Wykład (2)

Fizyka Cienkich Warstw
W-2
METODY OTRZYMYWANIA CIENKICH
WARSTW
(preparation methods, deposition methods, coating technologies)
1. Fizyczne metody otrzymywania warstw
2. Chemiczne metody otrzymywania warstw
3. Metody cieplno-mechaniczne
1. Fizyczne metody otrzymywania warstw
(physical deposition methods)
•
•
•
Naparowanie próżniowe (vacuum evaporation),
Rozpylanie jonowe (ion sputtering),
Metoda MBE czyli epitaksja z wiązek
molekularnych (molekular beam epitaxy).
2. Metody cieplno-mechaniczne
(thermo-mechanical coating methods)
•
•
Metoda natryskowa w płomieniu gazu
(flame spraing)
Metoda natryskowa z udziałem wiązki laserowej
(laser-spray coating)
3. Chemiczne metody otrzymywania
warstw
(chemical deposition methods)
• Metoda termicznego wzrostu
(thermal growth method)
• Anodyzacja (anodisation),
• Metoda wzrostu z fazy gazowej – metoda CVD
(chemical vapor deposition, chemical vapor phase
growth),
• Metoda ALD czyli osadzanie warstw atomowych
(atomic layer deposition)
• Electroplaterowanie (electroplating) - czyli
galwanicze osadzanie powłok warstwowych,
• Platerowanie (plating)- chemiczne osadzanie
warstwy na podłożu zanurzonym w kąpieli
platerującej.
3. Chemiczne metody otrzymywania
warstw cd
• Osadzanie warstw z roztworów
(solution deposition):
• (a)
osadzanie warstw z zawiesiny koloidalnej
(colloidal suspension),
• (b)
osadzanie warstw metodą zanurzeniową
(deep-coating),
• (c)
nanoszenie metodą Langmuira-Blodget,
• (d)
nanoszenie metodą odwirowania
(spin-coating).
OTRZYMYWANIE CIENKICH WARSTW
METODĄ OSADZANIA FIZYCZNEGO Z FAZY GAZOWEJ
(PVD – physical vapor deposition)
Zagadnienia wstępne
1. Procesy osadzania prowadzi się w aparaturze próżniowej:
1-podłoża,
2-klosz próżniowy,
4-cząsteczki gazu uwolnione z
wewnętrznych powierzchni
aparatury(desorpcja),
5-połączenie aparatury z układem
pompującym,
6-strumień wsteczny gazu od układu
pompującego,
7-przegroda oddzielająca aparaturę
od układu pompującego,
8-źródło par,
9-cząsteczki gazu uwolnione ze źródła
par,
10-materiał kondensujący na
ściankach aparatury,
11- uchwyt podłoży
2. Przeliczenie jednostek ciśnienia
p
F  V  g   s  h  g


   g h
s
s
s
h
przykład:
1Tr  1mmHg   Hg  g  h  13.5 cmg3  9.81 sm2  1mm  133Pa
1atm  760mmHg   Hg  g  h  13.5 cmg3  9.81 sm2  760mm  1.01  105 Pa  1010hPa
3. Klasyfikacja próżni
Rodzaj próżni
Ciśnienie [Pa]
Ciśnienie [Tr]
Próżnia niska
105 –102
760-1
104Pa
Żarówki gazowe
Próżnia
średnia
100-10-1
1-10-3
1-102Pa
Lampy wyładowcze
Próżnia
wysoka
10-1 -10-6
10-3 -10-8
10-2Pa
Naczynia Dewara
Lampy elektronowe
Osadzanie warstw
Przykład występowania
10-4Pa
10-3Pa
Próżnia
ultrawysoka
10-6
10-8
Układy badawcze,
otrzymywanie
bardzo
czystych
materiałów-MBE
Próżnia
kosmiczna
10-13-10-14
10-15-10-16
Przestrzeń
kosmiczna
4.Średnia droga swobodna cząsteczek gazu
•Średnia droga swobodna cząsteczek gazu jest to średnia droga przebyta przez atom
(molekułę) między zderzeniami z atomami (cząsteczkami) gazu.
przekrój czynny cząsteczek
•Acz
 14   (2  d 0 ) 2
d0 - efektywna średnica molekuł
Średnią drogę swobodną cząsteczek gazu określa się na podstawie teorii kinetycznej gazów: v sk
 
1

Acz  n
1

2  d n
2
0
M  v sk2
3 2    d 02  p
p- ciśnienie gazu, n- koncentracja, M- masa cząsteczkowa, V- średnia prędkość kwadratowa
ząsteczek Wniosek:
Jeżeli n rośnie
to to  maleje
Jeżeli p rośnie
to
to  maleje
Ciśnienie [Pa]
1.01∙105 Pa
13.3 Pa
1.33∙10-3Pa
1.33∙10-5Pa
1.33∙10-7Pa
Ciśnienie [Tr]
760 Tr
10-1 Tr
10-5 Tr
10-7 Tr
10-9 Tr
Średnia droga
swobodna, λ
0.72μm
5.5m
550m
55km
0.55mm
5. Liczba cząsteczek gazów uderzających o podłoże
na jednostkę czasu na jednostkę powierzchni
Ng  C 
 1 
2

