Naprašování

Transkript

Naprašování

Naprašování:

Vytržení jednotlivých atomů, molekul či jejich shluků
bombardováním terče (targetu) ionty s vysokou energií (~keV)

Po nárazu iont předává hybnost částicím terče, dojde k
vytržení

Depozice vytržených částic na substrát

Probíhá ve vakuu

Zdroj iontů (pracovní plyn) nejčastěji inertní plyn – He, Ne, Ar,
Xe ..

Ionty elektricky urychlovány na požadovanou energii
Reaktivní naprašování:

Bežně využíváno pro tvorbu vrstev oxidů, nitridů,
carbidů, ale i oxonitridů a dalších
Target bombardován
y směsí iontů inertního plynu s dusíkem, kyslíkem ..
y čistým plynem, bez inertního (kyslík oxiduje okolí,
pouze ve směsi)
Vlastnosti vrstvy závisí na složení plynu, možné
nanášet vrstvy s různou elektrickou vodivostí
Různé oxidační stavy prvků ve vrstě
Polykrystalické materiály (po zažíhání)
Oxidační stavy, polykrystalinita:
XPS
XRD
Hotovy et al. / Sensors and Actuators B 78 (2001) 126 – 132
Naprašování:

Výhody:
y Téměř všechny termálně stabilní látky se dají naprašovat
- Čisté látky, směsi, slitiny … ideální pro kovy
y Vytržené atomy, molekuly, clustery mají vyšší energii, migrují po
povrchu substrátu a tím podporují jeho stupňovité pokrývání
y Obecně vyšší rychlost depozice
y Kvalitní vrstvy – velikost zrn, morfologie, složení

Nevýhody:
y Nevhodné pro organické materiály – chemická vazba ~ eV
zásah iontem s energií ~ keV – roztrhání vazeb
y Zdroj iontů třeba s vysokou čistou
y Film povětšinou neroste epitaxně, zvýšením teploty substrátu ji
lze teoreticky dosáhnout
Princip:
Uspořádání dle
ONF ÚJF v Řeži
Iontový zdroj Duoplasmatron – umožňuje vstup 2 plynů
K – katoda (př. wolframové vlákno)
IE – intermediální elektroda
A – anoda
Ext – extrakční jednotka
Zdroj [1]
Iontové naprašování:

Plyn přiveden do iontového zdroje
Díky přirozené radiaci plyn již obsahuje ionty (př. Ar+), nestačí
pro účely depozice
V iontovém zdroji žhavící katoda dodávající elektrony do
objemu plynu. Dochází ke srážkám elektronů s neutrálními
molekulami plynu – ionizaci
Při dostatečné ionizaci zapálení výboje mezi katodou a anodou
(nízkotlaký oblouk) – udržuje parametry plasmatu
Plasma pro vyšší proudové hustoty staženo magnetickým
polem. Magnetické pole také zabraňuje kontaktu plasmatu se
stěnami zdroje a zpětnému toku elektronů do oblasti katody
Zdroj [1]
Extrakční jednotka extrahuje plasma jako svazek iontů
Focusace svazku (menší plocha průřezu svazku)
y Elektrostaticky – iontová optika : 3 elektrody – 2
zemněné, 1 na potenciálu, mezi nimi prochází svazek.
Svazek se komprimuje díky elektrickému poli mezi válci
y Magneticky – kontrakce pomocí magnetů
Svazek iontů dopadá na target, vytrhává povrchové
atomy, molekuly a rozprašuje je do okolí
Vytrhnuté částice si sedají na substrát (a stěny komory)

Iontové naprašování - svazek:
Zdroj [1]
Svazek iontů neobsahuje pouze jednonásobně nabité
ionty
Směs iontů

y Př. z argonu – většina Ar+ ale také Ar2+
y Př. z kyslíku – O2+,O+,O2+, O22+, O3+ a další
Rozdělení jednotlivých iontů pomocí magnetického pole
tzv. separační magnet - působením Lorentzovy síly
Podle velikosti magnetického pole – zakřivení drah,
možné vyvézt pouze vybrané ionty, získat
monoenergetický svazek
Magnetické pole také pro analýzu svazku

Závislosti depozice:

Závislost tloušťky na čase (při konstantní energii, proudu)
Experimenty ONF UJF Řež

Závislost výtěžku depozice na úhlu dopadu (optimum cca 60°)
Zdroj [6]
Závislosti depozice:

Závislost výtěžku na energii (při konstantní dávce)
Zdroj [6]
Obdobný graf i pro závislost tloušťky na energii
Experimenty VŠCHT Praha a ÚJF Řež
10 x 10 μm
10 x 10 μm
1 μ m x 1 μm
Princip:

Po dodání energie magnetronu se target nabije
záporným napětím ~ 300 V
Ionty z plasmatu jsou urychlovány směrem k
elektrodě/targetu
Pokud je energie iontu vyšší (cca 3x) než povrchová
vazná energie, dojde k uvolnění částice
Vyražené částice jsou zachyceny na substrát
Tvorba plasmatu:

