ZGODOVINA TEHNOLOGIJE TANKIH PLASTI Stanislav Juznič* History of thin film technology ABSTRACT The history of thd thin film tschnology m the pas' hundred years is ddschbed The special concern is pul or Ihe woi< dooe in Slovenia POVZETEK Povzdmamo $lo lal (azvoja lehnotogija vakuumskih lanhih plasti Posebna poionosi ja posvečena taziskavarrv v Sloveniji 1. UVOD Tarike plasti" so najprej izdelovali s kovanjem. Egiptovski mojstri iz Luxorja so znali že v XVHI dinastiji (1567-1320 p.n.Š.) kovati rldlovO.Smikrcmetra debele lističe. Danes znamo skovati O,i do 0,05 mikrometra debele lističe, kar je skoraj nevidno pri pogledu od strani. Sodobni naziv za specializirano tehnologijo 'lankih plasti' se uporablja le za plasti, ki jih izdelamo s procesi nalaganja atoma na atom in ne s tanjšanjem razme* roina velikega kosa snovi. Najstarejši tehniki nanašanja tankih plasti sta kemijska redukcija, ki je omogočala pripravo srebrne plasti za zrcala, in posrebrevanje z električnim postopkom. Obe tehniki so iznašli pred več kot 150 leti. V tej razpravi se bomo omejili na tanke plasti, ki jih lzdelU)emo v vakuumu. Zanje uporabljamo tri vrste tehnik: vakuumsko naparevanje, katodno razprševanje In kemijsko nanašanje. XIX. STOLETJE Pn/e vakuumske tanke plasti so opazili med raziskovanjem "katodnih žarkov" v Londonu in Bonnu. Že od Pluckerjevega obiska pri Faradayu leta 1848 so Nemci in Angleži tesno sodelovali, saj so eksperimentalne naprave Angleža Gassiota uporabljali tudi v Bonnu in Münstru, razprave pa so sproti prevajali (Martin, I9d4, 30, 33; Hittort, 1869, 5, 202). "Naparevanje" tanke plasti na stenah izpraznjene cevi sta prva opazila William R.Grove (1611-1896) leta 1S53 m samostojno Plücker leta 1857 po električnem praznjenju ter Faraday leta 1857 med eksplozijo kovinske žice v vakuumu. Prve raziskave so dajale predvsem kvalitativne ugotovitve o trajanju "naparevanja" in legi "naparitve" glede na elektrodi (Južnič, 1994, 24-25). Tanke plasti so opazovali med raziskovanjem "katod* nih žarkov" kot spremljevalni, večkrat moteči pojav. Meritve na Angleškem Oassiot je nadaljeval Faradayevo raziskovanje "katod* nih žar1 gosto uporabljamo še danes. Aluminij Je prtmeren za zrcala, saj skoraj tako dobro odbija zeleno svetlobo kot srebro, mnogo bolje pa ultraviolično. Aluminij se tudi bolje prime stekla, zato ga je bilo mogoče prati 2 vodo in milom, kar m puščalo vidnih podkod tudi po troh mcc^oh. Tudi po šedtih mesecih aluminijevo zrcalo ni izgubilo leska na atmosferi Zato je Strong predvideval uspešno uporabo alu minijevih zrcal v ÜV optiki in za prekrivanje interfero metričnih plošč. Strong Je uporabil voltramovo spiraio, nd katero je natopil öisti alumini] in ga potem izpareval v vakuumu. Izrabil je omejeno topnost volframa v tekočem aluminiju. Slika 5. NaprsvQ iste firme, ki $o jo sredi tridesetih let uporabljali za metahzacijo papirja in tekstila: delovala /e na principu katodnega napršev9ii/a. Slika 6. Tankoplastns proizvodnja podjetja HERAEUS iz Hanaua v letih 1940-1944. OžBrian in Skinner sta leta 1933 naparevala odbojne materiale za proizvodnjo tarč rentgenskih žarkov. Ma* terial sta postavila v grafitni tdlilni lonček, ki sta ga segrevala z vročo spiralo iz volframa. 