Naprašování patří spolu s napařováním do technologií fyzikální depozice par, jež jsou souhrnně označovány jako Fyzikální depozice z plynné fáze (PVD, physical vapour deposition). Na rozdíl od napařování se však jedná o plazmový proces.
Naprašování probíhá za nízkých tlaků v inertní atmosféře, kdy mezi katodou a anodou hoří doutnavý výboj. Katoda, na kterou je připevněn deponovaný materiál, je bombardována kladnými ionty inertního plynu. Tím jsou z něj vyráženy atomy, které následně dopadají na substrát.
Využití technologie naprašování je velmi rozmanité. Používá se například k ukládání otěruvzdorných tvrdých vrstev na obráběcí či tvářecí nástroje. Hojně se využívá například na výrobu elektronických součástek, senzorů, hybridních obvodů, optických vrstev, a dílů pro rentgenovou optiku. Naprašování je rovněž hlavní technologií při výrobě některých tenkovrstvých fotovoltaických článků (především článků na bázi CdTe a CIGS).
Mezi hlavní výhody naprašování patří nízká teplota depozice, možnost deponovat široké spektrum různých materiálů, vysoká adheze a čistota vakuově nanášených vrstev.
Mezi nevýhody patří vyšší cena spojená s vakuovou aparaturou a v případě výroby elektronických součástek také s návazností na litografické procesy. Vrstvu rovněž není možné rovnoměrně nanést na složitě tvarované součásti.
Historie naprašování Proces naprašování byl objeven roku 1852 W. R. Grovem jako jev, který "rozkládá katodu". Princip tohoto jevu byl správně popsán poprvé roku 1908 F. Starkem.
Od roku 1925 byly naprašované vrstvy intenzivně zkoumány díky svým magnetickým vlastnostem. Roku 1928 je pak americká firma Western Electric začala komerčně využívat na výrobu gramofonových desek a kontaktů na vysílače mikrofonů.
Tyto první aplikace spočívaly ve stejnosměrném (DC) naprašování a bylo proto možné naprašovat pouze vodivé materiály. Od 70. let se začalo vyvíjet také vysokofrekvenční (VF) naprašování, které umožnilo naprašovat i dielektrika. Zhruba ve stejné době bylo vyvinuto rovněž magnetronové naprašování, které se posléze stalo nejrozšířenějším typem naprašování vůbec.
Veliké uplatnění nalezly naprašované vrstvy ve výrobě elektronických součástí a v polovodičovém průmyslu, především jako kontaktní vrstvy, odporové vrstvy a dielektrika. Další velkou oblastí využití se staly tvrdé povlaky na obráběcí a tvářecí nástroje. Naprašované vrstvy se prosadili rovněž v optických aplikacích.
Princip naprašování alt=|náhled|Základní princip naprašování: Argonové ionty bombardují target a vyrážejí z něho atomy, které pak dopadají na substrát. Naprašovaný materiál je zapojen jako katoda, na kterou je přiváděno stejnosměrné nebo vysokofrekvenční elektrické napětí. Protože se target silně zahřívá, připevňuje se zpravidla na měděnou vanu s vodním chlazením.
V těsné blízkosti targetu je přichycena anoda, která je většinou uzemněna ke stěně pracovní komory. Jejím hlavním úkolem je udržovat plazmový výboj ve vhodné pozici vůči targetu a tím usměrňovat odprašovaný materiál směrem k substrátu.
Pracovní komora je vyplněna inertním plynem o nízkém tlaku, kterým bývá zpravidla argon. Pracovní tlaky se pohybují v širokém rozmezí 10−4 – 10−1 torr (10−2 – 1 Pa) v závislosti na konfiguraci naprašovacího systému i naprašovaném režimu. Při dostatečném zvýšení potenciálového rozdílu mezi katodou a anodou katoda začne emitovat elektrony, které ionizují plyn na kladné ionty a záporné elektrony. V blízkosti targetu tak vzniká oblak plazmy.
Záporně nabitá katoda přitahuje z plazmy kladné ionty, které s vysokou rychlostí dopadají na target. Z targetu jsou takto vyráženy atomy, které dopadají na substrát. Kromě atomů deponovaného materiálu jsou z targetu vyráženy také sekundární elektrony, které ionizují plyn v blízkosti katody a pomáhají tím udržovat plazmový výboj.