M g Tg  m  s 
pg
Ciśnienie
atmosferyczne
Ciśnienie [Pa]
Ciśnienie [Tr]
Ng[cząst./m2s]
Czas tworzenia tworzenia
się monoatomowej
warstwy gazów
C=8.33∙1022[kg-½·m-1·K½·mol-½·s],
Mg, masa cząsteczkowa gazu [kg/mol],
Tg - oznacza temperaturę w [K]
pg-ciśnienie gazu (wyrażone w [Pa]),
Próżnia wysoka
Próżnia
Ultrawysoka
1.01∙105 Pa
13.3 Pa
1.33∙10-3Pa
1.33∙10-5Pa
1.33∙10-7Pa
760 Tr
10-1 Tr
10-5 Tr
10-7 Tr
10-9 Tr
2.9∙1027
3.8∙1023
3.8∙1019
2.5ns
19 μs
0.19s
3.8∙1017
19s
3.8∙1014
1900s
6) Częstość zderzeń materiału odparowywanego
z podłożem
pe
Ne  C 
prawo Langmuira
M eTe
pe-ciśnienie par materiału odparowywanego. Przyjmuje się pe =10-2Tr (≈1Pa).
Me - masa cząsteczkowa materiału odparowywanego [kg/mol],
Te - temperatura par materiału w [K]
7. W trakcie osadzania warstw istotny jest stosunek
Dążymy do tego aby: N e  1
Ng
Ne
Ng
M g  Tg
Ne
C  pe
p
1[ Pa ]


 e 
Ng
C  pg
pg
p g [ Pa ]
M e  Te
dla próżni wysokiej
pg=10-3Pa (czyli 10-5 Tr):
dla próżni ultrawysokiej pg=10-7 Pa (czyli 10-9 Tr):
Ne
p
1
 e  3  10 3
Ng
p g 10
Ne
p
1
 e  7  10 7
Ng
p g 10
Wniosek:
1. Aby uniknąć wpływu gazów 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.
8. Temperatura parowania
Jest to taka temperatura przy której prężność par
materiału odparowywanego wynosi 1Pa –(tak przyjęto)czyli10-2 Tr.
9. Kondensacja
Jest to proces przejścia z fazy gazowej do fazy stałej lub
ciekłej.
10. Szybkość kondensacji
• Jest to ilość cząsteczek materiału jaka faktyczne osadza się
na jednostkę czasu na jednostkę powierzchni podłoża.
• Uwaga: szybkość kondensacji ≠ szybkości naparowania (część
atomów ulega odbiciu)
11. Proces tworzenia warstwy
Mamy trzy fazy procesu otrzymywania warstw:
• (a) wytworzenie atomowego strumienia pary
• (b) przelot atomów (cząsteczek) od źródła pary do
podłoża
• (c) kondensacja pary na powierzchni podłoża.
Dlaczego proces naparowania warstwy warstwy
musi być prowadzony w warunkach próżni wysokiej
i ultrawysokiej ?
• aby zminimalizować zderzenia materiału odparowywanego
z cząsteczkami gazu (powietrza) znajdującego się pod
kloszem aparatury
• aby zminimalizować wpływ gazów resztkowych na
tworzenie się warstwy (gazy te nieustannie bombardują
powierzchnię na którą naparowujemy warstwę)
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 - melting point
(temperatura topnienia)
ŹRÓDŁA PAR
DO OTRZYMYWANIA CIENKICH WARSTW
1. ŹRÓDŁA PAR Z NAGRZEWANIEM OPOROWYM
Wymagania ogólne:
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 reagować chemicznie z materiałem odparowywanym
Materiały stosowane na źródła z grzaniem oporowym
Temperatura
topnienia
Temperatura dla
ciśnienia par
p=10-6Tr
(p≈10-4Pa)
Temperatura
parowania, tzn.
dla p=10-2Tr
(p≈1Pa)
Wolfram
3380 oC
2410 oC
3230 oC
Molibden
2610 oC
1820 oC
3520 oC
Tantal
3000 oC
2240 oC
3060 oC
Źródła par z grzaniem oporowym
Naparowanie
w łuku elektrycznym
Zastosowanie : naparowanie warstw węgla
Osadzanie warstw za pomocą wiązki laserowej
- Pulsed Laser Deposition
Naparowanie materiałów trudnotopliwych
za pomocą działa elektronowego
Odchylanie wiązki elektronowej
polem elektrycznym
Odchylanie wiązki elektronowej
polem magnetycznym
Zalety metody:






możliwość dużego (punktowego ) skupienia wiązki elektronowej
ciepło dostarczane jest bezpośrednio do materiału odparowywanego
tygiel chłodzony wodą – oddziływanie materiału odparowywanego z tyglem zminimalizowane.
Wady metody:
duży stopień skomplikowania
wysoka cena
Parametry
Pwiązki=2-10kW
Uprzyśp=2-20kV
Ia=do 0.5A
Osadzanie warstw wieloskładnikowych
podłoże
źródło A
Z jednego źródła,
gdy prędkości
nanoszenia
składników takie
same.
podłoże
źródło A
źródło B
Z wielu
źródeł, gdy
prędkości
nanoszenia
składników
różne.
podłoże
źródło A
źródło B
Z wielu źródeł,
na zmianę.
Po osadzaniu
warstwę należy
wygrzać w celu
ujednoradnienia.
Osadzanie warstw wieloskładnikowych
Przykład 1
Osadzanie stopu
2-składnikowego
(AB) za pomocą
działa elektronowego
Przykład 2
Osadzanie stopu
3-składnikowego
(ABC) za pomocą
wiązki laserowej
APARATURA
Aparatura próżniowa
(Firma Edwards Anglia)
APARATURA PRóŻNIOWA
Aparatura próżniowa do metalizacji
(Firma Kolzer –Włochy)
Aparatura próżniowa ISE PVD 1000 Series
firmy Innovative Systems Engineering, USA,
APARATURA PRóŻNIOWA
“Tectra” - Niemcy
Mini-Coater - high vacuum coating system for thin film deposition