DOUTNAVÝ VÝBOJ. Magnetronové naprašování

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

Fyzikální metody přípravy tenkých vrstev. Martin Kormunda

REAKTIVNÍ MAGNETRONOVÉ NAPRAŠOV. Jan VALTER HVM Plasma s.r.o.

DOUTNAVÝ VÝBOJ. Další technologie využívající doutnavý výboj

Princip naprašování. Rozdíly proti napařování: 1. metoda získávání par 2. nutnost použití pracovního plynu 3. ionizace par a prac. plynu.

Vakuové metody přípravy tenkých vrstev

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

Plazmové metody Materiály a technologie přípravy M. Čada

TECHNOLOGICKÉ PROCESY PŘI VÝROBĚ POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ III.

DOUTNAVÝ VÝBOJ. 1. Vlastnosti doutnavého výboje 2. Aplikace v oboru plazmové nitridace

Iradiace tenké vrstvy ionty

Plazma v technologiích

Výstupní práce Materiály a technologie přípravy M. Čada

FYZIKA VE FIRMĚ HVM PLASMA

Přednáška 3. Napařování : princip, rovnovážný tlak par, rychlost vypařování.

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

Fyzikální metody nanášení tenkých vrstev

Naprašování nanokompozitních vrstev Ti-Si-O-N a jejich vlastnosti

Plazmové svařování a dělení materiálu. Jaromír Moravec

Anomální doutnavý výboj

Přednáška 4. Úvod do fyziky plazmatu : základní charakteristiky plazmatu, plazma v elektrickém vf plazma. Doutnavý výboj : oblasti výboje

Základní typy článků:

Tenká vrstva - aplikace

Depozice tenkých vrstev I.

Plazma. magnetosféra komety. zbytky po výbuchu supernovy. formování hvězdy. slunce

Laboratorní návod pro práci s naprašovačkou Denton DESK V HP TSC

Chemické metody plynná fáze

Přehled metod depozice a povrchových

Vliv energie částic na vlastnosti vrstev Me-B-C-(N) připravených reaktivní magnetronovou depozicí

III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT. Pracovní list č.3 k prezentaci Křivky chladnutí a ohřevu kovů

Počítačový model plazmatu. Vojtěch Hrubý listopad 2007

Tenké vrstvy. metody přípravy. hodnocení vlastností

Obloukové svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu WIG (TIG) - 141

Základní experiment fyziky plazmatu

Technologie a vlastnosti tenkých vrstev, tenkovrstvé senzory

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Vzdělávání výzkumných pracovníků v Regionálním centru pokročilých technologií a materiálů reg. č.: CZ.1.07/2.3.00/

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Ionizační manometry. Při ionizaci plynu o koncentraci n nejsou ionizovány všechny molekuly, ale jenom část z nich n i = γn ; γ < 1.

Diagram Fe N a nitridy

Prášková metalurgie. 1 Postup výroby slinutých materiálů. 1.1 Výroba kovových prášků. 1.2 Lisování pórovitého výlisku

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

Fakulta aplikovaných věd Katedra fyziky. Pulzní magnetronová depozice tenkovrstvých materiálů ze systému Zr-Si-B-C-N.

INTERAKCE IONTŮ S POVRCHY II.

Mgr. Ladislav Blahuta

IONTOVÉ ZDROJE. Účel. Požadavky. Elektronové zdroje. Iontové zdroje. Princip:

Elektronová mikroskopie SEM, TEM, AFM

Monika Fialová VAKUOVÁ FYZIKA II. ZÍSKÁVÁNÍ NÍZKÝCH TLAKŮ

Reaktivní magnetronové naprašování vrstev Zn-Sn-O a charakterizace jejich vlastností

Plazmatické metody pro úpravu povrchů

Vzájemné silové působení

POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ. (Bl) (И) ČESKOSLOVENSKA SOCIALISTICKÁ REPUBLIKA ( 1S ) (SI) Int Cl* G 21 G 4/08

Na Zemi tvoří vodík asi 15 % atomů všech prvků. Chemické slučování je děj, při kterém z látek jednodušších vznikají látky složitější.

Základy vakuové techniky

Co je litografie? - technologický proces sloužící pro vytváření jemných struktur (obzvláště mikrostruktur a nanostruktur)

Metody depozice povlaků - CVD

Proč elektronový mikroskop?

GALAVANICKÝ ČLÁNEK. V běžné životě používáme název baterie. Odborné pojmenování pro baterii je galvanický článek.

ANALÝZA POVLAKOVANÝCH POVRCHŮ ŘEZNÝCH NÁSTROJŮ

Přednáška 8. Chemické metody a fyzikálně-chemické metody : princip CVD, metody dekompozice, PE CVD

Stacionární magnetické pole. Kolem trvalého magnetu existuje magnetické pole.

