Technologia cienkowarstwowa
Different kinds of surface attack
Procesy zachodzące na powierzchni
Decorative function Adsorption
Contamination
Weathering
Surfaces of static or dynamic
loades parts
Cracking
Cracking propagation
Delamination
Surfaces of electrical contacts,
insulators, thermal barriers, etc.
Passivation
Oxidation
Scaling
Surfaces in contact with liquids Corrosion
Surfaces in contact with flowing
agents (liquids, sediments)
Cavitation
Erosion
Bearing
Gears
Brakes
Contact deformation
Wear
Surfaces in contact with
micro organisms Fouling Konstanty Marszałek 2
Technologia cienkowarstwowa
DEFINICJE CIENKIEJ WARSTWY
„Warstwę nazywamy cienką, jeżeli grubość jej obszarów
przypowierzchniowych o zaburzonych własnościach fizycznych jest
odpowiednio duża w stosunku do grubości całkowitej” [Bruce, Balmer ‘Dielectrics’ 2,7 (1963)]
Szukamy zależności miedzy grubością a:
• średnią drogą swobodną (przy uwzględnieniu cząsteczkowego charakteru oddziaływań)
• długością fali (przy uwzględnieniu falowego charakteru oddziaływań)
Prowadzi to do innej rodziny definicji np. [Skobielkin et al., FTT 11,40 (1969)]
Konstanty Marszałek 4
Technologia cienkowarstwowa
22
1 sin
cld
„Warstwę nazywamy cienką, jeśli jej grubość jest o wiele mniejsza
od głebokości wnikania pola elektromagnetycznego do próbki
masywnej (bulk)”
d - grubość
l - głębokość wnikania
ε1 > ε2 - przenikalność elektryczna ośrodka optycznie gęstszego i
rzadszego
α - kąt padania fali elektromagnetycznej
c - prędkość światła w próżni
ω - częstość kołowa fali elektromagnetycznej
Konstanty Marszałek 5
Technologia cienkowarstwowa
CIENKA WARSTWA (?)
• Kryterium „elektryczne”
REZYSTORY
• Kryterium „chemiczne”
SENSORY
TFT
KATALIZATORY
Konstanty Marszałek 6
Technologia cienkowarstwowa
CIENKA WARSTWA (?)
• Kryterium optyczne
FILTRY OPTYCZNE
OPTOELEKTRONIKA
np.
Konstanty Marszałek 7
Technologia cienkowarstwowa
Procesy zachodzące na powierzchni warstwy podczas depozycji
Konstanty Marszałek 9
Technologia cienkowarstwowa
gAV gAS
gSV
Zmiana energii interfejsu przy dodaniu atomu A do układu:
ASAVSVG ggg interface
3 typy wzrostu układów cienkowarstwowych: • warstwa po warstwie • wyspowy • mieszany
Procesy zachodzące na powierzchni warstwy podczas depozycji
gA
Konstanty Marszałek 10
Technologia cienkowarstwowa
Rosnąca warstwa redukuje energię powierzchniową; “zwilża” powierzchnię
ASAVSV ggg Frank- Van der Merwe Growth: 1)
Vollmer-Weber Growth (V-W): ASAVSV ggg
Rosnąca warstwa chce zminimalizować energię interfejsu i swoją własną energię powierchniową rosną wyspy
2)
3) Stranski-Krastanov (S-K) Growth ASAVSV ggg
Pierwsza warstwa „zwilża” powierzchnię, następne już nie rosną wyspy
na pojedynczej lub kilku monowarstwach
Konstanty Marszałek 11
Technologia cienkowarstwowa
Właściwości cienkich warstw - przewodnictwo elektryczne
Konstanty Marszałek 12
Technologia cienkowarstwowa
Właściwości cienkich warstw - przewodnictwo elektryczne
rf
][
a
bR
da
bR
RR 2
d8
31
)1.0(
d
Reguła Mathiessena
Konstanty Marszałek 13
Technologia cienkowarstwowa
Właściwości cienkich warstw - właściwości optyczne
)(TI
I
o
T )(RI
I
o
R
)(AI
III
o
TRo
1 TRA
doT eII )(
Konstanty Marszałek 14
Technologia cienkowarstwowa
Właściwości cienkich warstw - właściwości optyczne
Mechanizmy absorbcji i odbicia
metale, półprzewodniki
Widmo absorbcji i odbicia
Konstanty Marszałek 15
Technologia cienkowarstwowa
22
mnd
m
nd
4
Właściwości cienkich warstw - właściwości optyczne
Mechanizmy absorbcji i odbicia
Interferencja
n - współ. zał.
