Vytržení jednotlivých atomů, molekul či jejich shluků bombardováním terče (targetu) ionty s vysokou energií (~kev)

Transkript

1

2 Naprašování: Vytržení jednotlivých atomů, molekul či jejich shluků bombardováním terče (targetu) ionty s vysokou energií (~kev) Po nárazu iont předává hybnost částicím terče, dojde k vytržení Depozice vytržených částic na substrát Probíhá ve vakuu Zdroj iontů (pracovní plyn) nejčastěji inertní plyn He, Ne, Ar, Xe.. Ionty elektricky urychlovány na požadovanou energii

3 Reaktivní naprašování: Bežně využíváno pro tvorbu vrstev oxidů, nitridů, carbidů, ale i oxonitridů a dalších Target bombardován směsí iontů inertního plynu s dusíkem, kyslíkem.. čistým plynem, bez inertního (kyslík oxiduje okolí, pouze ve směsi) Vlastnosti vrstvy závisí na složení plynu, možné nanášet vrstvy s různou elektrickou vodivostí Různé oxidační stavy prvků ve vrstě Polykrystalické materiály (po zažíhání)

4 Oxidační stavy, polykrystalinita: XPS XRD Hotovy et al. / Sensors and Actuators B 78 (2001)

5 Naprašování: Výhody: Téměř všechny termálně stabilní látky se dají naprašovat - Čisté látky, směsi, slitiny ideální pro kovy Vytržené atomy, molekuly, clustery mají vyšší energii, migrují po povrchu substrátu a tím podporují jeho stupňovité pokrývání Obecně vyšší rychlost depozice Kvalitní vrstvy velikost zrn, morfologie, složení Nevýhody: Nevhodné pro organické materiály chemická vazba ~ ev zásah iontem s energií ~ kev roztrhání vazeb Zdroj iontů třeba s vysokou čistou Film povětšinou neroste epitaxně, zvýšením teploty substrátu ji lze teoreticky dosáhnout

6

7 Princip: Uspořádání dle ONF ÚJF v Řeži Iontový zdroj Duoplasmatron umožňuje vstup 2 plynů K katoda (př. wolframové vlákno) IE intermediální elektroda A anoda Ext extrakční jednotka

8 Iontové naprašování: Zdroj [1] Plyn přiveden do iontového zdroje Díky přirozené radiaci plyn již obsahuje ionty (př. Ar + ), nestačí pro účely depozice V iontovém zdroji žhavící katoda dodávající elektrony do objemu plynu. Dochází ke srážkám elektronů s neutrálními molekulami plynu ionizaci Při dostatečné ionizaci zapálení výboje mezi katodou a anodou (nízkotlaký oblouk) udržuje parametry plasmatu Plasma pro vyšší proudové hustoty staženo magnetickým polem. Magnetické pole také zabraňuje kontaktu plasmatu se stěnami zdroje a zpětnému toku elektronů do oblasti katody

9 Iontové naprašování: Zdroj [1] Extrakční jednotka extrahuje plasma jako svazek iontů Focusace svazku (menší plocha průřezu svazku) Elektrostaticky iontová optika : 3 elektrody 2 zemněné, 1 na potenciálu, mezi nimi prochází svazek. Svazek se komprimuje díky elektrickému poli mezi válci Magneticky kontrakce pomocí magnetů Svazek iontů dopadá na target, vytrhává povrchové atomy, molekuly a rozprašuje je do okolí Vytrhnuté částice si sedají na substrát (a stěny komory)

10 Iontové naprašování - svazek: Zdroj [1] Svazek iontů neobsahuje pouze jednonásobně nabité ionty Směs iontů Př. z argonu většina Ar + ale také Ar 2+ Př. z kyslíku O 2+,O +,O 2+, O 2 2+, O 3+ a další Rozdělení jednotlivých iontů pomocí magnetického pole tzv. separační magnet - působením Lorentzovy síly Podle velikosti magnetického pole zakřivení drah, možné vyvézt pouze vybrané ionty, získat monoenergetický svazek Magnetické pole také pro analýzu svazku

11 Závislosti depozice: Závislost tloušťky na čase (při konstantní energii, proudu) Experimenty ONF UJF Řež Závislost výtěžku depozice na úhlu dopadu (optimum cca 60 ) Zdroj [6]

12 Závislosti depozice: Závislost výtěžku na energii (při konstantní dávce) Zdroj [6] Obdobný graf i pro závislost tloušťky na energii

13 Iontové naprašování: Experimenty VŠCHT Praha a ÚJF Řež 10 x 10 μm 10 x 10 μm 1 μ m x 1 μm

14

15 Princip: Po dodání energie magnetronu se target nabije záporným napětím ~ 300 V Ionty z plasmatu jsou urychlovány směrem k elektrodě/targetu Pokud je energie iontu vyšší (cca 3x) než povrchová vazná energie, dojde k uvolnění částice Vyražené částice jsou zachyceny na substrát

