Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

N A P R A Š O V Á N Í + napařování vakuovým obloukem Jan VALTER HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "N A P R A Š O V Á N Í + napařování vakuovým obloukem Jan VALTER HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz."— Transkript prezentace:

1 N A P R A Š O V Á N Í + napařování vakuovým obloukem Jan VALTER HVM Plasma s.r.o.

2 OBSAH PREZENTACE 1. POVRCH A MODIFIKACE JEHO FUNKČNÍCH VLASTNOSTÍ 2. UŽITÍ MAGNETRONOVÉHO A OBLOUKOVÉHO POVLAKOVÁNÍ 3. PRINCIP ODPRAŠOVÁNÍ 4. ODPRAŠOVÁNÍ VÝBOJEM: MAGNETRON 5. IONTOVÝ BOMBARD VRSTVY: UNBALANCED MAGNETRON AJ. 6. NANÁŠENÍ POVLAKU: NÁSTIN PROCESU 7. DEPOZICE VAKUOVÝM OBLOUKEM 8. PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ Plasma s.r.o.

3 1. ČÁST POVRCH, JEHO FUNKCE A MODIFIKACE Plasma s.r.o.

4 POVRCH VÝROBKU Plasma s.r.o. Fyzikální povrch = část tělesa poblíž rozhraní, jejíž vlastnosti jsou odlišné od vnitřního objemu díky nesymetrii působících sil. Tloušťka povrchové vrstvy = jednotky nanometrů. Povrch v širším slova smyslu = část tělesa poblíž rozhraní, jejíž tloušťka je malá ve srovnání s rozměry tělesa.

5 FUNKCE POVRCHU Plasma s.r.o. Funkční vlastnosti povrchu: - mechanické (tvrdost, otěr, tření … )  povrchové kalení, leštění, mazání - elektronické (p-n přechod … )  mikroelektronika, solární články, senzory - chemické (reaktivita, sorpce … )  katalýza, antikorozní ochrana - optické (barva, vzhled, odrazivost … )  barevné nátěry, zrcadla - biologické (podpora růstu buněk, potlačení bakterií … )  implantáty - transportní (difuze, odraz tepla … )  PET lahve, benzínové nádrže - kontaktní (povrchové napětí, smáčivost)  potisk látek a fólií - ….. MODIFIKACÍ POVRCHU LZE TEDY VÝZNAMNĚ OVLIVNIT FUNKČNÍ VLASTNOSTI PRODUKTU

6 MODIFIKACE POVRCHU Plasma s.r.o. ÚPRAVA VLASTNOSTÍ PŮVODNÍHO POVRCHU (leštění, iontová nitridace, plasma treatment, ……… ) NANESENÍ NOVÉHO FUNKČNÍHO POVLAKU (nátěr, vakuové povlakování, plazmové nástřiky, ……… )

7 2. ČÁST APLIKACE POVLAKOVÁNÍ Plasma s.r.o.

8 SCHEMA DEPOZIČNÍHO ZAŘÍZENÍ HVM Plasma s.r.o. odprašovaný terč katoda p o v l a k o v a n é s u b s t r á t y čerpání napouštění plynů inertní vakuová komora reaktivní zdroj výboje zdroj předpětí plazma topení rotace více katod

9 HLAVNÍ PARAMETRY DEPOZICE Plasma s.r.o. CHEM. SLOŽENÍ VRSTVY STRUKTURA, FYZ. VLASTNOSTI RYCHLOST DEPOZICE TLAK inert. plynu TERČE materiál, výkony TEPLOTA substrátu IONTOVÝ BOMBARD hustota, energie TLAK reakt. plynu

