Transcript Aplikace
ČÁST II – PLAZMA A JEHO APLIKACE
PROČ TEDY NÍZKOTLAKÉ PLAZMA?
• Proč tedy využíváme plazma buzené za nízkého tlaku?
• Je snadné vybudit plazma (zapálit výboj) a to i ve velkém
objemu a s vysokou homogenitou
• Je možné snadno ovlivňovat energii částic dopadajících na
povrch materiálu a jejich počet (tok)
• Snadno se budí tzv. nerovnovážné plazma – plazma s
teplotou neutrálního plynu << energií nabitých částic
• Možnost vysoké čistoty procesů, vysoká definovanost
procesů
• Možnost využít magnetického pole ωC > ωSR
Ref. Fig29
Ref. Fig28
CHOVÁNÍ PLAZMATU ZA NÍZKÉHO
TLAKU
• Ambipolární difuze – efekt elektrické interakce nabitých částic –
rychlé elektrony jsou brzděny pomalými a těžkými ionty, které
naopak jsou elektrony „taženy“.
• Za nízkého tlaku je plazma tzv. nerovnovážné
• Dochází k nabíjení povrchů – vznik stěnové vrstvy náboje
Ref. Fig31
Ref. Fig30
Ref. Fig32
ELEMENTÁRNÍ PROCESY V PLAZMATU
•
„Srážky“
• Výroba nabitých částic
• Vznik radikálů
• Vznik excitovaných částic
Ref. Fig33
• Plynná
fáze nabízí výhody v experimentech – relativně
malý počet částic se lépe popisuje a simuluje (kinetika).
CHOVÁNÍ NABITÝCH ČÁSTIC V
KONTAKTU SE STĚNAMI
• Vznik stěnové dvojvrstvy
• Stern-layer, Debye-Hückelova teorie
• Zeta-potenciál – společné plazmovým technologiím a
elektrolytům
CHOVÁNÍ NABITÝCH ČÁSTIC V
ELEKTROLYTU / PLAZMATU
Ref. Fig34
Ref. Fig35
STĚNOVÁ DVOJVRSTVA - SHEATH
Ref. Fig37
Ref. Fig36
Ref. Fig34
STĚNOVÁ DVOJVRSTVA - SHEATH
Ref. Fig38abc
CHOVÁNÍ NABITÝCH ČÁSTIC V
KONTAKTU SE STĚNAMI
• Rozdíl:
• v elektrolytech se na transportu nábojů podílejí
hmotnostně srovnatelné kladné a záporné ionty
• v plazmatu je dominantním nositelem záporného
náboje a elektrického proudu elektron a to že
rychlý
• energetické elektrony posunují dynamiku
plazmatu-elektrolytu k dalším typům interakcí
STĚNOVÁ DVOJVRSTVA - SHEATH
Ref. Fig39abc
Ref. 8
CHOVÁNÍ NABITÝCH ČÁSTIC V
KONTAKTU SE STĚNAMI
• Stěnová dvojvrstva dává dynamiku interakci
kladných iontů se stěnami (urychlování při průchodu
dvojvrstvy potenciálovým rozdílem)
• Rychlé elektrony nabíjejí v plazmatu veškeré povrchy
záporně – plovoucí potenciál
• Tok iontů můžeme dále ovlivnit přiložením napětí na
stěnu (substrát) – tzv. „bias“ – kontrolujeme kinetiku
částic na povrchy
VYBRANÉ TYPY VÝBOJŮ ZA NÍZKÉHO
TLAKU
• Doutnavý (tlecí) výboj
Ref. Fig41ab
Ref. Fig40
VYBRANÉ TYPY VÝBOJŮ ZA NÍZKÉHO
TLAKU
• CCP – kapacitně vázané výboje
• Energie předávána interakcí zejména elektronů s
elektrickým polem – urychlování elektrickým polem
• Ionty obvykle „stacionární“ – nestíhají sledovat rychlé
změny el. Pole
• Za pomoci blokovacího kondenzátoru snadno dosáhnu
„biasu“ elektrody – kontroluji tok/energii iontů na substrát
VYBRANÉ TYPY VÝBOJŮ ZA NÍZKÉHO
TLAKU - CCP
VYBRANÉ TYPY VÝBOJŮ ZA NÍZKÉHO
