc, 760 oc) Řešení : Odpařování z několika zdrojů flash evaporation pulzní odpařování při T >> Tm pro všechny složky : - přerušovaný oblouk - laserové pulzy

17 Reaktivní napařování Např. Ti + CH4 = TiC + 2 H2

18 Nízkonapětový oblouk Balzers a ZEZ Liberec zařízení NNO 150 Výroba 1985

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 - nutný značný tlak reaktivního plynu (dusíku), tedy nižší vakum a kratší volná dráha atomů Atomy odprášené z targetu nesmí být příliš rozptylovány na dráze k substrátu co nejdelší volná dráha Iontové plátování - také delší volné dráhy iontů, ale nutný dostatečný tlak ionizovaného plynu 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 prodloužit skutečnou dráhu elektronů.

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

29 Princip planárního magnetronu

30 Konstrukce magnetronu

31 Děje při magnetronovém naprašování

32 Srovnání magnetronového a diodového naprašování

33 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

34 Magnetrony Výboj v magnetronu Malý kruhový magnetron

35 Magnetron a feromagnetický target

36 Průmyslové magnetrony Několik vedle sebe Oboustranný typ

37 Efektivnost magnetronu

38 Schema magnetronového zařízení Planetární pohyb substrátů (dvě rotace)

39 Magnetronové zařízení Balzers a ZEZ Liberec DAM 300K 2/2 Rok 1983

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