10 TYPY VRSTEV A POVLAKŮ Oxidy, nitridy, karbidy … (Al 2 O 3, TiN, CrC) Nestechiometrické vrstvy (SiO x, WC:C-H, TiC x N 1-x ) Gradientní vrstvy (ocel  Cr  CrN  CrCN) Vícevrstvé povlaky (Si / Al / SiO x ) Multivrstvy a supermřížky (500 x VN / NbN s periodou 6 nm) Nanokompozitní vrstvy (3 nm zrna TiAlN v matrici Si 3 N 4 ) Plasma s.r.o. FLEXIBILITA MAGNETRONOVÉHO NAPRAŠOVÁNÍ Materiál terčů, reaktivní plyny, předpětí substrátů, pohyb substrátu od terče k terči …

11 APLIKACE: PŘEHLED mikroelektronika (vodivé, polovodivé i izolační vrstvy) magnetická a optická záznamová média (magnetické, reflexní, semireflexní a fázově citlivé vrstvy) LCD (vodivé, polovodivé i izolační vrstvy) optické přístroje + stavební sklo (reflexní vrstvy, opt. filtry … ) obráběcí nástroje (extrémně tvrdé, tepelně odolné povlaky s nízkým třením a dobrým odvodem tepla) kluzné díly ("tribovrstvy" s minimálním třením a otěrem, typicky pro motory) implantáty a chir. nástroje ("biokompatibilní" tvrdé, chemicky odolné, bioaktivní povlaky) domovní vybavení, bižuterie aj. ("dekorativní" tvrdé, barevně stálé povlaky v široké škále barevných odstínů).... sluneční články, tiskárny, katalyzátory, paliv. články, senzory.... Plasma s.r.o. ŠIROKÉ SPEKTRUM NAPRAŠOVATELNÝCH MATERIÁLŮ + RŮZNÉ REAKTIVNÍ PLYNY: MNOHO APLIKACÍ V ROZMANITÝCH OBORECH

12 APLIKACE: UKÁZKY Plasma s.r.o. Doplnit Solární panel

13 APLIKACE: UKÁZKY Plasma s.r.o.

14 APLIKACE: UKÁZKY Plasma s.r.o.

15 APLIKACE: UKÁZKY Plasma s.r.o.

16 APLIKACE: UKÁZKY Plasma s.r.o.

17 3. ČÁST ODPRAŠOVÁNÍ Plasma s.r.o.

18 PRINCIP ODPRAŠOVÁNÍ Plasma s.r.o. atom terče dopadající iont/neutrál (plasma, svazek) γ … koeficient odprašování (  rychlost odprašování) σ … koeficient sekundární emise (  napětí výboje) γMγM E = 10 – eV ohřev terče jev objeven cca 1850

19 KOEFICIENT ODPRAŠOVÁNÍ ( sputtering yield) Plasma s.r.o.

20 ODPRÁŠENÉ ATOMY Plasma s.r.o. energie jednotky eV (odpovídá teplotě řádově K) přibližně kosinové rozdělení směrů (tj. převážně směrem od terče) sputter wind, ohřev plynu nelze řídit směr a energii při dopadu nízký stupeň ionizace

21 4. ČÁST ODPRAŠOVÁNÍ VÝBOJEM: MAGNETRON, SELFSPUTTERING Plasma s.r.o.

22 IONIZACE PLYNU, PLAZMA Plasma s.r.o == NEUTRÁLNÍ ATOM NEUTRÁLNÍ PLYN (ELEKTRICKY NEVODIVÝ) + + VOLNÝ ELEKTRON KLADNÝ IONT PLAZMA (ELEKTRICKY VODIVÉ) IONIZACE PLYNU : ELEKTRICKÝM POLEM, NÁRAZEM, ZÁŘENÍM, TEPLEM... = DODÁNÍ ENERGIE POTŘEBNÉ K ODTRŽENÍ ELEKTRONU

23 PRINCIP DOUTNAVÉHO VÝBOJE Plasma s.r.o KATODA ( - ) ANODA ( + ) VYRAŽENÍ ELEKTRONU Z KATODY IONIZACE ATOMU PLYNU NÁRAZEM ELEKTRONU VYRAŽENÍ ATOMU Z KATODY (ROZPRAŠOVÁNÍ) STEJNOSMĚRNÝ NEBO PULZNÍ ZDROJ 500 – 1000 V + -

