Vybrané technologie povrchových úprav

Metody vytváření tenkých vrstev© Doc. Ing. Karel Daďourek

2008

Metody vytváření tenkých vrstev

Vakuové metody – dnes nejužívanější CVD – Chemical vapour deposition PE CVD – Plasma Enhanced CVD PVD – Physical vapour deposition

- napařování – vysokou teplotou- naprašování – účinkem plasmy

Podstata CVD povlakování

Tepelný rozklad halogenidu kovu ve vakuu Příklad : TiCl4 + CH4 → TiC + 4 HCl

2 TiCl4 + N2 + 2 H2 → 2 TiN + 4 HCl Probíhá při teplotách 900 až 1200 oC a tlaku několika

set Pascalů Rychlost růstu vrstvy okolo 5 µm za hodinu Nejnižší teplota těchto reakcí je 750 oC Dnes pro snížení teploty často PECVD – plasmou

podporovaná chemická kondenzace z par CVD jen na keramiku, slinuté karbidy, příp.

rychlořeznou ocel (HSS) U nás – Pramet Šumperk – povlakované SK

Princip CVD

Vakuová komora

PA CVD (Plasma Assisted – se spoluúčastí plasmy)

Elektrony a kladné ionty – pomáhají reakci

Zařízení s VF plasmou

Příklad PACVD

C:H-vrstva uhlíku

-se zabudovanýmiatomy H - DLC

Rozklad jakéhokolivplynného uhlovodíku

VF plasma

Základní druhy PVD

Vysokévakuum

Nosný plynv něm hoří

výboj

Nižší vakuum

Schema naprašování

Rychlost naprašování je úměrná rozdílu tlaku par a tlaku v komoře a nepřímo úměrná odmocnině z teploty

Strukturní model pro napařování

Odporový ohřev

spirálka lodička

Ze žáruvzdorného materiáluWolfram, molybden

Přímý ohřev- jen sublimace

Indukční ohřev

Odpařování elektronovým dělem

Odpařování obloukem

Ve vakuu je oblouk stabilnější

Nutnost pomocné zapalovací elektrody

Me - odpařovaný kov Pevný terčík - target z

odpařovaného kovu - často tyč

PLD – Pulsní laserová deposice

1 – paprsek laseru2 – reflektor3 – čočka4 – vstupní okno5 - Targety na karuselu6 – vytápěný stolek se

substrátem7 – čerpací systém8, 9 - vakuometry

Napařování slitin

Složky nemají stejný tlak par, neodpařují se tedy stejně rychle

Řešení : Odpařování z několika zdrojů „flash evaporation“ – pulzní odpařování

při T >> Tmi

- přerušovaný oblouk- laserové pulzy

Reaktivní napařování

Nízkonapětový oblouk Balzers a ZEZ – zařízení NNO 150

Plasma v přírodě

Děje při dopadu iontu

Základní schema odprašování

Základní schema naprašování

Model pro naprašování - Thornton

Diodové naprašování

Schema reaktivního plátování

Movchanův model tvorby vrstev

Nutnost kompromisů – planární magnetron

Reaktivní proces vyžaduje poměrně značný tlak reaktivního plynu (dusíku)

Pro dobrou účinnost nesmí být atomy odprášené z targetu příliš rozptylovány na dráze k substrátu – co nejdelší volná dráha

Iontové plátování vyžaduje delší volné dráhy iontů Pro dobrou ionizaci plynu musí být skutečná dráha

elektronů mezi anodou a katodou daleko delší než volná dráha elektronů

Proto snaha udržet velkou volnou dráhu elektronů, ale současně co nejvíce prodloužiz skutečnou dráhu elektronů.

Magnetronový efektPohyb elektronu ve zkřížených polích

Maximálníefekt pro

kolméelektrické

a magneticképole

Srovnání magnetronovéhoa diodového naprašování

Princip planárního magnetronu

Děje v magnetronu

Konstrukce magnetronu

Magnetrony

Výboj v magnetronu Malý kruhový magnetron

Příklad konstrukce magnetronu

1 - permanentní magnety2 - titanový target3 - držák targetu4 - pólový nástavec5 - chladicí voda6 - držák magnetronu

Vzhled již upotřebených targetů

Magnetron a feromagnetický target

Průmyslové magnetrony

Několik vedle sebe Oboustranný typ

Efektivnost magnetronu

Schema magnetronového zařízení

Magnetronové zařízení Balzers a ZEZ – DAM 300K 2/2

ABS magnetrony - zařízení Hauser

Velké průmyslové zařízení(HVM Plasma s.r.o.)

Přípravky na vsázkuvlevo – CVD, vpravo - PVD

Teploty a tloušťky vrstev

Porovnání teplot procesů

Slinuté karbidy

Rychlořezné ažárupevné oceli

Běžné ocelibez TZ

Běžné ocelis TZ

plasty

Vlastnosti vrstev a teplota depozice

Energie jednotlivých procesů

Pro jemné vakuum U šipek příklady procesů s touto energií

Implantace příměsí do kovů Lze implantovat libovolné ionty do libovolné látky. Nezáleží

na rozpustnosti. Lze pracovat při libovolné teplotě. Často nutné chlazení

substrátu. Rozdělení koncentrace podle Gaussovy křivky Velmi tenká vrstva. Hloubka průniku – 1 nm na každý keV

energie – nutné alespoň 100 keV. Nedochází k rozměrovým změnám ani poškození povrchu.

V povrchové vrstvě vzniká tlakové pnutí. Dobře kontrolovatelná a ekologická technologie Prakticky bodový průnik do povrchu. Po ploše musí být

paprsek rozmítán.

Schema iontového implantátoru

Zařízení na iontovou implantaci

Ukázka koncentračního profilu

Nahoře – implantace cínu do křemíku, energie 150 keV1 – přímo po implantaci2- po ohřevu elektronovým paprskem 1,5 J/cm2

Dole – implantace cínu do hliníku, energie 150 keV1 – přímo po implantaci2- po ohřevu elektronovým paprskem 1,5 J/cm2

Užití ve strojírenství Povrchové zpevnění – implantace dusíku a p.

do nástrojových materiálů- chemické změny- tlakové napětí na povrchu

Rozmytí rozhraní mezi povlakem a substrátem Amorfizace povrchové vrstvy – kovové sklo Přímá reakce v povrchové vrstvě – implantace

dusíku do titanu