TLAKU - CCP
VYBRANÉ TYPY VÝBOJŮ ZA NÍZKÉHO
TLAKU
• ICP – induktivně vázané výboje
• Energie předávána pomocí magnetického pole –
elektrických proudů vyvolaných elektromagnetickou indukcí
vf magnetického pole
• Výhoda – elektrody mimo plazma (malá kontaminace) =
časté využití v analytických metodách
VYBRANÉ TYPY VÝBOJŮ ZA NÍZKÉHO
TLAKU (0,013..13 Pa)
Ref. Fig44
• Typické parametry CCP RF výboje:
• Stupeň ionizace: 0,01%
• Hustota nabitých částic 10 10-1011 cm-3 (kvazineutralita)
• Teplota elektronů: 1-3 eV (elektropozitivní plyn .. Ar, He, N 2)
5-10 eV (elektronegativní plyn – Cl, F, CCl, SF6, O2) (1 eV
cca 12 000 K)
• Teplota iontů: 0,05 eV (500 K) .. Jsou těžké, RF el. pole je
mnoho neovlivní
• Neutrální plyn: 0,04 eV (300 K)
Ref. 9
Ref. Fig42
Ref. Fig43
TYPY NÍZKOTLAKÉHO PLAZMATU
• Výboje stejnosměrné, vysokofrekvenční, mikrovlnné
• Vázané kapacitně, induktivně
• Magnetizované / nemagnetizované
• Jde o způsob přenosu energie do plazmatu (interakci
vnějších elektromagnetických polí s buzeným plazmatem)
• Možnosti ovlivňování parametrů plazmatu a toku nabitých
částic na povrchy („bias“)
Ref. Fig45
VYBRANÉ TYPY VÝBOJŮ ZA NÍZKÉHO
TLAKU
Zdroj
plazmatu
DC
doutnavý
RF
doutnavý
ECR
Induktivně
vázaný
Helicon
Ref. 3
Tel (K)
2-5
log nel
(m-3)
16
Tlak
(Torr)
0,1-5
Výkon
(W)
100-300
3-8
17
0,05-1
200-500
5-15
18
10-4-0,01
300-1000
5-15
18
10-3-0,01
500-2000
5-15
18-19
0,01-0,1
500-2000
JAK ZJISTÍM ZÁKLADNÍ INFORMACE O
PLAZMATU
• Sondová měření (Langmuirova sonda)
• Hmotová spektrometrie
• Energiová spektrometrie
• Optická emisní spektroskopie
Ref. Fig47
Ref.
Ref. Fig46
Fig48
VYUŽITÍ (PLAZMOVÝCH) REAKTORŮ
• Depozice – bez plazmatu:
• z pevné fáze – napařování (termální), naprašování
(elektronové dělo)
• Z kapalné fáze – elektrolytické pokovování,
bezproudové pokovování
• Z plynné fáze – CVD (chemická depozice z plynné
fáze), ALD (atomic layer deposition)
VYUŽITÍ (PLAZMOVÝCH) REAKTORŮ
• Depozice – s využitím plazmatu (výbojů):
• z pevné fáze – dc / magnetronové naprašování
(možno i reaktivní)
• Z plynné fáze – PECVD (plazmatem aktivovaná
chemická depozice z plynné fáze)
• dc výboje, rf výboje (CCP, ICP), mikrovlnné ECR
výboje, …
• uniformita, homogenita, rychlost depozice, velikost
deponovaného povrchu
• Lze i za vysokých tlaků…
VYUŽITÍ (PLAZMOVÝCH) REAKTORŮ
• Odstraňování materiálu z povrchů
• Etching (leptání) – materiály: Si, kovy (Al, Cu, slitiny),
dielektrika (SiO2, SixNy, MeOx, low-k dielektrika)
• rychlost, uniformita, anizotropie, selektivita
• Ashing (spalování) – spalování fotorezistu – maska v
mikroelektronice, většinou využívá kyslíkového plazmatu
• Cleaning (čištění) – aktivní / pasivní (teče proud skrze
čištěný povrch, či nikoliv)
• Plazmová aktivace povrchů (tvorba radikálů, roubování
funkčních skupin, ..)