m = 1, 2, 3
Konstanty Marszałek 16
Technologia cienkowarstwowa
Właściwości cienkich warstw - właściwości mechaniczne
ADHEZJA - wiązania mechaniczne
- wiązania Van der Waalsa (słabe)
ŚCIERALNOŚĆ
TWARDOŚĆ
- wiązania dyfuzyjne
- wiązania pseudodyfuzyjne (powstają podczas bombardowania
powierzchni fononami o wyższych energiach)
(sputtering, działa jonowe o dużym polu elektrycznym)
NAPRĘŻENIA - wiązania chemiczne
Konstanty Marszałek 17
Technologia cienkowarstwowa
Właściwości cienkich warstw - właściwości mechaniczne
- rodzaju podłoża
- rodzaju warstwy
- obecności zanieczyszczeń na powierzchni
- struktury defektów na powierzchni podłoża
- naprężeń mechanicznych na granicy podłoże - warstwa
- energii z jaką atomy (cząsteczki) warstwy docierają do podłoża
- obróbki termicznej
- obecności substancji adhezyjnych w warstwie
• dyfuzja tlenu (reakcja chemiczna) powoduje wzrost adhezji
• naprężenia mechaniczne obniżają adhezje
•Adhezja zależy od:
Konstanty Marszałek 18
Technologia cienkowarstwowa
•Metody badania adhezji:
- test taśmą klejąca
- pomiar wytrzymałości na ścieranie
- siły odśrodkowe i wibracje ultradźwiękowe
- przykładanie sił prostopadłych do warstwy
- metoda „rysowania” (Benjamin i Weaver „Proc.Roy.Soc. A254 1960)
Właściwości cienkich warstw - właściwości mechaniczne
Konstanty Marszałek 19
Technologia cienkowarstwowa
• gładkość, płaskość i czystość powierzchni
• wytrzymałość mechaniczna
• mała zawartość zanieczyszczeń i mała porowatość
• duża przewodność cieplna
• odporność na wysokie temperatury
• współczynnik rozszerzalności cieplnej dostosowany do współ. rozszerzalności
cieplnej nanoszonej warstwy
• pasywność chemiczna
• podatność na odgazowanie w próżni
• stabilność właściwości fizycznych i chemicznych
• mała przenikalność elektryczna
• małe straty dielektryczne
• możliwie mały koszt
Własności podłoży jako elementów nośnych cienkich warstw:
Konstanty Marszałek 20
Technologia cienkowarstwowa
- zanieczyszczenia fizyczne (pył, kurz, włosy, cząstki metali, kryształki soli nieorganicznych)
- zanieczyszczenia chemiczne (oleje, tłuszcze, smary, produkty korozji powierzchniowej)
- zanieczyszczenia występujące w objętości podłoża
Czyszczenie podłoży
•Rodzaje zanieczyszczeń
•Sposoby usuwania zanieczyszczeń
- odtłuszczanie
- trawienie (jonowe, chemiczne)
- płukanie
- suszenie (susz. parami gorącego gazu, odwirowanie, płukanie parami alkoholu)
- wypalanie (usuwa z ceramiki tlenki, azotki, chlorki, fluorki rozpuszcza w objętości lub wiąże chemicznie) Konstanty Marszałek 21
Technologia cienkowarstwowa
•Przykłady procesów czyszczenia podłoży
I. Szkło, ceramika, ceramika glazurowana, szafir a. Ultradzwiękowa kąpiel w detergencie (room temp. - biąłka)
b. Ultradzwiękowa kąpiel w detergencie w +70oC
c. Usuwanie detergentu przez płukanie w strumieniu gorącej wody
d. Płukanie w wodzie utlenionej
e. Płukanie w gorącej wodzie destylowanej (15 min. Dejonizacja)
f. Suszenie oczyszczonym N2 w temp. 110oC przez 15 min.
