1Prof. Dr. Paul Seidel

VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2014/15

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

[Aixtron]

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)

2Prof. Dr. Paul Seidel

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CVD-Reaktionstypen

3Prof. Dr. Paul Seidel

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[ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ]

CVD-Anlage (Reaktor)

4Prof. Dr. Paul Seidel

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CVD-Reaktoren

[ A. Klein ]5

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WS 2014/15

6Prof. Dr. Paul Seidel

VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2014/15

Das Ziel dieser Simulation eines CVD (chemical vapordeposition) Systems ist die Berechnung der Ablagerungsrate als Funktion von Fluidmechanik und Kinetik. Dabei wird Siliziumhydroxiddampf in 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.

[ www.femlab.de ]

7Prof. Dr. Paul Seidel

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[www.femlab.de]

8Prof. Dr. Paul Seidel

VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2014/15

Plasmaassistierte CVDPACVD 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. Weiters bilden sich nach Abkühlung auf Raumtemperatur geringere mechanische Spannungen aus. Vor und/oder während der Beschichtung können die Substrate durch Ionenbeschuß gereinigt werden.

9Prof. Dr. Paul Seidel

VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2014/15

Plasmapolymerisation

Die Plasmapolymerisation ist ein Prozeß, bei dem organische oder anorganische Polymerisate aus einem Monomerdampfunter der Einwirkung von Ionen, Elektronen und Photonen einer Gasentladung niedergeschlagen werden. Plasmapolymerisation ist keine Polymerisation im konventionellen Sinne, bei der durch Vernetzung von Monomermolekülen ein 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.

10Prof. Dr. Paul Seidel

VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2014/15

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 Monomermoleküle werden an der Substratoberfläche adsorbiert

3. Polymerisation der Teilchen und Fragmente auf der Substratoberfläche

→ pinholefrei, sehr dicht, gute Haftung

11Prof. Dr. Paul Seidel

VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2014/15

[ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ]

12Prof. Dr. Paul Seidel

VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2014/15

Weitere Varianten

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WS 2014/1513

Atomic layer deposition (ALD), auch atomic layer epitaxy (ALE) oderatomic 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, tretenausschließlich auf dem Substrat auf, wobei die Temperaturen unter derZersetzungstemperatur des metallhaltigen Precursors liegen und die Gasphasenreaktionen unbedeutend sind.

.

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WS 2014/1514

[Jones, Hitchman]

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WS 2014/1515

[Jones, Hitchman]

Weitere Varianten

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WS 2014/1516

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 dermetal-organic molecular beam epitaxy (MOMBE) volatile metall-organicschePrecursoren und Co-Precursoren als Dampf aus festen Elementen erzeugt.Bei CBE und MOMBE finden die chemischen Reaktionen nur auf derSubstratoberfläche statt und Gasphasenreaktionen sind unbedeutend.

CBE

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WS 2014/1517

[en.wikipedia.org]

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WS 2014/1518

Buchtipp dazu (online verfügbar über ThULB):

Chemical VapourDeposition: Precursors, Processes andApplicationsEdited by Anthony C. Jones and Michael L. HitchmanRoyal Society of Chemistry 2009

Flammenpyrolyse:Combustion-CVD (CCVD)

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WS 2014/1519

Vorteile:

-Atmosphärendruck-Pulsbetrieb (wärmeempfindliche Substrate-Kein Reaktor-Kostengünstig

[Zunke]

Flammenpyrolyse:Combustion-CVD (CCVD)

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WS 2014/1520

[Zunke]

[ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ]

Flammen-Auftragschweißen: Gas-Pulver-Verfahren

21Prof. Dr. Paul Seidel

VL Vakuum- und Dünnschichtphysik WS 2014/15

AuftragsschweissenEine Einteilung kann nach der Art der verwendeten Energiequelle - Flamme, Lichtbogen, Plasmastrahl oder Joulsche Wärme - 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 Auftragschweißen von den thermischen Spritzverfahren.

22Prof. Dr. Paul Seidel

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[ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ]

Thermische Spritzverfahren

23Prof. Dr. Paul Seidel

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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-, Snoder 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

24Prof. Dr. Paul Seidel

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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

25Prof. Dr. Paul Seidel

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[ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ]

26Prof. Dr. Paul Seidel

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[ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ]

Schmelztauchen

27Prof. Dr. Paul Seidel

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Flüssigphasenepitaxie (LPE)

• Aus Mutterphase (Lösung oder Schmelze) wird Kristallphase abgeschieden (Heterosystem)

• Kontrolle über p und T (Clausius-Clapeyron)

• P=const Unterkühlung

• T=const Übersättigung

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LPE

30Prof. Dr. Paul Seidel

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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)

35Prof. Dr. Paul Seidel

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WS 2014/1536

Katharine Burr Blodgett(1998-1979)

1917 als erste Physikerin bei General Electric

1926 als erste Frau in Cambridge in Physik promoviert

Irving Langmuir(1881-1957)

Ch-Nobelpreis 1932(Oberflächenchemie)

Dosis-Einheit:1 L = 1 torr · μs = 133 Pa · 10−6 s = 1,33 · 10−6 mbar·s

[ A. Bergauer, C. Eisenmenger-Sittner ]

Langmuir-Blodgett-Schichten

o - polar (hydrophil)I – unpolar (hydrophob)

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Animation [http://youtu.be/j8yqyRr2VQg]

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WS 2014/1538

Sol-Gel-Verfahren

39Prof. Dr. Paul Seidel

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Sol-Gel-Verfahren

40Prof. Dr. Paul Seidel

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Sol-Gel-Verfahren

Nd:YAG (Granat)

41Prof. Dr. Paul Seidel

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WS 2014/1542