Optische Diagnostik bei der Abscheidung von SiO 2 -Schichten

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1 Optische Diagnostik bei der Abscheidung von SiO 2 -Schichten A. Burkert, D. Müller und W. Paa Leibniz-Institut für Photonische Technologien, Jena ThGOT 10 Leipzig Lasertechnikgebäude

2 Übersicht 1. Motivation 2. SiO 2 -Schichtabscheidung 3. Propan/Luft-Flammen oder kalte Plasmaquellen? 4. experimenteller Aufbau 5. OES-Messungen 6. Abstand Brenner zu Substrat / Faden 7. 2D-Temperaturverteilungen 8. räumliche und zeitliche Stabilität 9. Zusammenfassung

3 3 Wachstumskern

4 SiO 2 -Schichten - Anwendungen: - Antireflexionsschichten (z.b. für Solarzellenmodule) - selbstreinigende Oberflächen - Schichten mit verbesserter Adhäsion - fixieren von antibakteriell wirkenden Nanopartikeln auf Kleidung Beschichtungsprozesse: - Prozesse bei Atmosphärendruck oder Vakuum Kosten rf-sputtern Atomic Layer Depostition (ALD) C-CVD flammenbasierte chemische Gasphasenabscheidung P-CVD plasmabasierte chemische Gasphasenabscheidung sol-gel-prozesse Ziele von J-1013: - Demonstratoren für Industrieanwendungen z.b. SiO 2 -Schichtabscheidung auf ebenen Oberflächen z.b. SiO 2 -Schichtabscheidung auf Fäden } Laserdiagnostik

5 SiO 2 -Schichtabscheidung auf ebenen Oberflächen SiO 2 Schichtabscheidung auf Fäden höhenverstellbar ausschwenkbar Quelle: Innovent Neudeck A. (TITV-Greiz), Analyse der Wärmeverteilung bei CCVD-Prozessen an Garnen, 8. ThGOT, 2012 oft in Literatur beschrieben Festlegung der Betriebsparameter? Laserdiagnostik als Hilfsmittel? weniger gut untersucht temperaturempfindliche Fäden heiße Propan/Luft-Flamme oder kaltes Plasma?

6 Prekursor Hexamethyldisiloxan Tetramethylsilan Silizium tetrachlorid Abkürzung HMDSO TMS SiCl 4 CAS-Nummer Summenformel C 6 H 18 OSi 2 C 4 H 12 Si SiCl 4 großflächige SiO 2 -Schichten, Abscheideanlage verwendet HMDSO (Hompage Innovent) Strukturformel molare Masse 162,38 g. mol -1 88,23 g. mol ,9 g. mol -1 Dichte 0,76 g. cm -3 0,648 g. cm -3 1,483 g. cm -3 Schmelzpunkt -59 C -102 C -70 C Siedepunkt 101 C 27 C 234 C Anmerkung farblose Flüssigkeit farblose Flüssigkeit Flüssigkeit leicht entflammbar hoch entflammbar stechend riechend PYROSIL -Brenner (enthält TMS) SiCl 4 es bildet sich Salzsäure Filter für die Abgasreinigung

7 Den Prekursor direkt oder remote zuführen? direkt: Prekursor strömt durch den Brenner remote: Eindüsung nach dem Brenner (für temperaturempfindliche Prekursoren) direkt remote Hightechbrenner Plasmaquelle mit Prekursoreindüsung nach dem Brenner Fauchais, J.Phys.D Appl. Phys. 37 (2004) R86-R108 SURA Instruments homogene Speziesverteilung für temperaturempfindliche Prekursoren

8 Propan/Luft-Flamme oder kaltes Plasma? Schlitzbrenner (SURA Instruments) skalierbar 1.6 m niedriger Gasverbrauch Blaster von Tigres DBD-Plasma 18l/min Luft Punktquelle geringe Temperaturbelastung für Fäden Lochbrenner (Webber) Multiblaster von Tigres skalierbar 1.6 m höherer Gasverbrauch