24 DOUTNAVÝ VÝBOJ Plasma s.r.o.

25 VAKUUM – PROČ? Plasma s.r.o. - normální tlak 10 5 Pa  střední volná dráha zlomky mikronu  transport atomů ze terče na substráty velmi pomalý (srážky)  elektron se mezi 2 srážkami neurychlí  neionizuje  výboj NE - snížený tlak Pa (vakuum)  střední volná dráha centimetry  účinný transport atomů ze terče na substráty  elektron se mezi 2 srážkami urychlí na energii ~ napětí mezi elektrodami  ionizuje atomy plynu  výboj HOŘÍ - odstranění plynů (vzduch, voda … ), které by nanášenou vrstvu znehodnotily a nahrazení pečlivě kontrolovanou pracovní atmosférou (99,999 čisté plyny; přesné napouštěcí ventily)

26 - rychlost nanášení vrstvy 4  m/hod  1 monovrstva naroste za 0,36 s - parciálníní tlak nečistot (mezní tlak) Pa  1 monovrstva naroste za 2,3 s MEZNÍ TLAK APARATURY; KONTAMINACE Plasma s.r.o. - mezní tlak = nejnižší tlak, kterého je zařízení schopno dosáhnout - závisí na:- čerpací rychlosti (vývěvy a jejich umístění) - těsnosti zařízení - stavu povrchu vnitřních stěn (desorpce) - vytváří parciální tlak nežádoucích příměsí v pracovní atmosféře při depozici ŘEŠENÍ: SNÍŽIT MEZNÍ TLAK NEBO ZVÝŠIT RYCHLOST DEPOZICE KONTAMINACE 15% !!!

27 PRINCIP ODPRAŠOVÁNÍ Z KATODY VÝBOJE Plasma s.r.o. + atom terčeiont pracovního plynu (Ar) + elektron -500 V γ … koeficient odprašování (  rychlost odprašování) σ σ … koeficient sekundární emise (  napětí výboje) γ + zdroj výboje - vakuová komora

28 Plasma s.r.o. (SPUTTER) MAGNETRON - princip Plasma s.r.o. magnety Fe deska E x B drift elektronů elektron zadržen v oblasti těsně nad terčem (magnetické pole + uzavření E x B driftu sama do sebe)  všechny jím vytvořené ionty přitaženy el. polem k terči  hodně sekundárních elektronů (výboj) a odprášených atomů (nanášení) různé geometrické varianty objeveny v 60. a 70. letech

29 Plasma s.r.o. MAGNETRON – udržení plazmatu Plasma s.r.o. K A T O D A = T E R Č N S N SN S Fig. 1. Eroded magnetron target.

30 Plasma s.r.o. MAGNETRON - výhody Plasma s.r.o. vysoká hustota výkonu  vysoká rychlost odprašování nízký tlak (0,1 Pa)  efektivní přenos odpráš. atomů na substráty (málo srážek) VYSOKÁ RYCHLOST DEPOZICE

31 SELFSPUTTERING Plasma s.r.o. + atom terčeiont terče (ionizován v plazmatu) + elektron V koef. odprašování x pravděp. ionizace x pravděp. zpět. záchytu na terč > 1 σ γ + zdroj výboje - vakuová komora - vysoká hustota výkonu (odolnost terče) + vysoký koef. odprašování   jen některé materiály - bez prac. plynu (až na zapálení) + napraš. atomy ionizovány   čistá a kompaktní vrstva - řada omezení a problémů (např. pomalý růst, rovnoměrnost, arcing)

32 5. ČÁST IONTOVÝ BOMBARD VRSTVY Plasma s.r.o. triodové naprašování, předpětí na substráty – poč. 60. let 20. stol.

