Fizyka Cienkich Warstw Wykład W-4

Transkrypt

1 Dr inż. T. Wiktorczyk Wydzial Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska Fizyka Cienkich Warstw Wykład W-4 CIEPLNO-MECHANICZNE METODY OTRZYMYWANIA CIENKICH WARSTW CHEMICZNE METODY OTRZYMYWANIA CIENKICH WARSTW

2 Metody cieplno-mechaniczne 1) Rozpylanie materiału w płomieniu gazu 2) Za pomocą wiązki laserowej Zastosowanie: wytwarzanie pokryć warstwowych w mechanice

3 CHEMICZNE METODY OTRZYMYWANIA CIENKICH WARSTW Electroplaterowanie (electroplating) -galwanicze osadzanie powłok warstwowych o Podstawa: przepływ jonów w roztworach i prawa elektrolizy Faradaya (1833r) m=k i t, k=m at /w F Przykład: wytwarzanie powłok galwanicznych z miedzi o Na katodzie powstaje warstwa o masie: m=ρ V=ρ s d(t) i grubości: d( t) m s k i t s

4 Electroplaterowanie (electroplating) -galwanicze osadzanie powłok warstwowych srebrzenie niklowanie cynkowanie o Elektroplaterowanie można stosować dla 33 pierwiastków. Dla pozostałych zachodzą niekorzystne reakcje chemiczne. o komercyjnie galwanizację prowadzi się dla 14 pierwiastków: Al, Ag, Au, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Pt, Rh, Sn, Zn. o w praktyce najczęściej Ag, Au, Cr, Cu, Ni, Sn, Zn. złocenie chromowanie

5 Anodyzacja (Anodisation) Anodyzacją nazywamy elektrochemiczny proces wytwarzania pokrycia z tlenku metalu lub wodorotlenku metalu na metalicznej anodzie Otrzymane warstwy są amorficzne Osiąga się warstwy o grubości 1-20μm Nieporowate warstwy uzyskuje się dla: Nb Nb Al Al Ta Ta Si Si Sb Sb W WO 3 Elektrolity - słabe roztwory kwasów, np.: AL kwas winny, kwas borny, cytrynian amonowy Ta kwas cytrynowy (0.01%), kwas fosforowy

6 Anodyzacja (Anodisation) Zastosowanie: 1) wytwarzanie kondensatorów na skalę przemysłową (anodyzacja folii aluminiowej) Aby warstwy były jednorodne musi być odpowiednie ph elektrolitu Anodyzację prowadzi się w dwóch etapach: 1etap I=const, grubość warstwy tlenku rośnie w czasie, 2etap U=const (I maleje) stosuje się, by poprawić właściwości elektryczne powstającej warstwy 2) wytwarzanie warstw porowatych, np.: Krzemionka, tlenku glinu, tlenek tytanu

7 Metoda zanurzeniowa (Dip-coating method)

8 (Dip-coating method)

9 Metoda zanurzeniowa: Wytwarzanie pokryć warstwowych utwardzających na soczewkach okularowych firmy Essilor. Po wyjęciu z cieczy immersyjnej soczewki są wygrzewane w 100 C w celu polimeryzacji lakieru

10 Metoda zanurzeniowa: Wytwarzanie pokryć warstwowych na wielkogabarytowych taflach szklanych Fabryka Schotta (Niemcy): Oczyszczona tafla szklana zanurzana jest w kąpieli roztworów zawierających tlenki metali. Po wyjęciu i osuszeniu warstwy są wypalane w temperaturze C.

11 Metoda odwirowania (spin-coating method) Grubość warstwy: d=a ω -B A, B stałe empiryczne, ω -prędkość kątowa

12 Metoda spin-coating Aparatura do metody spin coating: Lurell Corporation Technologies Corporation, USA Urządzenie do przygotowania próbek: mycie, trawienie, suszenie wirówka

13 Metoda odwirowania-zastosowania Firma Essilor: Wywarzanie pokryć lakierowanych na soczewkach okularowych

14 Metoda zanurzeniowa - zastosowania

15 Metoda Langmuira-Blodgett dea: Długołańcuchowe kwasy tłuszczowe pokrywają powierzchnię wody (pływają). Jeden koniec hydrofilnyustawiony w kierunku wody, drugi koniec-hydrofobowy - ustawiony w kierunku nad powierzchnię wody. Wciśnięcie pływającej warstwy przez płytkę powoduje osadzanie na niej monoatomowego pokrycia. astosowanie: wytwarzanie monoatomowych warstw multimonoatomowe pokrycia z kwasów tłuszczowych grubości warstw od ok. 2nm do 2μm CH3(CH2)nCOOH n=2-22 Np. n=2 - kwas masłowy, n=3- kwas walerianowy, n=16 kwas stearynowy

16

17 Otrzymywanie warstw metodą wzrostu z fazy gazowej - metoda CVD (chemical vapor deposition) CVD- jest to grupa technik wzrostu warstw na podłożach poprzez dostarczenie reagentów w fazie gazowej i stworzenie na powierzchni warunków do zajścia reakcji chemicznych, w wyniku których formują się warstwy.

