Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Depozice tenk´ych vrstev I. Napraˇsov´ an´ı
Mgr. Tereza Schmidtov´a
15. dubna 2010
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
I
Aplikace Klasifikace
Obecn´y pˇrehled aplikac´ı I
I
I
I
pouˇzit´ı pro optick´e vlastnosti - laserov´a optika, zrcadla, reflexn´ı a anti-reflexn´ı vrstvy, absorbuj´ıc´ı vrstvy, ... pouˇzit´ı pro elektrick´e vlastnosti - el. kontakty, sol´arn´ı ˇcl´anky, jin´a elektronika pouˇzit´ı pro chemick´e vlastnosti - potahy odoln´e v˚ uˇci korozi, ˇcepele a lopatky turb´ın, ... pouˇzit´ı pro dekorativn´ı u ´ˇcely - klenoty, obrouˇcky br´yl´ı, r´ameˇcky hodinek, ...
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
I
Aplikace Klasifikace
Nˇekolik konkr´etn´ıch aplikac´ı I
I
I
I
I I I
polymer potaˇzen´y hlin´ıkem - rozs´ahl´e pouˇzit´ı, tepeln´a izolace, pouˇzit´ı pro r˚ uzn´a balen´ı i dekorace automobily - tˇeˇzk´e souˇc´astky nahrazov´any lehk´ym plastem potaˇzen´ym chr´ omem zlat´e potah TiN - odoln´e v˚ uˇci opotˇreben´ı, hodinky, tmav´y potah tvrdou uhl´ıkovou vrstvou - velmi odoln´y potah M-Cr-Al-Y, kde M m˚ uˇze Ni, Co, Fe nebo Ni+Co se pouˇz´ıv´a pro lopatky a ˇcepele turb´ın, materi´al odol´av´a koroze i vysok´emu nam´ah´an´ı letadla - hlin´ıkov´e potahy, lehˇc´ı biomedic´ına - implant´aty potaˇzen´e uhl´ıkem ˇrezac´ı n´astroje - degradace opotˇreben´ım. Ochrann´a vrstva TiC, TiN, Al2 O3 zvyˇsuje ˇzivotnost o 300-800%. Vrstvy i DLC, BN.
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
I
Z´akladn´ı kategorizace I I I
I
Aplikace Klasifikace
ˇcistˇe fyzik´aln´ı metody ˇcistˇe chemick´e metody fyzik´alnˇe-chemick´e metody
Pˇr´ıklad pro depozici z plynn´e f´aze I I I
PVD CVD hybrid PVD-CVD
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Aplikace Klasifikace
Dˇelen´ı z [Seshan,2002] I Vakuov´ e napaˇrov´an´ı = evaporation I
I
Procesy s doutnav´ym v´ybojem = glow-discharge I
I
sputtering (diode, magnetron, bias, reactive, cluster beam, ion beam, ...), plasma processes (PECVD, plasma oxidation, nitridation, reduction, ...)
Chemick´e procesy v plynn´e f´az´ı I
I
conventional evaporation, electron-beam evaporation, molecular-beam epitaxy (MBE), reactive evaporation
CVD (CVD epitaxy, APCVD, LPCVD, MOCVD = metal-organic, PHCVD = photoenhanced, LCVD = Laser induced CVD, ...), tepeln´e procesy (thermal nitridation, oxidation, polymerization)
Kapaln´e chemick´e procesy I
elektrolytick´e procesy (electroplating, electrophoretic dep., electrolytic anodization, ...) a mechanick´e procesy (spray-on, spin-on techniques) Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
I
Rozpraˇsov´an´ı = vyr´aˇzen´ı ˇc´astic z pevn´eho materi´alu nar´aˇzen´ım energetick´ych ˇc´astic (projektily) [Bunshah,1994]
I
V´ytˇeˇznost (yield) = poˇcet vyraˇzen´ych ˇc´astic ku poˇctu ˇc´astic dopadaj´ıc´ıch
I
Energetick´ymi projektily b´yvaj´ı nejˇcastˇeji ionty Ar nebo jin´eho inertn´ıho plynu. Lze pouˇz´ıt i jin´e ˇc´astice: elektrony, neutr´aln´ı ˇc´astice i fotony.
