Fyzikální metody depozice KFY / P223
Obsah Vymezení pojmu tenkých vrstev, význam TV ve vědě a technice, přehled metod vytváření TV Růst tenkých vrstev: módy a fáze růstu TV, vliv parametrů procesu. Napařování : princip, rovnovážný tlak par, rychlost vypařování. Realizace vypařovadel, směrovost vypařování, vypařování sloučenin a slitin, vypařování elektronovým svazkem, MBE. Úvod do fyziky plazmatu : základní charakteristiky plazmatu, plazma v elektrickém a magnetickém poli, vf plazma. Doutnavý výboj : oblasti výboje, interakce plazmatu s elektrodami a stěnami, obloukový výboj: charakteristika, katodová skvrna, vypařování nízkonapěťovým obloukem. Naprašování: princip metody, magnetrony, ss naprašování, pulzní naprašování, rf naprašování naprašovací rychlost, naprašování kovů, slitin a sloučenin. Speciální metody : laserová ablace, ablace elektronovým svazkem, IBAD, depozice ionizovaných klastrů. Anodická oxidace, vrstvy Langmuira-Blodgettové Chemické metody a fyzikálně-chemické metody : princip CVD, metody dekompozice, PE CVD. Metody měření depoziční rychlosti, měření parametrů plazmatu. Příprava substrátů: chemické ošetření, žíhání, iontové leptání. Litografie, maskování, vytváření nanostruktur.
Literatura Eckertová L., Fyzika tenkých vrstev, SNTL, 1973 Eckertová, L., Růžička, T. (ed.), Growth and Applications of Thin Films, Prométheus, Praha, 1994
Přednáška 1 Vymezení pojmu tenkých vrstev Význam TV ve vědě a technice Přehled metod vytváření TV
Od atomu k mobilnímu telefonu Atomová vazba, krystalová struktura, mikrostruktura, vlastnosti, výrobek klasický materiálový výzkum nanotechnologie základní výzkum Inženýrský výzkum Aplikace
Proč jsou povrchy a tenké vrstvy důležité? Povrchová úprava kovů a kovy se datuje do doby 4000 let p.k., kdy se pro dekorativní účely používalo zlato. Pokovování zlatem a stříbrem (včetně použití jejich slitin amalgámů) bylo dobře známé ve 13. století p.k., a pokovování cínem bylo dokumentováno v Čechách již 1200 p.k. Elektrolytické pokovování používané od poloviny 19. století poskytlo nové možnosti povrchových úprav, které jsou využívány do současné doby. Od poloviny minulého století se masívně využívají nové technologie založené na výbojovém plazmatu.
Kde byste našli tenké vrstvy? Nástroje Dekorační povlaky Optické vrstvy (antireflexní, atd.) Elektrotechnika Katalizátory (povlaky z vzácných kovů) Medicína (implantáty,..) vlastně se dnes využívají prakticky všude
LCD Mezi dvě skla s polarizačnímy filtry dáme molekuly tekutých krystalů. Natočení tekutých krystalů lze ovládat pomocí elektrického náboje. Přidáme něco co umí vytvořit el. náboj.
Polarizované světlo v LCD
Reálná struktura Potřebujeme průhledný elektrický vodič na elektrody. ITO, AZO,... Ty lze snadno připravit pomocí depozičních technik s plazmových výbojem Také musíme vytvořit oddělené oblasti pixely Litografie http://www.lintech.org/comp-per/03lcd.pdf
Kde je ten TFT?
Cu vodiče v čipech Třívrstvá struktura damascénská Cu vodičů pro mikročipy http://tu-dresden.de/forschung/wissens_und_technologietransfer/dresdner_transferbrief/archivordner/dtb02_00/ausgabe_02_00_ko mplett.pdf
Single electron transistor http://tu-dresden.de/forschung/wissens_und_technologietransfer/dresdner_transferbrief/archivordner/dtb02_00/ausgabe_02_00_ko mplett.pdf
MEMS - Micro-Electro-Mechanical Systems Digital micromirror device full HD 1080*1024 16 mm velké zrcátko, 1012 naklopení o cca 12 deg
Jak na to? Při výrobě MEMS se využívají 3 základní kameny, které jsou schopné deponovat tenký film materiálu na substrát, který umožňuje použít vymaskování požadovaného tvaru a profilu a jeho vytvarování. K tomu se nejčastěji využívá následujících metod: depozice (Deposition) litografie (Lithography) selektivní leptání (Etching processes) Celý výrobní proces se obvykle skládá ze sekvence operací postupně formující vyžadované mechanické struktury, jako jsou nosníky, ozubená kolečka, ložiska, tyčky apod. Příklad vytváření volných struktur tzv. "vysících" ve vzduchu pomocí vyleptání částí tvořené Sac oxidy http://automatizace.hw.cz/clanek/2006111901
Příklady Příklad kompletního MEMS kombinace mechanické mikrostruktury (uprostřed obrázku) a elektronických prvků a spojů (spleť obdélníčků a čar okolo) Akcelerometr pro mobily a tablety http://automatizace.hw.cz/clanek/2006111901
Příklady Mikromotor Resonátor Nano tyčky
Výroba LCD - průmyslově Lithograf pro malé LCD pro mobily Obrazovky Generace 8 výroba na skleněné desky rozměru 2.2 x 2.5 m tlusté 700 mm.
