Nanášení tenkých povlaků

K povrchovým úpravám různých substrátů se již mnoho let používají tenké vrstvy. Na řezné nástroje (vrtáky, frézky, pilky) se například nanášejí velmi tvrdé vrstvy TiN_x, TiAlN_x a C‑diamant, což až několikanásobně prodlužuje jejich život a zrychluje výrobu. Optické vrstvy se používají např. k antireflexnímu pokrytí čoček, na interferenční filtry a k nanesení reflexních vrstev na zrcadla. Kovovými vrstvami (Al, Au, Cu) se tvoří třeba kontakty na polovodičích.

Technologie nanášení tenkých vrstev (depozici) lze rozdělit do dvou skupin, a to na metody PVD (physical vapour deposition) a na metody CVD (chemical vapour deposition).

Plazmové naprašování

Při klasickém naprašování se terč z vodivého materiálu umístí ve vakuové komoře a připojí na vysoký záporný potenciál řádově tisíců voltů. Do komory se připouští pracovní plyn (obvykle argon) a tlak se udržuje na hodnotě řádově jednotek pascalu. Před terčem se zapálí doutnavý výboj, přičemž kladné ionty bombardují záporný terč a záporné elektrony dopadají na uzemněnou kostru komory. Těžké ionty svým dopadem rozprašují terč a rozprášené atomy se usazují na vnitřních površích. Předměty, které je třeba opatřit povlakem, se umísťují před terč, tenká vrstva tedy vzniká především na nich. Pro zajištění lepší homogenity vrstvy se mohou substráty pohybovat, např. otáčet.

Magnetronové naprašování

Magnetronové naprašování je zdokonalenou technologií klasického naprašování. Takové zařízení se nazývá magnetron. Před terčem se elektromagnetem nebo permanentními magnety vytvoří magnetické pole speciálního tvaru. Elektrony, které při klasickém naprašování unikají z prostoru před terčem, se v tomto případě v důsledku Lorentzovy síly v magnetickém poli musejí pohybovat po šroubovici podél siločar. Tím se výrazně prodlužuje jejich dráha v blízkosti terče, prodlužuje se i doba jejich setrvání v oblasti výboje a zvyšuje se pravděpodobnost ionizace dalších atomů pracovního plynu. To umožňuje udržet výboj při nižším tlaku (řádově desetiny pascalu) i při nižším napětí (řádově stovky voltů), což se pozitivně projevuje ve větší čistotě nanášených vrstev. Jestliže se spolu s pracovním plynem připouští do vakuové komory reaktivní příměs, např. kyslík, dusík apod., je možné vytvářet z rozprašovaného materiálu oxidy, nitridy atd. V tom případě jde o reaktivní magnetronové naprašování. U nevodivých terčů na povrchu postupně vzniká elektrický náboj, který zabraňuje dalšímu bombardování. Použije‑li se střídavý vysokofrekvenční signál, lze rozprašovat i tyto nevodivé materiály, např. různé keramiky. V tom případě se během jedné půlperiody rozprašuje terč a během druhé půlperiody opačná polarita vede k neutralizaci nahromaděného náboje dopadajících iontů. Při změně polarity elektrického pole se opět bombarduje terč atd.

Vakuové napařování

Nové aplikace zejména v polovodičovém průmyslu si žádají depozici vrstev s vysokou čistotou a homogenitou. Vrstvy se v tomto případě nanášejí na atomární úrovni za nízkého tlaku. Vrstva vzniká vypařením materiálu ve vakuové komoře a jeho ulpěním na připravených předmětech – substrátech.

Metody CVD

Metoda „spray“ spočívá v rozprašování drobných kapiček, které chemicky reagují na horkém substrátu.

Později se osvědčila i metoda CVD, kdy se do reakční zóny přivádějí reakční složky v plynné fázi a vrstva vzniká chemickou reakcí na zahřátém substrátu.

Optické tenké vrstvy

Zajímavá je tvorba tenkých vrstev průhledných ve viditelné oblasti spektra, které jsou elektricky vodivé. Lze je použít k povrchové úpravě skla či průhledných fólií jako odporové vrstvy sloužící k vyhřívání Jouleovým teplem, ke svádění nežádoucích elektrostatických nábojů z nevodivých povrchů či jako transparentní elektrody k plochým zobrazovacím prvkům a solárním článkům. Protože jsou elektricky vodivé, mají relativně vysokou koncentraci volných elektronů, což podle teorie plazmatu v pevné fázi způsobuje vysokou odrazivost v infračervené oblasti spektra. Lze je tedy použít i jako infračervená zrcadla vhodná např. k opláštění budov a skleníků. Důležitou elektrotechnickou aplikací těchto vrstev jsou průhledné elektrody v plochých obrazovkách na principu kapalných krystalů (LCD), plazmatu (PD) nebo elektroluminiscence (ELD) – např. v digitálních hodinkách, kalkulačkách, počítačích, měřicích přístrojích, hracích automatech atd. K průhledným, a přitom elektricky vodivým vrstvám se řadí tenké vrstvy typu ZnO, SnO₂, In₂O₃, popř. se vrstvy dopují různými příměsemi pro zlepšení elektrických a optických vlastností, např. ZnO:Al, ZnO:In, SnO₂:Sb, In₂O₃:Te, In₂O₃:Sn.

Směsný oxid india a cínu

Nejčastěji se používá směsný oxid india a cínu In₂O₃:Sn, tzv. ITO. Má totiž, jak se ukázalo, nejlepší vlastnosti. Vrstvy ITO jsou chemicky velmi stabilní a mechanicky odolné s dobrou přilnavostí ke sklu. Jejich vlastnosti jsou za běžných podmínek stálé, mají zajímavé vlastnosti i z hlediska teorie pevných látek. Parametry vrstev závisejí na parametrech depozice, zvláště teplota substrátů významně ovlivňuje stupeň uspořádání vznikající vrstvy. Při depozici na nezahřívané substráty (asi T_s < 370 K) vzniká amorfní vrstva. Ta má jen nízký stupeň uspořádání na krátkou vzdálenost. Při depozici na zahřáté substráty s teplotou asi T_s = 570 až 670 K vzniká polykrystalická vrstva. Čím vyšší je teplota substrátů, tím vyšší je i stupeň uspořádanosti. Vlastnosti lze však výrazně ovlivňovat následným tepelným žíháním při teplotách asi T = 570 až 670 K.