Fizyka Cienkich Warstw

Transkrypt

1 Fizyka Cienkich Warstw W-2 METODY OTRZYMYWANIA CIENKICH WARSTW (preparation methods, deposition methods, coatin technoloies) 1. Fizyczne metody otrzymywania warstw 2. Chemiczne metody otrzymywania warstw 3. Metody cieplno-mechaniczne

2 1. Fizyczne metody otrzymywania warstw (physical deposition methods) Naparowanie próżniowe (vacuum evaporation), Rozpylanie jonowe (ion sputterin), Metoda MBE czyli epitaksja z wiązek molekularnych (molekular beam epitaxy). 2. Metody cieplno-mechaniczne (thermo-mechanical coatin methods) Metoda natryskowa w płomieniu azu (flame sprain) Metoda natryskowa z udziałem wiązki laserowej (laser-spray coatin)

3 3. Chemiczne metody otrzymywania warstw (chemical deposition methods) Metoda termiczneo wzrostu (thermal rowth method) Anodyzacja (anodisation), Metoda wzrostu z fazy azowej metoda CVD (chemical vapor deposition, chemical vapor phase rowth), Metoda ALD czyli osadzanie warstw atomowych (atomic layer deposition) Electroplaterowanie (electroplatin) - czyli alwanicze osadzanie powłok warstwowych, Platerowanie (platin)- chemiczne osadzanie warstwy na podłożu zanurzonym w kąpieli platerującej.

4 3. Chemiczne metody otrzymywania warstw cd Osadzanie warstw z roztworów (solution deposition): (a) (b) (c) (d) osadzanie warstw z zawiesiny koloidalnej (colloidal suspension), osadzanie warstw metodą zanurzeniową (deep-coatin), nanoszenie metodą Lanmuira-Blodet, nanoszenie metodą odwirowania (spin-coatin).

5 OTRZYMYWANIE CIENKICH WARSTW METODĄ OSADZANIA FIZYCZNEGO Z FAZY GAZOWEJ (PVD physical vapor deposition) Zaadnienia wstępne 1. Procesy osadzania prowadzi się w aparaturze próżniowej: 1-podłoża, 2-klosz próżniowy, 4-cząsteczki azu uwolnione z wewnętrznych powierzchni aparatury(desorpcja), 5-połączenie aparatury z układem pompującym, 6-strumień wsteczny azu od układu pompująceo, 7-przeroda oddzielająca aparaturę od układu pompująceo, 8-źródło par, 9-cząsteczki azu uwolnione ze źródła par, 10-materiał kondensujący na ściankach aparatury, 11- uchwyt podłoży

6 2. Przeliczenie jednostek ciśnienia h s h s s V s F p h przykład: Pa mm h mmh Tr s m cm H hpa Pa mm h mmh atm s m cm H

7 3. Klasyfikacja próżni Rodzaj próżni Ciśnienie [Pa] Ciśnienie [Tr] Przykład występowania Próżnia niska Pa Żarówki azowe Próżnia średnia Pa Lampy wyładowcze Próżnia wysoka Pa 10-4 Pa 10-3 Pa Naczynia Dewara Lampy elektronowe Osadzanie warstw Próżnia ultrawysoka Układy badawcze, otrzymywanie bardzo czystych materiałów-mbe Próżnia kosmiczna Przestrzeń kosmiczna

8 4.Średnia droa swobodna cząsteczek azu Średnia droa swobodna cząsteczek azu jest to średnia droa przebyta przez atom (molekułę) między zderzeniami z atomami (cząsteczkami) azu. przekrój czynny A cz cząsteczek ( 2d ) 0 Średnią droę swobodną cząsteczek azu określa się na podstawie teorii kinetycznej azów: 1 A cz n 1 d 0 - efektywna średnica molekuł 2 M v sk d 2 d 2 0 n 0 p- ciśnienie azu, n- koncentracja, M- masa cząsteczkowa, V- średnia prędkość kwadratowa ząsteczek Wniosek: Jeżeli n rośnie to to maleje p v sk Jeżeli p rośnie to to maleje Ciśnienie [Pa] Pa 13.3 Pa Pa Pa Pa Ciśnienie [Tr] 760 Tr 10-1 Tr 10-5 Tr 10-7 Tr 10-9 Tr Średnia droa swobodna, λ 0.72μm 0.55mm 5.5m 550m 55km

9 5. Liczba cząsteczek azów uderzających o podłoże na jednostkę czasu na jednostkę powierzchni N p 1 m s C 2 M T C= [k-½ m-1 K½ mol-½ s], M, masa cząsteczkowa azu [k/mol], T - oznacza temperaturę w [K] p -ciśnienie azu (wyrażone w [Pa]), Ciśnienie atmosferyczne Próżnia wysoka Próżnia Ultrawysoka Ciśnienie [Pa] Pa 13.3 Pa Pa Pa Pa Ciśnienie [Tr] 760 Tr 10-1 Tr 10-5 Tr 10-7 Tr 10-9 Tr N [cząst./m 2 s] Czas tworzenia tworzenia się monoatomowej warstwy azów 2.5ns 19 μs 0.19s 19s 1900s

