Wiederholung: physikalische Verfahren

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Kerstin Brodbeck
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1 Wiederholung: physikalische Verfahren PVD (Physical Vapour Deposition) Aufdampfen Sputtern Dioden-System Trioden-System Magnetron-System ( balanced/unbalanced ) Ionenstrahl-System Ionenplattieren DC-Glimm-Entladung HF-Glimm-Entladung Magnetron-Entladung ogen (Arc)-Entladung Ionen-Cluster-Strahl Reaktive Varianten der obigen Verfahren

2 Wiederholung: Raten und Abkühlraten PVD Effusionszelle, Ionenkanone Sputtern Verdampfen Hochrate Magnetron Hochrate Elektronenkanone R[nm/s] R T[K/s] E teilchen =0.eV R T[K/s] E teilchen =ev Diese extrem hohen erzielbaren Abkühlraten zeigen, dass PVD - Prozesse (abgesehen vom direkten Übergang Gasphase Festkörper) oft als Nichtgleichgewichtsprozesse gesehen werden können.

3 Vakuumphysik Zentrale egriffe: Mittlere freie Weglänge: Strecke, welche ein Gasteilchen (oder ein eschichtungsteilchen) ohne Stoss mit einem anderen Teilchen zurücklegt. Auftreffrate: Anzahl der Teilchen, welche pro Flächeneinheit und Sekunde auf eine Oberfläche aus einem Gas mit konstantem Druck auftreffen. edeckungszeit: Zeit bis zur Ausbildung einer vollständigen, dichtgepackten Monolage.

4 Mittlere Freie Weglänge I Stoss zweier Teilchen und mit Radius r = R/: R r Werden beide Teilchen als punktförmig gedacht, so kommt es immer dann zum Stoss, wenn sich Teilchen innerhalb einer Scheibe mit der Fläche = R befindet. wird als Stossquerschnitt bezeichnet.

5 Mittlere Freie Weglänge II Das Teilchen bewegt sich geradlinig eine Strecke l durch ein Gas. Innerhalb eines Zylinders des Volumens V = l wird es mit jedem dort vorhandenen Teilchen stossen. l Im Zylinder befinden sich N = n V Teilchen, bei geradliniger ewegung entspricht das genau der Stosszahl.

6 Mittlere Freie Weglänge III Ein Stoss tritt dann auf wenn für die Stosszahl gilt N =. Damit ergibt sich die mittlere freie Weglänge zu: N n V n n n R 4 n r Makroskopische Information: Teilchendichte n, aus allgemeiner Gasgleichung. Mikroskopische Information: Stossquerschnitt enthält Energieabhängige Atom/Molekülradien bzw. ganz allgemein Wirkungsquerschnitte der Stosspartner.

7 Mittlere Freie Weglänge IV ewegungszustände des Umgebungsgases: Energiereiches eschichtungsteilchen: Relativbewegung vernachlässigt Gasteilchen: Relativbewegung nicht vernachlässigt 4 n r 4 n r

8 Mittlere Freie Weglänge - Rechenbeispiel 4 n r p = 0. Pa k =, J/K T = 300K r = m k T 4 p r p V N k T N V [J / K] 300[K] [J m ].50 [m 4.6 cm n ] k p T

9 Mittlere Freie Weglänge - Faustformel p=5mmpa p = Pa = 5 mm p = 0-4 Pa = 50 m 00 0 He Mittlere Freie Weglänge [m] 0, 0,0 E-3 H O CO ; Ar; N E Druck [Pa]

Mittlere Freie Weglänge: Dimensionierung CERN LHC: U = 4.3 = 7 km p[pa] p=5mmpa [mm] 5 p[pa] 5 [mm] 5.7 0 7.

10 Mittlere Freie Weglänge: Dimensionierung CERN LHC: U = 4.3 = 7 km p[pa] p=5mmpa [mm] 5 p[pa] 5 [mm] Pa.80 9 mbar Innerhalb des LHC muss Ein Druck von ca. 0-9 mbar herrschen, um Stossfreiheit zu gewährleisten.

11 Gasphasentransport Clausius'sches Weglängengesetz: N(x) N(0) exp x Dieser Ausdruck besagt: Eine signifikante Anzahl an Stössen ereignet sich bereits vor Erreichen der mittleren freien Weglänge. Stossfrei wird nur von ca. 37% der Teilchen erreicht. Auch die mittlere freie Weglänge ist nur eine statistische Masszahl.

12 Gasphasentransport - Statistik 0 0 x exp x exp x d d d d n etrachte grosses Ensemble von Einzelsituationen: ilde den Erwartungswert der Stossdistanzverteilung:

13 Flächenstossrate I Ausgangssituation: Gasmoleküle treffen auf Oberfläche Gesucht: Anzahl der Gasmoleküle, die pro Sekunde auf die Einheitsfläche auftreffen.