NAPAŘOVÁNÍ TENKÝCH VRSTEV
•
Nízký tlak – potřebuji dlouhou
volnou dráhu
•
Zahřívání a odpar materiálu k
depozici
•
Substrát chladný – kondenzace
par deponovaného materiálu
•
Nutnost zahřívat – limitováno
teplotní rezistencí vaničky
ohřevu
•
Zlepšení – využitím bombardu
rychlými elektrony
•
Obdobně CVD – teplo pro
dekompozici prekurzoru –
teplotní namáhání vzorku
Ref. Fig49
NAPAŘOVÁNÍ TENKÝCH VRSTEV
NAPAŘOVÁNÍ TENKÝCH VRSTEV
NAPAŘOVÁNÍ TENKÝCH VRSTEV
NAPAŘOVÁNÍ TENKÝCH VRSTEV
NAPRAŠOVÁNÍ (MAGNETRONY), REF. 10
• 1852: Sir William Robert Grove - cathode disintegration
• 1870s: kovové vrstvy pro zrcadla
• 1923: John Thompson – termín „sputtering“ – rozprašování
• 1970: reaktivní naprašování
• 1999: HiPIMS – naprašování pulzy vysokého výkonu
• Oproti napařování umožňuje:
• depozici kovů s vysokým bodem tání
• depozici více-komponentních (stechiometrických) povlaků
• depozici oxidů, nitridů, karbidů, …
NAPRAŠOVÁNÍ (MAGNETRONY)
-V
Cathode
Ar+
Bias
Neutral
Vapour
Anode
Plasma
Incident Ion
Neutralized Reflected Ion
Secondary Electron
Sputtered Atom
Ref. Fig50abcd
Surface Atoms
Sputtered Atom
NAPRAŠOVÁNÍ (MAGNETRONY)
Ref. Fig51abc
NAPRAŠOVÁNÍ (MAGNETRONY)
NAPRAŠOVÁNÍ (MAGNETRONY)
TVRDÉ OCHRANNÉ VRSTVY
Ref. Fig52ab
PACVD (PECVD)
• K depozici z prekurzoru mu
potřebuji dodat ENERGII
• PVD – dodávám energii
tepelnou (vysoká teplota cca
500-900 oC)
• PECVD – dodávám energii
prostřednictvím plazmatu
• rychlé elektrony,
excitované částice apod.
• teplota iontů/neutrálního
plynu je nízká – není
destrukce substrátu
Ref. Fig53
Příklad: depozice SiO2 z plynných prekurzorů: Si(OC2H5) + O2
PACVD (PECVD)
Ref. Fig54
CCP REAKTOR PRO PACVD DEPOZICE
CCP REAKTOR PRO PACVD DEPOZICE
ETCHING / ASHING
Důležité kroky při výrobě mikroelektroniky
1. Nanesení tenké vrstvy
2. Nanesení a exponování fotorezistu
3. Leptání fotorezistu a následně leptání dané vrstvy
4. Spálení fotorezistu (např. O + rezist -> CO2 + H2O)
5. A znovu 1. …
• Při leptání – „vrtání děr (trenches)“ je zásadní silná anizotropie
(aspect ratio) a selektivita leptání, př. Si + 4Cl -> SiCl4
ETCHING / ASHING
Ref. Fig55
ETCHING / ASHING
Ref. Fig56
Ref. Fig57
ETCHING / ASHING
Ref. Fig58ab
ZRCADLOVÉ PLOCHY
Ref. Fig59
OSVĚTLOVÁNÍ
• Doutnavka – doutnavý výboj za nízkého tlaku
(„neonky“)
• Zářivky (nízkotlaký střídavý doutnavý výboj –
konverze světla pomocí luminoforů)
• Sodíková výbojka – doutnavý výboj v parách sodíku
– rezonanční dublet sodíku cca 580 nm
Ref. Fig61
Ref. Fig60
Ref. Fig62
A JAK TEDY DOPADL NÁŠ DTD DISK?
Ref. Fig63
DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST!
POUŽITÁ ZÁKLADNÍ LITERATURA (REF.#)
1.
KRACÍK, Jiří, Josef B. SLAVÍK a Jaromír TOBIÁŠ. Elektrické výboje. 1. vyd. Praha: Státní
nakladatelství technické literatury, 1964. 220 s.
2.
CHEN, Francis F. a Jane P. CHANG. Lecture notes on principles of plasma processing. New
York: Kluwer Academic/Plenum publishers, 2003. ix, 208 s. ISBN 0-306-47497-2.
3.
ROTH, Reece J. Industrial plasma engineering. Volume 2, Applications to nonthermal plasma
processing. Bristol: Institute of Physics Publishing, 2001. xi, 645 s. ISBN 0-7503-0544-4.
4.
ROTH, Reece J. Industrial plasma engineering. Volume 1, Principles. Bristol: Institute of
Physics Publishing, 1995. xiii, 538. ISBN 0-7503-0317-4.