9 Was wäre schön zu wissen? Was wird benötigt? Temperaturverteilung in Flamme / Plasma - notwendige Fadengeschwindigkeit - optimale Faden oder Substrattemperatur Speziesverteilungen - Höhe wo SiO 2 gebildet wird - optimale Abstand zum Faden / Substrat turbulente oder laminare Strömung? - bekannt: kleinere Teilchen wenn turbulent - welche Betriebsparameter? Stabilität der Flamme / Plasma - räumlich und zeitlich - Gleichförmigkeit der Prekursor oder SiO 2 -Verteilung Schichtwachstum ballistisch oder diffusionsgetrieben? - Stagnationsströmung Mitarbeiter und Zeit begrenzt Fokussierung auf das Notwendige Temperaturverteilungen Abstand zum Faden / Substrat Gleichförmigkeit (räumlich und zeitlich) Technik - schmalbandige, durchstimmbare Laser mit Puls-zu- Puls Wellenlängenumschaltung - empfindliche Kameras / Spektrometer - kleine Beschichtungsanlage (wenig Platz im Labor) - Einhausung für partikelbeladene Flammen / Plasmen Anpassung von Messtechniken (LIF, OES) - für partikelbeladene Flammen - für kalte Plasmaquellen

10 Experimenteller Aufbau - schmalbandige, durchstimmbare Laser mit Puls-zu-Puls Wellenlängenumschaltung - ICCD-Kameras für Spektroskopie und Imaging

11 Laserdiagnostik im IPHT Technik Excimerlaser on-/off- Messungen Nd:YAG-Laser 1064 nm 532 nm 355 nm 266 nm Farbstofflaser 210 to 600 nm Einhausung (Partikel, Strahlung) khz-scheibenlaser on-/off-messungen kompakte Beschichtungsanlage

12 Laserquellen - Parameter Excimerlaser Farbstofflaser ADL transportabler Excimerlaser on-/off- Messungen Nd:YAG- Laser 1064 nm 532 nm 355 nm 266 nm Farbstofflaser 210 to 600 nm Compex 150T (Coherent) flat top-profil Lichtschnitt mit Zylinderlinse Repetitionsrate: Hz Pulslänge: 24 ns Pulsenergie-Stabilität: ±10% Pulsenergie 450 mj@248 nm - FWHM: 2 pm - OH-Anregung: 248 nm Sirah PrecisionScan Graußprofil Lichtschnitt diffraktiv optischen Elementen Repetitionsrate: 10 Hz Pulslänge: 7 ns Pulsenergie-Stabilität: ±8% Pulsenergie 11 mj@248nm FWHM: 2 pm OH-Anregung: 248 und 283 nm Pumplaser: Nd:YAG Quanta-Ray Pro 290 (Spectra Physics) khz-scheibenlaser Advanced disk laser (ADL) Gaußprofil (M 2 = 1,2) Lichtschnitt diffraktiv optischen Elementen Repetitionsrate: 1000 Hz Pulslänge : 20 ns Pulsenergie-Stabilität : ±8% Pulsenergie : 2 mj@343nm FWHM: <0,1 pm OH-Anregung : 256 und 343 nm

13 Experimenteller Aufbau OES-Messungen: Orientierung der langen Brennerachse in Sichtlinie des Spektrometers - hohe räumliche Auflösung (1 x 0,3 mm, senkrecht zur Sichtlinie) bei Verwendung der Blenden OH-Radikale sind wichtig für SiO 2 -Schichtabscheidung Simulation der Spektren mit LIFBASE Foto: HMDSO beladene Propan-Luft-Flamme Burkert et al. 2013

14 Temperatur [K] Abstand Brenner zum Substrat / Faden OES-Spektren von OH Propan/Luft-Flamme kaltes Luft-Plasma (DBD) Equivalenzverhältnis Höhe über dem Brenner [mm] Höhe über Brenner [mm] mit HMDSO ohne HMDSO OH* ist wichtig für die Schichtbildung Kojima et al., Proc. Comb. Inst. 28, (2000), Simulation der OH-OES-Spektren mit LIFBASE Wellenlänge [nm] Temperatur (Schwingung, Rotation) OH*-Temperaturen höher als Thermoelementmessungen Brenner-zu-Substrat / Faden Abstand: mm Propan/Luft-Flamme 8 mm Luft-Plasma in guter Übereinstimmung mit experimentellen Erfahrungen Luft-Plasma hat 500 K in 8 mm Höhe über dem Brenner niedrigere Fadengeschwindigkeiten im Vergleich zu Flammen