I
Nejvˇetˇs´ı v´ytˇeˇznost m´a samorozpraˇsov´an´ı, projektily jsou v tomto pˇr´ıpadˇe stejn´e ˇc´astice jako ˇc´astice terˇce. Pˇrenos hybnosti a energie je pak nejefektivnˇejˇs´ı. Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
I
0 < E < 50 eV – mal´a v´ytˇeˇznost napraˇsov´an´ı, nicm´enˇe lze pouˇz´ıt.
I
50 eV < E < 1 keV – nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´y rozsah [Rossnagel,1990]. V terˇci doch´az´ı k ˇretˇezci sr´aˇzek.
I
1 keV < E < 50 keV – Pˇri tˇechto energi´ıch doch´az´ı k velk´ym kask´adn´ım sr´aˇzk´am uvnitˇr terˇce, ale v´ytˇeˇznost rozpraˇsov´an´ı je menˇs´ı.
I
E > 50 keV – Pˇri tˇechto energi´ıch se projektil plnˇe zabuduje do materi´alu terˇce.
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
Obvykl´e vzd´alenosti terˇc-substr´at jsou v ˇr´adech cm a vyˇsˇs´ıch. Pracovn´ı tlak se obvykle pohybuje od 10−3 do 101 Pa. Stˇredn´ı voln´a dr´aha rozpr´aˇsen´ych atom˚ u se tedy mˇen´ı od ˇr´adovˇe mm aˇz do stovek cm v z´avislosti na tlaku. I
Balistick´ y transport – bez sr´aˇzkov´y transport za n´ızk´ych −1 tlak˚ u (10 Pa a menˇs´ı)
I
Dif´ uzn´ı (Termalizovan´ y) transport – za vysok´ych tlak˚ u (ˇr´adovˇe Pa a vyˇsˇs´ıch) jsou ˇc´astice zastaveny sr´aˇzkami s okoln´ım plynem. Transport pokraˇcuje dif´ uz´ı. Doch´az´ı k zahˇr´at´ı plynu pˇred´av´an´ım energie. Pokud je zahˇr´at´ı v´yrazn´e m˚ uˇze doj´ıt ke zˇredˇen´ı plynu.
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
V´ypoˇcet v´ytˇeˇznosti [Yamamura,1996],[Depla,2008] #s " r Eth Q(Z2 )α∗ (M2 /M1 ) Sn (E ) , (1) Y (E ) = 0.042 1− Us 1 + Γke 0.3 E E je energie projektilu, M1 a M2 jsou hmotnosti projektilu a atomu terˇce v a.m.u., Us je povrchov´a vazebn´a energie terˇce, W (Z2 ), Q(Z2 ) a s jsou bezrozmˇern´e tabulkov´e parametry, Γ=
W (Z2 ) , 1 + (M1 /7)3
α∗ = 0.249(M2 /M1 )0.56 + 0.0035(M2 /M1 )1.5 , M1 ≤ M1 α∗ = 0.0875(M2 /M1 )−0.15 + 0.165(M2 /M1 ), M1 ≥ M2 Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
(2) (3) (4)
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Sputtering threshold Eth = 6.7Us /γ, M1 ≤ M2
(5)
Eth = (1 + 5.7(M1 /M2 ))/γ, M1 ≥ M2
(6)
Energy transfer factor in elastic collision γ = 4M1 M2 /(M1 + M2 )2
(7)
Lindhard electronic stopping coefficient ke = 0.079
2/3
(M1 + M2 )3/2 2/3
1/2
M1 M2
1/2
Z1 Z2 2/3
(Z1
2/3
+ Z2 )3/4
(8)
Nuclear stopping cross section Sn (E ) =
84.78Z1 Z2 2/3 (Z1
+
2/3 Z2 )1/2
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
M1 s TF () M1 + M2 n
Depozice tenk´ ych vrstev I.
