Čtecí zařízení optického polovodivého prvku

Oblast techniky

Předkládané technické řešení spadá do oblasti čtecích zařízení tenkovrstvých optických polovodivých prvků vhodných zejména jako bezpečnostní ochranné prvky pro označení pravosti produktů, pňčemž optický polovodivý prvek obsahuje gradientní optickou tenkou vrstvu.

Dosavadní stav techniky

V současné době existuje celá řada optických ochranných prvků, kterými lze garantovat pravost produktu, do kterého je tento prvek implantován. Standardně se jedná o různé tenkovrstvé hologramy s definovaným reliéfem. Tyto holografické či jinak funkční optické reliéfy je třeba zajistit ochrannou vrstvou či systémem ochranných vrstev, které zajistí ochranu před mechanickým poškozením a též zajistí bezpečnostní prvek před kopírováním optického reliéfu. Aby byla zachována v takovémto případě optická funkce ochranného prvku, musí být optický reliéf oddělen od ostatních vrstev alespoň jednou vrstvou s odlišným indexem lomu. Standardně jsou využívány jednoduché, deponované vrstvy s vysokým indexem lomu (kovové jako je např. hliník, stříbro, nebo transparentní jako je třena ZnS, TiO₂, apod.).

Současným trendem je snaha tyto holografické prvky sofistikovaněji chránit proti padělání dalšími optickými elementy nebo opticky funkčními elementy, které mají definované optické vlastnosti, které tvoří parametry pro jednoznačnou identifikaci prvku a tento prvek je obtížně padělatelný. Jednou z možností je využití fyzikálních vlastností vrstev deponovaných přes optický reliéf hologramu. V patentovém spisu US 2004/0126669 AI je popsán způsob depozice optické tenké vrstvy na hologram. Depozice se provádí pomocí tiskařských metod s případným termálním ostřením. Navíc, tento spis popisuje pouze transparentní vrstvu s vysokým indexem lomu.

V patentovém spise US 4851095 A je popsáno reaktivní magnetronové naprašování optických tenkých vrstev nebo multivrstev s definovanou závislostí absorpčního koeficientu na vlnové délce. Nicméně systém neřeší realizaci depozice plošně nehomogenních tenkých vrstev, které budeme nazývat dále „plošně gradientní tenké vrstvy“, kdy u těchto vrstev existuje gradient chemického složení tenké vrstvy a jejích optických konstant nikoliv v rámci (podél) jejího tloušťkového profilu, ale tento gradient existuje ve směru jedné vhodně zvolené osy souřadnice pravoúhlého kartézského souřadného systému, která je rovnoběžná s povrchem tenké vrstvy a je zvolena ve směru tohoto gradientu.

Reaktivní magnetronové naprašování tenkých vrstev pracující za extrémně nízkých tlaků v režimu HiPIMS v kombinaci s radiofrekvenční (RF) indukčně vázanou (ICP) elektrodou ve tvaru jednoho závitu páskového vodiče pracující ve stacionárním magnetickém poli s vlnovou rezonancí elektronové cyklotronové vlny (RF-ECWR), kde se částice pohybují od terče k substrátu téměř beze srážek je popsáno ve stati: V. Straňák, A. P. Herrendorf, S. Drache, M. Čada, Z. Hubička, M. Tichý, R. Hippier, Highly ionized physical vapor deposition plasma source working at very low pressure, Appl. Phys. Lett. 100, 141604 (2012) a aplikace tohoto systému se dvěma rozprašovacími reaktivními magnetrony na depozici polovodivých CuFeO₂ vrstev je popsána ve stati: Z. Hubička, M. Zlámal, J. Olejníček, D. Tvarog, M. Čada, J. Krysa, Semiconductingp-Type Copper Iron Oxide Thin Films Deposited by Hybrid Reactive-HiPIMS +ECWR and Reactive-HiPIMS Magnetron Plasma Systém, Coatings 2020, 10, 232.

Aplikace RF-ECWR plazmatického systému v kombinaci s dalšími zdroji plazmatu jako jsou MW surfatrony je popsána v patentovém spisu PV 2018-555, tj. CZ 2018555 A3.