5.
LIEBERMAN, M. A. a Allan J. LICHTENBERG. Principles of plasma discharges and materials
processing. 2nd ed. Hoboken, N.J.: John Wiley & Sons, 2005. xxxv, 757. ISBN 0471720011 .
6.
MARTIŠOVITŠ, Viktor. Základy fyziky plazmy :učebný text pre magisterské štúdium. 1. vyd.
Bratislava: Univerzita Komenského, 2006. 189 s. ISBN 80-223-1983-X.
7.
GROSZKOWSKI, Janusz. Technika vysokého vakua [Groszkowski, 1981]. 1. vyd. Praha: SNTL Nakladatelství technické literatury, 1981. 438 s.
8.
http://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_sheath
9.
http://www.chm.bris.ac.uk/~paulmay/misc/msc/msc4.htm
10. Pavel Souček, přednáška na CXI TUL, Liberec 2013
DOPLŇUJÍCÍ LITERATURA, CITACE
POUŽITÉHO OBRAZOVÉHO MATERIÁLU
(REF. FIG#)
1.
a) http://hzhilong.com/markets.htm
b) http://www.acreetech.com/index.php/products/diamond-like-carbon-coating
2.
http://www.shm-cz.cz/pvd-povlaky-a-sluzby/pvd-povlaky/tin/
3.
http://www.pfeiffer-vacuum.net/
4.
DataTresorDisc: www.datatresordisc.cz
5.
http://en.memory-alpha.org/wiki/Plasma_weapon (Paramount Pictures and/or CBS Studios)
6.
http://hifiland.net/katalog/ozonizer-masazni-stroj-z-filmu-postriziny~zozonizer.html
7.
http://www.nasa.gov/vision/space/travelinginspace/future_propulsion.html VASIMR
8.
Ji Q., A. Sy, J.W. Kwan. “Radio frequency-driven proton source with a back-streaming electron
dump,” Rev Sci Instrum. 81(2):02B312 (2010).
9.
http://www.shorpy.com/node/16228 Times Square:1950 author:„mpcdsp“
10. Pavel Slavicek, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
11. http://www.princeton.edu/~his291/Magdeburg_Spheres.html
12. Vacuum by means of a mercury column. Florence, 1644. [Cf. Torricelli 1644; Middleton 1964,
pp. 23-30.]
DOPLŇUJÍCÍ LITERATURA, CITACE
POUŽITÉHO OBRAZOVÉHO MATERIÁLU
(REF. FIG#)
13. foto: Jaroslav Reichel:
http://www.jreichl.com/fyzika/exkurze/cern2006/obrazky/cesta/03_muzeum/img00028.htm
14. Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
15. Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
16. ab: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
17. ab: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
18. a: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
19. a: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
20. Turbomolekulární vývěva: Materiály f. Pfeiffer
21. a:L. Pátý: Fyzika nízkých tlaků, Academia, Praha 1968 (iontová vývěva)
22. Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
23. ab: Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
24. a: J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 (Bayard-Alpert)
DOPLŇUJÍCÍ LITERATURA, CITACE
POUŽITÉHO OBRAZOVÉHO MATERIÁLU
(REF. FIG#)
25. F.OHanlon: A Users Guide to Vacuum Technology, Wiley (2003)
26. J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 (tenze par)
27. Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
28. IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 26, NO. 6, DECEMBER 1998 ,
1685 The Atmospheric-Pressure Plasma Jet: A Review and Comparison to Other Plasma
Sources Andreas Schütze, James Y. Jeong, Steven E. Babayan, Jaeyoung Park, Gary S.
Selwyn, and Robert F. Hicks
29. http://www.ipp.cas.cz/Develop/Tokamak/euratom/index.php/cs/compassdiagnostiky/mikrovlnne/ece-ebw-radiometr
30. http://hobby.idnes.cz/nebezpecne-spojeni-pes-na-voditku-po-boku-muze-jenejagresivnejsi-1cm-/hobby-mazlicci.aspx?c=A111111_112952_hobby-mazlicci_bma
31. http://www.pesweb.cz/cz/102.z-utulku-domu
32. IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 26, NO. 6, DECEMBER 1998 ,
1685 The Atmospheric-Pressure Plasma Jet: A Reviewand Comparison to Other Plasma
Sources Andreas Schütze, James Y. Jeong, Steven E. Babayan, Jaeyoung Park, Gary S.
