Depozice tenkých vrstev je postup, při kterém se na předmět z daného materiálu nanáší tenký film z materiálu jiného. Materiál, který deponujeme dodává podkladu dané vlastnosti, které lze dále využít [1].
K přenosu povlakového materiálu na podklad je zapotřebí velkého množství ener-gie. Oproti klasickému galvanickému pokovení není u depozice tenké vrstvy zapotřebí chemického roztoku, který by v procesu reagoval.
Další výhodou metody depozice tenkých vrstev je možnost povlakovat i nevodi-vými materiály [2].
Depozici tenkých vrstev lze provádět více způsoby. Jejich základní rozdělení je následující.
• CVD (Chemické metody povlakování)
• PVD (Fyzikální metody povlakování)
2.2.1 Chemické metody povlakování (CVD)
Tato metoda využívá reakce stabilních plynných sloučenin v blízkosti vzorku po-vlakovaného materiálu (substrátu). Plynná sloučenina se za pomoci dodané ener-gie ukládá na vzorek. Energii dodáváme zvýšením teploty (kolem 1000 °C), kterou lze dosahovat ohřevem, plazmovým obloukem nebo laserem. Na povrchu vzorku se sloučeniny rozkládají, tím dochází ke tvorbě povlaku. Vedlejší produkty procesu jsou následně odčerpány z komory [1, 2, 3].
Princip metody CVD je zjednodušeně zobrazen na obrázku 2.1a.
Výhody metody spočívají v dobré adhezi tenké vrstvy k podkladu, vysoké odol-nosti vůči opotřebení a v rovnoměrodol-nosti povlaku i u tvarově složitých částí.
Nevýhodou je povlakování za tak vysoké teploty. Vysoká teplota (1000 °C) ovlivňuje mechanické vlastnosti substrátu.
Metoda PA CVD je principiálně stejná, jako CVD, ale doplněná o asistenci plazmatu. Díky plazmatu se zvyšuje energie plynné atmosféry v komoře. V důsledku toho lze snížit pracovní teplotu na 300 – 600 °C.
2.2.2 Fyzikální metody povlakování (PVD)
Princip této metody spočívá v převedení nanášeného materiálu (targetu) na plynnou fázi. Ve vakuu poté dochází k přemístění materiálu k objektu, jež chceme povlakovat (substrát). Na povrchu substrátu dochází ke kondenzaci, která vytvoří tenký film.
Tloušťka povlaku je závislá na době trvání procesu. Proces je možné urychlit přidá-ním inertního plynu do ochranného vakua nebo zvýšepřidá-ním tlaku v komoře. Zvýšení pracovního tlaku ovšem doprovází zhoršení vlastností výsledné vrstvy [4, 2].
Teplota potřebná k uskutečnění procesu se pohybuje v rozmezí 150 až 500 °C.
Zjednodušeně je tento princip povlakování ukázán na obrázku 2.1b.
Výhody PVD spočívají v nízké teplotě procesu, v jednoduché konstrukci povla-kovacího zařízení a v možnosti povlakování opakovat se stejnými vlastnostmi.
Substrát Obrázek 2.1: Princip základních metod depozice tenkých vrstev [4]
Podle využitého fyzikálního principu lze rozdělit PVD na dva způsoby nanášení vrstev. Můžeme využít principu napařování nebo naprašování.
Napařování
Proces napařování začíná odčerpáním vzduchu z komory do stavu vysokého va-kua (do 1 Pa), což sníží teplotu potřebnou ke změně materiálu targetu na plynné skupenství. Do komory se vhání přesně definované množství inertního a reaktivní-ho plynu, nejčastěji Ar a N2. Tyto plyny reagují s emitovanými částicemi targetu.
Konečná směs následně kondenzuje na povrchu substrátu.
Na převedení targetu do plynného skupenství je třeba zvýšit jeho teplotu. Toho lze u napařování docílit několika způsoby.
• Napařování odporovým ohřevem
Napařování odporovým ohřevem je nejjednodušší, ale také nejméně účinný způsob, jak materiál targetu změnit na plynné skupenství. Ohřívaný materiál (target) je v tomto případě uložen v žáruvzdorné nádobce, ze které se násled-ně odpařuje. Princip je zobrazen na obrázku 2.2. Odporovým ohřevem nelze
dosáhnout dostatečně vysokých teplot pro odpařování některých druhů kovů, je tedy třeba využít efektivnějšího ohřevu [3].
Substrát
<---Obrázek 2.2: Principiální schéma komory pro odporové napařování
• Napařování elektrickým obloukem
Tento princip je založený na výboji elektrického proudu mezi elektrodami.
Anodu tvoří vakuová komora, katoda je target. V targetu hoří oblouk v ma-lé oblasti (v řádech mikrometrů), která je označována jako katodová skvrna.