- 1 CZ 35760 UI

Podstata technického řešení

Předmětem předkládaného řešení je poskytnutí čtecího zařízení bezpečnostního prvku produktu.

Čtecí zařízení je vhodné pro určení impedančních vlastností optického polovodivého prvku obsahující

- dielektrický substrát, na který je možné umístit výše zmíněný optický polovodivý prvek;

- krycí vrstvu, např. plastovou fólii pokrývající optický polovodivý prvek;

- měřicí kontakty, které jsou přitlačeny na povrch krycí vrstvy a současně jsou propojeny k měřicímu zařízení, měřícímu impedanční parametry polovodivého prvku, např. impedančnímu spektrografu, pracujícímu v definovaném intervalu vysokých frekvencí.

Čtecí zařízení umožňuje stanovit impedanční spektrum polovodivé vrstvy i přes krycí dielektrickou plastovou fólii.

Optický polovodivý prvek obsahuje plošně gradientní optické tenké vrstvy. Tenká vrstva optického polovodivého prvku vykazuje:

- gradient chemického složení a optických vlastností ve směru alespoň jedné osy, která je rovnoběžná s povrchem tenké vrstvy; a

- gradient měřeného impedančního spektra ve vysokofrekvenční oblasti od 10⁴Hz do 10⁸Hz.

Při použití vhodné kombinace různých reaktivně odprašovaných materiálů podle způsobu výroby níže lze vytvořit tenkovrstvý optický polovodivý prvek, který vykazuje definovaný plošný gradient chemického složení a optických vlastností, jako jsou např. koeficient optické absorpce, tj. barvy, anebo indexu lomu. Jednotlivé reaktivně naprašované vrstvy z obou magnetronů mají různou šířku zakázaného pásu a jinou koncentraci donorů tvořených například vakancemi kyslíku v polovodiči a různou velikost pohyblivosti elektrických nosičů. Tyto faktory způsobí rozdílnost závislosti optické absorpce na vlnové délce jednotlivých naprášených komponent a způsobí vytvoření tohoto plošného gradientu při jejich definovaném míšení. Dále pak vznikne z analogických důvodů gradient měřeného impedančního spektra ve vysokofrekvenční oblasti v intervalu vysokých frekvencí od 10⁴Hz do 10⁸Hz. Tyto snadno měřitelné informace, tj. plošné rozložení optické absorpce tenké vrstvy (barva) a její impedanční spektrum v daném místě na povrchu při zjednodušeném způsobu měření na ochranném prvku pomocí vysokofrekvenčního čtecího zařízení tvoří optický bezpečnostní ochranný prvek.

Plošně gradientní vrstva je tenká vrstva, u které existuje gradient chemického složení tenké vrstvy a jejích optických konstant, zejména optické absorpce anebo indexu lomu, nikoliv v rámci (podél) jejího tloušťkového profilu, ale tento gradient existuje ve směru jedné vhodně zvolené osy souřadnice pravoúhlého kartézského souřadného systému, která je rovnoběžná s povrchem tenké vrstvy a je zvolena ve směru tohoto gradientu.

Optickou tenkou vrstvou se rozumí dielektrická či polovodivá vrstva alespoň částečně transparentní v optické oblasti, která má tloušťku od desítek nm, např. od 10 nm, 50 nm anebo 100 nm do několika jednotek mikrometrů, např. 1 pm, 2 pm,5 pm anebo 9,9 pm.

Ve výhodném provedení má optický polovodivý prvek vhodnou kombinaci naprašovaných materiálů. Tato kombinace materiálů je rozprašována ze dvou magnetronů. V jistých příkladech může být z prvního magnetronů reaktivně naprašován materiál Fe₂O3 a z druhého magnetronů materiál WCL-x, kde x je 0 až 2. Lze použít všechny polovodivé materiály, které vykazují částečnou

-2 CZ 35760 UI transmisi světla v optické oblasti, a jejich absorpční koeficient vykazuje měřitelnou změnu na relativním složení, které se mění podél gradientu. Jako rozprašované terče lze využít kovy jako Fe, W, Cu, Ti, Zn, Zr nebo slitiny kovů CuFe, CulnGa, InSn. atd. Jako reaktivní plyny pro naprašování lze využít O2 pro tvorbu polovodivých oxidů, H2S pro tvorbu polovodivých sulfidů případě směs O2+N2 pro tvorbu polovodivých oxinitridů.

