Vybrané technologie povrchových úprav Metody vytváření tenkých vrstev Doc. Ing. Karel Daďourek 2008
Metody vytváření tenkých vrstev Vakuové metody dnes nejužívanější CVD Chemical vapour deposition PE CVD Plasma Enhanced CVD PVD Physical vapour deposition - napařování vysokou teplotou - naprašování účinkem plasmy
Podstata CVD povlakování 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 Pascalů Rychlost růstu vrstvy okolo 5 µm za hodinu Nejnižší teplota těchto reakcí je 750 oc Dnes pro snížení teploty často PECVD 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
PA CVD (Plasma Assisted se spoluúčastí plasmy) Elektrony a kladné ionty pomáhají reakci
Zařízení s VF plasmou
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 naprašování Rychlost naprašování je úměrná rozdílu tlaku par a tlaku v komoře a nepřímo úměrná odmocnině z teploty
Strukturní model pro napařování
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 6 paprsek laseru reflektor čočka vstupní okno - Targety na karuselu vytápěný stolek se substrátem 7 čerpací systém 8, 9 - vakuometry
Napařování slitin Složky nemají stejný tlak par, neodpařují se tedy stejně rychle Řešení : Odpařování z několika zdrojů flash evaporation pulzní odpařování při T >> Tmi - přerušovaný oblouk - laserové pulzy
Reaktivní napařování
Nízkonapětový oblouk Balzers a ZEZ zařízení NNO 150
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 vyžaduje poměrně značný tlak reaktivního plynu (dusíku) Pro dobrou účinnost nesmí být atomy odprášené z targetu příliš rozptylovány na dráze k substrátu co nejdelší volná dráha Iontové plátování vyžaduje delší volné dráhy iontů 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 prodloužiz skutečnou dráhu elektronů.
Magnetronový efekt Pohyb elektronu ve zkřížených polích Maximální efekt pro kolmé elektrické a magnetické pole
Srovnání magnetronového a diodového naprašování
Princip planárního magnetronu
Děje v magnetronu
Konstrukce magnetronu
Magnetrony Výboj v magnetronu Malý kruhový magnetron
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
Magnetron a feromagnetický target
Průmyslové magnetrony Několik vedle sebe Oboustranný typ
Efektivnost magnetronu
Schema magnetronového zařízení
Magnetronové zařízení Balzers a ZEZ DAM 300K 2/2
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
Energie jednotlivých procesů Pro jemné vakuum U šipek příklady procesů s touto energií
Implantace příměsí do kovů Lze implantovat libovolné ionty do libovolné látky. Nezáleží na rozpustnosti. Lze pracovat při libovolné teplotě. Často nutné chlazení substrátu. Rozdělení koncentrace podle Gaussovy křivky Velmi tenká vrstva. Hloubka průniku 1 nm na každý kev energie nutné alespoň 100 kev. Nedochází k rozměrovým změnám ani poškození povrchu. V povrchové vrstvě vzniká tlakové pnutí. Dobře kontrolovatelná a ekologická technologie Prakticky bodový průnik do povrchu. Po ploše musí být paprsek rozmítán.
Schema iontového implantátoru
Zařízení na iontovou implantaci
Ukázka koncentračního profilu Nahoře implantace cínu do křemíku, energie 150 kev 1 přímo po implantaci 2- po ohřevu elektronovým paprskem 1,5 J/cm2 Dole implantace cínu do hliníku, energie 150 kev 1 přímo po implantaci 2- po ohřevu elektronovým paprskem 1,5 J/cm2
Užití ve strojírenství Povrchové zpevnění implantace dusíku a p. do nástrojových materiálů - chemické změny - tlakové napětí na povrchu Rozmytí rozhraní mezi povlakem a substrátem Amorfizace povrchové vrstvy kovové sklo Přímá reakce v povrchové vrstvě implantace dusíku do titanu