TECHNOLOGICKÉ PROCESY PŘI VÝROBĚ POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ II.

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V LÁTKÁCH

Plazmová depozice tenkých vrstev oxidu zinečnatého

NÍZKOTEPLOTNÍ PLAZMOVÁ DEPOZICE TENKÝCH VRSTEV

galvanicky chemicky plazmatem ve vakuu Vrstvy ve vakuu MBE Vakuová fyzika 2 1 / 39

POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ. (40) Zveřejněno N

Elektřina a magnetizmus magnetické pole

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Samostatný výboj TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

Vybrané technologie povrchových úprav. Základy vakuové techniky Doc. Ing. Karel Daďourek 2006

Elektrický proud. Elektrický proud : Usměrněný pohyb částic s elektrickým nábojem. Kovy: Usměrněný pohyb volných elektronů

Technologie CMOS. Je to velmi malý svět. Technologie CMOS Lokální oxidace. Vytváření izolačních příkopů. Vytváření izolačních příkopů

Tenké vrstvy. historie předdepoziční přípravy stripping

Charakteristika a mrtvá doba Geiger-Müllerova počítače

Přednáška 9. Vývěvy s vazbou molekul: kryosorpční, zeolitové, iontové a sublimační vývěvy. Martin Kormunda

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Sorpční vývěvy. 1. Vývěvy využívající fyzikální adsorpce (kryogenní vývěvy)

Úvod. Povrchové vlastnosti jako jsou koroze, oxidace, tření, únava, abraze jsou často vylepšovány různými technologiemi povrchového inženýrství.

LOGO. Struktura a vlastnosti pevných látek

Struktura elektronového obalu

5.0 ZJIŠŤOVÁNÍ FÁZOVÝCH PŘEMĚN

Tenké vrstvy pro lékařství 1. Laserové vrstvy ( metody přípravy vrstev, laser, princip metody pulzní laserové depozice PLD, růst vrstev, )

Svafiování elektronov m paprskem

Magnetické pole - stacionární

Počet atomů a molekul v monomolekulární vrstvě

Hmotnostní spektrometrie

Plazmové depozice povlaků. Plazmový nástřik Plasma Spraying

Elektrostruskové svařování

Orbitaly ve víceelektronových atomech

Dělení a svařování svazkem plazmatu

Theory Česky (Czech Republic)

Nahlédnutí pod pokličku vývoje SHM: Magnetronové naprašování. Počítačová simulace procesu

Metody analýzy povrchu

VÝROBKY PRÁŠKOVÉ METALURGIE

Vývěvy s transportem molekul z čerpaného prostoru

Anotace přednášek LŠVT 2015 Česká vakuová společnost. Téma: Plazmové technologie a procesy. Hotel Racek, Úštěk, 1 4. června 2015

Transkript:

DOUTNAVÝ VÝBOJ Magnetronové naprašování

Efektivním způsobem jak získat částice vhodné k růstu povlaku je nahrazení teploty používané u odpařování ekvivalentem energie dodané dopadem těžkéčástice přenosem hybnosti při srážce. Iont urychlený elektrickým polem dopadající na povrch pevné látky může vyrazit z povrchu terče (targetu) částice jeho materiálu. Ty pak obdobně jako u vakuového napařování doletí k substrátu a tam kondenzují. Další vyraženéčástice mohou být sekundární elektrony (rychlé důležité pro udržení výboje) a i dopadající ionty se mohou odrazit. Takto popsaný proces probíhá při diodovém rozprašování a je málo účinný, pro zvýšení proudu bombardujících iontů je třeba zvýšit ionizaci a toho lze dosáhnou vložením magnetického pole, které zakřiví a tím prodlouží dráhy letu nabitých částic. Rozprašovací zařízení zvané magnetron se objevilo až kolem roku 1970 a nerovnovážný magnetron až 1984.

Obecně lze rozprašovat všechny materiály, které mají dostatečně nízkou tenzi par aby je bylo možné vložit do vakua. Nicméně některé slitinové materiály se rozprašují preferenčně - tedy nejsou pro rozprašování příliš vhodné. Běžně naprašované kovy (Cu, Ti, Al, W, Mo, Cr, Si atd.) SELFSPUTTERING sputtering yield 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Cr Nb V Ti C 0 0 500 1000 1500 2000 ion energy [ev]

Co se děje na terči při DC rozprašování kovového (tj. elektricky vodivého) terče inertním plynem např. Cu a Ar? V doutnavém výboji jsou ionty inertního plynu urychlovány katodovým spádem na terč (U m + U p ). Na katodě jsou těmito dopady rozprašovány atomy terče nebo adsorbované atomy pracovního plynu. Tedy ve výboji máme pouze dva prvky a to z rozprášeného terče a výbojového plynu v různých stavu (ionty, neutrály, rychlé neutrály, exitovanéčástice) a elektrony. Um Up Ar + Ar + odražený e - Sekundární elektron M nebo M + rozprášené Ar nebo Ar + Ionty z plazmatu Us Uf 0