15 siehe Burkert et al. ICAIM D-Temperaturverteilungen OH LIF Txy (,) Sxy k2 (,) ln Sxy (,) k1 E c const. ΔE: Energiedifferenz zwischen P 2 (8) und Q 2 (11) Untergrundabzug P 2 (8) und Q 2 (11) Bilder S k2 (x,y) Pixel (x,y) in P 2 (8)-Bild S k2 (x,y) Pixel (x,y) in Q 2 (11)-Bild 2 Kalibration notwendig (cconst) zwei Anregungswellenlängen für Temperaturmessung gut untersucht für unbeladene Flammen LIF-Intensitäten für Propan/Luft-Flammen < H 2 /Luft-Flammen Arnold et al., Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 96, (1992), Wellenlänge [nm] großer Streulichtuntergrund direkt über Propan/Luft-Brenner Filter für LIF-Nachweis dem Prekursor anpassen Luft-Plasma hat 500 K in 8 mm Höhe über dem Brenner niedrigere Fadengeschwindigkeiten im Vergleich zu Flammen Temperatur [K]

16 HMDSO-beladene Propanflamme OH-LIF-Verteilung (P 2 (8)) hier: ohne HMDSO Parameter SiO 2 -Schichtabscheidung auf Glas SiO 2 -Schichtabscheidung auf Fäden Brenner 50 mm Lochbrenner 100 mm Schlitzbrenner Propan/Luft 1:20 0,8:20 Brenner-Abstand 4 40 mm 10 mm Durchgänge Geschwindigkeit mm/s mm/min Prekursor HMDSO HMDSO Burkert et al., CLEO, 2012

17 Räumliche und zeitliche Stabilität - Fluoreszenz-Anregungsspektren SiO-LIF-Verteilungen Farbstofflaser Doppelschlitzbrenner zeigt Fluktuationen Wellenlänge [nm] Wellenlänge [nm] Burkert et al., CLEO, 2013 Spaltt Schlitzbrennert Lochbrennert Doppelschlitzbrennert

18 t 0 t s t s t s t s t s Luft-Plasma SiO-LIF-Verteilungen Lichtschnitttechnik Fluktuationen mehrfache SiO 2 -Abscheidung mit dem Multiblaster

19 Zusammenfassung OES-Messungen von OH als Kriterium für den Brenner-zu-Substrat-Abstand bei Propan/Luft-Flammen: 10 mm beim kalten Luft-Plasma: 8 mm Temperaturmessungen basierend auf OH-LIF in beladenen Flammen sind schwierig angepasste Filter benötigt starker Streulichthintergrund direkt über dem Brenner angepasste Anregungswellenlängen für kalte Flamme SiO-LIF ermöglicht Nachweis von Fluktuationen (zeitlich und räumlich)

20 PHOTONICS FOR LIFE Danke für Ihre Aufmerksamkeit Wir danken dem BMBF/PTJ für die finanzielle Unterstützung (FKZ-03WKBR11E)

21 Literatur: Neudeck A., Analyse der Wärmeverteilung bei CCVD-Prozessen an Garnen, 8. ThGOT, 2012 Fauchais P., Understanding Plasma Spraying, J.Phys.D Appl. Phys. 37, 2004, R86-R108 Burkert A., Müller D., Paa W., Si and SiO detection in a HMDSO/propane/air flame using spatially resolved optical emission spectroscopy (OES), J. Quant. Spectrosc. Trans 114, 2013, Kojima J., Ikeda Y., and Nakajima T., Spatially resolved measurements of OH*, CH*, and C 2 * Chemiluminescence in the reaction zone of laminar methane/air premixed flames, Proc. Comb. Inst. 28, (2000), Arnold A., Lange B., Bouché T., Heitzmann T., Schiff g., Ketterle W., Monkhouse P., Wolfrum J., Absolute Temperature Fields in Flames by 2D-LIF of OH Using Excimer Lasers and CARS Spectroscopy, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 96, (1992), Burkert A., Paa W., Neudeck A., Müller D., Heft A., Schimanski A., Laser Diagnostics as a Tool to Improve Combustion-based Atmospheric SiO 2 Layer Deposition, CLEO: Applications and Technology, San José, June 9-14, 2013, ISBN:

22 Calibration using N 2 Raman scattering comparison between measured and simulated N 2 Raman spectra high concentration in fuel/air flames applicable >1000 K accuracy <5 K limitation background subtraction alternative: CARS measurements

23 SiCl 4 seeding - modification of the filter in the detection path without SiCl 4 precursor seeding additional background (e.g. scattering) adaption of filter necessary the adapted filter smaller LIF signals with precursor: partly low OH-LIF signal on an intensive background with SiCl 4 with SiCl 4 with background correction new filter without SiCl 4 with SiCl 4 (85 sccm) without SiCl background 4 wavelength [nm] wavelength [nm]

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