FIN2a, PVD,CVD-rozdily, vyhody.pdf - FBMI

fbmi.cvut.cz

FIN2a, PVD,CVD-rozdily, vyhody.pdf - FBMI

TENKÉ VRSTVY

Lze připravit :

1. Modifikací povrchu materiálu (teplem, okysličením,

laserem,…..

2. Depozicí (nanášením)

• Metody fyzikální (Physical Vapor Deposition – PVD)

• Metody chemické (Chemical Vapor Deposition- CVD) –

většinou rozkladem kapalin nebo plynů buď za vysokých

teplot pyrolýzou, nebo např. fotodisociací

• Metody fyzikálně chemické (Plasma Enhanced CVD

PECVD, plasma assisted CVD – PACVD) –

většinou založené na doutnavém výboji a reaktivním

naprašování)


PVD

• Napařování (termické, vakuové,...)

• Naprašování (diodové naprašování, magnetronové

naprašování, ECR – Electron cyclotron resonance- elektronová

cyklotronová rezonance, supersonická tryska,…)

• Iontové plátování

• Plasmový nástřik

• Laserová depozice

• ECR CVD

PA CVD

• Plasmochemický reaktor se supersonickou tryskou

• Laser CVD


Přehled a klasifikace TV depozičních technologií

(modifikováno podle K.K. Schuegraf : Handbook of Thin Film ….)

NAPAŘOVACÍ METODY- PVD

Vakuové napařování

• konvenční vakuové napařování

• napařování elektronovým svazkem

• pulsní laserová depozice

• molekulární epitaxe (molecular beam epitaxy – MBE)

• reaktivní napařování


PROCESY V DOUTNAVÉM VÝBOJI - PVD

(Glow- Discharge Processes)

Naprašování (sputtering)

- diodové naprašování (diode sputtering)

- reaktivní naprašování (reactive sputtering)

- naprašováni s předpětím (bias sputtering)

- magnetronové naprašování

- depozice iontovým svazkem (ion beam sputtering)

- reaktivní plátování (reactive ion plating)

- depozice svazky klusterů (cluster beam sputtering – CBS)


Plazmové procesy

- plasmou stimulované CVD (plasma enhanced CVD)

- plazmová oxidace (plasma oxidation)

- plasma anodization

- plasma polymerization

- plazmová nitridace (plasma nitridation)

- plasma reduction

- mikrovlnné ECR CVD (microwave ECR plasma CVD)

- depozice katodovým obloukem (cathodic arc deposition)

- RF supersonická tryska (RF supersonic plasma jet)


CVD - CHEMICKÉ PROCESY Z PLYNNÉ FÁZE

(Gas- phase Chemical Processes)

Chemická depozice z plynné fáze (CVD)

- CVD epitaxe

- atmosférické CVD (atmospheric pressure CVD)

- nízkotlaké CVD (low- pressure CVD)

- metaloorganické CVD (metalorganic CVD)

- foto- stimulované CVD (photo enhanced CVD)

- laser CVD (laser induced CVD)

- elektronově stimulované CVD (electron enhanced CVD)

Tepelné procesy (thermal forming processes)

- tepelná oxidace (thermal oxidation)

- tepelná nitridace (thermal nitridation)

- tepelná polymerizace (thermal polymerisation)


CHEMICKÉ TECHNIKY KAPALNÉ FÁZE

(liquid- phase chemical technique)

Elektro- procesy (electro- processes)

- elektroplátování (electroplating)

- bezelektrodové plátování (electroless plating)

- elektrolytická anodizace (electrolytic anodisation)

- chemical reduction plating

- chemical displacement plating

- electrophoretic deposition

Mechanické techniky (mechanical techniques)

- spray pyrolysis

- spray- on techniques

- spin- on techniques

- liquid phase epitaxi (epitaxe z kapalné fáze)


Kriteria pro výběr depozičních technologií TV :

1. Aplikační hledisko

2. Materiálové charakteristiky

3. Vhodná technologie přípravy

4. Depoziční zařízení


1. Aplikační hledisko

Elektronické komponenty- nejrozšířenější je výroba pevnolátkových komponentů a

integrovaných obvodů pro mikroelektroniku. Patří sem polovodičové materiály,

dielektrické a izolační materiály, kovové a nebo odrazné vodivé vrstvy na bázi kov-

silicidy.

