Studium produktů nízkoteplotního plazmatu pomocí hmotnostní spektrometrie a jejich vztah k chemii tenkých vrstev
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
C
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická
Abstract
Cílem této diplomové práce byla analýza a interpretace spekter tetravinylsilanu v závislosti na výkonu výboje plazmatu s cílem najít vztah mezi produkty plazmatu, depozicí vrstvy a chemií tenké vrstvy. Dalším cílem bylo realizovat literární rešerši z oblasti plazmochemické depozice z plynné fáze (PECVD) a hmotnostní spektrometrie. Technologie nízkoteplotního plazmatu na bázi organokřemičitanů umožňuje syntézu specifických materiálů s řízenými chemickými a fyzikálními vlastnostmi. Cílená syntéza povrchů s řízenými vlastnostmi je určena atomárními a molekulárními procesy v plazmatu, které jsou odpovědné za stavbu chemické struktury a výsledného materiálu ve formě tenké vrstvy. V této práci byla pro detekci a kvantifikaci částic produkovaných v procesu PECVD použita hmotnostní spektrometrie, která je jednou z metod umožňující charakterizovat a identifikovat produkty plazmatu. Analýza hmotnostních spekter odhalila, že molekuly, které jsou odpovědné za růst vrstvy, obsahují uhlík a křemík. Rychlost depozice stanovená metodou in situ spektroskopické elipsometrie kvantitativně koreluje s tokem částic uhlíku a křemíku, které jsou chemisorbované na povrchu filmu. Poměr uhlíku a křemíku deponovaného na povrchu také silně koreluje s poměrem toku C/Si výkonově řízených plazmat. Příspěvek křemík obsahujících částic jako stavebních bloků k růstu vrstvy se snižuje s rostoucím výkonem a představuje 20 % (2 W), 5 % (10 W) a pouze 1 % (75 W) z celkového chemisorbovaného podílu. Tento poměr mezi vázanými částicemi obsahujícími křemík a uhlíkovými částicemi ovlivňuje prvkové složení a chemickou strukturu deponovaných vrstev. Vztahy mezi plazmochemickými procesy a adhezí částic na povrchu jsou poměrně složité. Adheze částic křemíku nejprve prudce roste až k maximu při 25 W a poté postupně klesá, což je charakteristické pro tzv. PECVD s nedostatkem prekurzorů. Podobně je tomu s koncentrací vinylových skupin začleněných do deponované vrstvy a podíl sp2 hybridizace uhlíku, které korelují s toky částic příslušného plazmatu. Práce prokázala, že hmotnostní spektroskopie je vhodnou metodou pro studium plazmochemické depozice z plynné fáze (PECVD). Technologie PECVD je perspektivní pro nanášení vrstev s obsahem křemíku, což je technologicky využitelné v mnoha směrech materiálového výzkumu.
The aim of this thesis was to analyse and interpret the spectra of tetravinylsilane as a function of plasma discharge power in order to find a relationship between plasma products, layer deposition and thin film chemistry. Another objective was to carry out a literature search in the field of plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) and mass spectrometry. Low temperature organosilicate-based plasma technology enables the synthesis of specific materials with controlled chemical and physical properties. The targeted synthesis of surfaces with controlled properties is determined by the atomic and molecular processes in the plasma, which are responsible for building the chemical structure and the resulting material in the form of a thin film. In this work, mass spectrometry has been used to detect and quantify the particles produced in the PECVD process, which is one of the methods that allow the characterization and identification of plasma products. Analysis of the mass spectra revealed that the molecules responsible for the growth of the layer contain carbon and silicon. The deposition rate determined by in situ spectroscopic ellipsometry correlates quantitatively with the flux of carbon and silicon particles that are chemisorbed on the film surface. The ratio of carbon and silicon deposited on the surface also correlates strongly with the C/Si flux ratio of the power driven plasmas. The contribution of silicon-containing particles as building blocks to the film growth decreases with increasing power and accounts for 20% (2 W), 5% (10 W) and only 1% (75 W) of the total chemisorbed fraction. This ratio between bound silicon containing particles and carbon particles affects the elemental composition and chemical structure of the deposited layers. The relationships between plasmachemical processes and particle adhesion on the surface are quite complex. The adhesion of silicon particles first increases sharply to a maximum at 25 W and then gradually decreases, which is characteristic of the so-called precursor-deficient PECVD. Similarly, the concentration of vinyl groups incorporated into the deposited layer and the fraction of sp2 hybridization of carbon correlate with the particle fluxes of the corresponding plasma. This work has demonstrated that mass spectroscopy is a suitable method for the study of plasmachemical deposition from the gas phase (PECVD). PECVD technology is promising for the deposition of silicon-containing layers, which is technologically applicable in many directions of materials research.
