Fyzika plazmatu a moderní technologie

1. Fyzika plazmatu a moderní technologie F5170 Fyzika plazmatu Lenka Zajíčková Ústav fyzikální elektroniky

2. Obsah prezentace • Aplikace plazmatu obecně • Plazmové zdroje • Aplikace plazmových procesů • odstraňování materiálu z povrchu • depozice tenkých vrstev • modifikace povrchu • vysokoteplotní plazma

3. Úvod – rámec a souvislosti obecně • nabité částice • elektromagnetická interakce • numerické simulace • experimenty • základní a aplikovaný výzkum High-tech produkty a technologie • mikroelektronika • automobilový průmysl • textilní průmysl • obalový průmysl • lékařství Fyzika plazmatu

4. Plazmové zdroje • nízký tlak f = 3.5 a 27 MHz, P = 1-5 kW • vysokofrekvenční induktivní výboj f = 2.45 GHz, P = 0.5-6 kW f = 13.56 MHz f = 9 GHz • vysokofrekvenční kapacitní výboj • mikrovlnný ASTEX reaktor • mikrovlnný pulzní výboj

5. 40 mm Plazmové zdroje • atmosférický tlak vzduch kapalina • plazmová mikrotryska • mikrovlnný pochodňový výboj (*) • koplanární bariérový výboj

6. Plazmové reaktory • Nároky na plasmové reaktory • leptací rychlost X depoziční rychlost, homogenita, anizotropie X izotropie, selektivita, procesní plocha, nízký stupeň poškození, adaptibilita, spolehlivost, velikost přístroje, typ použitých materiálů • Reaktor a postup – komerční zařízení • Vakuový systém (0.1-10kPa) • Reakční komora z nerezi, křemene nebo Simaxu, přívody, elektrody • Systém dávkování plynů a kapalin • Regulace teploty substrátu a komory • Zdroj el. Energie - generátor (nejčastěji v.f. a m.v. – technicky povolené frekvence 13,56 MHz a 2,45 GHz) • Další technické záležitosti – koaxiální kabely atd. ...

7. Nereaktivní plazmové procesy • naprašování (sputter deposition nebo physical vapor deposition) • kovové vrstvy (i slitiny a kompozity) • implantace • odprašování (sputtering) • odstraňování materiálu fyzikálními procesy

8. Reaktivní plazmové procesy • Plazmové leptání (plasma etching) izotropní leptání anizotropní leptání

9. Reaktivní plazmové procesy • CVD – chemicalvapordeposition • PACVD – plasma assisted CVD • PECVD – plasma enhanced CVD • tepelně řízená chemická depozice z plynné fáze • metoda CVD, kde je v plynu zapálen výboj – plazma • srážky elektronů vysokou energií s těžkými částicemi plynu • produkce vysoce reaktivních částic

10. 700-900oC 250-350oC PECVD & CVD • Reakční větev: • tepelná • plazmatická • PECVD • plazmatická větev reakčního schématu mnohem významnější, protože: • koeficient ulpění vysoce reaktivních částic je blízký jedné • aktivační energie chemických reakcí jsou nižší v případě excitovaných reaktantů • nižší teplota depozice, možnost depozice nových materiálů, nahrazení nebezpečných reaktantů jinými • ale komplexnost chemických reakcí a procesů, horší selektivita a řízení reakce, možnost poškození energetickými ionty, uv zářením a elektrostaticky (hromadění náboje)

11. PECVD materiálů s křemíkem • dielektrické vrstvy pro mikroelektroniku • Nitrid křemíku; • SiH4+NH3 nebo SiH4+N2; T=250-400 ºC • závěrečná ochranná pasivace pro i.o. (IC) • oxid křemíku • SiH4+N2O/NO/CO2/O2; T=200-400 ºC • dielektrická oddělující vrstva Si(OC2H5)4 + O2 tetraetoxysilan (TEOS)

12. PECVD materiálů s křemíkem • Dielektrické vrstvy pro mikroelektroniku • Low-k dielektrika: organokřemičitany + O2/… + … • (oddělující dielektrická vrstva pro ULSI) • organokřemičité skla (OSG) • Polovodičové vrstvy pro mikroelektroniku • Epitaxní křemík • SiH4+H2; T=800 ºC • Polykrystalický křemík • SiH4/SiH2Cl2+H2/Ar; T=450-700 ºC • gate elektroda a spojující materiál v MOS i.o., panely solární energie • vrstvy SiOx a SiOxCyHz pro celou řadu dalších aplikací • otěruvzdorné vrstvy pro plasty, protikorozní vrstvy pro kovy, bariérové vrstvy pro obalový a farmaceutický průmysl, biokompatibilní vrstvy • směsi s organokřemičitany (TEOS, HMDSO, …)

