Technika jonowego rozpylania - Strona główna AGHhome.agh.edu.pl/~marszale/downloads/w1.pdf · Technologia cienkowarstwowa - zanieczyszczenia fizyczne (pył, kurz, włosy, cząstki

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


PODŁOŻE I POWŁOKA JAKO SYSTEM

Konstanty Marszałek 3


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)]



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



CIENKA WARSTWA (?)

• Kryterium „elektryczne”

REZYSTORY

• Kryterium „chemiczne”

SENSORY

TFT

KATALIZATORY



CIENKA WARSTWA (?)

• Kryterium optyczne

FILTRY OPTYCZNE

OPTOELEKTRONIKA

np.



Właściwości cienkich warstw



Procesy zachodzące na powierzchni warstwy podczas depozycji



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



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



Właściwości cienkich warstw - przewodnictwo elektryczne



Właściwości cienkich warstw - przewodnictwo elektryczne

rf

][

a

bR

da

bR

RR 2

d8

31

)1.0(

d

Reguła Mathiessena



Właściwości cienkich warstw - właściwości optyczne

)(TI

I

o

T )(RI

I

o

R

)(AI

III

o

TRo

1 TRA

doT eII )(




Mechanizmy absorbcji i odbicia

metale, półprzewodniki

Widmo absorbcji i odbicia



22

mnd

m

nd

4


Mechanizmy absorbcji i odbicia

Interferencja

n - współ. zał.

m = 1, 2, 3



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




- 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:



•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)




• 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:



- 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


•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







Próżnia w badaniach i procesach technologicznych (1)

* 1 mbar = 1 hPa ~ 1 Tr ( 1 Tr = 1,33 mbar) Konstanty Marszałek 25


Próżnia w badaniach i procesach technologicznych (2)



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



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.



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.



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



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


Documents

Technika jonowego rozpylania - Strona główna AGHhome.agh.edu.pl/~marszale/downloads/w1.pdf · Technologia cienkowarstwowa - zanieczyszczenia fizyczne (pył, kurz, włosy, cząstki