V dalším provedení se optická polovodivá vrstva dá použít jako bezpečnostní prvek, tj. je obsažena v bezpečnostním prvku. Prostorově gradientní vrstva pracuje jako ochranný optický prvek, kdy informace o pravosti je zahrnuta v prostorovém gradientu optického absorpčního koeficientu vrstvy tedy v prostorovém gradientu její barvy a v prostorovém gradientu impedančního spektra této vrstvy.

Optický polovodivý prvek lze vyrobit podle následujícího způsobu. Způsob obsahuje kroky:

- vpouštění reaktivních plynů do vakuové komory, přičemž

- při reaktivním rozprašování v těchto vpouštěných reaktivních plynech dochází k míšení rozprášených částic ze dvou magnetronů v prostoru nad povrchem substrátu; a přičemž

- nastavitelná rovinná vertikální clona umístěná v prostoru nad substrátem se mezi magnetrony pohybuje.

Způsob umožňuje efektivně vytvářet prostorově gradientní polovodivou vrstvu, která mění lineárně s prostorovou souřadnicí na povrchu optické, zejména barevné, a polovodivé vlastnosti. Tohoto definovaného prostorového gradientu se dosahuje v depozičním systému se dvěma naprašovacími magnetrony umístěnými ve vakuové komoře a pohyblivě nastavitelnou rovinnou vertikální clonou umístěnou v prostoru nad substrátem mezi magnetrony. Mezi dolním okrajem clony a povrchem substrátu je nastavitelná mezera d, která určuje velikost prostorového gradientu složení deponované vrstvy ve směru souřadnice na povrchu substrátu. Velikost tohoto gradientu složení tenké vrstvy je ovlivněná velikostí mezery d mezi clonou a substrátem. Způsob je možné provádět při tlaku nižším, než je 0,05 Pa.

Ve výhodném provedení způsobuje tlak ve vakuové komoře nižší než IO^-2 Pa. V tomto případě je střední volná dráha rozprášených částic velká a rozprášené částice mohou efektivně difundovat mezerou o velikosti d mezi clonou a substrátem a jejich efektivní difúzní délka je funkcí vzdálenosti d. Z důvodu dosažení vyššího účinku depozičního způsobu vytváření prostorově gradientní struktury je výhodné použití co nejnižšího tlaku ve dvoumagnetronovém depozičním systému, kdy se rozprášené částice pohybují směrem k substrátu téměř beze srážky.

Výhodně dochází k naprašování ve stacionárním magnetickém poli, přičemž se tvoří vysokofrekvenční plazma pracující ve vlnové rezonanci elektronové cyklotronové vlny.

Využití dále přispívá k dosažení rozprášených částic pohybujících se směrem k substrátu téměř beze srážky.

Objasnění výkresů

Obr. 1 představuje časový průběh pulzního napětí a proudu na katodě a magnetronů Ml.

Obr. 2 představuje časový průběh pulzního napětí a proudu na katodě a magnetronů M2.

Obr. 3 představuje příklad čtecího zařízení ochranného optického polovodivého tenkovrstvého prvku s prostorovou gradientní strukturou při měření impedančního spektra v definované pozici na povrchu přes krycí tenkou plastovou fólii.

-3 CZ 35760 UI

Obr. 4 představuje příklad měření reálné složky R_p impedančního spektra tenkých polovodivých vrstev WO3-X a Fe2O3 v uspořádání podle příkladu čtecího zařízení uvedeného na obr. 3 přes krycí plastovou fólii.

Obr. 5 představuje příklad fotografie plošně gradientní vrstvy a příklady různých transmisních optických spekter měřených na této vrstvě v označených bodech 1 až 4 na povrchu vrstvy. Gradient chemického složení vrstvy a jejích optických a dalších fyzikálních vlastností existuje podél osy x zvoleného pravoúhlého souřadného systému.