13. Plasmové zpracování uhlíkových materiálů • Nanotubes (Nanotrubky) • Chirální vektory, fyzika NT apod... • Fullereny (objev 1985), uhlíkové makromolekuly armchair zigzag chiral (n,m) • Aplikace • Rastrovací mikroskopie • Nanoelektronika • Polymerní kompozity • Field emmision

14. PECVD materiálů na bázi uhlíku • diamantové vrstvy (mikro a nano) 0,1 - 5% CH4/C2H2/… v H2 v.f. plazma p=0,01-4kPa, Tplynu=1000-1500oC, P=0.5-3kW T=700-1000oC m.v. plazma p=2-10kPa, Tplynu=2000-2500oC, P=0.5-2kW • diamantu podobné uhlíkové vrstvy (DLC) iontový bombard (samopředpětí) CH4/C2H2/… + (Ar/H2), T < 300 oC • polymerní uhlovodíkové vrstvy (a-C:H) • uhlíkové nanotrubky CH4/C2H2/… + H2 + katalyzátor (Fe, Ni, Co), T = 400-700 oC

15. PECVD uhlíkových nanotrubek

16. PECVD ultra-nano-krystalických diamantových vrstev • Depozice zCH4/H2v kombinovanémmw/rádiovém frekvenčním nízkotlakém výboji • Velmi vysoká tvrdost (70 GPa) a realtivně nízká frsnost povrchu

17. Plazmochemická syntéza nanočástic na bázi železa v mikrovlnném plazmatu FeO • Nanočástice oxidů železa • a-Fe2O3, g-Fe2O3, Fe3O4, e-Fe2O3 • Liší se typem magnetismu, Ms při 300K, Bravaisevou mřížkou • Aplikace:fotochemie, MRI, ferro-kapaliny, lékařství (distribuce léků, rakovina), Zařízení pro uchování dat • Analytické metody zkoumání: XRD, Spektroskopie: FTIR, Raman, Mössbauer, • optická emisní spektroskopie SiOCH Si Ar výboj Ar + Fe(CO)5 výboj

18. Plazmové modifikace povrchů • netkanépolypropylenové (PP) textilie • polyethylentereftalátové (PET) pletené cévní protézy • polykarbonát (PC) • polyesterové (PES) šňůry • filtrační papír

19. Plazmové sterilizace • Inaktivace DNA vlivem UV záření • Foto-indukovaná eroze mikroorganismů vlivem UV záření • Eroze vlivem reaktivních částic (reaktivní leptání) • Oxidace buněčných částí (membrána, proteiny, DNA) v důsledku působení volných radikálů obsahujících O (O, OH, RO) • Rozpad buněk v důsledku akumulace nabitých částic na membráně

20. 15 min 30 min 60 min 120 min Plazmové sterilizace • BacillusAtrophaeus • Raballand et al.: • J.Phys.D:Appl.Phys. • 41 (2008)

21. Konzervování archeologických předmětů • Cíle konzervace • eliminace korozních vlivů • odstranění stimulátorů koroze - zejména chloridové ionty • zachování tzv. patiny • zabezpečení předmětu před dalším působením vnějších vlivů při jeho uložení

22. Konzervování archeologických předmětů • Materiál kovových sbírkových předmětů • železo a jeho slitiny • bronz • stříbro • mosaz

23. Konzervování archeologických předmětů • Podmínky opracování • tlak 100 Pa, teplota 150 - 300°C • průtok vodíku 100 sccm • výkon RF generátoru: 300-5000 W • předmět lze připojit jako katodu nebo na něj vložit jiné předpětí Problematikou se zabývá Technické muzeum v Brně

24. Elektrický proud vplazmatu (sekundár) Vnější cívky poloidálního pole Vysokoteplotní plazma Výsledné šroubovicové mg. pole Toroidální magnetické pole Cívky toroidálního pole Poloidální magnetické pole Primární vinutí transformátoru Tokamak - zkratka z ruštiny: TOroidalnaya KAmera s Magnitnami Katushkami toroidální komora s magnetickými cívkami • Plazma - sekundární závit: • proud plazmatem vytváří poloidální magnetické pole a zahřívá plazma • účinnost ohmického ohřevu klesá s teplotou • velké energetické ztráty v důsledku turbulence

25. Vysokoteplotní plazma TOKAMAKY VE SVĚTĚ EURATOM JET největší zařízení na světě Germany ASDEX U, TEXTOR France TORE – SUPRA GB MAST Italy FT-U Switzerland TCV Czech COMPASS, GOLEM(CASTOR) Portugal ISTTOK