Fyzikální depozice par elektronovým paprskem - Electron-beam physical vapor deposition

Fyzikální depozice par elektronovým paprskemnebo EBPVD, je forma fyzikální depozice par ve kterém cíl anoda je bombardován elektronovým paprskem vydávaným nabitým wolframovým vláknem za vysokého vakua. Elektronový paprsek způsobí, že se atomy z cíle transformují do plynné fáze. Tyto atomy se poté vysráží do pevné formy a pokryjí vše ve vakuové komoře (v přímé viditelnosti) tenkou vrstvou anodového materiálu.

Úvod

Tenkovrstvá depozice je proces aplikovaný v polovodič průmysl roste elektronický materiály, v letecký a kosmický průmysl průmysl vytváří tepelné a chemické bariérové ​​povlaky na ochranu povrchů před korozivním prostředím, v optice dodává substrátu požadované reflexní a propustné vlastnosti a jinde v průmyslu upravuje povrchy tak, aby měly různé požadované vlastnosti. Proces ukládání lze obecně rozdělit na fyzikální depozice par (PVD) a chemická depozice par (CVD). U CVD dochází k růstu filmu při vysokých teplotách, což vede ke tvorbě korozivních plynných produktů a může ve filmu zanechávat nečistoty. Proces PVD lze provádět při nižších teplotách depozice a bez korozivních produktů, ale rychlosti depozice jsou obvykle nižší. Paprsek elektronů Fyzikální depozice par však poskytuje vysokou rychlost depozice od 0,1 do 100 μm /min při relativně nízkých teplotách substrátu, s velmi vysokou účinností využití materiálu. Schéma systému EBPVD je znázorněno na obr.

Obr. 1. Elektromagnetické vyrovnání. Ingot je udržován na pozitivním potenciálu vzhledem k vláknu. Aby se zabránilo chemickým interakcím mezi vláknem a ingotovým materiálem, je vlákno udržováno mimo dohled. K nasměrování elektronového paprsku ze zdroje na místo ingotů se používá magnetické pole. K řízení paprsku po povrchu ingotu lze použít další elektrické pole, které umožňuje rovnoměrné zahřívání.

Proces nanášení tenkých vrstev

V systému EBPVD musí být depoziční komora evakuována do a tlak nejméně 7,5×10−5 Torr (10−2 Pa ) umožňující průchod elektronů z elektronová zbraň k odpařovacímu materiálu, který může být ve formě ingot nebo tyč.[1] Alternativně některé moderní systémy EBPVD využívají systém potlačení elektrického oblouku a lze je provozovat na úrovni vakua již od 5,0×10−3 Torr, pro situace, jako je paralelní použití s ​​magnetronovým rozprašováním.[2] V jednom systému EBPVD lze současně použít více typů odpařovacích materiálů a elektronových zbraní, z nichž každý má výkon od desítek do stovek kilowattů. Elektronové paprsky mohou být generovány termionická emise, emise elektronů v poli nebo metoda anodického oblouku. Generovaný elektronový paprsek se zrychluje na vysokou kinetickou energii a směřuje k odpařovacímu materiálu. Po nárazu na odpařovací materiál elektrony velmi rychle ztratí svoji energii.[3] Kinetická energie elektronů se převádí na jiné formy energie prostřednictvím interakcí s odpařovacím materiálem. Produkovaná tepelná energie ohřívá odpařovaný materiál a způsobuje jeho roztavení nebo sublimaci. Jakmile jsou teplota a úroveň vakua dostatečně vysoké, vznikne z taveniny nebo pevné látky pára. Výslednou páru lze poté použít k potažení povrchů. Zrychlovací napětí může být mezi 3 a 40 kV. Když je akcelerační napětí 20–25 kV a proud paprsku je několik ampéry, 85% kinetické energie elektronu lze převést na tepelnou energii. Část dopadající energie elektronů se ztrácí produkcí rentgenových paprsků a emisí sekundárních elektronů.

Existují tři hlavní konfigurace EBPVD, elektromagnetické zarovnání, elektromagnetické zaostřování a konfigurace přívěskové kapky. Elektromagnetické vyrovnání a elektromagnetické zaostřování používají odpařovací materiál, který je ve formě ingotu, zatímco konfigurace závěsného kapky používá tyč. Ingoty jsou uzavřeny v a měď kelímek nebo ohniště,[4] zatímco tyč bude připevněna na jednom konci do zásuvky. Kelímek i zásuvka musí být chlazeny. To obvykle provádí voda oběh. V případě ingotů se na jeho povrchu může tvořit roztavená kapalina, která může být udržována konstantní vertikálním posunem ingotu. Rychlost odpařování může být řádově 10−2 g / (cm2· S).

