Tenké vrstvy připravené z různých materiálů jsou dnes velmi žádané pro jejich širokou škálu průmyslových aplikací. Díky jejich různorodým vlastnostem je možné vytvářet produkty s funkčními vlastnostmi, které byly dříve jen těžko dosažitelné. V posledních letech vědci vyvinuli širokou škálu technologií, které umožňují připravovat různé tenké vrstvy na rozličné podložky. Nicméně pro úspěšné průmyslové využití musí být depoziční technologie schopna produkovat tenké vrstvy v požadované kvalitě, s dostatečně vysokou depoziční rychlostí a také za přiměřené náklady.
Typickým příkladem požadované, ale zatím nedostupné technologie je vysokorychlostní naprašování oxidových vrstev, jako je např. oxid titaničitý - TiO2. Současné depoziční technologie mohou dielektrické tenké vrstvy deponovat buď pomalu (tenká vrstva vykazuje vysokou kvalitu) nebo rychle (s horší kvalitou připravené tenké vrstvy). V rámci našeho tříletého projektu se nám podařilo vyvinout novou depoziční technologii, která kombinuje obě pozitivní vlastnosti (rychlost a kvalita) dohromady.
Tato depoziční technologie je založena na principu výboje v duté katodě, který je známý mnoho desítek let. Uvnitř duté kovové katody, kterou prochází pracovní plyn, je zapálen nízkoteplotní výboj. Díky potenciálovému spádu na duté katodě urychlené dopadající argonové ionty vyrážejí atomy kovu z povrchu katody, které jsou následně neseny proudícím plynem směrem k podložce. Na rozdíl od klasického reaktivního magnetronového rozprašování v tomto případě nemůže být katoda zoxidována a rychlost depozice tedy nemůže klesnout. Důvodem je skutečnost, že kyslík je vpouštěn do komory jiným vstupem než argon, který prochází dutou katodou. Abychom dosáhli ještě vyšší depoziční rychlosti, umístili jsme část duté katody mimo měděný chladič. Toto nové uspořádání způsobilo extrémní zvýšení teploty duté katody, což má za následek odpařování jednotlivých atomů z povrchu duté katody. Kombinací iontového odprašování a odpařování lze několikanásobně zvýšit rychlost depozice oxidových vrstev.
Hlavní nevýhoda této technologie spočívá ve značné nehomogenitě deponovaných tenkých vrstev, která je daná geometrií zdroje deponovaných částic. Abychom mohli nanášet tenké vrstvy na velké plochy, vyvinuli jsme systém s více plazmovými tryskami s několika paralelně uspořádanými dutými katodami, jak je znázorněno na obrázku 1. Homogenita nanesených tenkých vrstev je pak zaručena díky zpětné vazbě spojené s měřením teploty každé plazmové trysky. Poněvadž tento systém vznikl na základě obchodní spolupráce, ochránili jsme princip regulace homogenity tloušťky tenké vrstvy také a celého vyvinutého depozičního systému českým i mezinárodním patentem [1]. V současnosti se depoziční systém používá hlavně pro vědecké účely a pro přípravu tenkých nebo tlustých vrstev různých těžko připravitelných oxidů. Jedna z možných aplikací byla nedávno popsána v naší poslední publikaci [2]. O tuto technologii již projevilo zájem několik průmyslových partnerů. V současné době s nimi diskutujeme o licenčních podmínkách.
Reference:
[1] J. Olejnicek, J. Smid, Z. Hubicka, P. Adamek, M. Cada, S. Kment (2018) A Method for Controlling the Deposition Rate of Thin Films in a Vacuum Multi-Nozzle Plasma System and a Device for Performing of the Method, int. p. number: WO 2018/059609 A8,
[2] J. Olejnicek, J. Smid, R. Perekrestov, P. Ksirova, J. Rathousky, M. Kohout, M. Dvorakova, S. Kment, K. Jurek, M. Cada, Z. Hubicka: Co3O4 thin films prepared by hollow cathode discharge, Surf. Coat. Technol. 366 (2019) 303-310.
Obrázek 1: Schéma depoziční aparatury s plazmovými tryskami využívajícími žhavé duté katody pro depozice oxidových tenkých vrstev.
Obrázek 2: Fotografie hořícího výboje a systému žhavých titanových katod, jejichž teplota může dosáhnout až 1600° C. Spodní část obrázku ukazuje princip homogenizace tloušťky tenké vrstvy, pokud je současně rozprašováno několik dutých katod.