3. Hass ie leta 1940 patentiral postopek zaščite Al zrcal s SIO2 {SRD ' Patent 943 314). Skupaj s sodelavci je v Istih 1955-1965 vpeljal tehnologijo zaščite Al-piasti z MgFg oz. UF zaščitnimi plastmi (za UV področje) in MgF2+Ce02 (za vidno področje). Tanke plasti v elektroniki LeoGraeir (r,i856) 2 Univerze v Munchnu m Pollak sie odkrila usmerjevalni efekt aluminijaste elektrode, prekrite s tanko plastjo oksida in pokazala na možnost uporabe v elektroniki. V Munchnu je tudi Wilhelm Beetz (Id22-I8d6) na Politehniki uporabljal tanke plasti za raziskovanje magnetnih pojavov. Taljenje kovin v vakuumu je prvi uporabil W, von Bolton (u.1912) za pridelavo tantala pri Siemensu leta 1902 Postalo je zelo pomembno za proizvodnjo magnetnih snoviin posebno kvalitetnih uporov, pa tudi za topljenje kovin na steklu pri proizvodnji raznovrstnih elektronk (Siemens, 1957,1/287; 11/255). Foioelektronske komponente, presojne in električno prevodne plasti Sn02, so začeli uporabljati za grelne elemente pri letalskih oknih v 2. svetovni vojni Druge vrste tankih plasti so naišle uporabo pn uporih, kondenzatorjih in magnetnih plasteh, tako da je elektronika in mikroelektromka še danes najpomebnejše področje uporabe tankih plasti RAZISKOVANJE TANKIH PLASTI V SLOVENIJI Raziskovanje tankih plasti v galvanoplastjki ima v Ljubljani že dolgo tradicijo. Gimnazijski profesor fizike Henrich Mittels (1822-1888) je 18.3 1856, manj kot dve desetletji po prvih uporabah Morlilza Hermana Jako-bija (1801-1874), podrobno poročal pred muzejskim društvom o zgodovkni m razvoju galvanoplastike Pokazal je zelo posrečene galvanoplastične odtise v bakru, poročal o pozlačevanju z galvanoplastiko in ponazoril povedano s poskusi (Oežman. 1858. 91}. 11.2 1857 ;e podrobno pojasnil dotlej znane metode za oblikovanje aluminija in razložil vlogo, ki jo bo lahko po obsežni proizvodnji imela ta kovina v prihodnje v različnih obrtih in umetnostih (ibid 105), V naslednjih desetletjih Slovenija m imela akademskega okolja^ ki bi lahko sledilo razvoju eksaktnih znanosti v svetu. Se sredi XX stoletja smo Slovenci zasledovali raziskovanje tankih plasti v ZDA le s pomočjo doseg* Ijive literature. Sistematične raziskave in uporaba tankih plasti so $e pri nas pričele v šestdesetih letih Že prej, leta 1955. pa so v tovarni Saturnus pričeli s proizvodnjo parabol za avtomobilske žaromete, ki so jih naredili s postopkom vakuumskega naparevanja Njihova pn/a naprava za naparevanje aluminija je bila kupljena pn angleški firmi Edwards. Leta i960 je bi1a ustanovljena Iskra-Elek trooptika (danes Fotona), ki je začela z proizvodnjo optičnih naprav in tankoplastnih komponent. V letih 1974'1977 so na Institutu za elektroniko In vakuumsko tehniko pod vodstvom dr. Evgena Kanskega razvili tehnologijo izdelave miniaturnega potenci O metra; proizvodnjo le-teh so prenesli v zamejsko tovarno Mipot v Krminu pri Gorici. Tankoplastne tehnologiie so {ali so bile) tudi osnova proizvodnje kondenzatorjev v Iskrin) tovarni kondenzatorjev v Semiču, iskri polpre vodniki (danes Semicon) v Trbovljah, kovinoplastnih uporov m tek oče kristalnih prikazalnikov v bivši Isknm tovarni Upon v ^ntjerneju m seveda v bivsi iskrim lovarni Mikroelektronika. V Laboratoriju za mikroelek-tronikona Fakuttetiza elektrotehniko se 25 let ukvarjajo z razvojem mikroelektronskih tehnologij in sončnih celio. Z bazičnimi raziskavami tankih plasti pa se že ifKJeset let ukvarjajo na Institutu "Jožef Stefanv Odseku za tanke plasti in površine. Pred desetimi leti so ustanovili Center za trde prevleke, v katerem za industrijske potrebe nanašajo trde zaščitne prevleke. LITERATURA Bauec Gefhafd, ADsolutwerte Oec optiactien AbsorptKTnkonstanten von AlkafogeniQhristallen im Gebeft ihrer ultravioletten Eigentre-guenzen. Ann. Phys 12(1934) 434-46^ Bensen Rejner, FesH^öfpenetstauDung dutch lonenDeschuss, Sprirtger Verlag, Berlin, 1$», Sputlerlng by Ion Bankaichm^, Springer Verlag, Berlin. 1981 Bunshah Ronan F, History and eurem status vacuum metallurgy, J Vec Sd.Techr^olog Ai2{4j (Jul/Aug 19d4) 936-946 Cartwright C Havrfey in A Francis Turner. Reducing ihe Reflection from Glass by Multilayer Films. Physrev ££(19;^) 675 Dažman Karal (1921-tSSd). B«ncht über die t>ei dan monau Var-sammlungeri der Mitglieder des Musaal Vereins ge^^tan Vortrage in den J. 1856 und 1867, Jareschelt Krain Museum. 