14 Flächenstossrate II Vorgangsweise: Zylinder mit Einheitsdeckflächen, Höhe u. Nur Teilchen mit einer Geschwindigkeitskomponente u in Richtung e, welche durch die Zylinderdeckfläche durchtreten erreichen in der Einheitszeit die Oberfläche. u e Differentielle Flächenstossrate: dz u u n (u) du Zylinder volumen Teilchen dichte

15 Flächenstossrate III Differentielle Flächenstossrate: du (u) n u dz dichte Teilchen volumen Zylinder u Totale Flächenstossrate: 0 0 u du (u) u n dz Z Maxwell-Verteilung einer Geschwindigkeitskomponente: T k m u e T k m m (u)

16 Flächenstossrate IV erechnung der totalen Flächenstossrate: T k m m p T k p n V N m T k T k m n du e u T k m n du (u) u n dz Z m T k 0 T k m u 0 0 u

17 Flächenstossrate - Rechenbeispiel Z = Z(p,T,m)= = p m m k T p = 0. Pa m= kg (O ) k =, J/K T = 300K Z = s - cm - etwa 70 ML/s

18 Flächenstossrate - graphisch

19 Vakuumtypen ezeichnung Druck [Pa] Mittl. freie edeckung Weglänge [mm] O, 300K [ML/s] Grobvakuum Atm Feinvakuum Hochvakuum (HV) Ultrahochvakuum (UHV) Extremes UHV (XHV) < mm 500 m mm km (!)

20 Pumpentypen Gasfördernd: + Rotationspumpe Grobvakuum/Feinvakuum + Diffusionspumpe Hochvakuum + Turbomolekularpumpe Hochvakuum Gasbindend: + Kühlfallen Feinvakuum + Kryopumpen Hochvakuum/UHV + Sublimationspumpen UHV + Getterpumpen UHV reaktive Gase + Ionengetterpumpen UHV inerte Moleküle (Aktivierung)

21 Strömungstypen Strömung durch ein Rohr, Durchmesser d: Laminar/Turbulent: Grobvakuum/Feinvakuum d d Teilchenstösse wahrscheinlich, globale Strömung Molekular: Hochvakuum, UHV d d Wandstösse wahrscheinlich, keine Strömung

22 Strömungstypen und Pumpsysteme Effizient im laminaren ereich: + Gasfördernde Pumpen: Rotationspumpe Wasserstrahlpumpe + Rotorbasierende Pumpen, aber nicht Turbomolekularpumpen Effizient im molekularen ereich: + Gasfördernde Pumpen: Diffusionspumpe Turbomolekularpumpe + Gasbindende Pumpen

23 Designkriterien für Vakuumsysteme Mittlere freie Weglänge : + Auswahl des Pumpentypes + Pumpgeschwindigkeit + Dimensionierung der Leitungsdurchmesser Flächenstossrate Z: + edeckungszeiten (z.. Oberflächenanalytik) + Einbau von Verunreinigungen (Verhältnis der Aftreffrate der eschichtungsteilchen und der Restgasteilchen)

24 Einbau von Verunreinigungen Haftkoeffizient : ZDes Z Z... Z Des... Auftreffrate Desorptionsrate Hoher Haftkoeffizient (Z Des 0): Reaktive Gase: O H 0 langkettige Kohlewasserstoffe (Pumpenöle) Geringer Haftkoeffizient << (Z Des Z): Inerte Gase: Edelgase N CH 4 Kohlewasserstoffe ohne reaktive Gruppen

25 Einbau von Verunreinigungen: eispiel eschichtungsmaterial: Al, m = kg eschichtungsrate Al: 0 nm/s = At/(m s - ) Verunreinigung: O, m = kg Haftkoeffizient : ca. für Al und O Tempertur: 300K Gesucht: Restgasdruck, bei dem % Sauertoff in die Schicht eingebaut wird Z Z O Al p m 9 O p m O k m m k O T O T.0 5 Pa

26 Designkriterien: Zusammenfassung Mittlere freie Weglänge : eeinflusst im wesentlichen die Gasdynamik. ereits bei relativ hohen Drücken (0 - Pa) erreicht die Mittlere freie Weglänge die geometrischen Dimensionen der eschichtungsanlage ( m). Flächenstossrate Z: Ist der wesentliche Parameter für die Schichtreinheit. Der Restgasdruck muss zumindest im mittleren Hochvakuum liegen, damit abgeschiedene Schichten eine hinreichende Reinheit aufweisen.

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