Obr. 6 představuje a) příklad fotografie plošně gradientní vrstvy na skleněném substrátu, kde oblast označená G představuje oblast plošného gradientu b) příklady dvou vrstev s různou velikostí oblasti plošného gradientu připravené pro dvě různé vzdálenosti d clony nad substrátem.

Příklady uskutečnění technického řešení

Obr. 1 představuje časový průběh napětí a proudu generovaného vysokovýkonovým pulzním magnetronovým rozprašovacím zdrojem na prvním magnetronu. Délka napěťového pulzu je přibližně 10^-4 s, maximální amplituda napětí 800 V. Délka proudového pulsu je rovněž 10^-4 s, přičemž amplituda proudu je maximálně 80 A. Pulzy mohou následovat v řadě za sebou nebo se překrývat. Relativní délka pulzů ovlivňuje intenzitu odprašování jednotlivých terčů a hustotu plazmatu před substrátem, která ovlivňuje polovodivé vlastnosti deponovaných vrstev.

Obr. 2 představuje průběh napětí a proudu na druhém magnetronu, přičemž délka napěťového pulsu byla přibližně 8xl0^-5 s o amplitudě napětí 800 V. Délka proudového pulsu je rovněž 8xl0^-5 s o amplitudě proudu na katodě maximálně do 140 A.

Obr. 3 představuje čtecí zařízení 9, které je možné použít k přečtení optického polovodivého prvku 1, který lze použít jako bezpečnostní prvek pro určení pravosti, resp. padělku produktů, na kterém je tento prvek 1 opatřen. Čtecí zařízení 9 obsahuje dielektrický substrát 14, na kterém je umístěna polovodivá optická vrstva podle předkládaného řešení a která je pro tyto účely charakterizována kapacitou 911 a odporem 912. Optická polovodivá vrstva s gradientním impedančním spektrem je opatřena krycí vrstvou, např. plastovou fólií 92, která má svoji kapacitu 93. Na krycí vrstvě 92 j sou opatřeny alespoň dva měřicí kontakty 921. které j sou připoj eny k zařízení měřícímu impedanční parametry polovodivé vrstvy, např. k impedančnímu spektrografú 94. Měřicí zařízení 94 má rovněž svojí parazitní kapacitu 941. Díky měřicímu zařízení 94 je možné určit charakteristiku optické polovodivé vrstvy podle předkládaného řešení, zejména gradient impedance ve vysokých frekvencích.

Obr. 4 představuje příklady impedančních spekter změřených na bezpečnostním prvku obsahující tenkou vrstvu deponovanou výše uvedeným způsobem. Obr. 4 konkrétně zobrazuje zavilosti impedance R_p optického polovodivého prvku 1 na aplikované frekvenci měřicího signálu. Záznam pochází z čtecího zařízení 9, přičemž bylo toto zařízení 9 použito na optický polovodivý prvek 1, který byl vytvořený podle způsobu definovaného výše. Optický polovodivý prvek 1 vykazuje gradient impedance dvou vrstev, které jsou naneseny na substrátu 14.

Obr. 5 představuje příklad fotografie plošně gradientní vrstvy a příklady různých transmisních optických spekter měřených na této vrstvě v označených bodech 1 až 4 na povrchu vrstvy. Gradient chemického složení vrstvy a jejích optických a dalších fyzikálních vlastností existuje podél osy x zvoleného pravoúhlého souřadného systému.

Obr. 6 představuje a) příklad fotografie plošně gradientní vrstvy na skleněném substrátu, kde oblast označená G představuje oblast plošného gradientu, b) příklady dvou vrstev s různou velikostí

-4 CZ 35760 UI oblasti plošného gradientu připravené pro dvě různé vzdálenosti clony nad substrátem j_.

Průmyslová využitelnost

Čtecí zařízení lze využít v průmyslu při validaci pravosti vícestupňových optických tenkovrstvých ochranných prvků anebo fólií a tenkovrstvých hologramů.