II. Szkło, szafir a. Mycie irchą w jonowym środku myjącym
b. Płukanie wodą dejonizowaną i destylowaną
c. Czyszczenie ultradzwiękowe w poj. z woda dejonizowaną
d. Zanurzenie w alkoholu etylowym
e. Suszenie w parach alkoholu etylkowego
III. Czyszczenie jonowe jonami lub elektronami z wyładowania jarzeniowego (usuwa zanieczyszczenia z dokładnością do
pojedynczych atomów
Konstanty Marszałek 22
Technologia cienkowarstwowa
Próżnia w badaniach i procesach technologicznych (1)
* 1 mbar = 1 hPa ~ 1 Tr ( 1 Tr = 1,33 mbar) Konstanty Marszałek 25
Technologia cienkowarstwowa
Próżnia w badaniach i procesach technologicznych (2)
Konstanty Marszałek 26
Technologia cienkowarstwowa
Podział metod otrzymywania cienkich warstw ze względu na charakter
procesu osadzania:
a. fizyczne PVD
b. chemiczne CVD
Podział ze względu na stan fizyczny materiałów wyjściowych:
- osadzanie z fazy gazowej
- osadzanie z zawiesin
- osadzanie z fazy ciekłej
- osadzanie z past
- osadzanie z fazy stałej
Konstanty Marszałek 27
Technologia cienkowarstwowa
Podział metod otrzymywania warstw (G.Hass et all Physics of Thin Films NY. L.1969 )
1. Naparowanie próżniowe(evaporation)
- powolne z jednego źródła
- powolne z wielu źródeł
- wybuchowe (flash)
2. Rozpylanie jonowe (sputtering)
- stałoprądowe w układzie diodowym (dc)
- z czyszczeniem podłoża
- reaktywne
- stałoprądowe w układzie triodowym
- wysokiej częstotliwości diod. lub triod. (rf)
- elektrochemiczne
3. Osadzanie w wyniku reakcji chemicznej materiału podłoża z otaczającym
go środowiskiem.
Konstanty Marszałek 28
Technologia cienkowarstwowa
4. Anodyzacja
- elektrolityczna
- plazmowa
5. Osadzanie z fazy gazowej
6. Osadzanie elektrolityczne
7. Topienie sproszkowanej substancji na odpornym termicznie podłożu
- osadzanie mechaniczne (np. wirówka odśrodkowa)
- elektroforetyczne osadzanie proszku
- dielektroforetyczne osadzanie proszku
- sedymentacyjne nanoszenie proszku
8. Trawienie monokryształów
9. Metoda wyładowania elektrycznego
Podział metod otrzymywania warstw c.d.
Konstanty Marszałek 29
Technologia cienkowarstwowa
Metody nanoszenia warstw
CVD Chemical Vapour Deposition
elektrochemiczne
elekteolityczne
platerowanie z
fazy stopionej
natrysk plazmowy
proszków (cer-met)
fotoliza
spray pirolysis
hydroliza
transport chemiczny
MOCVD metal oxide
MPCVD microwave plasma
RFCVD radiofrequency
ECR CVD
Electron Cyclotron Reson
CatCVD Catalytic
PICVD Photo Induced
LICVD Laser Induced
Konstanty Marszałek 30
Technologia cienkowarstwowa
PVD (Physical Vapour Deposition)
Naparowanie
evaporation
- oporowe
- indukcyjne
- elektronowe
- laserowe
- „flash”
- jednoczesne (coevapor.)
- reaktywne
Molecular Beam
Wiązka molekularna
Ion Sputtering
DC Sputtering
Działo jonowe
Ion Beam
RF Sputtering Działo magnetronowe
Triode Sputtering
Magnetron Sputtering
Ion plating
Magnetron ion plating
Reaktive Ion
Sputtering
Konstanty Marszałek 31