CZ29907U1 - Zařízení k vytváření tenkých depozičních vrstev pomocí nízkotlakého plazmatu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení spadá do oblasti nízkotlakého plazmatu, které se používá pro různé aplikace jako je plazmatická depozice tenkých vrstev, plazmové leptání, plazmové iontové zdroje atd., a týká se konstrukce zařízení k vytváření tenkých depozičních vrstev pomocí nízkotlakého plazmatu.

Dosavadní stav techniky

V současné době byla vyvinuta celá řada systémů pro tvorbu a depozici nanočástic, tzv. klastrů, které jsou vytvářeny v pracovní komoře přímo v jejím vnitřním prostoru shlukováním částic. Takto vzniklé nanočástice jsou pak transportovány směrem k substrátu, kde dochází k jejich depozici. Některé příklady zdrojů klastrů jsou uvedeny např. ve statích Haberland, M. Karrais, M. Mail, A new type of cluster and cluster ion source Z. Phys. D Atoms, Molecules and Clusters 20, 413-415 (1991)) a spisech US 4, 217, 855, US 5, 019, 712; US 20080142735, US 7, 670, 964 nebo US 20020036261. Určitou skupinu zdrojů klastrů tvoří systém s nízkoteplotním plazmatem. Shlukování a tvorba klastrů vzniká v prostoru nízkoteplotního plazmatu. Některé plazmové zdroje klastrů jsou uvedeny ve stati K. Franzreb I, A. Wucher and H. Oechsner, Formation of neutrál and positively charged clusters (Ag, and Ag,+, η I 4) during sputtering of silver, Surface Science Letters 279 (1992) L225-L230. Jedním plazmovým zdrojem klastrů je magnetronový zdroj, který se používá v mnoha případech a je popsán a studován ve stati P. V. Kashtanov, B. M. Smimov and R. Hippler, Efficiency of cluster generation in a magnetron discharge EPL, 91 (2010) 63001. V tomto systému jsou v magnetronovém výboji pracujícím za vyššího tlaku (10-30 Pa) rozprašovány atomy terče, které se díky zvýšenému tlaku v oblasti výboje shlukují do nanočástic. Tyto vytvořené částice (klastry) se pohybují ve směru kolmém k povrchu magnetronového terče, kde pak prochází kruhovou clonou (diafragmou) do oblasti nízkého tlaku v rozsahu 0,05 až 1 Pa, který je čerpán vakuovou vývěvou s vysokou čerpací rychlostí. Část takto vytvořených klastrů je nabitá záporně, část kladně, ale značná část klastrů bývá neutrální. Ionizace klastrů v uvedených systémech byla popsána ve stati Chuhang Zhang, Hironori Tsunoyama, Hiroki Akatsuka, Hiroki Sekiya, Tomomi Nagase, and Atsushi Nakajima, Advanced Nanocluster Ion Source Based on High-Power Impulse Magnetron Sputtering and Time-Resolved Measurements of Nanocluster Formation, J. Phys. Chem. A 2013, 117, 1021110217. Aby vytvořené klastry bylo možné lépe využít pro technologické účely, případně řídit jejich energii dopadu na substrát, bylo by výhodné, aby velká část klastrů byla ionizována. Potom by bylo možné vytvořit systém pro depozici kompozitních vrstev, kdy na substrátu z dalšího plazmového zdroje je vytvářena tenká vrstva jako matrice a zdroj klastrů do vrstvy implantuje vlastní klastry. Takovýto systém je popsán ve stati Muhammad Elanif, Raghavendra R. Juluri, Manohar Chirumamilla, Vladimír N. Popok, Poly(methyl methacrylate) Composites with Sizeselected Silver Nanoparticles Fabricated Using Cluster Beam Technique, JOURNAL OF POLYMER SCIENCE, PART B: POLYMER PHYSICS 2016, 54, 1152-1159. Pokud bychom dosáhli toho, že by velká část klastrů byla ionizována s jedním znaménkem, bylo by možné klastry k substrátu urychlovat elektrickým polem a dosáhnout tak jejich řízené implantace do deponované vrstvy. Metoda dodatečné ionizace klastrů byla dosažena např. pomocí výboje v duté katodě, jejímž prostorem klastry procházely a byly ionizovány. Tento způsob ionizace klastrů je uveden ve stati Amir Mohammad Ahadi, Alexander Hinz, Oleksandr Polonskyi, Thomas Trottenberg, Thomas Strunskus, Holger Kersten, and Franz Faupel Modification of a metal nanoparticle beam by a hollow electrode discharge Journal of Vacuum Science & Technology A 34, 021301 (2016).

