VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ Vakuová technika Výroba tenkých vrstev vakuové naprašování Tomáš Kahánek ID: 106518 Datum: 17.11.2010
Výroba tenkých vrstev vakuové naprašování Tenkou vrstvu můžeme definovat jako materiál o tloušťce od několika desítek nanometrů až po několik mikrometrů, který je nanesen (vytvořen) na základním nosném materiálu. Existuje více metod příprav tenkých vrstev, v této práci se zaměřím na metodu vakuového naprašovaní tenkých vrstev a její využití v praxi a běžném životě. U této metody se využívá při nanášení tenké vrstvy v pracovní komoře sníženého tlaku přibližně v hodnotách 10-1 Pa. V dnešní době mají tenké vrstvy velmi širokou škálu využití v mnoha oborech dnešního života. Využití vakuového naprašování v praxi: a) v elektronice Jednou z nejznámějších aplikací vakuového naprašování je nanášení tenkých vrstev v elektrotechnice. Na keramických substrátech jsou tenké vrstvy využívány pro realizaci především pasivních sítí (vodivé, odporové a dielektrické vrstvy), i když u některých materiálů lze pozorovat i polovodičové vlastnosti (byl realizován i tenkovrstvý tranzistor TFT Thin Film Transistor). Tenkovrstvé pasivní sítě se vyznačují velmi dobrými elektrickými vlastnostmi (nízké tolerance, nízký teplotní součinitel a vysoká stabilita) a využívají se jak pro realizaci přesných odporových sítí, tak pro hybridní tenkovrstvé obvody. Typickými materiály pro nanášení tenkých vrstev jsou zlato, hliník a chromnikl pro napařování. S ohledem na zajištění pravidelnosti růstu vrstvy a pro dosažení její homogenity při malé konečné tloušťce jsou kladeny vyšší požadavky na jakost povrchu substrátu, aby výsledná vytvořená tenky vrstva splňovala všechny požadavky. b) v optice Další využití vakuového naprašování je v optice. Tyto tenké vrstvy se nevyužívají pouze jako zrcadla, ale mají i mnohé další využití k povrchové úpravě skel či průhledných folií, kde se využívá materiálů, které jsou elektricky vodivé. Za pomocí těchto vrstev můžeme průhledné materiály vyhřívat za pomocí Jouleova tepla, svádět nežádoucí elektrostatické náboje z nevodivých povrchů, či je využít jako transparentní elektrody k plochým zobrazovacím prvkům a solárním článkům. K transparentním a elektricky vodivým vrstvám se řadí tenké vrstvy typu ZnO, SnO 2, In 2 O 3, popř. se vrstvy dopují různými příměsmi pro
zlepšení elektrických a optických vlastností, např. ZnO:Al, ZnO:In, SnO 2 :F, SnO 2 :Sb, In 2 O 3 :Te, In 2 O 3 :Sn. Jako další úprava skel se využívají tzv. termoizolační fólie. Tato fólie je nanesená reflexní vrstva na skle metodou vakuového naprašování. Reflexní vrstva se nejčastěji skládá z několika velmi tenkých vrstev kysličníků kovů např. titan nebo měď, které jsou kombinovány s několika vrstvami chemicky čistého kovu, kde úkolem této reflexní vrstvy není odrážet světelné záření, ale tepelné záření. Nejčastější využití je u velkých prosklených ploch na budovách, kde termoemisní fólie na sklech slouží jako ochrana před teplem přenášeným slunečním zářením z vnějšího prostoru do vnitřních, avšak nezabraňuje prostupu světelných paprsků. Zároveň termoizolační fólie slouží jako tepelná izolace zabraňující únikům tepla z vnitřních do vnějších prostorů. Vše je umožněno i při zachování zcela úplné průhledností skla. V dnešní době se již testují tyto fólie i u výroby skel do automobilů, kde se za pomocí fólie zabrání v chladnějším počasí vysrážení vody na sklech a následnému vytvoření námrazy. Princip funkce je zobrazen na obr. č. 1. Obrázek č. 1. Princip funkce termoizolační fólie [ 3 ] Jak již je zmíněno výše dají se tenké vrstvy také využít jako zrcadla (reflexní vrstvy) a také jako antireflexní vrstvy. Avšak u těchto vrstev je odrazivost silně závislá na druhu využitého materiálu a záření o dané vlnové délce, které na něj dopadá a také na úhlu dopadu paprsku. Závislost reflexe na vlnové délce záření pro různé materiály je zobrazena níže. Proto pro tvorby jednotlivých zrcadel a antireflexních povrchů musíme dbát na správný výběr materiálu. Tyto zrcadla se využívají např. u reflektorů v automobilech.