V závislosti na podmínkách na rostoucí vrstvě (dodatečný ohřev, elektrické předpětí) je možné řídit strukturu a stechiometrii rostoucí vrstvy. Typické pracovní podmínky v magnetronovém výboji jsou: Magnetické pole: 200 až 500G Pracovní tlak:0,1 až 10 Pa Katodový spád: 300 až 700V Tloušťka terče:3 až 20mm Rozprašovací výtěžek je úměrný výkonové hustotě na terči a je omezený možností chlazení terče aby nedocházelo k jeho odpařování, a roste s hmotností bombardujících iontů. Pro různé materiály terčů jsou výtěžky rozdílné viz grafy.

Rozprášenéčástice mají za výše uvedených podmínek mají při dopadu na substrát obvykle energii od 1 do 10 ev, což je podstatně více než je obvyklé např. při vakuovém napařování, kde jsou obvyklé energie odpařených částic přibližně kt (0.1 až 0.3 ev). Právě vysoká energie rozprášených částic je důvodem výrazně lepší adheze naprašovaných vrstev k substrátu. a možností ovlivňovat strukturu povlaků několika faktory: tlakem pracovního plynu, předpětím na substrátu apod.

Reaktivní naprašování Reaktivní naprašování můžeme popsat jako proces při kterém rozprašujeme (kovový) terč za přítomnosti chemicky aktivního plynu, který reaguje jak s rozprášeným materiálem, tak i s terčem samotným. Reaktivní magnetronové naprašování je velice populární technika při vytváření nových materiálů se specifickými vlastnostmi ze široké skupiny komponent a slitin jako jsou oxidy, nitridy, karbidy, fluoridy a arsenidy. Pokud dále budeme hovořit o oxidech, tak tím rozumíme všechny tyto skupiny produktů. V průmyslové praxy jsou nejběžněji reaktivně naprašované oxidy (ITO, A12O3, In2O3, SnO2, SiO2, Ta2O5), nitridy (TaN, TIN, A1N, Si3N4, CNX), karbidy (TiC, WC, SiC), sulfidy (CdS, CuS, ZnS) a oxidonitridy a oxidokarbidy Ti, Ta, Al, a Si.

Výhody reaktivního naprašování Možnosti vytváření povlaků sřízenou stechiometrií a složením s vysokou rychlostí růstu a to vše v průmyslovém měřítku. Terče ze základních prvků jsou obvykle čistší a levnější a tedy výsledné povlaky mohou být také vysoce čisté. Terče ze základních prvků se obvykle snadněji opracovávají a připevňují k nosné desce (je-li to vůbec potřeba) na rozdíl od keramických terčů. Základní prvky (často v praxi kovy) jsou často mnohem lepšími vodiči tepla, tedy chlazení terče je jednodušší a můžeme používat vysoký rozprašovací výkon na jednotku plochy. Vyhneme se složitějším RF zdrojů a nákladným RF přizpůsobením protože většina základních prvků používaných k rozprašování jsou elektricky vodivé. Kompozitní vrstvy můžeme deponovat i pod teplotou substrátů 300 o C.

Technologicky je ale reaktivní naprašování komplikované. Do procesu vstupuje mnoho nezávislých parametrů. Komplikací je, že reaktivní plyn nepůsobí pouze na rostoucí naprašovanou vrstvu, ale působí i na samotný rozprašovaný terč. Dochází k tzv. otravě terče. Tím dochází k ovlivnění samotného rozprašování přítomností reaktivního plynu a vzniku hysterezního jevu jako nežádoucích efektů. Jako příklad sledujme reaktivní naprašování SiO 2 naprašováním Si v atmosféře Ar + O 2.

Začíná se odprašovat křemík a při pomalém připouštění kyslíku tlak neroste, kyslík je spotřebováván rostoucí vrstvou SiO 2. V bodu A je všechen potřebný O 2 spotřebováván. Další nárůst parciálního tlaku O 2 vede k vytváření oxidové vrstvy na terči (A-B). Následkem je prudký pokles naprašovací rychlosti (B-C) a tlak kyslíku roste. Snížení průtoku O 2 (D- C)nemá okamžitý efekt musí se odprášit oxid z terče. Pak přejde proces opět do odprašování Si (D-A). Proces prochází hysterezní křivkou (ABCDA). To znamená, že není možné rozprašovat terč v intervalu parciálních tlaků p RG odpovídajících přechodu mezi body B-C hysterezní křivky a proto nazýváme tento interval zakázaným.

