2. Herstellung dünner Schichten: CVD, LPE, Sol-Gel u.a.

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1 2. Herstellung dünner Schichten: CVD, LPE, Sol-Gel u.a. [Aixtron] 1

2 CVD Chemical vapor deposition(cvd) reaktive Gase im Vakuum Dissoziation unter Energiezufuhr (Substrattemperatur, Gasentladung, Mikrowellen, Photonen, Katalyse, ) heterogene chemische Reaktionen am Substrat (Vermeidung von pulvrigen Kondensaten) 2

3 CVD-Reaktionstypen 3

4 CVD-Anlage (Reaktor) [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 4

5 CVD-Reaktoren [ A. Klein ] 5

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7 Das Ziel dieser Simulation eines CVD (chemical vapor deposition) Systems ist die Berechnung der Ablagerungsrate als Funktion von Fluidmechanik und Kinetik. Dabei wird Siliziumhydroxiddampfin den CVD Reaktor eingelassen. Er reagiert auf den Wafern zu Silizium und Wasserstoff. Dazu wurde das Chemical Engineering Modul verwendet. Das Modell zeigt das Konzentrationsprofil innerhalb und um die Wafer, während die Pfeile das Geschwindigkeitsprofil darstellen. Der Transport innerhalb der Wafer wird simuliert unter Verwendung von anisotropen Diffusionskoeffizienten, um die Diffusion senkrecht zur Anordnung der Wafer zu vernachlässigen. Ebenso wurden Konvektionseffekte ignoriert. [ ] 7

8 [ 8

9 Plasmaassistierte CVD PACVD ist ein Verfahren zur Bildung fester Niederschläge durch chemische Reaktionen in einem Gas, dem durch ein Plasma Energie zugeführt wird. Die zur Reaktion bestimmten Gasmoleküle werden im Plasma dissoziiert, in Radikale gespalten und/oder in angeregte Zustände übergeführt und reagieren daher bereits bei tieferen als den thermodynamisch erwarteten Temperaturen. Daher können durch PACVD thermisch sensiblere Substrate beschichtet werden als mit der herkömmlichen CVD. Weitersbilden sich nach Abkühlung auf Raumtemperatur geringere mechanische Spannungen aus. Vor und/oder während der Beschichtung können die Substrate durch Ionenbeschuß gereinigt werden. 9

10 Plasmapolymerisation Die Plasmapolymerisation ist ein Prozeß, bei dem organische oder anorganische Polymerisate aus einem Monomerdampf unter der Einwirkung von Ionen, Elektronen und Photonen einer Gasentladung niedergeschlagen werden. Plasmapolymerisation ist keine Polymerisation im konventionellen Sinne, bei der durch Vernetzung von Monomermolekülenein Polymer entsteht, z.b. Polyäthylen aus Äthylen. Es entsteht vielmehr eine Polymerstruktur, bei der das Ausgangsmaterial nicht erhalten bleibt, sondern als Quelle für die Fragmente dient, aus denen größere Moleküle aufgebaut werden. 10

11 Plasmapolymerisation 1. Reaktionen in der Gasphase: Es bilden sich reaktive Spezies in Form von angeregten und ionisierten Molekülen und Molekülfragmenten, die sich zu Ketten, Clustern und freien Radikalen zusammenlagern 2. Die in Phase 1 gebildeten Spezies sowie die Monomermolekülewerden an der Substratoberfläche adsorbiert 3. Polymerisation der Teilchen und Fragmente auf der Substratoberfläche pinholefrei, sehr dicht, gute Haftung 11

12 [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 12

13 Weitere Varianten Atomic layer deposition (ALD), auch atomic layer epitaxy (ALE) oder atomic layer chemical vapour deposition (ALCVD): CVD-Modifikation bei der gasförmige Precursoren gaseous sequentiel auf die Substratoberfläche geleitet werden und der Reaktor zwischen den Precursorpulsen mit einem inerten Gas gefüllt oder evakuiert wird. Die chemischen Reaktionen, die zur Deposition der Schicht führen, treten ausschließlich auf dem Substrat auf, wobei die Temperaturen unter der Zersetzungstemperatur des metallhaltigen Precursors liegen und die Gasphasenreaktionen unbedeutend sind.. 13