33 Plasma s.r.o. IONTY PŘI NAPRAŠOVÁNÍ Plasma s.r.o. JAK: - unbalanced magnetron (UBM), closed field (uzavřené magnetické pole - past) - RF induktivní buzení plazmatu - svazek pomalých elektronů - plazmové zdroje - dutá katoda - pulzní režim (kvůli chlazení): až 5 kW/cm 2 PROČ: - energie pro přeskupování atomů - uvolnění špatně vázaných či umístěných atomů (nečistoty, intersticiály, zárodky voidů) - kompaktní mikrostruktura s minimem poruch - aktivační energie pro chem. reakce  proces za teploty hluboko pod rovnovážnou - ionty deponovaného materiálu: lepší adheze a mikrostruktura, kolmý dopad  dno dutin IONTYNAPRAŠOVANÉ ATOMY (při transportu přes plazma; málo) PLYN (magnetron  výbojové plazma) IONTOVÝ SVAZEK (volba materiálu, energie, směru; drahé, geometrická omezení)

34 VLIV IONTŮ NA ROSTOUCÍ VRSTVU Plasma s.r.o.  SLOŽENÍ, STRUKTURA, TVRDOST, ADHEZE, BARVA, VODIVOST, PNUTÍ

35 Plasma s.r.o. UNBALANCED MAGNETRON Plasma s.r.o. objeven 1986

36 Plasma s.r.o. "CLOSED FIELD" USPOŘÁDÁNÍ KATOD Plasma s.r.o. SUBSTRÁTY příčný řez zařízením se 4-mi obdélníkovými katodami a kruhovým rotujícím substrátovým stolkem siločáry mag. pole terč vnější "unbalancing" cívka magnety magnetronu pole sousedních magnetronů propojena  plasma zadrženo v oblasti substrátů  intenzivní iontový bombard od 90. let 20. stol.

37 6. ČÁST NANÁŠENÍ POVLAKU: PROCES PO JEDNOTLIVÝCH KROCÍCH Plasma s.r.o.

38 Plasma s.r.o. PŘÍPRAVA Plasma s.r.o. například: MECHANICKÉ ČIŠTĚNÍ CHEMICKÉ ČIŠTĚNÍ (např. odmašťovací lázně) OPLACHY (demi voda) OFUK, SUŠENÍ, PŘEDEHŘÍVÁNÍ MASKOVÁNÍ UPEVNĚNÍ DO DRŽÁKŮ ZALOŽENÍ (včetně příp. testovacích tělísek)

39 ČERPÁNÍ, ODPLYNĚNÍ, OHŘEV HVM Plasma s.r.o. terč1 katoda1 s t o l e k s e s u b s t r á t y čerpání napouštění plynů inertní reaktivní1 zdroje výboje zdroj předpětí katoda2katoda3 terč2terč3 reaktivní2 shuttery ON OFF plazmový/iontový zdroj topení OFFON

40 GLOW DISCHARGE CLEANING HVM Plasma s.r.o. terč1 katoda1 s t o l e k s e s u b s t r á t y čerpání napouštění plynů inertní reaktivní1 zdroje výboje zdroj předpětí katoda2katoda3 terč2terč3 reaktivní2 shuttery ON OFF ON (-1000V) plazmový/iontový zdroj topení OFFON

41 TARGET CLEANING HVM Plasma s.r.o. terč1 katoda1 s t o l e k s e s u b s t r á t y čerpání napouštění plynů inertní reaktivní1 zdroje výboje zdroj předpětí katoda2katoda3 terč2terč3 reaktivní2 shuttery ON OFF plazmový/iontový zdroj topení OFFON OFF

42 SPUTTER / ION CLEANING HVM Plasma s.r.o. terč1 katoda1 s t o l e k s e s u b s t r á t y čerpání napouštění plynů inertní reaktivní1 zdroje výboje zdroj předpětí katoda2katoda3 terč2terč3 reaktivní2 shuttery ON OFF ON OFF plazmový/iontový zdroj topení ONOFF ON (-1000V)

