Technologia cienkowarstwowa

Transkrypt

1

2 Different kinds of surface attack Procesy zachodzące na powierzchni Adsorption Decorative function Contamination Weathering Surfaces of static or dynamic loades parts Surfaces of electrical contacts, insulators, thermal barriers, etc. Surfaces in contact with liquids Cracking Cracking propagation Delamination Passivation Oxidation Scaling Corrosion Surfaces in contact with flowing agents (liquids, sediments) Bearing Gears Brakes Cavitation Erosion Contact deformation Wear Surfaces in contact with micro organisms Fouling Konstanty Marszałek 2

3 PODŁOŻE I POWŁOKA JAKO SYSTEM Konstanty Marszałek 3

4 DEFINICJE CIENKIEJ WARSTWY Warstwę nazywamy cienką, jeżeli grubość jej obszarów przypowierzchniowych o zaburzonych własnościach fizycznych jest odpowiednio duża w stosunku do grubości całkowitej [Bruce, Balmer Dielectrics 2,7 (1963)] Szukamy zależności miedzy grubością a: średnią drogą swobodną (przy uwzględnieniu cząsteczkowego charakteru oddziaływań) długością fali (przy uwzględnieniu falowego charakteru oddziaływań) Prowadzi to do innej rodziny definicji np. [Skobielkin et al., FTT 11,40 (1969)] Konstanty Marszałek 4

5 Warstwę nazywamy cienką, jeśli jej grubość jest o wiele mniejsza od głebokości wnikania pola elektromagnetycznego do próbki masywnej (bulk) d l c 1sin 2 2 d - grubość l - głębokość wnikania ε 1 > ε 2 - przenikalność elektryczna ośrodka optycznie gęstszego i rzadszego α - kąt padania fali elektromagnetycznej c - prędkość światła w próżni ω - częstość kołowa fali elektromagnetycznej Konstanty Marszałek 5

6 CIENKA WARSTWA (?) Kryterium elektryczne Kryterium chemiczne REZYSTORY SENSORY TFT KATALIZATORY Konstanty Marszałek 6

7 CIENKA WARSTWA (?) Kryterium optyczne FILTRY OPTYCZNE OPTOELEKTRONIKA np. Konstanty Marszałek 7

8 Właściwości cienkich warstw Konstanty Marszałek 8

9 Procesy zachodzące na powierzchni warstwy podczas depozycji Konstanty Marszałek 9

10 Procesy zachodzące na powierzchni warstwy podczas depozycji g g AV g A SV g AS Zmiana energii interfejsu przy dodaniu atomu A do układu: G g g g interface 3 typy wzrostu układów cienkowarstwowych: warstwa po warstwie wyspowy mieszany SV AV AS Konstanty Marszałek 10

11 1) g SV g AV g AS Frank- Van der Merwe Growth: Rosnąca warstwa redukuje energię powierzchniową; zwilża powierzchnię 2) g SV g AV g AS Vollmer-Weber Growth (V-W): Rosnąca warstwa chce zminimalizować energię interfejsu i swoją własną energię powierchniową rosną wyspy 3) g g g Stranski-Krastanov (S-K) Growth SV AV AS Pierwsza warstwa zwilża powierzchnię, następne już nie rosną wyspy na pojedynczej lub kilku monowarstwach Konstanty Marszałek 11

12 Właściwości cienkich warstw - przewodnictwo elektryczne Konstanty Marszałek 12

13 Właściwości cienkich warstw - przewodnictwo elektryczne Reguła Mathiessena f r 3 8d 1 d ( 0.1) R b a d b R a [] R 2R Konstanty Marszałek 13

14 Właściwości cienkich warstw - właściwości optyczne I T I T() R R() I I o o I o I I R o I T A() A R T 1 I T I o e () d Konstanty Marszałek 14

15 Właściwości cienkich warstw - właściwości optyczne Widmo absorbcji i odbicia Mechanizmy absorbcji i odbicia metale, półprzewodniki Konstanty Marszałek 15

16 Właściwości cienkich warstw - właściwości optyczne Mechanizmy absorbcji i odbicia Interferencja 2d n m 2 n - współ. zał. m = 1, 2, 3 n 4d m Konstanty Marszałek 16

17 Właściwości cienkich warstw - właściwości mechaniczne ADHEZJA - wiązania mechaniczne - wiązania Van der Waalsa (słabe) NAPRĘŻENIA - wiązania chemiczne ŚCIERALNOŚĆ TWARDOŚĆ - wiązania dyfuzyjne - wiązania pseudodyfuzyjne (powstają podczas bombardowania powierzchni fononami Konstanty o Marszałek wyższych energiach) 17 (sputtering, działa jonowe o dużym polu elektrycznym)

18 Właściwości cienkich warstw - właściwości mechaniczne Adhezja zależy od: - rodzaju podłoża - rodzaju warstwy - obecności zanieczyszczeń na powierzchni - struktury defektów na powierzchni podłoża - naprężeń mechanicznych na granicy podłoże - warstwa - energii z jaką atomy (cząsteczki) warstwy docierają do podłoża - obróbki termicznej - obecności substancji adhezyjnych w warstwie dyfuzja tlenu (reakcja chemiczna) powoduje wzrost adhezji naprężenia mechaniczne obniżają adhezje Konstanty Marszałek 18

19 Właściwości cienkich warstw - właściwości mechaniczne Metody badania adhezji: - test taśmą klejąca - pomiar wytrzymałości na ścieranie - siły odśrodkowe i wibracje ultradźwiękowe - przykładanie sił prostopadłych do warstwy - metoda rysowania (Benjamin i Weaver Proc.Roy.Soc. A ) Konstanty Marszałek 19