Pozice katodové skvrny lze měnit pomocí magnetického pole. Řízení polohy katodové skvrny ovlivňuje efektivitu využití targetu a zvyšuje kvalitu vzniklé-ho povlaku. U anody vzniklé-hoří oblouk po celé ploše. Oproti napařování odporovým ohřevem nelze pomocí elektrického oblouku napařovat elektricky nevodivé ma-teriály [3].
• Napařování svazkem elektronů
Princip napařování svazkem elektronů spočívá v ostřelování targetu svazkem elektronů o vysokém výkonu. Tento svazek je vystřelován z elektronového děla.
Ostřelovaný materiál targetu musí být v kapalném stavu, ze kterého se uvol-ňuje do komory. Kapalný stav targetu omezuje uspořádání komory. Komora lze řešit jediným způsobem, a to s targetem ve spodní části [3].
• Napařování laserem
Poslední možnost odpařování je za pomoci laseru. Díky odpařování targetu laserem vnikají vysokoenergetické složky, které zvyšují kvalitu povlakované vrstvy. Komora pro napařování laserem je na obrázku 2.3 [2, 1].
Substrát
<-Obrázek 2.3: Principiální schéma komory pro laserové napařování
Naprašování
Při naprašování se využívá elektrického výboje v přivedeném pracovním plynu. Tím-to způsobem vznikají ionty, které bombardují target (kaTím-todu). Z targetu se díky vy-soké kinetické energii dopadajících iontů začnou uvolňovat částice, které se následně usazují na povrchu substrátu, kde vytvářejí požadovaný povlak [3, 1, 2].
Tato metoda umožňuje jako target využít většinu obvyklých materiálů.
Naprašování lze provádět různými způsoby:
• Naprašování doutnavým výbojem
Tento velmi jednoduchý způsob naprašování se skládá z targetu (katody) a dr-žáku se substrátem (anody). Elektrody musí být pro správnou funkci umístěny proti sobě ve vzdálenosti 50 až 100 mm. Zdroj povlakovacího materiálu (tar-get), který zároveň udržuje výboj, je třeba chladit. Naprašování doutnavým výbojem je velmi pomalé (nízká rychlost růstu povlakové vrstvy). Odprášené částice můžou tepelně negativně ovlivnit strukturu substrátu [3].
• Magnetronové naprašování
Magnetronové naprašování, naznačené na obrázku2.4, probíhá v komoře za vy-sokého vakua (0,1 až 10 Pa). Komora je zapojená jako katoda. Do vyčerpané komory se přivádí pracovní plyn (nejčastěji argon), ten se vlivem přivede-ného napětí na magnetron ionizuje. Ionty pracovního plynu jsou urychlová-ny magnetickým polem k targetu. Z targetu jsou tímto odprašováurychlová-ny částice povlakovacího materiálu. Díky působení magnetického pole magnetronu jsou prodlouženy dráhy elektronů. Docílíme tak zvýšení počtu srážek iontů z tar-getu s neutrálními atomy pracovního plynu. Tímto způsobem vzniká plazma.
Plazma zvyšuje produkci iontů dopadajících na target. Tento jev zvyšuje rych-lost růstu povlakové vrstvy. Metoda je vhodná pro nanášení vrstev z libovol-ného elektricky vodivého materiálu [3].
Stejnosměrný
Obrázek 2.4: Principiální schema komory pro magnetronové naprašování [5]
• Radiofrekvenční magnetronové naprašování
Protože při napájení povlakovacího zařízení nelze deponovat elektricky nevo-divé materiály (elektrický náboj se kumuluje na povrchu targetu), používá se pro tyto účely metoda se zdrojem vysokofrekvenčním. Zdroj bývá nejčastěji naladěn na frekvenci 13,56 MHz. Tento signál stejně jako v případě magnetro-nového naprašování vybuzuje elektrony targetu a tvoří plazmu. Vzniklé ionty následně putují k substrátu, kde se tvoří požadovaná vrstva. Proces probíhá ve vakuu, stejně jako u magnetronového naprašování se stejnosměrným zdrojem.
Metoda se využívá hlavně k povlakování nevodivými látkami [2].
Iontová implantace
Během napařování nebo naprašování lze energii pohybujících se iontů regulovat zvy-šováním rozdílu potenciálů substrátu a targetu. Ionty s dostatečně vysokou energií pronikají i pod povrch substrátu. Tento jev popisujeme jako iontovou implantaci.
Během povlakování je již vzniklá vrstvička dále bombardována ionty z targetu.
Tato skutečnost sice prodlužuje dobu vzniku požadované vrstvy, ale zvyšuje její výslednou pevnost a zvyšuje adhezi k substrátu [2].