(9)
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
reduced nuclear stopping power snTF () =
√ 3.441 ln( + 2.718) √ √ 1 + 6.355 + (6.882 − 1.708)
(10)
and reduced energy =
0.03255 2/3 Z1 Z2 (Z1
+
2/3 Z2 )1/2
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
M2 E (eV) M1 + M2
Depozice tenk´ ych vrstev I.
(11)
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
I
DC rozpraˇsov´an´ı je nejstarˇs´ı, nejjednoduˇsˇs´ı ale nejm´enˇe pouˇz´ıvan´e [Powell,1999]
I
DC se ned´a pouˇz´ıt k rozpraˇsov´an´ı nevodiv´ych materi´al˚ u, protoˇze se na terˇci postupnˇe akumuluje n´aboj. DC rozpraˇsov´an´ı je tak´e omezeno vysok´ym napˇet´ım, n´ızk´ym iontov´ym proudem a relativnˇe vysok´ym tlakem. ´ cinn´y pr˚ Uˇ uˇrez pro ionizaci sekund´arn´ımi elektrony je mal´y, plazma m´a tedy malou hustotu a tedy i n´aslednˇe m´a proces malou depoziˇcn´ı rychlost.
I
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
I
RF rozpraˇsov´an´ı lze pouˇz´ıt pro depozici vodiv´ych, polovodiv´ych i nevodiv´ych vrstev. Pˇri RF rozpraˇsov´an´ı se katoda (terˇc) v jedn´e p˚ ulperiodˇe nab´ıj´ı a v druh´e vyb´ıj´ı (elektronov´y a iontov´y proud).
I
RF v´yboj m˚ uˇze pracovat i za niˇzˇs´ıch tlak˚ u neˇz DC (menˇs´ı ztr´ata prim´arn´ıch elektron˚ u - z˚ ust´avaj´ı delˇs´ı dobu ve v´yboji, vˇetˇs´ı objemov´a ionizace), elektrony nav´ıc mohou z´ıskat dodateˇcnou energii.
I
Napˇet´ı na katodˇe je menˇs´ı neˇz pˇri DC, protoˇze je vˇetˇs´ı iontov´y proud na katodu.
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
Samopˇredpˇet´ı - d´ıky vyˇsˇs´ı pohyblivosti elektron˚ u m˚ uˇze elektroda bˇehem jednoho cyklu zachytit vˇetˇs´ı elektronov´y neˇz iontov´y proud. Pˇredpˇet´ı (Bias) na substr´atu - Vytvrzov´an´ı vrstvy.