43 DEPOZICE VRSTVY HVM Plasma s.r.o. terč1 katoda1 s t o l e k s e s u b s t r á t y čerpání napouštění plynů inertní reaktivní1 zdroje výboje zdroj předpětí katoda2katoda3 terč2terč3 reaktivní2 shuttery ON OFFON plazmový/iontový zdroj topení ON ON (-50V)

44 7. ČÁST POVLAKOVÁNÍ VAKUOVÝM OBLOUKEM Plasma s.r.o. TECHNOLOGICKY VELMI PŘÍBUZNÉ S MAGNETRONOVÝM NAPRAŠOVÁNÍM - téměř veškeré vybavení shodné (komora, stolek, čerpání, napouštění plynů, napájení předpětí stolku, příprava před depozicí, … ) - jiný zdroj pro napájení výboje - jiný magnetický systém pro vytvoření mag. pole nad terčem – lze vyměnit

45 Plasma s.r.o. VAKUOVÝ OBLOUKOVÝ VÝBOJ Plasma s.r.o. KATODA ( - ) ANODA ( + ) KATODOVÁ SKVRNA: ODPAŘOVÁNÍ + IONIZACE ATOMŮ KATODY, RYCHLÝ NEUSPOŘÁDANÝ POHYB PO TERČI STEJNOSMĚRNÝ ZDROJ ~50 V / 50 – 100 A makročástice

46 Plasma s.r.o. POHYB KATODOVÉ SKVRNY Plasma s.r.o.

47 Plasma s.r.o. ŘÍZENÍ POHYBU KATODOVÉ SKVRNY Plasma s.r.o. CÍVKA 1 TERČ (KATODA) CÍVKA 2 NÁHODNÝ POHYB KATODOVÉ SKVRNY  NEROVNOMĚRNÉ OPOTŘEBENÍ TERČE  HODNĚ MAKROČÁSTIC  "ODSKAKOVÁNÍ" MIMO TERČ ŘÍZENÍ POHYBU KATODOVÉ SKVRNY MAGNETICKÝM POLEM (20 – 70 G)  OBÍHÁNÍ DOKOLA TERČE

48 Plasma s.r.o. FILTROVANÝ OBLOUK Plasma s.r.o. RYCHLOST DEPOZICE ZNAČNĚ OMEZENA (ztráty ve filtru)  VHODNÉ JEN PRO VELMI TENKÉ VRSTVY (mikroelektronika)

49 Plasma s.r.o. VÝHODY OBLOUKU Plasma s.r.o. - většina atomů deponovaného materiálu (u filtrovaného všechny) jsou ionizovány  na povrch s předpětím dopadají kolmo  depozice vrstvy na dno úzkých brázd (mikroelektronika) - možnost mělké implantace deponovaných iontů pod povrch substrátu  vytvoření mezivrstvy, která je pevně zakotvena v substrátu  vysoká adheze vrstvy k substrátu (obráběcí aj. nástroje)

50 8. ČÁST PRŮMYSLOVÁ ZAŘÍZENÍ Plasma s.r.o.

51 Plasma s.r.o. PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ Plasma s.r.o.

52 Plasma s.r.o. PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ Plasma s.r.o.

53 Plasma s.r.o. PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ Plasma s.r.o.

54 Plasma s.r.o. PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ Plasma s.r.o.

55 Plasma s.r.o. PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ Plasma s.r.o.

56 Plasma s.r.o. PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ Plasma s.r.o.

57 Plasma s.r.o. PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ Plasma s.r.o. A brzy se už budou povlakovat domy vcelku … alespoň v zemích, kde zítra již znamená včera


Stáhnout ppt "N A P R A Š O V Á N Í + napařování vakuovým obloukem Jan VALTER HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz."

Podobné prezentace


Reklamy Google