zasięg koherencji dla warstw nadprzewodzących długość fali de Broglie a w przypadku warstw dielektrycznych.

Transkrypt

1 Cienkie warstwy Cienka warstwa to dwuwymiarowe ciało stałe o specjalnej konfiguracji umożliwiającej obserwowanie specyficznych efektów nie występujących w materiale litym.

2 Istotnym parametrem charakteryzującym cienką warstwę jest tzw. grubość krytyczna charakteryzująca specyficzne właściwości fizyczne określonego materiału: średnią drogę swobodną nośników prądu w przypadku warstw metalicznych i półprzewodnikowych długość fali elektromagnetycznej i głębokość jej wnikania dla warstw optycznych zasięg koherencji dla warstw nadprzewodzących długość fali de Broglie a w przypadku warstw dielektrycznych.

3 Zastosowania 1. Warstwy półprzewodnikowe 2. Warstwy dielektryczne 3. Ferroelektryki, piezoelektryki 4. Elektrolity stałe 5. Materiały optoelektroniczne 6. Warstwy twarde i supertwarde 7. Impregnacja kompozytów i materiałów ceramicznych 8. Modyfikacja powierzchni implantów 9. Włókna, wiskery, dendryty

4 Metody otrzymywania cienkich warstw Elektrochemiczne Technika zol-żel Aplikacja polimerów preceramicznych Fizyczne osadzanie z fazy gazowej PVD ( Physical Vapor Deposition )

5

6 Rodzaje PVD: - naparowanie próżniowe ( vacuum evaporation ) - napylanie katodowe ( sputtering ) - epitaksja z wiązki molekularnej ( MBE molecular beam epitaxy )

7 Epitaksja zachodzący na powierzchni monokryształu podłożowego zorientowany krystalograficznie wzrost warstwy monokrystalicznej, w wyniku którego struktura i orientacja warstwy znajdują się w określonej relacji do struktury i orientacji kryształu podłożowego. Epitaksja (gr.) epi (na), taxis (porządek, uporządkowany rozkład)

8

9

10 5. Metody chemiczne Chemiczne osadzanie z fazy gazowej

11 Chemiczne osadzanie z fazy gazowej obejmuje dysocjację i/lub reakcje chemiczne gazowych reagentów w aktywowanym ( ciepło, promieniowanie, plazma i in.) środowisku a następnie tworzenie trwałego, stałego produktu.

12 Fizykochemiczny schemat procesu CVD Proces osadzania obejmuje homogeniczne reakcje w fazie gazowej i/lub heterogeniczne reakcje chemiczne na/lub w pobliżu ogrzewanego podłoża co skutkuje tworzeniem proszku lub cienkiej warstwy. Charakterystyczne dla tej metody jest, że osadzana warstwa różni się składem od reagentów występujących w fazie gazowej, czyli nie jest to kondensacja materiału z własnej pary (PVD). Warunki prowadzenia procesu, a przede wszystkim temperatura, ciśnienie cząstkowe reagentów w fazie gazowej oraz dopasowanie sieci krystalicznej podłoża i warstwy określają czy następuje epitaksjalny wzrost warstwy monokrystalicznej, czy też narasta warstwa polikrystaliczna lub amorficzna.

13 PROCESY CHEMICZNE W METODZIE CVD Reakcja CVD Prekursor chemiczny Przykłady Temp. osadz Rozkład term. (piroliza) Halogenki Wodorki Karbonylki Metaloorg. TiI 4 Ti + I 2 SiH 4 Si + 2H 2 Fe(CO) 5 Fe + 5CO (C 8 H 10 ) 2 Cr Cr + + 2C 5 H C 1200 o C Redukcja Halogenki SiCl 4 + 2H 2 Si + 4HCl WF 6 + 3H 2 W + 6HF Utlenianie Halogenki Wodorki Metaloorg. TiCl 4 + 2O 2 TiO 2 +2Cl 2 SiH 4 + 2O 2 SiO 2 + 2H 2 O Zn(C 2 H 5 ) 2 + 4O 2 ZnO + 5H 2 O + 2CO

14 Nitrifikacja Halogenki Wodorki Wodorohalogenki TiCl 4 + ½ N 2 + 2H 2 TiN + 4HCl 3SiH 4 + 2N 2 H 4 Si 3 N H 2 3SiH 2 Cl NH 3 Si 3 N 4 + 6NH 4 Cl + 6H Dysproporcjo- Nowanie Halogenki GeI 2 Ge + GeI 4 3GaCl 2Ga + GaCl 3 Synteza Min. dwa gazowe prekursory TiCl 4 + 2BCl 3 + 5H 2 TiB HCl Ga(CH 3 ) 3 + AsH 3 GaAs + 3CH

15 TECHNICZNE ROZWIĄZANIA METOD CVD 1. CVD pod normalnym ciśnieniem APCVD 2. Niskociśnieniowa CVD LPCVD 3. CVD wspomagana plazmą PECVD 4. Fotochemiczna metoda CVD PCVD 5. Termicznie aktywowana CVD TACVD 6. Aktywowana laserem CVD LCVD

16 Przykład:

17 MOCVD ( Metal organic chemical vapor deposition ) Osadzanie chemiczne z par związków metaloorganicznych Tworzenie krystalicznych warstw (np. półprzewodnikowych typu A III B V, A II B VI, struktur domieszkowanych, warstw supertwardych i in.) z wykorzystaniem prekursorów metaloorganicznych.