20 Własności podłoży jako elementów nośnych cienkich warstw: gładkość, płaskość i czystość powierzchni wytrzymałość mechaniczna mała zawartość zanieczyszczeń i mała porowatość duża przewodność cieplna odporność na wysokie temperatury współczynnik rozszerzalności cieplnej dostosowany do współ. rozszerzalności cieplnej nanoszonej warstwy pasywność chemiczna podatność na odgazowanie w próżni stabilność właściwości fizycznych i chemicznych mała przenikalność elektryczna małe straty dielektryczne możliwie mały koszt Konstanty Marszałek 20

21 Czyszczenie podłoży Rodzaje zanieczyszczeń - zanieczyszczenia fizyczne (pył, kurz, włosy, cząstki metali, kryształki soli nieorganicznych) - zanieczyszczenia chemiczne (oleje, tłuszcze, smary, produkty korozji powierzchniowej) - zanieczyszczenia występujące w objętości podłoża Sposoby usuwania zanieczyszczeń - odtłuszczanie - trawienie (jonowe, chemiczne) - płukanie - suszenie (susz. parami gorącego gazu, odwirowanie, płukanie parami alkoholu) - wypalanie (usuwa z ceramiki tlenki, azotki, Konstanty chlorki, fluorki Marszałek rozpuszcza w objętości lub wiąże chemicznie) 21

22 Przykłady procesów czyszczenia podłoży I. Szkło, ceramika, ceramika glazurowana, szafir a. Ultradzwiękowa kąpiel w detergencie (room temp. - biąłka) b. Ultradzwiękowa kąpiel w detergencie w +70 o C c. Usuwanie detergentu przez płukanie w strumieniu gorącej wody d. Płukanie w wodzie utlenionej e. Płukanie w gorącej wodzie destylowanej (15 min. Dejonizacja) f. Suszenie oczyszczonym N 2 w temp. 110 o C przez 15 min. II. Szkło, szafir a. Mycie irchą w jonowym środku myjącym b. Płukanie wodą dejonizowaną i destylowaną c. Czyszczenie ultradzwiękowe w poj. z woda dejonizowaną d. Zanurzenie w alkoholu etylowym e. Suszenie w parach alkoholu etylkowego III. Czyszczenie jonowe jonami lub elektronami z wyładowania jarzeniowego (usuwa zanieczyszczenia z dokładnością do pojedynczych atomów Konstanty Marszałek 22

23 Konstanty Marszałek 23

24 Konstanty Marszałek 24

25 Próżnia w badaniach i procesach technologicznych (1) * 1 mbar = 1 hpa ~ 1 Tr ( 1 Tr = 1,33 mbar) Konstanty Marszałek 25

26 Próżnia w badaniach i procesach technologicznych (2) Konstanty Marszałek 26

27 Podział metod otrzymywania cienkich warstw ze względu na charakter procesu osadzania: a. fizyczne PVD b. chemiczne CVD Podział ze względu na stan fizyczny materiałów wyjściowych: - osadzanie z fazy gazowej - osadzanie z zawiesin - osadzanie z fazy ciekłej - osadzanie z past - osadzanie z fazy stałej Konstanty Marszałek 27

28 Podział metod otrzymywania warstw (G.Hass et all Physics of Thin Films NY. L.1969 ) 1. Naparowanie próżniowe(evaporation) - powolne z jednego źródła - powolne z wielu źródeł - wybuchowe (flash) 2. Rozpylanie jonowe (sputtering) - stałoprądowe w układzie diodowym (dc) - z czyszczeniem podłoża - reaktywne - stałoprądowe w układzie triodowym - wysokiej częstotliwości diod. lub triod. (rf) - elektrochemiczne 3. Osadzanie w wyniku reakcji chemicznej materiału podłoża z otaczającym go środowiskiem. Konstanty Marszałek 28

29 Podział metod otrzymywania warstw c.d. 4. Anodyzacja - elektrolityczna - plazmowa 5. Osadzanie z fazy gazowej 6. Osadzanie elektrolityczne 7. Topienie sproszkowanej substancji na odpornym termicznie podłożu - osadzanie mechaniczne (np. wirówka odśrodkowa) - elektroforetyczne osadzanie proszku - dielektroforetyczne osadzanie proszku - sedymentacyjne nanoszenie proszku 8. Trawienie monokryształów 9. Metoda wyładowania elektrycznego Konstanty Marszałek 29

30 Metody nanoszenia warstw CVD Chemical Vapour Deposition elektrochemiczne spray pirolysis transport chemiczny elekteolityczne platerowanie z fazy stopionej natrysk plazmowy proszków (cer-met) fotoliza hydroliza MOCVD metal oxide MPCVD microwave plasma RFCVD radiofrequency ECR CVD Electron Cyclotron Reson CatCVD Catalytic PICVD Photo Induced LICVD Laser Induced Konstanty Marszałek 30

31 PVD (Physical Vapour Deposition) Naparowanie evaporation - oporowe - indukcyjne - elektronowe - laserowe - flash - jednoczesne (coevapor.) - reaktywne Molecular Beam Wiązka molekularna Działo jonowe Ion Beam Działo magnetronowe Ion plating Magnetron ion plating Ion Sputtering DC Sputtering RF Sputtering Triode Sputtering Magnetron Sputtering Reaktive Ion Sputtering Konstanty Marszałek 31