REAKTIVNÍ MAGNETRONOVÉ NAPRAŠOV OVÁNÍ Jan VALTER
SCHEMA REAKTIVNÍHO NAPRAŠOV OVÁNÍ zdroj výboje katoda odprašovaný terč plasma inertní napouštění plynů reaktivní zdroj předpětí p o v l a k o v a n é s u b s t r á t y vakuová komora čerpání
TYPY VRSTEV A POVLAKŮ FLEXIBILITA MAGNETRONOVÉHO NAPRAŠOVÁNÍ Materiál terčů, reaktivní plyny, předpětí substrátů, pohyb substrátu od terče k terči Oxidy, nitridy, karbidy (Al 2 O 3, TiN, CrC) Nestechiometrické vrstvy (SiO x, WC:C-H, TiC x N 1-x ) Gradientní vrstvy (ocel Cr CrN CrCN) Vícevrstvé povlaky (Si / Al / SiO x ) Multivrstvy a supermřížky (500 x VN / NbN s periodou 6 nm) Nanokompozitní vrstvy (3 nm zrna TiAlN v matrici Si 3 N 4 )
APLIKACE MAGNETRONOVÉHO NAPRAŠOV OVÁNÍ ŠIROKÉ SPEKTRUM NAPRAŠOVATELNÝCH MATERIÁLŮ + RŮZNÉ REAKTIVNÍ PLYNY: MNOHO APLIKACÍ V ROZMANITÝCH OBORECH mikroelektronika (vodivé, polovodivé i izolační vrstvy) magnetická a optická záznamová média (magnetické, reflexní, semireflexní a fázově citlivé vrstvy) LCD (vodivé, polovodivé i izolační vrstvy) optické přístroje + stavební sklo (reflexní vrstvy, opt. filtry ) obráběcí nástroje (extrémně tvrdé, tepelně odolné povlaky s nízkým třením a dobrým odvodem tepla) kluzné díly ("tribovrstvy" s minimálním třením a otěrem, typicky pro motory) implantáty a chir. nástroje ("biokompatibilní" tvrdé, chemicky odolné, bioaktivní povlaky) domovní vybavení, bižuterie aj. ("dekorativní" tvrdé, barevně stálé povlaky v široké škále barevných odstínů)... sluneční články, tiskárny, katalyzátory, paliv. články, senzory...
REAKCE NA POVRCHU SUBSTRÁTU TU A (odprášený) + B (plyn) + E 1 AB (vrstva) + E 2 Teplota substrátu E1 aktivační energie IONTOVÝ BOMBARD TEDY NAHRAZUJE TEPLOTU TAKŽE LZE PRACOVAT I PŘI NÍZKÝCH TEPLOTÁCH MNOHEM ŠIRŠÍ ŠKÁLA SUBSTRÁTŮ iontový bombard rostoucí vrstvy
HLAVNÍ PARAMETRY DEPOZICE TERČE materiál, výkony CHEM. SLOŽENÍ VRSTVY STRUKTURA, FYZ. VLASTNOSTI TLAK reakt. plynu IONTOVÝ BOMBARD hustota, energie TLAK inert. plynu RYCHLOST DEPOZICE TEPLOTA substrátu
PŘÍKLAD: IONTOVÝ BOMBARD
REAKTIVNÍ RŮST VRSTVY, CHEMISORPCE kov reakt. plyn iont a neutrál inert. plynu + + + iont. bombard + + odprášení sorpce odraz sorpce -50 V Volný (aktivovaný) atom kovu + atom reakt. plynu CHEMISORPCE. Nelze sorbovat víc plynu než je volného kovu na povrchu. Sorpce na všech površích, kam dopadá kov. Iontový bombard: - aktivace povrchu - odstranění špatně vázaných atomů (mřížka bez poruch, kompaktní strukrura vrstvy)
POVRCH TERČE: E: ODPRAŠOV OVÁNÍ x CHEMISORPCE kov reakt. plyn iont inertního plynu + elektron γ koeficient odprašování ( rychlost odprašování) γ M + σ M sorpce σ koeficient sekundární emise ( napětí výboje) + γ R σ R vodivost? γ M > γ R σ M σ R -500 V rychlost odprašování v reaktivním modu je mnohem nižší než v kovovém napětí výboje v reaktivním modu je jiné než v kovovém
RYCHLOST ODPRAŠOV OVÁNÍ rychlost rozprašování pokrývání povrchu terče reakčním produktem s nižším koeficientem odprašování kovový mod tlak reakt. plynu p R žádoucí stav (dost reakt. plynu na reakce ve vrstvě, ale depoziční rychlost snížená jen málo) otrávený mod JE STABILNÍ?
RYCHLOST SORPCE REAKTIVNÍHO PLYNU S R ~ rychlosti rozprašování S R ~ parciálnímu tlaku reakt. plynu S R [Pa.l/s] otrávení terče p R [Pa]
BILANCE REAKTIVNÍHO PLYNU - HYSTEREZE Φ R[Pa.l/s] Φ R = p R Q + S R p R Q vývěvy S R sorpce p R [Pa] PODMÍNKA STABILITY: Q > Q C = (ds R /dp R ) min ~ ploše terče
DOSTATEČNÁ ČERPACÍ RYCHLOST Efektivníčerpací rychlost vývěv musí být dostatečná vzhledem k ploše terčů a druhu procesu (rozdíl mezi γ M a γ R ). STABILNÍ ŘÍZENÍ PARCIÁLNÍHO TLAKU REAKTIVNÍHO PLYNU BEZ HYSTEREZE ΦR[Pa.l/s] Φ R p R Q S R p R [Pa]
ŘÍZENÍ PROCESU Φ R[Pa.l/s] Φ R p R p R [Pa] P D Efektivní MĚŘENÍ PARCIÁLNÍHO TLAKU přírůstek celkového tlaku (přesnost!!!) hmotová spektrometrie (kvadrupól) optická emisní spektroskopie plazmatu napětí výboje (σ M σ R )
NEVODIVÝ REAKČNÍ PRODUKT JISKŘENÍ NA TERČI PŘI POKRYTÍ REAKČNÍM PRODUKTEM HROMADĚNÍ KLADNÝCH IONTŮ NA POVRCHU ROSTOUCÍ VRSTVY ZTRÁTA PŘEDPĚTÍ POKRYTÍ STĚN KOMORY REAKČNÍM PRODUKTEM ZTRÁTA ANODY, ZHASNUTÍ VÝBOJE zdroj výboje katoda odprašovaný terč plasma zdroj předpětí p o v l a k o v a n é s u b s t r á t y
ŘEŠENÍ: : DC PULSED, AC, RF DC PULSED: stejnosměrný proud přerušovaný krátkými (~ µs) pulzy opačné polarity vybití povrchového náboje. Frekvence 50 100 khz. AC DUÁLNÍ MAGNETRON: dva magnetrony jsou elektrodami střídavého (sinus) výboje jeden naprašuje, druhý si vybíjí povrch; komora se neúčastní. Frekvence od 50 Hz RF: magnetron je živou elektrodou vysokofrekvenčního výboje. Záporný offset (~ stovky V) umožňuje odprašování. Frekvence 13,5 příp. 27 MHz.
PRŮMYSLOV MYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZEN ZENÍ CLOSED FIELD CONFINEMENT
PRŮMYSLOV MYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZEN ZENÍ
PRŮMYSLOV MYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZEN ZENÍ
PRŮMYSLOV MYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZEN ZENÍ
DĚKUJI ZA POZORNOST VSTÁVAT, VAT, PŘESTP ESTÁVKA!!!