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
I
Pulzn´ı buzen´ı
I
HIPIMS = HPPMS
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
High Power Impulse Magnetron Sputtering = High Power Pulsed
Magnetron Sputtering
I
obrovsk´e v´ykony v ˇr´adovˇe mikrosekundov´ych pulzech (s hustotou v ˇr´adech kWcm−2 )
I
obrovsk´e proudov´e hustoty za mal´eho napˇet´ı (6 Am−2 na stovky V)
I
velmi hust´e plazma 10−13 ions cm−3
I
velmi odoln´e v˚ uˇci korozi a z´aroveˇ n velmi tvrd´e
I
zdroj Wikipedia
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
Plan´arn´ı diodov´e napraˇsov´an´ı, DC doutnav´y v´yboj [Bunshah,1994]
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
Plan´arn´ı kruhov´y magnetron [Powell,1999], inline [Bunshah,1994]
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Substrate
Substrate
Balanced
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
Terč
Terč
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Unbalanced
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
V´alcov´y magnetron [Bunshah,1994]
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
I
plazma z vnˇejˇs´ı strany v´alce (magnetron post cathode) - vhodn´e pro velk´e substr´aty
I
uvnitˇr v´alce (hollow cathode) - vhodn´e pro povlakov´an´ı vl´aken proch´azej´ıc´ıch osou v´alce
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
V´alcov´y magnetron[Powell,1999] post magnetron
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
magnetron s dutou katodou
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
S-gun [Powell,1999] 3D verze kruhov´eho plan´arn´ıho magnetronu
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
Depozice rozpraˇsov´an´ım pomoc´ı iontov´eho svazku [Bunshah,1994]
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Z´ aklady Energie dopadaj´ıc´ıch projektil˚ u Transport rozpr´ aˇsen´ ych ˇ c´ astic Sputtering yield Buzen´ı plazmatu Konfigurace syst´ emu pro depozici napraˇsov´ an´ım
reaktivn´ı napraˇsov´an´ı [Powell,1999] I
pˇrid´an´ı reaktivn´ıch plyn˚ u
I
depozice oxidov´ych, nitridov´ych vrstev
I
oxidy se rozpraˇsuj´ı h˚ uˇre neˇz ˇcist´y kov terˇce
I
proces pak ˇr´ıd´ı rozpraˇsov´an´ı oxid˚ u nebo p˚ uvodn´ıho materi´alu, existuj´ı dva operaˇcn´ı reˇzimy
I
kovov´y (metal) a oxidov´y (poisoned)
I
eliminace napˇr. velkou ˇcerpac´ı rychlost´ı
I
hled´an´ı optim´aln´ıho pracovn´ıho bodu Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
I
Napraˇsov´an´ı je velmi ˇcasto pouˇz´ıv´ano. Pˇrev´aˇzn´e aplikace jsou na vodiv´e, nevodiv´e i magnetick´e materi´aly.
I
Vyuˇzit´ı vrstev je velmi ˇsirok´e.
I
Oproti chemick´ym metod´am CVD je PVD ”enviromentally friendly” a m´enˇe energeticky n´aroˇcn´a. Z´aroveˇ n ale PVD neumoˇzn ˇuje deponovat materi´aly sloˇzit´ych struktur a nedosahuje tak velk´ych depoziˇcn´ıch rychlost´ı jako CVD.
I
Vysok´a poˇrizovac´ı cena a provozn´ı n´aklady. ´ Na UFE se hlavnˇe vˇenujeme pˇr´ıpravˇe tvrd´ych otˇeru odoln´ych vrstev.
I
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
pˇrevzato z [Bunshah,1994]
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
References K. Seshan. Handbook of thin film deposition: Processes and Technologies, 2nd edition, Noyes Publications, 2002, ISBN 0-8155-1442-5 S. M. Rossnagel – J. J. Cuomo – W. D. Westwood. Handbook of plasma processing technology: Fundamentals, Etching, Deposition and Surface Interactions, Noyes Publications, 1990, ISBN 0-8155-1220-1 D. Depla – S. Mahieu. Recative Sputter Deposition, Springer, 2008, ISBN 978-3-540-76662-9 R. F. Bunshah. Handbook of deposition technologies for films and coatings: Science, Technology and Applications, 2nd , editionNoyes Publications, 1994, ISBN 0-8155-1337-2 Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
References
R. A. Powell, S. M. Rossnagel. Thin Films: PVD for Microelectronics, Academic Press, 1999, ISBN 0-12-533026-X Y. Yamamura – H. Tawara. Atomic data and nuclear date tables. Academic Press, Inc., (1996), vol. 62, 149
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
Depoziˇ cn´ı technologie - pˇrehled Depozice rozpraˇsov´ an´ım Conclusions
Dˇekuji V´am za pozornost!
Mgr. Tereza Schmidtov´ a
Depozice tenk´ ych vrstev I.