Obrázek č. 2. Závislost reflexe na vlnové délce pro úhle dopadu 0 pro antireflexní materiály [ 5 ] Obrázek č. 3. Závislost reflexe na vlnové délce pro úhle dopadu 0 pro reflexní materiály [ 5 ]
c) ve strojírenství c - 1) Úprava chování povrchu v kontaktu s vodou Dalším využitím naprašování je změna chování povrchu při přítomnosti vody, tedy úprava smáčivost povrchu materiálu překrytím původního povrchu tenkou vrstvou s požadovanými povrchovými vlastnostmi. Původně nesmáčivý povrch lze takto upravit na smáčivý (hydrofilní), např. za účelem barvení, tisku, zvýšení adheze, nebo naopak smáčivý povrch upravit na nesmáčivý (hydrofobní), např. povrch kovového materiálu bude po úpravě odpuzovat vodu a bude tak chráněn před korozí. c 2) Úprava tvrdosti povrchu Lze však také upravovat mechanické vlastnosti povrchu. Nanesením tenké vrstvy můžeme také docílit odolnosti povrchu proti otěru (poškození poškrábání). Tvrdost vrstvy je možné řídit v rozmezí 1-160 GPa. Například velmi tvrdé vrstvy TiN x, TiAlN x a C-diamant se nanášejí na řezné nástroje (vrtáky, frézky, pilky), což až několikanásobně prodlužuje jejich život a zrychluje výrobu. Velice tvrdé vrstvy vykazují obvykle vysoké vnitřní pnutí, které snižuje přilnavost (adhezi) k podkladovému materiálu. Tuto nepříznivou vlastnost lze poměrně dobře kompenzovat depozicí jedné nebo více mezivrstev, tvoření tzv. multivrstev, která mají však také i další využití. Obrázek č. 4. Řez Mo/Si multivrstvou, která se využívá u krátkovlnných laserů jako zrcadlo [ 4 ] d) rentgenová technika Zde se využívá multivrstev vytvořených vakuovým naprašováním jako rentgenových zrcadel. Neboť problémem krátkovlnných leserů je neexistence bezeztrátových zrcadel tj. charakteristickým vysokým koeficientem reflexe. K tomuto účelu se právě využívajíá molybden/křemíkové systémy, které mohou být požity pro rentgenové záření v rozmezí vlnových délek od 12 nm do 30 nm. Maximální hodnoty odrazivosti dosahují až 70 % pro kolmý dopad. Pro velmi krátké vlnové délky rentgenového záření (pod 4 nm) nemohou být multivrstvové systémy vyrobeny kvůli nerovnostem rozhraní, které způsobují značnou
degradaci odrazivosti. Nicméně periodické multivrstvy mohou být pořád použity pro šikmý dopad, kdy je jejich odrazivost mnohem vyšší než u monovrstvových povlaků Závěr Využití tenkých vrstev je v dnešní době velmi rozsáhlé a za pomocí dalších metod výroby tenkých vrstev se využívá v dalších odvětvích jako je např. potravinářství. Vakuové naprašování má však velmi velkou výhodu oproti další metodě a to vakuovému napařování. Výhoda spočívá v tom, že dokážeme na povrchy materiálů nanášet také sloučeniny, což nám vakuové napařování neumožní z důvodu rozdílných teplot tání materiálů obsažených ve sloučeninách.
Zdroje informací a použitá literatura: [ 1 ] ČECH, Vladimír ; PŘIKRYL, Radek. Vakuové a plazmotechnické techniky povrchových úprav. Průmyslové spektrum [online]. 13. dubna 2005, MM 2005 / 4, [cit. 2010-11-17]. Dostupný z WWW: <http://www.mmspektrum.com/clanek/vakuove-aplazmochemicke-techniky-povrchovych-uprav>. [ 2 ] LIBRA, M: Vakuum technologie moderní doby. ELEKTRO, 2003, č. 2, s. 8 10. [ 3] Benda - folie.cz [online]. 16. listopadu 2010 [cit. 2010-11-17]. Termoizolační fólie. Dostupné z WWW: <http://www.benda-folie.cz/termoizolacni-folie>. [ 4 ] ÚPT AVČR : Depozice tenkých vrstev magnetronovým naprašováním [online]. 2010 [cit. 2010-11-17]. Dostupné z WWW: <http://ebt.isibrno.cz/naprasovani>. [ 5 ] Přístrojová optika [online]. 21. listopadu 2008 [cit. 2010-11-17]. Vakuové nanášení tenkých vrstev. Dostupné z WWW: <http://www.letpraha.cz/czech/napar.htm>.