18 CVD (1) W procesach CVD występują różne reakcje chemiczne (utlenianie, redukcja, nitrydacja, piroliza, uwodarnianie, synteza, itp ). (2) Reakcje zachodzą preferencyjnie na powierzchni podłoża, na której kondensuje warstwa. (3) Podłoża podgrzane są do odpowiedniej temperatury. (4) Odpowiednia temperatura powierzchni aktywuje reakcję chemiczną. (5) Powierzchnia gromadzi (adsorbuje reagenty). (6) Nanoszone warstwy mogą być: (a) monokrystaliczne, (b) polikrystaliczne, (a) amorficzne

19 Podział metod CVD.

20 CVD - Jakie materiały?

21 CVD - Aparatura

22 Przykład: Otrzymywanie cienkich warstw arsenku galu (GaAs) Formowanie cienkiej warstwy GaAs Materiały wyjściowe : Arsen (As) i Gal (Ga)

23 Przykład: noszenia warstw węglika tytanu (TiC) gazy robocze: TiCl 4 CH H 2 Opis procesu: 4 ciśnienie w trakcie procesu: równe ciśnieniu atmosferycznemu - temperatura wewnątrz komory: 1050 C - po wprowadzeniu do komory roboczej mieszanki gazów i podniesieniu temperatury ewnątrz, w fazie gazowej zachodzi reakcja, w której wytrąca się węglik tytanu ( docelowy ateriał powłoki ) - ze względu na charakter podłoża tj. stali wysokowęglowej w procesie adhezji dodatkowo przyłącza się węgiel Produkty uboczne procesu: wodór i chlorowodór w postaci gazowej

24 Aparatura do wytwarzania warstw TiN Schemat ideowy systemu do realizacji procesów CVD (gazy dobrane dla wytwarzania warstw TiN).

25 Aparatura do wytwarzania warstw Metalo Organicznych CVD oraz warstw polimerowych Sono-Tek-Corporation

26 METODA ALD (Atomic Layer Deposition) CZYLI OSADZANIE WARSTW ATOMOWYCH Metoda ALD należy do chemicznych metod otrzymywania cienkich warstw Metoda opracowana w latach 70-tych na Uniwersytecie Technicznym w Helsinkach (T.Suntola, J. Antson US Patent 1977). Intensywny rozwój tej metody po roku Wymagania metody: Odpowiednio dobrane i oczyszczone podłoża monokrystaliczne lub polikrystaliczne. Reaktor chemiczny w którym umieszcza się podłoża. Odpowiednie gazy o dostatecznie dużej czystości do przeprowadzenia reakcji chemicznej. Układ pompujący, układ sterujący przepływem gazów.

27 METODA ALD - Aparatura Aparatura - Savannach100 do procesów ALD Firmy NanoTech Cambridge

28 METODA ALD (Atomic Layer Deposition) Cechy charakterystyczne procesu ALD: W czasie procesu ALD następuje nasycona chemisorpcja użytych gazów (prekursorów) na powierzchni podłoży. Użyte gazy wykazują wysoką reaktywność. W czasie jednego cyklu ALD powstaje monoatomowa warstwa osadzanego materiału. Grubość warstwy zależy od ilości cykli osadzania. Powstałe warstwy są stechiometryczne oraz wykazują doskonałą jednorodności na całej powierzchni. Relatywnie mała wrażliwość procesu na kurz (wzrost warstwy następuje pod cząstkami kurzu). Condensacja warstw przy temperaturze 300K-400K.

29 1. Otrzymywanie warstw Al 2 O 3 metodą osadzania warstw atomowych (metoda ALD) Na powierzchni krzemu, w powietrzu, następuje adsorpcja pary wodnej (H 2 O) oraz powstanie grup OH. Podłoża umieszcza się w komorze reaktora oraz wpuszcza gaz reakcyjny - trójmetylan glinu (TMA). 2. Trójmetylan glinu (TMA) whodzi w reakcję z grupami OH zaadsorbowanymi na powierzchni Si. Na skutek reakcji powstaje metan (CH 4 ). Al(CH 3 ) 3 (g) +:Si-O-H(s) Si-O-Al(CH 3 ) 2 (s)+ CH 4

30 3. Reakcja TMA z OH następuje do momentu całkowitej pasywacji powierzchni krzemu. Reakcja ograniczona jest do pierwszej warstwy atomowej. Nadmiar TMA oraz powstały metan odpompowuje się z komory. 4. Po usunięciu TMA i metanu do komory reaktora wpuszcza się parę wodną (H 2 O). 5. Para wodna reaguje z wystającymi z wiązań Si-O-Al(CH 3 ) 2 grupami metylowymi CH 3 na skutek tego powstają: 1) mostki Al-O 2) nowe wiązania OH z Al 3) metan (CH 4 ) jako produkt reakcji

31 6. Produktem finalnym odziaływania pary wodnej jest powstała monoatomowa warstwa Al 2 O 3 z cząsteczkami OH na powierzchni 7. Ilustracja pokazuje wytworzoną warstwę Al 2 O 3 po trzech cyklach (a) reakcji TMA (b) reakcji pary wodnej Przebieg reakcji w każdym cyklu: Parametry: Grubość pokrycia ok. 0.1nm/warstwę Czas 1-cyklu ok. 3s

32 Przykład1 Cienkie warstwy w pamięciach półprzewodnikowych -kondensator koronowy i otworkowy Przykład 2 Cienkie warstwy w tranzystorach typu MOS -bramki cienkowarstwowe

33 Wydział Podstawowych Problemow Techniki Politechniki Wrocławskiej Fizyka Cienkich Warstw W-4a Monitorowanie grubości cienkich warstw

34 Monitory optyczne cienkich warstw

35 Monitory optyczne cienkich warstw nd, grubość optyczna warstwy

36 Monitory optyczne cienkich warstw

37 Piezokwarcowe monitory grubości cienkich warstw

38 Piezokwarcowe monitory grubości cienkich warstw

39 Piezokwarcowe monitory grubości cienkich warstw

40 Piezokwarcowe monitory grubości cienkich warstw

41 Piezokwarcowe monitory grubości cienkich warstw

42 Piezokwarcowe monitory grubości cienkich warstw

43 Piezokwarcowe monitory grubości cienkich warstw