Metody odpařování materiálu

Žáruvzdorný karbidy jako titan karbid a boridy jako titan boride a borid zirkoničitý se může odpařit, aniž by došlo k rozkladu v plynné fázi. Tyto sloučeniny se ukládají přímým odpařováním. V tomto procesu jsou tyto sloučeniny zhutněné ve formě ingotu odpařeny ve vakuu zaostřeným vysokoenergetickým elektronovým paprskem a páry přímo kondenzují přes substrát.

Některé žáruvzdorné oxidy a karbidy podléhají během svého odpařování fragmentací elektron paprsku, což má za následek stechiometrii, která se liší od původního materiálu. Například oxid hlinitý se po odpaření elektronovým paprskem disociuje na hliník, AlO3 a Al2O. Některé žáruvzdorné karbidy mají rádi karbid křemíku a karbid wolframu rozkládají se při zahřívání a disociované prvky mají různé volatility. Tyto sloučeniny mohou být uloženy na substrátu buď reaktivním odpařováním nebo společným odpařováním. V procesu reaktivního odpařování je kov se odpařuje z ingotu elektronovým paprskem. Páry jsou neseny reaktivním plynem, kterým je kyslík v případě oxidů kovů nebo acetylén v případě karbidů kovů. Když jsou splněny termodynamické podmínky, páry reagují s plynem v blízkosti substrátu a vytvářejí filmy. Filmy z tvrdokovu lze ukládat takévypařování. V tomto procesu se používají dva ingoty, jeden pro kov a druhý pro uhlík. Každý ingot je zahříván jinou energií paprsku, takže lze regulovat jejich rychlost odpařování. Když páry dorazí na povrch, chemicky se spojí za správných termodynamických podmínek a vytvoří film z karbidu kovu.

Substrát

Substrát, na kterém probíhá nanášení filmu, je ultrazvukem vyčištěn a připevněn k držáku substrátu. Držák substrátu je připevněn k hřídeli manipulátoru. Hřídel manipulátoru se pohybuje translačně a upravuje vzdálenost mezi zdrojem ingotu a substrátem. Hřídel také otáčí substrát určitou rychlostí, takže film je rovnoměrně uložen na substrátu. Negativní zkreslení DC Napětí Na podklad lze aplikovat 200–400 V. K předehřátí substrátu se často používají zaostřené vysokoenergetické elektrony z jedné z elektronových zbraní nebo infračervené světlo z lamp ohřívače. Zahřívání substrátu umožňuje zvýšené adatom –Podklad a adatom – difúze filmu tím, že dává adatomům dostatek energie k překonání kinetických bariér. Pokud hrubý film, například kovové nanorody,[5] je požadované chlazení substrátu vodou nebo tekutý dusík mohou být použity ke snížení životnosti difúze, což pozitivně zvyšuje povrchové kinetické bariéry. Pro další zvýšení drsnosti filmu může být substrát namontován ve strmém úhlu vzhledem k toku, aby se dosáhlo geometrického stínu, kde příchozí tok zorného toku dopadne pouze na vyšší části vyvolávací fólie. Tato metoda je známá jako ukládání úhlu pohledu (GLAD)[6] nebo depozice v šikmém úhlu (OAD).[7]

Depozice podporovaná iontovým paprskem

Systémy EBPVD jsou vybaveny iontovými zdroji. Tyto ion zdroje se používají pro substrát leptání a čištění, prskání cíl a ovládání mikrostruktura podkladu. Iontové paprsky bombardují povrch a mění mikrostrukturu filmu. Když depoziční reakce probíhá na horkém povrchu substrátu, mohou filmy vyvinout vnitřní tahové napětí v důsledku nesouladu v koeficientu tepelné roztažnosti mezi substrátem a filmem. K bombardování této keramiky lze použít vysokoenergetické ionty povlaky tepelné bariéry a změnit tahové napětí do tlakové napětí. Iontové bombardování také zvyšuje hustotu filmu, mění velikost zrna a upravuje amorfní filmy na polykrystalický filmy. Nízkoenergetické ionty se používají pro povrchy polovodičových filmů.