Hysterezní jev je nežádoucí, protože vede k nestabilitě procesu naprašování a proto se ho snažíme eliminovat. Podstatné je, že pro jedno složení výbojové směsi (tok reaktivního plynu) mohou být deponovány vrstvy s dvěmi různými fyzikálními vlastnostmi podle toho, je-li proces v kovovém či oxidovém (nitridovém apod.) módu. Hysterezní jev v přechodové oblasti lze omezit následujícími postupy: Omezení toku reaktivního plynu na terč Pulzní napouštění plynu Řízení čerpací rychlosti Optimalizace vzdálenosti terč-substrát Existence zakázaného intervalu parciálních tlaků reaktivního plynu znamená, že bez dalších opatření nelze realizovat naprašování v určitém intervalu stechiometrií.

Proto je nutné pracovat právě za depozičních podmínek těsně před vznikem hysterezní křivky v přechodové oblasti, tj. tok reaktivního plynu fr1, což je obtížné z hlediska udržení stability. Každá větší odchylka v toku nebo tlaku reaktivního plynu povede k přechodu do oxidačního režimu rozprašování a posléze při regulaci systému zpět do kovového modu procesu rozprašování. A tímto cyklem bude rostoucí vrstva znehodnocena. Je nutné zavést řízení procesu pomocí rychlé zpětné vazby vázané na sledování některého z parametrů reprezentujícího stav terče (resp. stupeň jeho otrávení). Takový parametrů je několik, evidentně je to parciální tlak reaktivního plynu a celkový tlak v systému, také ale katodové napětí, výbojový proud a depoziční rychlost. Můžeme využít i sledování některé vlastnosti deponované vrstvy nebo sledovat vybranou optickou emisníčáru citlivou na změnu výbojových podmínek odpovídajících změnám na terči.

Konstrukce magnetického obvodu magnetronu vytváří v oblasti několika cm nad povrchem terče pole dostatečně silné k vyvolání cykloidních drah elektronů. Výška oblasti plazmatu nad terčem je přibližně rovna Larmorovu poloměru. Maximální hodnota B je přibližně v polovině poloměru (kruhového) terče. Výsledkem je, že z terče se nejintenzivněji odprašuje tomu odpovídajícíčást povrchu erozní zóna. A tomu také odpovídá rozložení tloušťky naprášeného povlaku :

Eroded magnetron target.

Až doposud jsme popisovali proces depozice s vyváženým magnetronem (vlevo). Jeho magnetický obvod je navržen tak, že nedochází k přesycení jádra. Podstatné zlepšení přinesl vynález nevyváženého magnetronu (1984), u něhož je část magnetického pole uzavřena přes oblast plazmatu včetně substrátu. Tím je zesílen iontový tok na substrát a zvyšuje se účinek dopadu iontů na strukturu povlaků.

Magnetronové naprašování umožňuje vytváření povlaků s řízenou strukturou, reaktivní naprašování také s různými stechiometriemi, které v mnoha případech nelze jinými metodami vůbec vytvořit. Důvodem je to, že lze řídit energii iontů vytvářejících povlak a ten může růst za silně nerovnovážných podmínek. K dispozici máme tyto parametry : - tlak pracovního plynu určuje hustotu Ar iontů bombardujících povrch rostoucí vrstvy, - předpětí na substrátu rovněžřídí energii iontů, - teplota substrátu určuje mobilitu částic na povrchu

Jako příklad uvádíme změnu struktury povlaku z čistého titanu na ocelové podložce v závislosti na předpětí U S na substrátu. Při napětí - 50 V roste polykrystalický povlak s různými orientacemi zrn. Při - 600 V vymizí fáze s orientací (010), (002) i (011) a zvýší se podíl fáze (110). Povlak deponovaný při 1300 V obsahuje jen fázi (110). Čáry železa jsou důsledkem prosvítání signálu ze substrátu vzhledem k menší tloušťce povlaku.

Požadujeme-li naprášení povlaku s určitou strukturou a stechiometrií, musíme podle toho volit parametry depozičního procesu: tlak pracovního plynu p Ar, tlak reaktivního plynu p rg, napětí na magnetronu U m, předpětí na substrátu U b, teplotu substrátu T S. Za účelem zjednodušení této volby byly vytvořeny různé modely. Nejznámější je model Messiera a Movchana & Demchishina:

Teplota substrátu: rozhodující je poměr teploty substrátu T S a teploty tání materiálu povlaku T m. Zhruba lze rozlišit interval tohoto poměru 0 až 0,3 (nízká pohyblivost deponovaných částic), 0,3 až 0,7 (vysoká pohyblivost částic umožňuje přesun částic do míst s optimální vazební energií a vytvoření jemné struktury) a interval 0,7 až 1,0 v němž dochází k rekrystalizaci povlaku a zhrubnutí jeho struktury.