Vakuové metody přípravy tenkých vrstev
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)
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
Princip CVD Vakuová komora Substrát
PA CVD, PE CVD (Plasma Assisted se spoluúčastí plasmy) Elektrony a kladné ionty pomáhají reakci
Zařízení s VF plasmou kapacitní vazba
Příklad PACVD Rozklad jakéhokoliv plynného uhlovodíku VF plasma C:H -vrstva uhlíku -se zabudovanými atomy H - DLC
Základní druhy PVD Vysoké vakuum Nosný plyn v něm hoří výboj Nižší vakuum
Schema napařování Rychlost napařování je úměrná rozdílu tlaku par a tlaku v komoře a nepřímo úměrná odmocnině z teploty
Strukturní model pro napařování nejlepší
Odporový ohřev spirálka lodička Ze žáruvzdorného materiálu Wolfram, molybden Přímý ohřev - jen sublimace
Indukční ohřev
Odpařování elektronovým dělem
Odpařování obloukem Ve vakuu je oblouk stabilnější Nutnost pomocné zapalovací elektrody Me - odpařovaný kov Pevný terčík (target ) z odpařovaného kovu - často tyč
PLD Pulsní laserová deposice 1 2 3 4 5 paprsek laseru reflektor čočka vstupní okno - Targety na karuselu (např Ti + Al) 6 vytápěný stolek se substrátem 7 čerpací systém 8, 9 - vakuometry
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
Reaktivní napařování Např. Ti + CH4 = TiC + 2 H2
Nízkonapětový oblouk Balzers a ZEZ Liberec zařízení NNO 150 Výroba 1985
Plasma v přírodě
Děje při dopadu iontu
Základní schema odprašování
Základní schema naprašování
Model pro naprašování Thornton
Diodové naprašování
Schema reaktivního plátování
Movchanův model tvorby vrstev
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.
Magnetronový efekt Pohyb elektronu ve zkřížených polích Maximální efekt pro kolmé elektrické a magnetické pole
Princip planárního magnetronu
Konstrukce magnetronu
Děje při magnetronovém naprašování
Srovnání magnetronového a diodového naprašování
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
Magnetrony Výboj v magnetronu Malý kruhový magnetron
Magnetron a feromagnetický target
Průmyslové magnetrony Několik vedle sebe Oboustranný typ
Efektivnost magnetronu
Schema magnetronového zařízení Planetární pohyb substrátů (dvě rotace)
Magnetronové zařízení Balzers a ZEZ Liberec DAM 300K 2/2 Rok 1983
ABS magnetrony - zařízení Hauser
Velké průmyslové zařízení (HVM Plasma s.r.o.)
Přípravky na vsázku vlevo CVD, vpravo - PVD
Teploty a tloušťky vrstev
Porovnání teplot procesů Slinuté karbidy Rychlořezné a žárupevné oceli Běžné oceli bez TZ Běžné oceli s TZ plasty
Vlastnosti vrstev a teplota depozice