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

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 HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

1. ČÁST POVRCH, JEHO FUNKCE A MODIFIKACE HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

POVRCH VÝROBKU 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. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

FUNKCE POVRCHU 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 HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

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

2. ČÁST APLIKACE POVLAKOVÁNÍ HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

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

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

FLEXIBILITA MAGNETRONOVÉHO NAPRAŠOVÁNÍ TYPY VRSTEV A POVLAKŮ FLEXIBILITA MAGNETRONOVÉHO NAPRAŠOVÁNÍ Materiál terčů, reaktivní plyny, předpětí substrátů, pohyb substrátu od terče k terči … Oxidy, nitridy, karbidy … (Al2O3, TiN, CrC) Nestechiometrické vrstvy (SiOx, WC:C-H, TiCxN1-x ) Gradientní vrstvy (ocel  Cr  CrN  CrCN) Vícevrstvé povlaky (Si / Al / SiOx ) Multivrstvy a supermřížky (500 x VN / NbN s periodou 6 nm) Nanokompozitní vrstvy (3 nm zrna TiAlN v matrici Si3N4) HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

APLIKACE: PŘEHLED ŠIROKÉ SPEKTRUM NAPRAŠOVATELNÝCH MATERIÁLŮ + RŮZNÉ REAKTIVNÍ PLYNY: MNOHO APLIKACÍ V ROZMANITÝCH OBORECH 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 .... HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

APLIKACE: UKÁZKY Doplnit Solární panel HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

APLIKACE: UKÁZKY HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

APLIKACE: UKÁZKY HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

APLIKACE: UKÁZKY HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

APLIKACE: UKÁZKY HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

3. ČÁST ODPRAŠOVÁNÍ HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

γM PRINCIP ODPRAŠOVÁNÍ γ … koeficient odprašování atom terče dopadající iont/neutrál (plasma, svazek) γM jev objeven cca 1850 E = 10 – 10 000 eV ohřev terče γ … koeficient odprašování ( rychlost odprašování) σ … koeficient sekundární emise ( napětí výboje) HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

KOEFICIENT ODPRAŠOVÁNÍ (sputtering yield) HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

ODPRÁŠENÉ ATOMY energie jednotky eV (odpovídá teplotě řádově 10 000 K) sputter wind, ohřev plynu přibližně kosinové rozdělení směrů (tj. převážně směrem od terče) nelze řídit směr a energii při dopadu nízký stupeň ionizace HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

4. ČÁST ODPRAŠOVÁNÍ VÝBOJEM: MAGNETRON, SELFSPUTTERING HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

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

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

DOUTNAVÝ VÝBOJ HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

VAKUUM – PROČ? normální tlak 105 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 10-1 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) HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

MEZNÍ TLAK APARATURY; KONTAMINACE 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 rychlost nanášení vrstvy 4 mm/hod  1 monovrstva naroste za 0,36 s parciálníní tlak nečistot (mezní tlak) 1.10-4 Pa  1 monovrstva naroste za 2,3 s KONTAMINACE 15% !!! ŘEŠENÍ: SNÍŽIT MEZNÍ TLAK NEBO ZVÝŠIT RYCHLOST DEPOZICE HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

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

(SPUTTER) MAGNETRON - princip různé geometrické varianty objeveny v 60. a 70. letech 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) HVM Plasma s.r.o. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz www.hvm.cz

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

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

σ γ SELFSPUTTERING - atom terče iont terče (ionizován v plazmatu) + atom terče iont terče (ionizován v plazmatu) elektron + + zdroj výboje - σ γ vakuová komora -1000 V koef. odprašování x pravděp. ionizace x pravděp. zpět. záchytu na terč > 1 - 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) HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

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

IONTY PŘI NAPRAŠOVÁNÍ PLYN (magnetronvýbojové plazma) IONTY NAPRAŠOVANÉ ATOMY (při transportu přes plazma; málo) IONTOVÝ SVAZEK (volba materiálu, energie, směru; drahé, geometrická omezení) 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 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/cm2 HVM Plasma s.r.o. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz www.hvm.cz

VLIV IONTŮ NA ROSTOUCÍ VRSTVU  SLOŽENÍ, STRUKTURA, TVRDOST, ADHEZE, BARVA, VODIVOST, PNUTÍ ............. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

UNBALANCED MAGNETRON objeven 1986 HVM Plasma s.r.o. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz www.hvm.cz

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

6. ČÁST NANÁŠENÍ POVLAKU: PROCES PO JEDNOTLIVÝCH KROCÍCH HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

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

ČERPÁNÍ, ODPLYNĚNÍ, OHŘEV plazmový/iontový zdroj OFF OFF OFF inertní zdroje výboje katoda1 katoda2 katoda3 napouštění plynů terč1 terč2 terč3 OFF shuttery reaktivní1 OFF reaktivní2 plazmový/iontový zdroj topení OFF ON zdroj předpětí s t o l e k s e s u b s t r á t y OFF čerpání HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

GLOW DISCHARGE CLEANING plazmový/iontový zdroj OFF OFF OFF inertní zdroje výboje katoda1 katoda2 katoda3 napouštění plynů terč1 terč2 terč3 OFF shuttery reaktivní1 OFF reaktivní2 plazmový/iontový zdroj topení OFF ON zdroj předpětí s t o l e k s e s u b s t r á t y ON (-1000V) čerpání HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

plazmový/iontový zdroj TARGET CLEANING ON ON ON ON inertní zdroje výboje katoda1 katoda2 katoda3 napouštění plynů terč1 terč2 terč3 OFF shuttery reaktivní1 OFF reaktivní2 plazmový/iontový zdroj topení OFF ON zdroj předpětí s t o l e k s e s u b s t r á t y OFF čerpání HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

plazmový/iontový zdroj SPUTTER / ION CLEANING ON ON OFF OFF inertní zdroje výboje katoda1 katoda2 katoda3 napouštění plynů terč1 terč2 terč3 OFF shuttery reaktivní1 OFF reaktivní2 plazmový/iontový zdroj topení ON OFF zdroj předpětí s t o l e k s e s u b s t r á t y ON (-1000V) čerpání HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

plazmový/iontový zdroj DEPOZICE VRSTVY ON OFF ON ON inertní zdroje výboje katoda1 katoda2 katoda3 napouštění plynů terč1 terč2 terč3 ON shuttery reaktivní1 ON reaktivní2 plazmový/iontový zdroj topení ON ON zdroj předpětí s t o l e k s e s u b s t r á t y ON (-50V) čerpání HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

7. ČÁST POVLAKOVÁNÍ VAKUOVÝM OBLOUKEM 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 HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

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

POHYB KATODOVÉ SKVRNY HVM Plasma s.r.o. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

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

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

VÝHODY OBLOUKU 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) HVM Plasma s.r.o. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz www.hvm.cz

8. ČÁST PRŮMYSLOVÁ ZAŘÍZENÍ HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz

PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ HVM Plasma s.r.o. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz www.hvm.cz

PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ HVM Plasma s.r.o. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz www.hvm.cz

PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ HVM Plasma s.r.o. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz www.hvm.cz

PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ HVM Plasma s.r.o. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz www.hvm.cz

PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ HVM Plasma s.r.o. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz www.hvm.cz

PRŮMYSLOVÁ POVLAKOVACÍ ZAŘÍZENÍ HVM Plasma s.r.o. HVM Plasma s.r.o. www.hvm.cz www.hvm.cz

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