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