18 Przykład: In(CH 3 ) 3 + PH 3 InP + 3CH 4

19 Reaktory MOCVD Pionowa konfiguracja reaktora

20 Pozioma konfiguracja reaktora

21

22 Więcej przykładów: Ga(CH 3 ) 3 + AsH 3 GaAs + 3CH 4 Ga(CH 3 ) 3 + [As(t-C 4 H 9 )H 2 ] GaAs + CH 4 + i-c 4 H 9 MeZn(OPr-I) CH 4 + CH 2 C(H)CH 3 + ZnO Ti(OBu-t) 4 TiO 2 + 4CH 2 C(CH 3 ) 2 + 2H 2 O W(CO) 6 + 2H 2 S WS 2 + 6CO + 2H 2 Me 2 Zn + H 2 Se ZnSe + 2CH 4

23 Otrzymywanie warstw diamentowych metodą CVD Diament naturalny Koh-i-noor

24 Struktura diamentu

25 Właściwości diamentu: 1. Gęstość 3,52 g/cm 3 2. Twardość kg/mm 2 3. Wytrzymałość na rozciąganie 2,2 Gpa 4. Wytrzymałość na ściskanie 110 Gpa 5. Współczynnik załamania światła 2,41 6. Współczynnik przewodnictwa cieplnego W/m/K 7. Prędkość dźwięku m/s 8. Przezroczystość od UV do dalekiej IR 9. Oporność właściwa cm

26 10. Przerwa energetyczna po domieszkowaniu 5,4 ev 11.Odporność na korozję 12. Kompatybilność biologiczna 13. Mała lub ujemna praca wyjścia elektronów

27 Idea metody CVD dla warstw diamentowych - Aktywacja plazmą mikrofalową kw - Prekursory: mieszanina H 2 i CH 4 (1 2% obj.) - Szybkość narastania warstwy: x 10-6 m/h - Warstwa heteroepitaksjalna

28 Schemat reaktora plazmowego

29 Elipsoidalny reaktor plazmowy 915 MHz, kw

30 Mechanizm procesu aktywacji

31 Powstają struktury sp 2 i sp 3 Mechanizm wzrostu warstwy diamentowej

32 Rola wodoru w procesie tworzenia warstwy sp Aktywne atomy wodoru w reakcji z CH 4 generują reaktywne rodniki zdolne do wiązania się z aktywnymi centrami na powierzchni narastającej warstwy. 2. Czasowe utrwalanie struktury sp 3 poprzez tworzenie terminalnych wiązań z niewysyconymi atomami C. 3. Trawienie struktur grafitowych wielokrotnie szybsze niż trawienie diamentu. 4. Degradacja długołańcuchowych węglowodorów.

33 oodzaje stosowanych substratów (podłoży). 1. Materiały, które nie rozpuszczają i nie reagują z węglem ( Cu, Sn, Pb, Au, Ge, Al 2 O 3, szafir ). 2. Materiały o dużej reaktywności w stosunku do węgla ( Pt, Pd, Ni, Co, Fe ). 3. Materiały tworzące międzyfazowe warstwy węglików Mo, W, Al., B, Ti, Si, SiO 2 )

34 Etapy wzrostu warstwy diamentowej Zarodkowanie kryształów diamentu na powierzchni preparowanej przez mechaniczne ścieranie.

35 Przekrój narastającej warstwy z międzyfazową strukturą węgliku krzemu.

36 Warstwa diamentu na Si.

37 Gładka, nanokrystaliczna warstwa diamentu otrzymana przy większym stężeniu CH 4 (morfologia kalafiora ).

38 Zastosowania warstw diamentowych. Warstwy diamentowe na płytkach krzemowych.

39 Wybrane fragmenty płytki krzemowej pokryte warstwą diamentową.

40 Włókno wolframu pokryte warstwą diamentową

41 Diamentowe rozpraszacze ciepła.

42 Transparentne okno optyczne

43 Elementy skrawające pokryte diamentem

44 Membrany głośników wysokotonowych.

45 Diamentowy emiter elektronów zastosowanie w płaskich ekranach.

46 Diament 5ct wycięty z 10ct monokryształu.