14 [Jones, Hitchman] 14

15 [Jones, Hitchman] 15

16 Weitere Varianten Chemical beam epitaxy (CBE) und metal-organic molecular beam epitaxy (MOMBE): Hochvakuum-CVD bei der volatile metall-organische Precursoren und gasförmige Co-Precursoren verwendet werden. Ähnlich werden bei der metal-organic molecular beam epitaxy (MOMBE) volatile metall-organicsche Precursoren und Co-Precursoren als Dampf aus festen Elementen erzeugt. Bei CBE und MOMBE finden die chemischen Reaktionen nur auf der Substratoberfläche statt und Gasphasenreaktionen sind unbedeutend. 16

17 CBE [en.wikipedia.org] 17

18 Buchtipp dazu (online verfügbar über ThULB): Chemical Vapour Deposition: Precursors, Processes and Applications Edited by Anthony C. Jones and Michael L. Hitchman Royal Society of Chemistry

19 Flammenpyrolyse: Combustion-CVD (CCVD) Vorteile: -Atmosphärendruck -Pulsbetrieb (wärmeempfindliche Substrate -Kein Reaktor -Kostengünstig [Zunke] 19

20 Flammenpyrolyse: Combustion-CVD (CCVD) [Zunke] 20

21 Flammen-Auftragschweißen: Gas-Pulver-Verfahren [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 21

22 Auftragsschweissen Eine Einteilung kann nach der Art der verwendeten Energiequelle -Flamme, Lichtbogen, Plasmastrahl oder JoulscheWärme - geschehen. Mit diesen Energiequellen wird sowohl das aufzutragende Material als auch eine dünne Oberflächenschicht des Substrates geschmolzen, so dass durch Diffusion und Vermischung eine haftfeste, porenfreie Schicht entsteht. Durch das Aufschmelzen der Substratoberfläche und das teilweise Durchmischen mit dem Schichtmaterial unterscheidet sich das Auftragschweißenvon den thermischen Spritzverfahren. 22

23 Thermische Spritzverfahren [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 23

24 Thermische Spritzverfahren 1. Die Beschichtungsraten sind im Vergleich zu den PVD-und CVD-Verfahren um zwei Größenordnungen höher. Schichtdicken bis zu mehreren mm können problemlos erzeugt werden 2. Die Verfahren eignen sich für die Serienfertigung wie für die Beschichtung von Einzelstücken. Abgesehen vom Vakuum-Plasma-Spritzverfahren ist eine Beschichtung sowohl im Labor als auch auf der Baustelle möglich beispielsweise Baggerschaufeln) 3. Da die Substrate thermisch wenig belastet werden, können auch Al-, Sn oder Zn-Legierungen bzw. einige Kunststoffe beschichtet werden und erleiden dabei keinen Verzug, Oxidation oder Gefügeänderung 4. Herstellung von Schichten aus Metallen, Keramik, Cermets, Hartstoffen und sogar gewissen Kunststoffen ist möglich 24

25 Thermische Spritzverfahren 1. Die Schichten sind sehr porös und können erst durch Nachbehandlungen (z.b.: Aufschmelzen) verdichtet werden. 2. Die Festigkeit der Schichten ist geringer als die des Bulkmaterials 3. Geringe Haftfestigkeit 25

26 [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 26

27 Schmelztauchen [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 27

28 Flüssigphasenepitaxie (LPE) Aus Mutterphase (Lösung oder Schmelze) wird Kristallphase abgeschieden (Heterosystem) Kontrolle über p und T (Clausius-Clapeyron) P=const Unterkühlung T=const Übersättigung 28

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30 LPE 30

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35 Langmuir-Blodgett-Schichten Organische Polymere in Lösungsmitteln Genau dosierte Menge auf hochreine Wasseroberfläche Nach Verdunsten des Lösungsmittels langsames Eintauchen des Substrates (Monolage!) Wiederholung (Monolage für Monolage) 35

36 Irving Langmuir ( ) Ch-Nobelpreis 1932 (Oberflächenchemie) Dosis-Einheit: 1 L = 1 torr μs = 133 Pa 10 6 s = 1, mbar s Katharine Burr Blodgett ( ) 1917 als erste Physikerin bei General Electric 1926 als erste Frau in Cambridge in Physik promoviert 36

37 Langmuir-Blodgett-Schichten o - polar (hydrophil) I unpolar (hydrophob) [ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ] 37

38 Animation [ 38

39 Sol-Gel-Verfahren 39

40 Sol-Gel-Verfahren 40

41 Sol-Gel-Verfahren Nd:YAG (Granat) 41

42 Drucken oder Aufstreichen! 42