2 (1&5S). Str aS-lA2 Faraday Michael {1T91-ia67}. Experimental Relations oi Gold to üght. Phil Trans 1657 5 14S Prevod v Ann Phy« Jfii(1857) 313-320 G«85iotJ(^n Pieler (1790-1877), Proc oftheRoy. Soc Lx*idonli 5. 329 Prevod Uber die Warme-Entwicklung an der Polen einer Voltasctten Battene während des Durchganges leuchtender EnUadungen durch Luft oder ein Vacuum, Ann Phys. 119 1. 31 -137 Hertz Heinrich Rudolf 41&57>1894). Uber die Verdunstung der Flüssigkeiten inbeeondere Queksilbers im luftleeren Räume, Ann Phys 1882, pQnalisvSchnften vermischten Inhalts Leipzig 1896, stt 199-214, Uber den Druck des »säRigten Oueci<$ilDer-d&mpfes, Ann. Phys. iSd?, ponalis v schrilran vetmiscnt^n Inhalts, Leipzig 1895, str 215- iü Hippel Artur von. Zur Theorie der Kaihodenzerstäubung, Ann Phys ^{1926) 1043- HidoiJohann Wilhelm (1824-1914), Übe« die Etekiricitits-ieiiung oer Gase.Ann Phys. nsn BSS) i -3i im 97-234. Ann Phys 2Ü(1Ö63) >n2l(18Ö4)9Ö Hoover Dav>d S , Oiamorvd Thin Film Acplicalions in Eleclfonics Packaging, S5T Feb 1991. 89-92 Juognckel Chnsta in Russell UcCormn^ach, Intellectual Masiery d Naluie, I m ll, The Universrty of Chcago Press. Y986 Južrii^ Stani^av, Zgodovina tazi5hovan>a 'katodnih žarkov' m , wekhe durch Zerstäub^ einer Kathode her. gestellt Sind, Ann Phys 27 n6B6i 59-71, UC>er die brechungsex-ponentan der Meliüle, Ann Phvs 34 (I8fl8> 469-489 Martin Thomas, The Royal Instilulion, Lo<>gmane Orden & Company 1944 Navinšek Bctfis, Ra2vo) in uporaba domačih laniiopia&inihtehnoio^j, Elektrotahmiki ve^lnik § (1984), 141-14S Nahn/roki R UbardiaEl^Ctncilalseritmcherunganeinengluhenden PlaMfWrahfra Ann Phvs^(ie88) 107-121 PICicker Julius {1801-1866), Üb«' di« Einwirkung des Magnetes auf deeel«)(lrlschanGnladungen iftverdunlen Gasen Ann Phys ÜQ (1858) 88-106. Fortgeeeczte, KS li3-l28ini2S (1853) 87-84 Puluj Johann (1845>1918). Sirahlende Elekirodenmater«, Wien Ber II ai (1880) 864-923 Quincke Georg German (1634-1924), über die optischen Eigenschaften der Metalle, Ann Phys 11^(1663)368-388 Rilsct>l Rudolf. UMr ein Verfahren zur halk>durchla,s^g«r Versilberung von Interferonelerspiegaln durch Verdampfen im Hochvakuum, Zeitschiifl fur Physik, Berlin. 69 (1931) 578-&65 Siemertt History of ihe house ol Siemens Kan Altjer Freiburg/Munich, 195^ (v dveh delih) Stefan Jožef (1835^1693), Über eine Erscheinung am Netonecrtan Fart^englase, Wien Ber ^^ ^ (1664) sir 136-137 Uber Nebenringe an Newtonzschen Farbenglase. Wien 6er II ^ (1865) 394-396 Strong John. Evaporation Technique of Aluminium. Phys Rev ± (1633) 496 Zinsmeister GJ, Die Entwicklung der industriellen Dunnschicht-Techmk, Vakuun-Tet^nik 22 (1984) 109-n7 Tabela: Razvoj industrijske uporabe tankih plasti {Navinšek. 1984,143) y diskretni plastni upori X selenski usmerniki X diskretni kundenzatorj I X galvano metrike plasti X mono-epitaksialnc plasti Elektronika x supra prevodne piasii X pasivna TP vezja X integrirana vezja s polprevodnimt diel. in prevndnimi plastmi O Si nasafirju (C X antireileksne prevleke X seknske fotocelice Optika interferenini filtri-ogledala foioprevodniki Vidicon TV elektronke O sončne celice X svetlel diode O clektroluminescenčni zasloni X zasloni s tekočini kristali X elektro-kromski prikazalniki Površinska oHdelava Leto X metalizacija plastike x cenen nakit X toplotno reriekiirajoče prevleke X korozijsko zaStitne plasti X toplotno aosorpcijski filmi O nimi za moaanje (lubricaoi) X nimi proti obrabi X toplotno obstojni filmi 1930 1950 X - že v uporabi, O • razvoj v teku, delna uporaba