10 6) Częstość zderzeń materiału odparowywaneo z podłożem pe N e C prawo Lanmuira M T e e p e -ciśnienie par materiału odparowywaneo. Przyjmuje się p e =10-2 Tr ( 1Pa). M e - masa cząsteczkowa materiału odparowywaneo [k/mol], T e - temperatura par materiału w [K] N N 7. W trakcie osadzania warstw istotny jest stosunek Dążymy do teo aby: Ne 1 e C M e p e T e M C T p p p e dla próżni wysokiej 1[ Pa] p [ Pa] N p =10-3 Pa (czyli 10-5 Tr): dla próżni ultrawysokiej p =10-7 Pa (czyli 10-9 e Tr): e N p 10 Wniosek: 1. Aby uniknąć wpływu azów resztkowych w aparaturze na tworzenie się warstwy proces naparowania warstw należy prowadzić przy niskich ciśnieniach (wysokiej próżni)! 2. Obniżenie ciśnienia w komorze próżniowej zdecydowanie poprawia warunki tworzenia warstwy. N N N e p p p e 1 3 N N e

11 8. Temperatura parowania Jest to taka temperatura przy której prężność par materiału odparowywaneo wynosi 1Pa (tak przyjęto)- czyli10-2 Tr. 9. Kondensacja Jest to proces przejścia z fazy azowej do fazy stałej lub ciekłej. 10. Szybkość kondensacji Jest to ilość cząsteczek materiału jaka faktyczne osadza się na jednostkę czasu na jednostkę powierzchni podłoża. Uwaa: szybkość kondensacji szybkości naparowania (część atomów ulea odbiciu)

12 Dlaczeo proces naparowania warstwy warstwy musi być prowadzony w warunkach próżni wysokiej i ultrawysokiej? aby zminimalizować zderzenia materiału odparowywaneo z cząsteczkami azu (powietrza) znajdująceo się pod kloszem aparatury aby zminimalizować wpływ azów resztkowych na tworzenie się warstwy (azy te nieustannie bombardują powierzchnię na którą naparowujemy warstwę) 11. Proces tworzenia warstwy Mamy trzy fazy procesu otrzymywania warstw: (a) wytworzenie atomoweo strumienia pary (b) przelot atomów (cząsteczek) od źródła pary do podłoża (c) kondensacja pary na powierzchni podłoża.

13 Zależność ciśnienia par różnych materiałów od temperatury Punkt topnienia materiału (mp) Al.- mp=660ºc, vp=1217ºc Au- mp=1003 ºC, vp=1397ºc Pd- mp=1550 ºC, vp=1462ºc Cr- mp=1900 ºC, vp=1397ºc vp - vaporization point (temperatura parowania) mp - meltin point (temperatura topnienia)

14 ŹRÓDŁA PAR DO OTRZYMYWANIA CIENKICH WARSTW 1. ŹRÓDŁA PAR Z NAGRZEWANIEM OPOROWYM Wymaania oólne: Muszą dostarczać dostateczną ilość ciepła w trakcie naparowywania Muszą utrzymywać materiał odparowywany Ciśnienie par pochodzących od materiału źródła powinno być zaniedbywanie niskie Materiał źródła nie powinien tworzyć stopów niskotopliwych z materiałem odparowywanym Materiał źródła nie powinien reaować chemicznie z materiałem odparowywanym Materiały stosowane na źródła z rzaniem oporowym Temperatura topnienia Temperatura dla ciśnienia par p=10-6 Tr (p 10-4 Pa) Temperatura parowania, tzn. dla p=10-2 Tr (p 1Pa) Wolfram 3380 o C 2410 o C 3230 o C Molibden 2610 o C 1820 o C 3520 o C Tantal 3000 o C 2240 o C 3060 o C

15 Naparowanie w łuku elektrycznym Zastosowanie : naparowanie warstw węla Źródła par z rzaniem oporowym

16 Osadzanie warstw za pomocą wiązki laserowej - Pulsed Laser Deposition

17 Naparowanie materiałów trudnotopliwych za pomocą działa elektronoweo Odchylanie wiązki elektronowej Odchylanie wiązki elektronowej polem elektrycznym polem manetycznym Zalety metody: możliwość dużeo (punktoweo ) skupienia wiązki elektronowej ciepło dostarczane jest bezpośrednio do materiału odparowywaneo tyiel chłodzony wodą oddziływanie materiału odparowywaneo z tylem zminimalizowane. Wady metody: duży stopień skomplikowania wysoka cena Parametry P wiązki =2-10kW U przyśp =2-20kV I a =do 0.5A

18

19

20 Osadzanie warstw wieloskładnikowych podłoże podłoże podłoże źródło A źródło A źródło B źródło A źródło B Z jedneo źródła, dy prędkości nanoszenia składników takie same. Z wielu źródeł, dy prędkości nanoszenia składników różne. Z wielu źródeł, na zmianę. Po osadzaniu warstwę należy wyrzać w celu ujednoradnienia.

21 Osadzanie warstw wieloskładnikowych Przykład 1 Osadzanie stopu 2-składnikoweo (AB) za pomocą działa elektronoweo Przykład 2 Osadzanie stopu 3-składnikoweo (ABC) za pomocą wiązki laserowej

22 APARATURA Aparatura próżniowa (Firma Edwards Anlia)

23 APARATURA PRóŻNIOWA Aparatura próżniowa do metalizacji (Firma Kolzer Włochy)

24 Aparatura próżniowa ISE PVD 1000 Series firmy Innovative Systems Enineerin, USA,

25 APARATURA PRóŻNIOWA Tectra - Niemcy Mini-Coater - hih vacuum coatin system for thin film deposition