Selwyn, and Robert F. Hicks
33. https://is.muni.cz/el/1431/jaro2010/F4280/um/ prednaska.pdf: Lenka Zajíčková: Studijní
materiály k předmětu: Technologie depozice tenkých vrstev a povrchových úprav, 2010
DOPLŇUJÍCÍ LITERATURA, CITACE
POUŽITÉHO OBRAZOVÉHO MATERIÁLU
(REF. FIG#)
34. Larryisgood:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Zeta_Potential_for_a_particle_in_dispersion_medium.png
35. http://www2011.mpe.mpg.de/pke/PKE/Paper_THOMAS-2000/index.html (Debyeho
stínění)
36. http://www.chm.bris.ac.uk/~paulmay/misc/msc/msc4.htm (Sheath obrazky)
37. Exp. metody a spec. praktikum A 2 – studijní materiály IS MU (is.muni.cz)
38. abc: http://www.chm.bris.ac.uk/~paulmay/misc/msc/msc4.htm (Parametry, EEDF)
39. http://www.chm.bris.ac.uk/~paulmay/misc/msc/msc4.htm
40. IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 26, NO. 6, DECEMBER 1998 ,
1685 The Atmospheric-Pressure Plasma Jet: A Review and Comparison to Other Plasma
Sources Andreas Schütze, James Y. Jeong, Steven E. Babayan, Jaeyoung Park, Gary S.
Selwyn, and Robert F. Hicks
41. http://www.aldebaran.cz/bulletin/2012_42_pla.php, foto tamtez prevzato z V. A. Lisovskiy
et al.: Validating the Goldstein-Wehner law for the stratified positive column of dc
discharge in an undergraduate laboratory; European Journal of Physics 33/6 (2012) pp.
1537-1545
42. http://www.chm.bris.ac.uk/~paulmay/misc/msc/msc4.htm
DOPLŇUJÍCÍ LITERATURA, CITACE
POUŽITÉHO OBRAZOVÉHO MATERIÁLU
(REF. FIG#)
43. IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 26, NO. 6, DECEMBER 1998 ,
1685 The Atmospheric-Pressure Plasma Jet: A Review and Comparison to Other Plasma
Sources Andreas Schütze, James Y. Jeong, Steven E. Babayan, Jaeyoung Park, Gary S.
Selwyn, and Robert F. Hicks
44. http://www.prf.jcu.cz/ufy/struktura/laboratore/laborator-fzyikz-plazmatu.html
45. Foto: CEPLANT
46. Exp. metody a spec. praktikum A 2 – studijní materiály IS MU (is.muni.cz)
47. Foto: CEPLANT
48. Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
49. Pavel Slavíček, studijní materiály F4160: http://is.muni.cz/el/1431/jaro2014/F4160/um/
50. abcd: Pavel Souček, přednáška na CXI TUL, Liberec 2013
51. abc: Pavel Souček, přednáška na CXI TUL, Liberec 2013
52. ab: http://www.shm-cz.cz/
53. http://jnltech.en.ec21.com/PECVD_Plasma_Enhanced_Chemical_Vapor-4635451_4635461.html
DOPLŇUJÍCÍ LITERATURA, CITACE
POUŽITÉHO OBRAZOVÉHO MATERIÁLU
(REF. FIG#)
54. R.V.Stuart: Vacuum technology Thin Films and Sputtering, Academic Press 1983 (schema
PECVD)
55. http://asml.nl/asml/show.do?lang=KR&ctx=28145&rid=44709
56. Nanotechnology and Nanomaterials » "Updates in Advanced Lithography", book edited by
Sumio Hosaka, ISBN 978-953-51-1175-7, Published: July 3, 2013 under CC BY 3.0
license
57. Nanotechnology and Nanomaterials » "Updates in Advanced Lithography", book edited by
Sumio Hosaka, ISBN 978-953-51-1175-7, Published: July 3, 2013 under CC BY 3.0
license
58. ab: http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semitech_en/kap_7/backbone/r7_2_2.html
59. W. Espe: Technologia hmot vákuovej techniky, Slovenská akadémia vied, Bratislava
60. http://fphoto.photoshelter.com/image/I0000EvnvF8e05Kw Copyright:© 2005 Richard
Megna - Fundamental Photographs. (doutnavky)
61. http://danyk.cz/zdroj_vfe.html (sodíková výbojka)
62. http://www.zshorakhk.cz/optika/Barvy%20duhy%20II.htm (spektra)
63. www.datatresordisc.cz