16 Tvorba plasmatu: Dopadající iont nezpůsobuje pouze sputtering, ale také sekundární emisi vytržení elektronu z materiálu, při kolizi iontu s targetem Sekundární elektrony zvyšují ionizaci plynu Se vzrůstající vodivostí plynu klesá průrazné napětí pro výboj Při dostatečně velké ionizaci plynu se při přiloženém napětí zažehne samoudržitelný výboj zaručující trvalou ionizaci plynu doutnavý výboj (glow discharge)

17 Princip: Magnetronové naprašování - zdroj [1]

18 Princip: Zdroj : I. Institute of Physics (IA) - RWTH Aachen University

19 Zvyšování ionizace: Sekundární elektrony zvyšují ionizaci Pro další nárůst ionizace kruhový magnet je dán do blízkosti targetu Elektrony jsou zachyceny v poli magnetu a cirkulují nad povrchem targetu Delší doba pobytu elektronu v plynu způsobuje vyšší pravděpodobnost ionizace a tím zápal plasmatu při nižším tlaku, který může být až 100x nižší než u bežného sputteringu Vyšší ionizace zvyšuje také rychlost depozice Nižší tlaky díky méně častým kolizím odprášeného materiálu způsobují vyšší kinetickou energii materiálu při dopadu na substrát

20 Metody magnetronového naprašování: Bombardování nevodivého targetu (izolantu) positivními ionty vede ke kumulaci náboje na povrchu a odstínění elektrického pole stejnosměrné napájení není vhodné (dc-sputtering) Použití radio frekvenčního (rf-sputtering) buzení řeší problém kumulace náboje: V první fázi přitahuje ionty, odprašuje se target V druhé fázi dochází k vymizení náboje Možné odprašovat i nevodivé targety

21 Magnetronové naprašování: Hotovy I, Rehacek V, Siciliano P, Capone S, Spiess L, Thin Solid Films 418 (2002) 9-15 AFM snímky filmu oxidu niklu SEM snímky filmu oxidu niklu W.-L. Jang et al. / Journal of the European Ceramic Society 30 (2010)

22 Magnetronové naprašování: I. Hotovy et al. / Sensors and Actuators B 103 (2004) AFM snímky NiO (viz Iontové naprašování pro srovnání)

23 Iontové vs Magnetronové naprašování: Iontové n. : Parametry iontového svazku nezávisí na parametrech a stavu targetu Vhodný i pro velice tenké vrstvy Tlak 10-2 až 10-3 Pa Problematičtější sputtering izolantů Magnetronové n. : Target je jednou z elektrod a jeho parametry ovlivňují celkově proces naprašování Méně vhodný pro tenké vrstvy, hrubší metoda Tlak ~ 1-10 Pa (možnost zlepšení vakua pomocí magnetu) Možné naprašovat i nevodivé targety (rf-sputtering)

24

25 Princip: Implantace - zavedení cizího prvku (dopantu) do materiálu Většinou možné použít aparaturu iontového naprašování i jako implantátor Potřeba: iontový zdroj urychlovač elektrostaticky urychlující ionty na potřebnou energii komora s materiálem k implantaci (ve vakuu) Implantátory dovávají proud většinou ~ μa. Dávka dodaná materiálu je nízká. Implantátory tedy použitelné pro menší změnu chemického složení

26 Implantace: Implantace materiálu jiným prvkem způsobuje změnu chemického složení Může vyvolat změnu struktury (poškození krystalové struktury) či jadernou přeměnu Implantované materiály mají odlišné vlastnosti: Chemické - vodivost (dokonce změna typu vodivosti), korozivní vlastnosti Mechanické tření, opotřebení.. Hloubka penetrace závisí na energii, energie ~ kev dosahuje ~ nm, MeV ~ μm

27 Implantace: Změna struktury způsobená implantací a její detekce pomocí RBS RBS kanálování dle Dr. Anny Mackové ONF ÚJF Řež

28 Výhody a nevýhody Implantace: + Schopnost přesné kontroly dopovaného množství + Možnost zavedení dopantů do potřebného místa + Možnost kontrolovat hloubkový profil dopantů + Nepřidává další materiál na povrch + Není potřeba vysoká teplota pro výrobu + Na rozdíl od coatingu nedochází k uvolnění implantované vrstvy - Schopnost dopovat pouze malými dávkami, případné delší depoziční časy - Možné poškození struktury materiálu amorfizace (pomůže žíhání) - Částěčný sputtering materiálu

29 Implantace: Urychlovač Tandetron 4130 Urychlovač v Řeži je možné využít také jako implantátor, hlavně ale poskytuje řadu unikátních materiálových analytických metod jako je RBS, ERDA-TOF, PIXE, PIGE. Urychlovač Tandetron 4130 v ÚJF Řež Rozsah energií ~ 100 kev do 20 MeV

30 Literatura: [1] Arthur J R, Specimen Handling, Preparation, and Treatments in Surface Characterization, Volume 8, 2002 [2] Wasa K, Hayakawa S, Handbook of sputter deposition technology: principles, technology, and applications, 1992 [3] [4] [5] University of Wisconsin Plasma Source Ion Implantation Laboratory [6] Zorb K A, Williams J D, Williams D D, Yalin P A, 29th International Electric Propulsion Conference, Princeton University, October 31 November 4, 2005