Ve statích Pfeiffer BJ. Skin Effect in Anisotropic Plasmas and Resonance Excitation of ElectronCyclotron Waves, I. Theory Appl Phys 1966; 7:1624-8; B. Pfeiffer, Skin Effect in Anisotropic Plasmas and Resonance Excitation of Electron-Cyclotron Waves. II. Experiments, Journal of Applied Physics 37, 1628 (1966); H. Qechsner, Electron Cyclotron Wawe Resonances and Power Absorption Effects in Electrodelles Low Pressure H. F. Plasmas with a Superimposed Static Magnetic Field, Plasma Physics, Vol. 16, (1974) pp. 835 to 844. je popsán ECWR

- 1 CZ 29907 Ul (Electron-Cyclotron Waves Resonance) nízkotlaký výboj, který Ke své činnosti využívá vlnovou rezonanci elektronové cyklotronové vlny v plazmatu v prostoru závitu pro vysokofrekvenční induktivní excitaci plazmatu. Frekvence buzení ECWR výboje se pohybuje typicky v rozsahu 13,56 až 27,12 MHz. Jeho výhodou je to, že vytváří plazma s velmi vysokou hustotou plazmatu za velmi nízkého tlaku až 0,05 Pa. Ve spise CZ 23845 Ul je popsán plazmový systém určený pro depozici perovskitových tenkých vrstev, využívající modifikovaného křemenného krystalového monitoru (QCM - Quartz Crystal Monitor), který umožňuje měřit ionizační frakce depozičních částic při využití magnetického filtru pro elektrony s možností přikládat na měřící elektrodu stejnosměrné kladné nebo záporné předpětí. Tento QCM monitor má pak využití v jiných oblastech aplikací nízkotlakého plazmatu.

Cílem předkládaného technického řešení je představit nové zařízení k vytváření tenkých depozičních vrstev pomocí nízkotlakého plazmatu, které využívá veškeré známé poznatky z této oblasti pro zajištění efektivní ionizace klastrů a jejich deponování v ionizovaném stavu na substrát. Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je zařízení k vytváření tenkých depozičních vrstev pomocí nízkotlakého plazmatu, které je tvořeno vakuovou komorou, v jejímž vnitřním prostoru jsou jednak protilehle umístěny zdroj klastrů a držák substrátu propojený s bipolámím zdrojem a jednak bočně zavedeny nízkotlaký depoziční zdroj a přívod pracovního plynu, kde mezi zdrojem klastrů, do něhož je zaveden přívod pracovního plynu a který je s vnitřním prostorem komory propojen clonou, a mezi držákem substrátu je v oblasti nízkého tlaku uložen ECWR zdroj, který je tvořen páskovým prstencovým závitem propojeným s vnějším vysokofrekvenčním zdrojem, přičemž jednak vně prstencového závitu jsou umístěny dvě Helholtzovy cívky, jednak jsou do vnitřního prostoru komory bočně zavedeny nízkotlaký depoziční zdroj a přívod reaktivního plynu, a jednak je bočně vedle substrátu umístěn modifikovaný QCM vybavený magnetickým elektronovým filtrem, měřící elektrodou a napájený vysokofrekvenčním pomocným zdrojem.

Ve výhodných provedeních je nízkotlaký depoziční zdroj tvořen rozprašovacím magnetronem nebo PECVD depoziěním zdrojem nebo PVD depozičním zdrojem.

Novým technickým řešením se dosahuje vyššího účinku v tom, že ionizované klastry jsou implantovány do deponované vrstvy definovanou energií, jejíž velikost je rovna urychlujícímu napětí substrátu, čímž je dosaženo vyšší adheze a koheze vrstvy vytvořené z klastrů nebo nanokompozitní vrstvy tvořené matricí a klastry. Účinek urychlení klastrů a jejich energetická implantace a depozice na substrát nebo do vrstvy je v novém způsobu ionizace klastrů vyšší oproti stávajícím metodám díky faktu, že je ionizována, a tak urychlena velká poměrná část použitých klastrů a jenom malá poměrná část klastrů je neutrální. Nový způsob ionizace a implantace klastrů umožňuje také vytvořit definované rozhraní mezi substrátem a vrstvou nebo mezi dvěma různými vrstvami, kde jsou klastry definovaně implantovány a rozloženy v okolí rozhraní substrátu a vrstvy případně pod povrchem substrátu, kdy prostorové rozdělení klastrů je funkcí vzdálenosti od povrchu substrátu nebo rozhraní mezi dvěma vrstvami.

Objasnění výkresu

Konkrétní příklad provedení technického řešení je znázorněn na připojeném výkrese zobrazujícím základní schéma depozičního zařízení.