Elektronické displeje – jsou používány různé komponenty a struktury jako

• displeje z tekutých krystalů

• svítivé diody LED

• elektroluminiscenční displeje

• plazmové a fluorescenční displeje

• elektrochromické displeje

Pro tyto účely je třeba vyrobit vrstvy které jsou mají následující vlastnosti nebo

kombinaci vlastností : jsou vodivé, vykazují luminiscenci nebo fluorescenci, jsou

dielektrické, izolační, transparentní, …

Optické vrstvy- optické pokrytí je používáno pro antireflexní ochranu, pro interferenční

filmy na solárních panelech, pro IČ solární reflektory, a pro laserovou optiku.

Jsou vyžadovány dielektrické materiály s přesně definovaným indexem lomu a

koeficientem absorpce. Laserová optika vyžaduje kovové odrazné pokrytí schopné

odolávat bez degradace vysokým intenzitám záření.


Magnetické vrstvy pro záznam dat – vrstvy mají široké komerční využití

(záznam dat v počítačích). Jako substráty jsou používány kovovy, sklo a

plastické polymerní materiály. Depoziční proces musí umožňovat nanášet

magnetické materiály s vysokým stupněm mechanické odolnosti.

Optický záznam dat - pro záznamová media (kompaktní disky a paměti

počítačů) jsou používány organické polymerní materiály pokrytá

ochrannou vrstvou.

Antistatické pokrytí – pro ochranu před elektrostatickými výboji jsou

používány vodivé a polovodivé materiály.

Tvrdé ochranné vrstvy - jedná se o vrstvy karbidů, silicidů, nitridů a boridů

– jsou používánu pro zvýšení otěruvzdornosti povrchů kovových nástrojů,

ložisek a částí strojních zařízení. Pozornost je věnována diamantu-

podobnému uhlíku vzhledem k jeho dobrým tepelným vlastnostem (odvod

tepla), elektrickým izolačním schopnostem, tvrdosti a odolnosti k vysokým

teplotám a vysokoenergetickému záření.


2. Materiálové charakteristiky

Jsou ve většině případů rozhodujícím faktorem for výběr vhodné depoziční

technologie.

Většinou jsou vlastnosti tenkých vrstev odlišné od vlastností objemových

materiálů.

Vliv na to má velký povrch vrstev ve vztahu k objemu. Morfologie, struktura,

fyzikální a chemické vlastnosti jsou rovněž jiné než u bulku.

Velká plocha povrchu může vlastnosti drasticky ovlivnit díky kontaminaci,

nukleárním charakteristikám, povrchové mobilitě, chemickým povrchovým

reakcím, absorbovaným plynům, katalytickým vlivům, topografii povrchu,

krystalografické orientaci a napětí ve vrstvě (vznikajícím mj. i díky

rozdílným teplotním koeficientům podložky a vrstvy).


Hlavní fyzikální a chemické vlastnosti vrstev :

i. Elektrické

ii. Tepelné

iii. Mechanické

iv. Morfologie

v. Optické

vi. Magnetické

vii. Chemické

viii. Speciální (např. biokompatibilita)