Součásti naprašovacího systému Vakuová aparatura Aby byly naprašované vrstvy kvalitní, je nutné, aby pracovní atmosféra byla co nejčistší. I malé parciální tlaky kyslíku, dusíku či vodních par totiž vedou ke vzniku nekovových vměstků, které degradují vlastnosti vrstvy. Vysoké čistoty dosahujeme tím, že aparaturu napřed vyčerpáme do vysokého vákua, tj. přibližně do 10−7 – 10−5 Torr (neboli 10−5 – 10−3 Pa). Proces naprašování proto vyžaduje náročnější vakuovou techniku.
Vakuová aparatura naprašovacích a napařovacích zařízení má zpravidla dvě větve. První větev slouží k dosažení hrubého vákua kolem 10−3 Torr (10−1 Pa), k čemuž se nejčastěji používá rotační vývěva s olejovým těsněním. Po dosažení hrubého vákua se čerpání přepne na druhou větev, jejíž součástí je i difuzní nebo turbomolekulární vývěva, která je schopna dosáhnout vysokého vákua.
K dalšímu zvýšení vákua je možné využít i kryogenní vývěvu, která pracuje s hluboce zmrazenými povrchy chlazenými kapalným dusíkem nebo dokonce heliem. Plyny jako jsou vodní pára či oxid uhličitý se na těchto plochách přichytí a zmrznou.
Další možností jsou vývěvy založené na adsorpci plynů k povrchu tvořeného aktivním uhlím či zeolitovými vrstvami.
Poznamenejme, že vákuum se může zlepšovat také vlivem samotného naprašování, zvláště při depozici kovů s vysokou afinitou ke kyslíku, jako Al či Ti.
Targety Materiál určený k depozici naprašováním nazýváme target. Targety mohou mít rozmanité tvary. Často bývají obdélníkového či diskového tvaru, avšak mohou být také válcovité či tvořit negativ tvaru substrátu.
Protože se target při naprašování silně ohřívá, musí být intenzivně chlazen. Targety proto bývají připevněny na měděné vaně s vodním chlazením. Aby byl zajištěn dobrý elektrický i tepelný kontakt mezi targetem a měděnou vanou, bývají targety připájeny na měděnou desku.
Targety mohou být tvořeny čistým kovem, slitinou či sloučeninou. Mohou být také složeny z více různých materiálů.
Stejnosměrné a vysokofrekvenční naprašování náhled|Princip vysokofrekvenčního naprašování Pokud je na target přiváděno stejnosměrné záporné napětí, hovoříme o stejnosměrném (DC) naprašování. Stejnosměrné naprašování však umožňuje deponovat pouze elektricky vodivé materiály. Pokud chceme naprašovat také dielektrika, musíme na target přivádět vysokofrekvenční (VF) napětí. Nejčastěji se používá mezinárodně standardizovaná frekvence 13,56 MHz.
VF naprašování využívá toho, že vysokofrekvenční napětí v rozsahu 0,5–30 MHz má rozdílný účinek na elektrony a kladné ionty. Zatímco lehké elektrony mezi oběma elektrodami kmitají, o několik řádů těžší ionty zůstávají v klidu. Je-li na target přiváděno VF napětí, vytvoří se na něm záporný průměrný potenciál, na který reagují kladné ionty. Target je proto bombardován ionty i přes to, že není vodivý. Princip VF naprašování je zřejmý z následujícího obrázku.
Konfigurace naprašovacích systémů náhled|Uspořádání naprašovacího systému typu dioda
Uspořádání typu dioda Jedná se o nejjednodušší a historicky nejstarší typ uspořádání. Target je připevněn ke katodě, substrát je spojen s anodou a plazma hoří v prostoru mezi nimi. Sekundární elektrony proudí od targetu k substrátu a ionizují plyn. Kladné ionty bombardují povrch targetu a tím dochází k naprašování materiálu na substrát.
Napájení může být DC i VF. Preferováno bývá VF, a to i v případě kovů, neboť vysokofrekvenční buzení umožňuje naprašování při nižším pracovním tlaku než stejnosměrné buzení. Obecně přitom platí, že čím nižší pracovní tlak používáme, tím čistší jsou výsledné vrstvy.
Naprašování v tomto uspořádání je však pomalé a výboj málo stabilní. Je třeba používat vysoká napětí až v řádu kV a vyšší tlaky, což zhoršuje jakost vrstvy. náhled|Uspořádání naprašovacího systému typu trioda
Uspořádání typu trioda K překonání nevýhod spojených s diodovým uspořádáním byl vyvinut systém triody, v němž je plazma buzena samostatnými elektrodami. Elektrony jsou emitovány horkou katodou, tvořenou zahřátým wolframovým vláknem, a dopadají na studenou anodu ve formě drátu.