Výhody EBPVD

Rychlost depozice v tomto procesu může být od 1 nm za minutu až po několik mikrometrů za minutu. Účinnost využití materiálu je ve srovnání s jinými metodami vysoká a tento proces nabízí strukturní a morfologickou kontrolu filmů. Vzhledem k velmi vysoké rychlosti depozice má tento proces potenciální průmyslové využití mít na sobě -odolný a povlaky tepelné bariéry v leteckém a kosmickém průmyslu, tvrdé povlaky pro řezání a nářadí průmyslová odvětví a elektronická a optický filmy pro polovodičový průmysl a tenkovrstvé solární aplikace.

Nevýhody EBPVD

EBPVD je proces nanášení v přímé viditelnosti, když se provádí při dostatečně nízkém tlaku (zhruba <10−4 Torr). Translační a rotační pohyb hřídele pomáhá při potahování vnějšího povrchu složitých geometrií, ale tento proces nelze použít k potažení vnitřního povrchu složitých geometrií. Dalším potenciálním problémem je, že degradace vláken v elektronové trysce vede k nerovnoměrné rychlosti odpařování.

Pokud se však nanášení par provádí při tlacích zhruba 10−4 Torr (1.3×10−4 hPa) nebo vyšší, dochází k významnému rozptylu oblaku par tak, že lze potahovat povrchy, které nejsou v zorném poli zdroje. Přísně vzato, pomalý přechod z přímky viditelnosti do rozptýlené depozice je určen nejen tlakem (nebo střední volnou cestou), ale také vzdáleností mezi zdrojem a substrátem.

Některé materiály nejsou vhodné k odpařování EBPVD. Následující referenční materiály navrhují vhodné odpařovací techniky pro mnoho materiálů:

Podívejte se také na Oxford Průvodce odpařováním pro prvky.

Viz také

Reference

  1. ^ Harsha, K. S. S, "Principy fyzikálního depozice tenkých vrstev fyzikální parou", Elsevier, Velká Británie (2006), s. 400.
  2. ^ http://telemark.com/electron_beam_sources/arc_suppression.php?cat=1&id=Arc+Suppression+Sources.
  3. ^ George, J., „Příprava tenkých vrstev“, Marcel Dekker, Inc., New York (1992), str. 13–19.
  4. ^ Madou, M. J., „Základy mikrofabrikace: Věda o miniaturizaci“, 2. vydání, CRC Press (2002), s. 1. 135–6.
  5. ^ Kesapragada, S. V .; Victor, P .; Nalamasu, O .; Gall, D. (2006). "Nanospringové tlakové senzory získané nanesením úhlu pohledu". Nano dopisy. Americká chemická společnost (ACS). 6 (4): 854–857. Bibcode:2006 NanoL ... 6..854K. doi:10.1021 / nl060122a. ISSN  1530-6984. PMID  16608297.
  6. ^ Robbie, K .; Brett, M. J. (1997). "Plastika tenkých vrstev a depozice úhlu pohledu: Mechanika růstu a aplikace". Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. Americká vakuová společnost. 15 (3): 1460–1465. Bibcode:1997JVSTA..15.1460R. doi:10.1116/1.580562. ISSN  0734-2101.
  7. ^ Driskell, Jeremy D .; Shanmukh, Saratchandra; Liu, Yongjun; Chaney, Stephen B .; Tang, X.-J .; Zhao, Y.-P .; Dluhy, Richard A. (2008). „Použití zarovnaných stříbrných nanorodových polí připravených depozicí šikmého úhlu jako povrchově vylepšené Ramanovy rozptylové substráty“. The Journal of Physical Chemistry C. Americká chemická společnost (ACS). 112 (4): 895–901. doi:10.1021 / jp075288u. ISSN  1932-7447.

Viz také

  • D. Wolfe, Thesis (Ph.D), Thesis 2001dWolfe, DE, Syntéza a charakterizace TiC, TiBCN, TiB2 / TiC a TiC / CrC vícevrstvé povlaky reaktivním a iontovým paprskem podporované, fyzikální depozice par elektronovým paprskem (EB-PVD), Pennsylvania State University, 1996.
  • Movchan, B. A. (2006). "Povrchové inženýrství". 22 (1): 35–46. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  • Wolfe, D .; J. Singh (2000). "Technologie povrchů a povlaků". 124: 142–153. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)