Szepes László ELTE Kémiai Intézet Szárnyaló molekulák felületi rétegek ALKÍMIA MA c. előadássorozat 2013. február 14.
Az előadás témája és vázlata Téma: felületi gőzfázisú rétegleválasztás (Chemical Vapour Deposition, CVD): felületi szilárd réteg kialakítása egy céltárgy felületén gázfázisú reaktánsok (prekurzorok) kémiai reakciója útján. Vázlat Bevezetés: felületi rétegek (bevonatok) térben és időben Fontosabb vékonyréteg-leválasztási technikák CVD folyamatok CVD prekurzorok: elvárások, fontosabb tulajdonságok CVD reaktorok Leválasztott anyagok Néhány tipikus alkalmazási példa Összefoglalás
Bevezetés ALKÍMIA MA: Szárnyaló molekulák felületi rétegek Az első próbálkozások The formation of soot due to incomplete oxidation of firewood since prehistoric times is probably the oldest example of deposition using CVD Choy, K.L.: Chemical vapour deposition of coatings, Progress in Materials Science, 48 (2003) 57-170
Bevezetés ALKÍMIA MA: Szárnyaló molekulák felületi rétegek A kínai agyaghadsereg (Kr.e. 209-210) egy katonája (az első kínai császár sírhelyét védő agyagkatonák, felületkezelt fegyverek)
Bevezetés Torockó: Székelykő kovácsoltvas kilincsek
Bevezetés Védőréteg Dekoratív vékonyréteg
Bevezetés ALKÍMIA MA: Szárnyaló molekulák felületi rétegek Eloxált alumínium tárgyak
Néhány fontosabb vékonyréteg-leválasztási technika Ecsetelés, szórás Kémiai fürdők (chemical bath deposition: CBD, pl. PbS vékonyréteg kialakítása; redukáló fürdők, pl. ezüsttükör leválasztása: Tollens-reagens) Elektrokémiai módszerek (pl. anódos oxidáció, eloxálás; katódos redukció, fémbevonatok) Kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD, pl. felületi keménybevonatok, mikroelektronikai vékonyrétegek, korrózióálló és speciális tulajdonságú vékonyrétegek)
Néhány fontosabb vékonyréteg-leválasztási technika: ecsetelés, szórás Víztaszító szilikon-réteg kialakítása falfelületeken
Néhány fontosabb vékonyréteg-leválasztási technika: kémiai fürdők CBD reaktor Ag-tükör
Néhány fontosabb vékonyréteg-leválasztási technika: elektrokémiai módszerek Eloxálás Fémbevonat készítése (pl. Cu)
Néhány fontosabb vékonyréteg-leválasztási technika: CVD Alapelv: prekurzor (g) + energia bevonat (s) + egyéb termékek
CVD folyamatok ALKÍMIA MA: Szárnyaló molekulák felületi rétegek Általánosságban SiH 4 (g) Si(s) + 2H 2 (g)
CVD prekurzorok: elvárások, fontosabb tulajdonságok 1) Megfelelő illékonyság, hogy kielégítő réteg-növekedési sebesség legyen biztosítható mérsékelt elpárologtatási hőmérsékleten ( szárnyaló molekulák ). 2) Stabilitás, hogy ne történjék bomlás az elpárologtatás során. 3) Elegendően nagy hőmérséklet-ablak, a párolgási és filmképzési hőmérséklet között. 4) Nagy kémiai tisztaság (pl. mikroelektronika - félvezetők). 5) Világos, egyértelmű bomlási mechanizmus, a visszamaradó melléktermékek beépülése nélkül (pl. fémhalogenidek hőbontása halogénszennyezés elkerülése). 6) Jó kémiai összeférhetőség egyéb, reaktív reakció-komponensekkel (többkomponensű prekurzor-elegyek). 7) Hosszú élettartam közönséges körülmények között. (Tárolás!!!) 8) Egyszerű és olcsó előállítás. 9) Egészségre nem, vagy csak kismértékben ártalmas.
CVD reaktorok (1) Csoportosítási szempontok (sokféle!): a) az energiaközlés módja szerint - termikus, - plazmával segített, - fotonokkal segített. b) nyomás szerint (atmoszférikus, közepes-, kisnyomású ) c) a prekurzor bevitele szerint (gáz, gőz, oldat) d) a prekurzor kémiai összetétele szerint (MOCVD, ALD)
CVD reaktorok (2): termikus ALKÍMIA MA: Szárnyaló molekulák felületi rétegek Melegfalú reaktor Hidegfalú reaktor
CVD reaktorok (3): plazmával, illetve fotonokkal segített Plazmával segített reaktor Fotonokkal segített reaktor
CVD reaktorok (4): ipari berendezések III-V félvezető gyártás Szilícium félvezető gyártás
Leválasztott anyagok - Mikroelektronikai vékonyrétegek Pl.: Si/[SiH 4 ], [Si 2 H 6 ]; doppolt Si/[SiH 4 ]/[PH 3 ];[AsH 3 ]/[B 2 H 6 ];Ge/[GeH 4 ]; gyémánt [C n H 2n+2 ] - Optoelektronikai vékonyrétegek (elektromos-fény és fényelektromos átalakítók; pl. fotodióda, fényemissziós dióda, lézerdióda stb.) Félvezetők napelemekben, LED-ekben pl.: Ga As/[Me 3 Ga/AsH 3 ]; GaN kék LED; InGaP/AlGaInP vörös lézermutató, stb. - Védő- és dekoratív bevonatok Felületi keménybevonatok: karbidok, nitridek, szilicidek, boridok. Pl.: WC, W 2 C, W 3 C/[WCl 6 ]/[CH 4 ]; TiN/[TiCl 4 /NH 3 ]; ZrB 2 /[Zr(BH 4 ) 4 ] - Optikai bevonatok (pl. tükrök) Ag/[Ag(CF 3 COO)], Al/[R 3 Al], Ni/[Ni(CO) 4 ]
Példa (1): LED réteg leválasztás ALKÍMIA MA: Szárnyaló molekulák felületi rétegek MOCVD/ InP LED réteg
Példa (2): LED/ GaAs ALKÍMIA MA: Szárnyaló molekulák felületi rétegek Világító dióda
Példa (3): keménybevonatok ALKÍMIA MA: Szárnyaló molekulák felületi rétegek TiN WC
Példa (4): öntisztító üvegek (TiO 2 fotokatalízis)
Fémorganikus/szervetlen prekurzorok kutatása az ELTE-n felületi keménybevonatok leválasztása céljából: [(CH 3 ) 3 Si] 4 Si SiC Zr(Hf)(BH 4 ) 4 ZrB 2 (HfB 2 ) (C 6 H 6 ) 2 Cr Cr x C y (C 5 H 5 ) 2 Zr(Hf)(BH 4 ) 4 Zr(Hf)C
Összefoglalás A kémiai gőzfázisú rétegleválasztás (CVD) aktivált (hő, fény, plazma), gázhalmazállapotú reaktánsok disszociációján alapul, amelynek során speciális tulajdonságú, stabilis, szilárd termék keletkezik. A rétegleválás homogén gázfázisú és/vagy heterogén folyamatok eredményeképp valósul meg. Ez utóbbiak a céltárgy felületén, vagy annak közelében játszódnak le. Ezt az anyag-, eneregiatakarékos és környezetbarát módszert széles körben alkalmazzák többek között a mikro- és optoelektronikában, a korrózióvédelemben, a felületi keménybevonatok kialakításánál és a dekoratív vékonyrétegek leválasztásánál.