Napětí na targetu je ovládáno nezávisle na napětí plazmového výboje. Záporně nabitý target pak přitahuje z plazmy kladné ionty, čímž dochází k naprašování. Target může být napájen jak DC tak VF napětím.
U triodového uspořádání je možno naprašovat při podstatně nižších tlacích a s menším napětím než u diodového. Mnohem vyšší je také rychlost naprašování. Nevýhodou triodové konfigurace je však velká složitost. náhled|Vhodně orientované magnety usměrňují pohyb elektronů do úzkého pásu poblíž targetu. Usnadňují tím vznik plazmy.
Magnetronové naprašování Vynález magnetronového naprašování vyvolal revoluci v technologii naprašování. Přináší totiž v podstatě stejné výhody jako triodové naprašování, avšak je proti němu výrazně jednodušší.
Při magnetronovém naprašování se v těsné blízkosti targetu nachází silné magnety. Přídavné magnetické pole je kolmé na elektrické pole a je navrženo tak, aby usměrňovalo tok elektronů do oblasti blízké targetu. Tím se lokálně zvýší stupeň ionizace plazmy a vzrostou iontové proudy.
Uspořádání je v principu stejné jako u diody. Avšak díky magnetronu probíhá naprašování velmi rychle i při nízkých pracovních tlacích a malém napětí (stovky voltů). Kovy se zpravidla naprašují při DC a dielektrika při VF napětí.
Reaktivní naprašování Přidáme-li do pracovního plynu záměrně určité množství kyslíku, dusíku či jiných reaktivních plynů, budou tyto plyny reagovat s naprašovanými kovy. Můžeme tak záměrně vytvořit vrstvu oxidů, nitridů či jiných sloučenin. Tomuto procesu říkáme reaktivní naprašování.
Reaktivní naprašování zajímavým způsobem rozšiřuje již tak širokou paletu materiálů, které lze naprašovat. Takto vytvořené vrstvy jsou přitom poměrně levné.
Vysokofrekvenční leptání Některá naprašovací zařízení umožňují provádět i tzv. vysokofrekvenční leptání. V principu se jedná o stejný proces jako leptání, ovšem s tím rozdílem, že v tomto případě je na místo targetu odprašován substrát. Na substrát přivádíme VF- napětí tak, aby se zapálil plazmový výboj. Substráty jsou poté bombardovány argonovými ionty, čímž dochází k odstraňování povrchové vrstvy.
VF-leptání se často využívá k očišťování povrchu substrátů před vlastní depozicí. Takto je možné z povrchu efektivně odstraňovat oxidy a jiné anorganické nečistoty. Velmi obtížně se však tímto způsobem odstraňuje mastnota.
VF-leptání je možno využít také k tzv. suchému leptání, kdy ze substrátu odstraňujeme vrstvy, jež nejsou zakryty rezistem. Tím je možné na substrátu vytvářet různé motivy. Proces však bývá poměrně pomalý a spotřebuje se velké množství drahého rezistu. Používáme ho proto především v těch případech, kdy je použití chemického leptání nevhodné.
Výhody a nevýhody naprašování
Oproti napařování Technologie naprašování začala zhruba od 70. let vytlačovat napařování z celé řady aplikací. Naprašování má totiž oproti napařování několik velkých předností.
Naprašování může probíhat takřka za pokojových teplot a je přitom možné deponovat i žáruvzdorné materiály včetně wolframu, molybdenu, tantalu, aj., a to s nižšími náklady. Díky nízké teplotě depozice mají naprašované vrstvy vůči napařovaným minimální vnitřní pnutí a nemají tendenci se loupat. Nízká teplota napařování také umožňuje povlakovat součásti choulostivé na zvýšení teploty.
Naprašování je atomární proces. Atomy, jež během naprašování dopadají na substrát, mají vysokou kinetickou energii. Naprašované vrstvy mají proto vůči napařovaným vyšší adhezi, rovnoměrnější strukturu a menší pórovitost.
Deponujeme-li slitiny kovů, tak naprašované vrstvy zachovávají stechiometrii materiálu targetu. U napařování je rychlost depozice úměrná teplotě tání. Napařované vrstvy mají proto jiný stechiometrický poměr než odpařovaná slitina a tento poměr se navíc mění s tloušťkou vrstvy.