i. Elektrické

• odpor

• vodivost

• dielektrická konstanta

• dielektrické ztráty

• stabilita pod napětím

• polarizace

• permitivita

• elektromigrace

• odolnost vůči záření


ii. Tepelné

• koeficient roztažnosti

• tepelná vodivost

• teplotní změna vlastností

• stabilita a drift vlastností

• těkavost a tenze par


iii. Mechanické

• vlastní, zbytkové a kompozitní pnutí

• anizotropie

• adheze

• tvrdost

• hustota

• odolnost vůči lomu

• tažnost

• tvrdost

• pružnost


iv. Morfologie

• krystalické nebo amorfní vrstvy

• strukturální defekty hustoty

• stejnoměrná tloušťka vrstvy

• mikrostruktura

• povrchová topografie

• krystalová orientace

v. Optické

• index lomu

• absorpce

• dvojlom

• spektrální charakteristiky

• disperze


vi. Magnetické

• saturace hustoty toku

• koercitivní síla

• permeabilita

vii. Chemické

• složení

• nečistoty

• reagování s podložkou a okolním prostředím

• termodynamická stabilita

• rychlost leptání

• odolnost vůči korozi a erozi

• toxicita

• hygroskopie

• karcinogenita

• stabilita


3. Vhodná technologie přípravy

• Je obrovská škála možných technologií které se liší aplikovanými fyzikálními a

chemickými procesy a komerční dostupností. Každý vyvinutý depoziční

technologický proces má obvykle své unikátní výhody a liší se od jiných. Každá

technologie má rovněž svá omezení. Pro docílení optimálních žádaných vlastností

vrstev je tedy nutné porozumět principům, výhodám a omezením technologických

procesů.

• Tloušťka vrstvy- úzce souvisí s depoziční rychlostí. Ekonomické hledisko ve velké

míře ovlivní výběr vhodné technologie. Tenké vrstvy mohou být silné 1 nm až

několik mikrometrů, od monovrstev po tloušťky kdy materiál vykazuje bulkové

vlastnosti.

• Velkou roli hraje hustota nežádoucích částic (droplets) – důležité pro

mikroelektroniku a multivrstvy.

• Rozsah tlaků pracovní atmosféry, vákuové požadavky.

• Velikost (cena) a tvar terčového materiálu (kontaminace při depozici a výrobě,

homogenita vrstev, aj.). Terč (zdroj) může být pevnolátkový, kapalina nebo plyn.


• Kontaminace vrstev – závisí na čistotě zdrojovém materiálu, jakosti vakuového

systému a rovněž na způsobu čištění podložky před depozicí. Některé depoziční

technologie vyžadují hladinu nečistot menší než 10 12 atomů/cm 2 .

• Stabilita a reprodukovatelnost depozičního procesu – je třeba znát podrobně

faktory ovlivňující depoziční proces.

• Rovnoměrnost (uniformity) deponované vrstvy – co do tloušťky a složení. Pro

VLSI se vyžaduje max. odchylka 5%.

• Složité systémy, několik operací, integrita depozičního procesu, neovlivňování

(ničení) již vytvořených struktur. Je třeba uvažovat teplotní, chemickou a

metalurgickou kompatibilitu a dále funkční požadavky a omezení.

• Flexibilita – možnost změny (depoziční konfigurace, procesu, uniformity, složení,

aj.).

• Depozice na neplanární povrchy- uniformní vrstva na všech strukturálních

detailech.

Řada depozičních parametrů, které mají vliv na uniformitu a složení, může být monitorována

in- situ (tlak, teplota, složení reakčních plynů, depoziční rychlost) – monitorování

v reálném čase.


4. Depoziční zařízení

– pro výzkum a vývoj

– prototypy

– tovární výroba

Vysvětlení zkratek pro následující tabulky :

IBAD - Atomic Layer Epitaxy (atomová epitaxe)

ICBD – Ion Beam Cluster Deposition (depozice iontovými klustry)

PECVD – Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (plazmochemická depozice)

AMBE – Accelerated Molecular Beam Epitaxy (molekulární epitaxe)

IVD – Ionized Vapor Deposition (depozice v ionizovaných parách)

S – Sputtering (naprašování)

PLD – Pulsed Laser Deposition (pulzní laserová depozice)

IBD – Ion Beam Deposition (depozice iontovým svazkem)

ALE – Atomic Layer Epitaxy (atomová epitaxe)

CVD – Chemical Vapor Deposition (chemická depozice z plynné fáze)

LA CVD- Laser Assisted Chemical Vapor Deposition (laserem asistovaná CVD)

MO CVD – Metal Organic Chemivcal Vapor Deposition (metaloorganická CVD)

MBE – Molecular Beam Epitaxy (molekulární epitaxe)

TE – Thermal Evaporation (napařování)


optimální energetický rozsah?