Továrna SHAPR na LCD
Jak vytvářet tenké vrstvy Při atmosférickém tlaku Spin coating Langmuira-Blodgettová povlaky Chemical vapour deposition (CVD) V roztoku Galvanické povlakování
Jak vytvářet tenké vrstvy Při sníženém a nízkém tlaku Low pressure (LP-CVD) Napařování Naprašování Magnetronové naprašování Plasma assisted (PA-CVD, PE-CVD) Obloukový výboj Laserová ablace Molekulární epitaxe (MBE)
Co je vlastně tenká vrstva? Tenké vrstvy jsou pevnolátkové systémy charakterizované tím, že jeden jejich rozměr je velmi malý. Povrch pevné látky představuje radikální porušení periodicity uspořádání, kterou pozorujeme v objemu pevných látek. V důsledku toho na částice v oblasti povrchu působí jiná silová pole než v objemu, energetické stavy se mohou podstatně lišit od stavů v objemu a na povrchu pak existují povrchové stavy. Fyzikální procesy probíhající na povrchu nebo těsně u něj mohou proto probíhat značně odlišně od procesů v objemu, případně se v této oblasti objevují procesy zcela nové.
Proč? Tloušťka tenkých vrstev se pohybuje v rozmezí desetin až jednotek μm, v důsledku čehož neplatí tytéž fyzikální konstanty a vlastnosti jako u běžných objemů materiálů. Proto mají TV zajímavé vlastnosti.
Povrch reálného monokrystalu Relaxace povrchu je změna mezi rovinných vzdáleností posledních několika atomárních rovin rovnoběžných s povrchem. Relaxace je charakterizována relativní změnou mezi rovinné vzdálenosti Ddij/dij. Relaxace povrchu mědi (100). Směrem do objemu se relaxace rychle zmenšují, povrchová vrstva zahrnuje jen několik atomových rovin.
Reálné monokrystalické povrchy rekonstrukce povrchu je vytvoření vrstvy nebo vrstev se změněným uspořádáním atomů. U kovů se rekonstrukce vyskytuje jen zřídka. U kovalentních krystalů jsou vazby směrované a proto může nastat významná rekonstrukce zasahující i několik atomových vrstev. Na obrázku je jako příklad uvedená známá rekonstrukce povrchu Si(100), kdy se nenasycené vazby propojí a vznikne struktura Si(7x7).
Může být povrch čistý? Povrchy pevných látek jsou v běžných podmínkách ovlivněny okolním prostředím molekuly plynů a par jsou vázány fyzikálními i chemickými vazbami k hraničním atomovým vrstvám, dochází k difúzi těchto molekul do sousedních atomových vrstev a k dalším jevům. Popis takové soustavy je prakticky nemožný a proto se pro účely fyziky povrchů používají látky s čistým povrchem.
Způsoby získávání čistých povrchů štípání a lámání krystalů v podmínkách vysokého vakua, odstraňování cizích molekul z povrchu desorpcí za zvýšené teploty, odstraňování cizích molekul bombardem nízkoenergetickými ionty, vytváření látky v podmínkách vysokého vakua napařováním, naprašováním apod. Udržení čistých povrchů vyžaduje izolaci povrchů od vlivu okolní atmosféry, tj. práci v podmínkách velmi nízkých tlaků. Je známo, že za tlaku 10-4 Pa se jedna monomolekulární vrstva adsorbovaných molekul na povrchu vytvoří přibližně za jednu sekundu.
Může se na povrchu uchytit i cizí atom? Může, to je přece příčina procesů jako jsou: Koroze (Oxidace) Pasivace Katalíza Adsoprce Růst vrsvy Jak to bude vypadat?
Vlastnosti Tenké vrstvy lze charakterizovat podle řady hledisek: Zjišťují se vlastnosti: optické, elektrická vodivost, korozní odolnost, tribologické a tribochemické parametry, tvrdost a mikrotvrdost a další.
Solární články
Princip a vrstvy Křemíkový solární článek, princip CdTe/CdS
Metamateriály umělá struktura, která vykazuje elektrické a magnetické vlastnosti (permitivitu, permeabilitu) nevyskytující se v přírodě. LH materiál prostředí, které vykazuje současně zápornou permitivitu a permeabilitu. Označení LH (Left Handed) znamená, že vektory k, E, B zde tvoří levotočivou ortogonální soustavu (v izotropním prostředí). Veselagova čočka planparalelní destička se záporným indexem lomu, zobrazuje bod na bod. Teoreticky se jako první zabýval hypotetickým prostředím se záporným indexem lomu Victor Veselago v roce 1968. SRR Split Ring Resonator, kruhový štěrbinový rezonátor. Základní součástka metamateriálů se zápornou permeabilitou navržená Johnem Pendrym z Imperial College London v roce 1999.
Veselagova čočka Porovnání klasické a Veselagovy čočky. (a) Klasická čočka potřebuje k dobrému rozlišení velkou vstupní clonu objektivu, aby byla schopna lámat i paprsky pod velkým úhlem. I tak je rozlišení limitováno vlnovou délkou použitého světla. (b) Chybějící Fourieriovy komponenty obrazu jsou totiž ztraceny v exponenciálně ubývajících modech (tzv. evanescentní vlně), viz modrá křivka. (c) Veselagova rovinná čočka spolehlivě zobrazí všechny paprsky do ohniska. (d) Evanescentní vlna je dokonce zesílena a přispívá k výslednému obrazu. Proto nezávisí rozlišovací schopnost této čočky na vlnové délce. Zdroj: Physics Today, 2004. http://www.aldebaran.cz/bulletin/2006_16_met.php
Záporný index lomu světla Bylo již demonstrováno pomocí nanotechnologií. Metamateriál vznikl střídáním stříbrného nanovlákna a dielektrických kovových vrstev, které nakonec ještě bylo nutno provrtal. Látka měla záporný index lomu, mohla tedy ohýbat světlo kolem trojrozměrných objektů a vyvolat tak efekt jejich zmizení. http://xlab.me.berkeley.edu/research/met amaterials.htm