Výkres, který znázorňuje představované technické řešení, a následně popsaný příklad konkrétního provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Zařízení pro realizaci technického řešení je tvořeno vakuovou komorou 1, jejíž vnitřní prostor 101 je přes regulační ventil 2 propojen s vakuovou vývěvou 3. Ve vnitřním prostoru 101 pláště jsou protilehle umístěny zdroj 4 klastrů a držák 5 substrátu 6, na který je deponována nanokom-2CZ 29907 Ul pozitní vrstva a který je propojen s vnějším bipolámím zdrojem 7 stejnosměrného předpětí. Zdroj 4 klastrů je napájen magnetronovým zdrojem 8 umístěným vně komory 1, je s vlastním vnitřním prostorem 101 vakuové komory 1 propojen clonou 41 a je do něj zaveden přívod 10 pracovního plynu. Mezi zdrojem 4 klastrů a držákem 5 substrátu 6 je v oblasti nízkého tlaku uložen ECWR zdroj 9, který je tvořen páskovým prstencovým závitem 91 propojeným s vysokofrekvenčním zdrojem 92 umístěným vně komory 1, přičemž vně prstencového závitu 91 jsou umístěny dvě Helholtzovy cívky H za účelem zajištění vytvoření stejnosměrného magnetického pole. Do vnitřního prostoru 101 komory 1 je dále bočně zaveden jednak nízkotlaký depoziční zdroj 12, tvořený rozprašovacím magnetronem, který je napájený přídavným zdrojem 121, a jednak přívod 13 reaktivního plynu. Pro umožnění měření ionizace klastrů je bočně vedle substrátu 6 umístěn modifikovaný QCM 14 vybavený magnetickým elektronovým filtrem 141, měřící elektrodou 142 a napájený vysokofrekvenčním pomocným zdrojem 143.

Při činnosti zařízení vystupují nanočástice vytvořené ve zdroji 4 klastrů přes clonu 41 do vnitřního prostoru 101 komory 1 a po vstupu do oblasti nízkotlakého vysokofrekvenčního výboje induktivně vázaného ve stejnosměrném magnetickém poli ECWR zdroje 9 jsou ve vnitřním prostoru závitu 91 ionizovány a jsou urychleny směrem k povrchu substrátu 6, kde se vytváří nanokompozitní vrstva z implantovaných klastrů a materiálů matrice odprášeného z nízkotlakého depozičního zdroje 12, tedy rozprašovacího magnetronu. Na substrát je připojeno z bipolámího zdroje 7 buď kladné napětí v případě záporných klastrů, nebo záporné napětí v případě kladných klastrů. Klastry tak jsou implantovány do deponované vrstvy definovanou energií rovné urychlujícímu napětí substrátu. Poměrná frakce ionizovaných klastrů se měří pomocí modifikovaného QCM 14.

Popsané řešení není jediným možným provedením podle technického řešení, ale v alternativním řešení může být místo rozprašovacího magnetronu pro depozici matrice nanokompozitní vrstvy použit jiný nízkotlaký depoziční zdroj 12 této matrice, například PECVD depoziční zdroj (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), který využívá nízkoteplotního plazmatu k rozkladu par chemických prekurzorů pro depoziční proces, nebo jiný PVD nízkotlaký depoziční zdroj pro depozici matrice, který využívá k depozici matrice tepelné odpařování par pevného materiálu.

Průmyslová využitelnost

Zařízení k vytváření tenkých depozičních vrstev pomocí nízkotlakého plazmatu je využitelné pro depozice nanokompozitních materiálů ve formě tenkých vrstev s vysokou hustotou a vysokou adhezi k použitému substrátu. Tyto kompozitní vrstvy jsou vhodné zejména pro optické aplikace.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (2)

1. Zařízení k vytváření tenkých depozičních vrstev pomocí nízkotlakého plazmatu, které je tvořeno vakuovou komorou (1), v jejímž vnitřním prostoru (101) jsou jednak protilehle umístěny zdroj (4) klastrů a držák (5) substrátu (6) propojený s bipolámím zdrojem (7) a jednak bočně zavedeny nízkotlaký depoziční zdroj (12) a přívod (10) pracovního plynu, vyznačující se tím, že mezi zdrojem (4) klastrů, do něhož je zaveden přívod (10) pracovního plynu a který je s vnitřním prostorem (101) komory (1) propojen clonou (41), a mezi držákem (5) substrátu (6) je v oblasti nízkého tlaku uložen ECWR zdroj (9), který je tvořen páskovým prstencovým závitem (91) propojeným s vnějším vysokofrekvenčním zdrojem (92), přičemž jednak vně prstencového závitu (91) jsou umístěny dvě Helholtzovy cívky (11), jednak jsou do vnitřního prostoru (101) komory (1) bočně zavedeny nízkotlaký depoziční zdroj (12) a přívod (13) reaktivního plynu, a jednak je bočně vedle substrátu (6) umístěn modifikovaný QCM (14) vybavený magnetickým elektronovým filtrem (141), měřící elektrodou (142) a napájený vysokofrekvenčním pomocným zdrojem (143).

-3CZ 29907 UI

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že nízkotlaký depoziční zdroj (12) je tvořen rozprašovacím magnetronem nebo PECVD depozičním zdrojem nebo PVD depozičním zdrojem.