IBAD

ICBD, PECVD

ALE, CVD, LACVD, MOCVD, MBE, TE

S

PLD typická možná

IBD

AMBE, IVD

0,1 1 10 100 1000 10000 100000

energie deponovaných atomů [eV]

Obr. Energetický rozsah deponovaných částic pro různé depoziční techniky (pevná čára –

běžně úpoužívané energie. Čerchovaná čára- max. a min. energie částic pro danou metodu.

Stíněná část indikuje energetický rozsah toku atomů považovaný z hlediska růstu vrstvy za

optimální


depoziční

rychlost

[Å/s]

10000

1000

100

10

1

0,1

CVD´S

TE

MBE

AMBE

ALE

PLD (okamžitá)

PLD

S

ICBD

IVD

IBD

IBAD

0,1 1 10 100 1000 10000 100000

střední energie na deponovaný atom [eV]

Obr. Diagram znázorňující oblasti rychlosti růstu vrstev a středních hodnot kinetických

energií deponovaných částic


PLD

IBAD, IBD, ICBD, IVD, TE

1,3 . 10 -6

ALE, AMBE, MBE

1,3 . 10 -3

Obr. Oblast běžných tlaků jednotlivých metod

tlak [Pa]

S

ALL CVD´S

1,33 133


Tab. Základní parametry depozičních metod (vákuum UHV ~ 10 -7 Pa, vakuum HV ~ 10 -4 Pa)

Metoda Kontrola

teploty

Rozsah

energií

[eV]

Vákuum Možnost

řízení

vícesložkové

depozice

Depoziční

rychlost

[Å/s]

Reaktivní

plyn

1,3 Pa

(10 mtorr)

AMBE dobrá 0,1-100 UHV střední 3 ne

ALE dobrá 0,1 UHV střední 1 ne

CVD dobrá 0,1 HV střední 20 ano

IBAD špatná 0,1-1000 HV obtížná 10 ne

IBD špatná 20-200 UHV obtížná 0,1 ne

ICBD dobrá 0,1-10 HV obtížná 10 ne

IVD dobrá 0,1-1000 HV obtížná 20 ne

LACVD dobrá 0,1 HV střední 10 ano

MOCVD dobrá 0,1 UHV střední 10 ano

MBE dobrá 0,1 UHV střední 3 ne

PECVD dobrá 0,1-500 HV střední 20 ano

PLD dobrá 1-1000 HV snadná 10 ano

S dobrá 1-1000 HV snadná 10 ne

TE dobrá 0,1 HV obtížná 20 ne


Metoda Ep

ita

xe

Hetero

struktr.

Vys.

dep.

rychl.

Nízká

tepl.

podlož

.

Velká

depon.

plocha

Pokryt

í hran

Adhez Nízké

nákl.

Snadná

změna

mater.

Malá

spotřeba

mater.

Problémy,

omezení

AMBE X X X X homog. povrchu

ALE X X malá rychl. růstu

CVD X X X X vys. tepl. podl.

IBAD X X X příměsi, homog.

IBD X X X X X X malá rychl. růstu

a plocha

ICBD X X X X X příměsi, reprod..

IVD X X X X X X příměsi

LACVD X pouze vybr. obl.

MOCVD X X X X X X vys. tepl. podl.

MBE X X X vys. tepl. podl.

PECVD X X X X X X homogenita

PLD X X ? X ? ? X X X X kapičky, malá

plocha

S X X X X X X příměsi

TE X X X X příměsi

Tab. Charakterizace depozičních technik z uživatelského hlediska


Metoda Tekuté

kovy

Kovy

s nízk.

vypař.

tlakem

Polovod

iče

Boridy Karbidy Nitridy Oxidy

(1-2

složky)

Oxidy

(3-4 složky)

AMBE X X X

Fluoridy Silicidy Sulfidy

ALE X X X X

CVD X X X X X X

IBAD X X X X X

IBD X X X

ICBD X

IVD X X X

LACVD X X X X

MOCVD X X X X

MBE X X X X

PECVD X X X X

PLD X X X X X X X X X X

S

T

X

X

X X X X

X

X X

X

Tab. Srovnání nejběžnějších typů materiálů vytvořených depozičními metodami

X X

More magazines by this user
Similar magazines