The aim of this thesis was to analyse and interpret the spectra of tetravinylsilane as a function of plasma discharge power in order to find a relationship between plasma products, layer deposition and thin film chemistry. Another objective was to carry out a literature search in the field of plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) and mass spectrometry. Low temperature organosilicate-based plasma technology enables the synthesis of specific materials with controlled chemical and physical properties. The targeted synthesis of surfaces with controlled properties is determined by the atomic and molecular processes in the plasma, which are responsible for building the chemical structure and the resulting material in the form of a thin film. In this work, mass spectrometry has been used to detect and quantify the particles produced in the PECVD process, which is one of the methods that allow the characterization and identification of plasma products. Analysis of the mass spectra revealed that the molecules responsible for the growth of the layer contain carbon and silicon. The deposition rate determined by in situ spectroscopic ellipsometry correlates quantitatively with the flux of carbon and silicon particles that are chemisorbed on the film surface. The ratio of carbon and silicon deposited on the surface also correlates strongly with the C/Si flux ratio of the power driven plasmas. The contribution of silicon-containing particles as building blocks to the film growth decreases with increasing power and accounts for 20% (2 W), 5% (10 W) and only 1% (75 W) of the total chemisorbed fraction. This ratio between bound silicon containing particles and carbon particles affects the elemental composition and chemical structure of the deposited layers. The relationships between plasmachemical processes and particle adhesion on the surface are quite complex. The adhesion of silicon particles first increases sharply to a maximum at 25 W and then gradually decreases, which is characteristic of the so-called precursor-deficient PECVD. Similarly, the concentration of vinyl groups incorporated into the deposited layer and the fraction of sp2 hybridization of carbon correlate with the particle fluxes of the corresponding plasma. This work has demonstrated that mass spectroscopy is a suitable method for the study of plasmachemical deposition from the gas phase (PECVD). PECVD technology is promising for the deposition of silicon-containing layers, which is technologically applicable in many directions of materials research.
Description
Citation
MARŠÁLEK, B. Studium produktů nízkoteplotního plazmatu pomocí hmotnostní spektrometrie a jejich vztah k chemii tenkých vrstev [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická. 2022.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Chemie, technologie a vlastnosti materiálů
Comittee
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc. (předseda)
prof. Ing. Jaromír Havlica, DrSc. (člen)
prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D. (člen)
doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Lucy Vojtová, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Pác (člen)
Ing. Jiří Lerch (člen)
Date of acceptance
2022-05-31
Defence
Diplomant při prezentaci své práce na téma Studium produktů nízkoteplotního plazmatu pomocí hmotnostní spektrometrie a jejich vztah k chemii tenkých vrstev nejdříve představil cíle práce a seznámil komisi s problematikou tenkých vrstev a hmotnostní spektrometrie. Následně popsal aparaturu používanou pro svoje experimenty. V rámci představení výsledků popsal distribuci částic podle výkonu a souvislost mezi chemií plazmatu a chemií tenké vrstvy a popsal depozici tenké vrstvy. Po přehledném shrnutí výsledků odpovídal na otázky oponenta:
1) Tvrdíte, že perioda pulzního plazmatu (2-8 ms) byla příliš krátká na to, aby ovlivnila měřené tlaky. Jak dlouhá by tato perioda musel být, aby tyto tlaky dokázala ovlivnit?
2) Tvrdíte, že vzdálenost mezi elektrodami je 50 mm, jste si tím jist?
Následně komise položila tyto otázky:
1) Jak byste vysvětlil maxima depoziční rychlosti?
2) Co je koeficient ulpění?
3) Jedná se o heterogenní vrstvu?
Diplomant na dané otázky dobře odpověděl.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení