Sesja S1B

Windows

Od fizyki cienkich warstw do technologii przemysłowej


Edward Leja, Tadeusz Pisarkiewicz
Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

W pracy przedstawiono główne kierunki zastosowańcienkich warstw, wynikające z ich szczególnych właściwości fizycznych, i przykładowe realizacje instalacji przemysłowych opracowane przez zespół pracowników Katedry Elektroniki AGH w ostatnich latach.

1. Charakterystyczne właściwości cienkich warstw

Z fizycznego punktu widzenia warstwa materiału naniesiona na dowolne podłoże jest ,,cienka", jeśli jej właściwości zależą od grubości. Przykładami takich właściwości są:
1) rezystancja warstwy,
2) absorpcja i transmisja promieniowania elektromagnetycznego,
3) zmiany rezystancji warstwy towarzyszące sorpcji i desorpcji cząsteczek gazów,
4) duża wytrzymałoś zmęczeniowa cienkich warstw umożliwiająca pokrywanie podłoży elastycznych takimi materiałami, jak np. magnetyczne nośniki informacji,
5) specyficzne właściwości wybranych materiałów spełniających rolę powłok odpornych na działanie czynników chemicznych i mechanicznych, powłok dekoracyjnych i selektywnie odbijających promieniowanie.

2. Przemysłowe urządzenia technologiczne do nanoszenia warstw

W przemysłowych, nieelektronicznych zastosowaniach przydatne są metody nanoszenia warstw, w których źródła atomów mają liniowe wymiary porównywalne z wymiarami pokrywanych podłoży. Do takich metod należy technika jonowego rozpylania ze wspomaganiem pierścieniowo-szczelinowym polem magnetycznym oraz technika łukowa. W opisanych przykładach przedstawione są przemysłowe instalacje wykorzystujące powyższe metody nanoszenia warstw.

2.1. Urządzenie do nanoszenia przezroczystych warstw grzewczych na szybach w sprzęcie komunikacyjnym naziemnym i lotniczym

Wykorzystano tu metodę stałoprądowego, reaktywnego jonowego rozpylania tarczy stopowej 90% In + 10% Sn w atmosferze Ar + O2. W wyniku rozpylania tarczy w reaktywnej atmosferze Ar + O2 na powierzchni tafli szklanej osadzana jest warstwa In2O3:Sn (ITO) o rezystancji powierzchniowej 15 - 200 (Om)/? i transmisji światła do 80%, zależnie od szczegółowych warunków technologicznych późniejszej obróbki cieplnej. Płyty szklane z takimi warstwami wykorzystywane są w sprzęcie lotniczym, elektromaszynowym i in. [1].

2.2. Linia technologiczna do nanoszenia warstw metodą rozpylania magnetronowego na wielkoformatowe powierzchnie

Zastosowano system pięciokomorowy ze śluzami między komorami, co umożliwia transport kaset z taflami szklanymi w układzie powietrze-próżnia-powietrze. W środkowej komorze technologicznej zainstalowane są trzy zespoły magnetronowe zasilane niezależnie, co pozwala na nanoszenie powłok trójwarstwowych. Uproszczony schemat linii przedstawiony jest na rys. 1. Produkowane są na tej linii zwierciadła z różnymi powłokami metalicznymi (Al, Ti, NiCr, Cu i in.), zwierciadła półprzepuszczalne, warstwy odbiciowe do zastosowańarchitektonicznych, warstwy dekoracyjne itp. Linia jest sterowana mikroprocesorowo [2].

Rys. 1. Schemat 5-komorowej instalacji do nanoszenia warstw na wielkoformatowe powierzchnie.

2.3. Urządzenia technologiczne do nanoszenia warstw dekoracyjnych metodą łukową

Urządzenie przeznaczone jest do nanoszenia warstw metali i związków (Ti, TiO2, TiN, NiCr) na przestrzenne detale o dużych wymiarach, wykonane z tworzyw syntetycznych lub szkła. Zastosowano źródło (katodę) słupowe, umieszczone centralnie w komorze próżniowej (rys. 2). Metoda łukowa nanoszenia warstw należy do technik rozwijanych w ostatnich latach szczególnie do zastosowańnieelektronicznych, z uwagi na charakterystyczną dużą energię (do 100 eV) jonów materiału katody docierających do podłoża [3].

Rys. 2. Schemat instalacji do nanoszenia warstw metodą łukową z katodą słupową.

3. Cienkie warstwy w technice sensorowej

Dzięki dużej roli, jaką odgrywa powierzchnia w cienkiej warstwie, wytwarza się obecnie m.in. cienkowarstwowe sensory czułe na otaczającą atmosferę gazową. Jako warstwy gazoczułe stosuje się głównie tlenki cyny, a ponadto tlenki takich metali, jak ind, cynk, tytan, wolfram, żelazo. Znane są również niekorzystne właściwości tych tlenków w odniesieniu do detekcji gazów, głównie brak selektywności i stabilności długoczasowej. W praktyce niedogodności te próbuje się pokonywa optymalizując proces technologiczny wytwarzania warstw.

Skuteczną metodą rozwiązywania problemu selektywności jest również użycie matrycy sensorów [4]. Sygnały z matrycy poddaje się dalszej obróbce za pomocą algorytmów typu ,,rozpoznawanie obrazów'' (pattern recognition) i ,,analiza wieloskładnikowa". Bardzo skuteczne okazało się w tym przypadku zastosowanie sieci neuronowych i innych inteligentnych metod obróbki sygnału opartych np. na logice rozmytej. Wytworzenie takiej matrycy na membranie krzemowej umożliwia dodatkowo badanie odpowiedzi wybranego sensora z wykorzystaniem modulacji jego temperatury (rys. 3).

Rys. 3. Matryca cienkowarstwowych czujników gazów na membranie krzemowej.

4. Podsumowanie

Technika cienkowarstwowa umożliwia modyfikację powierzchni różnych materiałów, zwiększając ich odpornoś mechaniczną, chemiczną i podwyższając walory estetyczne. Technika ta pozwala otrzymywa materiały o rozlicznych zastosowaniach - od układów elektronicznych do materiałów budowlanych.

Literatura
[1] E. Leja, T. Pisarkiewicz, T. Stapiński, ,,Sposób wytwarzania przezroczystych dla światła elementów grzejnych na powierzchniach szklanych lub ceramicznych'', Pat. PRL nr 141726 (1988).}
[2] E. Leja, K. Marszałek, ,,Przemysłowa linia potokowa do metalizacji próżniowej'', Mat. Konf. XIX ISHM - Poland Chapter, Porąbka-Kozubnik, 17 - 20 Sept. 1995, s. 52.
[3] E. Leja, K. Marszałek, T. Pisarkiewicz, Inżynieria Materiałowa 4, 257 (1998).
[4] T. Pisarkiewicz, ,,Matryce sensorów w analizie gazów'', Materiały Szkoły Czujników, V Konf. Naukowa COE '98, Jurata 10 - 13 maja 1998, s. 109.