Dopadající iont nezpůsobuje pouze sputtering, ale
také sekundární emisi – vytržení elektronu z
materiálu, při kolizi iontu s targetem
Sekundární elektrony zvyšují ionizaci plynu
Se vzrůstající vodivostí plynu klesá průrazné napětí
pro výboj
Při dostatečně velké ionizaci plynu se při přiloženém
napětí zažehne samoudržitelný výboj zaručující
trvalou ionizaci plynu – doutnavý výboj (glow
discharge)
Princip:
Magnetronové naprašování - zdroj [1]
Princip:
Zdroj : I. Institute of Physics (IA) - RWTH Aachen University
Zvyšování ionizace:

Sekundární elektrony zvyšují ionizaci
Pro další nárůst ionizace kruhový magnet je dán do
blízkosti targetu
Elektrony jsou zachyceny v poli magnetu a cirkulují nad
povrchem targetu
Delší doba pobytu elektronu v plynu způsobuje vyšší
pravděpodobnost ionizace a tím zápal plasmatu při nižším
tlaku, který může být až 100x nižší než u bežného
sputteringu
Vyšší ionizace zvyšuje také rychlost depozice
Nižší tlaky díky méně častým kolizím odprášeného
materiálu způsobují vyšší kinetickou energii materiálu při
dopadu na substrát
Metody magnetronového naprašování:

Bombardování nevodivého targetu (izolantu)
positivními ionty vede ke kumulaci náboje na povrchu
a odstínění elektrického pole – stejnosměrné napájení
není vhodné (dc-sputtering)

Použití radio frekvenčního (rf-sputtering) buzení řeší
problém kumulace náboje:
y V první fázi přitahuje ionty, odprašuje se target
y V druhé fázi dochází k vymizení náboje
Možné odprašovat i nevodivé targety
Magnetronové naprašování:
Hotovy I, Rehacek V, Siciliano P, Capone S, Spiess L, Thin Solid Films 418 (2002) 9-15
AFM snímky filmu oxidu niklu
SEM snímky filmu oxidu niklu
W.-L. Jang et al. / Journal of the European Ceramic Society 30 (2010) 503–508
Magnetronové naprašování:
I. Hotovy et al. / Sensors and Actuators B 103 (2004) 300–311
AFM snímky NiO (viz Iontové naprašování pro srovnání)
Iontové vs Magnetronové naprašování:

Iontové n. :
Parametry iontového svazku nezávisí na parametrech a
stavu targetu
Vhodný i pro velice tenké vrstvy
Tlak 10-2 až 10-3 Pa
Problematičtější sputtering izolantů

Magnetronové n. :
Target je jednou z elektrod a jeho parametry ovlivňují
celkově proces naprašování
Méně vhodný pro tenké vrstvy, hrubší metoda
Tlak ~ 1 - 10 Pa (možnost zlepšení vakua pomocí
magnetu)
Možné naprašovat i nevodivé targety (rf-sputtering)
Princip:

Implantace - zavedení cizího prvku (dopantu) do
materiálu
Většinou možné použít aparaturu iontového
naprašování i jako implantátor
Potřeba:
y iontový zdroj
y urychlovač elektrostaticky urychlující ionty na
potřebnou energii
y komora s materiálem k implantaci (ve vakuu)
Implantátory dovávají proud většinou ~ μA. Dávka
dodaná materiálu je nízká. Implantátory tedy
použitelné pro menší změnu chemického složení
Implantace:

Implantace materiálu jiným prvkem způsobuje
změnu chemického složení
Může vyvolat změnu struktury (poškození
krystalové struktury) či jadernou přeměnu
Implantované materiály mají odlišné vlastnosti:
y Chemické - vodivost (dokonce změna typu vodivosti),
korozivní vlastnosti …
y Mechanické – tření, opotřebení ..

Hloubka penetrace závisí na energii, energie ~
keV dosahuje ~ nm, MeV ~ μm
Implantace:

Změna struktury způsobená implantací a její
detekce pomocí RBS
RBS kanálování dle Dr. Anny Mackové ONF ÚJF Řež
Výhody a nevýhody Implantace:
+
+
+
+
+
+
Schopnost přesné kontroly dopovaného množství
Možnost zavedení dopantů do potřebného místa
Možnost kontrolovat hloubkový profil dopantů
Nepřidává další materiál na povrch
Není potřeba vysoká teplota pro výrobu
Na rozdíl od coatingu nedochází k uvolnění implantované
vrstvy
-
Schopnost dopovat pouze malými dávkami, případné delší
depoziční časy
Možné poškození struktury materiálu – amorfizace (pomůže
žíhání)
Částěčný sputtering materiálu
-
Implantace:
Urychlovač Tandetron 4130
Urychlovač v Řeži je možné využít
také jako implantátor, hlavně ale
poskytuje
řadu
unikátních
materiálových analytických metod
jako je RBS, ERDA-TOF, PIXE,
PIGE.
Urychlovač Tandetron 4130 v ÚJF Řež
Rozsah energií ~ 100 keV do 20 MeV
Literatura:
[1] Arthur J R, Specimen Handling, Preparation, and
Treatments in Surface Characterization, Volume 8, 2002
[2] Wasa K, Hayakawa S, Handbook of sputter deposition
technology: principles, technology, and applications, 1992
[3] www.pvd-coatings.co.uk
[4] http://www.casetechnology.com/implant.html
[5] http://silver.neep.wisc.edu/psii/ University of Wisconsin
Plasma Source Ion Implantation Laboratory
[6] Zorb K A, Williams J D, Williams D D, Yalin P A, 29th
International Electric Propulsion Conference, Princeton
University, October 31 – November 4, 2005