WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Работкин Сергей Викторович НАНЕСЕНИЕ ПРОЗРАЧНЫХ ПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦИНКА МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ 05.27.02 - вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте сильноточной электроники Сибирского отделения РАН

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Сочугов Николай Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Окс Ефим Михайлович (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск) доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Янин Сергей Николаевич (НИИ ядерной физики при Томском Политехническом Университете, г. Томск)

Ведущая организация: Учреждении Российской академии наук Институт электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург

Защита состоится « » 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 003.031.01 в Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический, 2/3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН

Автореферат разослан «_»_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор В.В. Рыжов 2

Общая характеристика работы

Актуальность темы Технологии нанесения тонких пленок и покрытий из различных материалов на разнообразные изделия применяются во многих отраслей техники, в частности:

- в электронике для осаждения тонких пленок полупроводников, диэлектриков, металлов;

- в оптике для нанесения фильтрующих, проводящих, отражающих, поглощающих покрытий;

- в машиностроении для нанесения специальных покрытий, улучшающих свойства поверхности используемых материалов;

- в автомобилестроении и строительстве в качестве декоративных, светоотражающих, теплосберегающих покрытий стекол.

До середины 70-х годов прошлого столетия тонкие слои наносились на подложки в вакууме, в основном, методом термического испарения исходного материала или химическими методами осаждения. В начале семидесятых годов прошлого века было изобретено магнетронное распыление.

По сравнению с другими методами осаждения тонких пленок, такими как термическое испарение, химическое газофазное осаждение (CVD) или струйный пиролиз, магнетронное распыление имеет ряд преимуществ:

- низкие температуры подложки (вплоть до комнатной температуры);

- хорошая адгезия пленки к подложке;

- высокие скорости осаждения (до 12 мкм/мин);

- хорошая однородность по толщине и высокая плотность покрытий;

- хорошая управляемость и долговременная устойчивость процесса;

- могут распыляться сплавы и материалы сложного состава с различным давлением насыщенных паров;

- могут наноситься покрытия сложного состава из металлических мишеней реактивным распылением в газовых смесях инертного и химически активного газов;

- это относительно дешевый метод осаждения;

- есть возможность нанесения покрытий на большие площади (до 3х6 м2).

Хотя сегодня магнетронное распыление широко применяется в промышленности для нанесения покрытий на архитектурные стекла (низкоэмиссионные покрытия), интегральные схемы (металлические пленки), индикаторные панели (прозрачные проводящие пленки) или износостойкие покрытия (TiN и т.д.), существует потребность в дальнейших исследованиях, особенно в области нанесения полупроводниковых тонких пленок. Для нанесения полупроводниковых пленок магнетронное распыление начало использоваться существенно позднее. Это связано с более строгими технологическими требованиями, которые должны быть выполнены при производстве высококачественных полупроводящих тонких пленок.

Поэтому актуальной задачей является совершенствование технологий и повышение эффективности имеющегося оборудования для нанесения пленок на подложки большой площади с высокой степенью однородности и достаточно высокой скоростью, а также уменьшение энергозатрат и стоимости процесса напыления. Эту задачу можно решить с использованием оборудования, позволяющего эффективно генерировать большие объемы плазмы с контролируемыми в широком диапазоне характеристиками.

В настоящее время одними из самых перспективных тонкопленочных покрытий являются прозрачные проводящие покрытия на основе оксидов металлов (цинка, олова, индия). Прозрачные проводящие оксиды (transparent conductive oxide, ТСО) принадлежат к классу полупроводников с широкой запрещенной зоной и находят все более широкое применение в производстве плоских дисплеев, прозрачных электродов и нагревательных элементов, теплосберегающих технологиях и т.п. Широко применяется легирование оксидов металлов различными химическими элементами (алюминием, галлием, фтором и т.д), что значительно улучшает электрофизические свойства напыляемых пленок. Оксид цинка рассматривается как наилучшая альтернатива дорогостоящим покрытиям оксида индий – олова. Наибольшее распространение получило легирование оксида цинка алюминием либо галлием, а оксида олова - фтором. Экспериментальные работы показали, что оксид цинка, легированный алюминием (ZnO:Al) или галлием (ZnO:Ga), обладает меньшим удельным сопротивлением и лучшими оптическими свойствами, по сравнению с оксидом олова, легированным фтором (SnO:F) и является одним из самых перспективных тонкопленочных покрытий. Однако, разработанные к настоящему времени способы магнетронного распыления обеспечивают получение ТСО на основе ZnО с низким удельным сопротивлением только при температуре выше 200С, что ограничивает область их возможного применения. Например, напыление проводящих покрытий на полимерные подложки возможно при температурах, не превышающих температуру размягчения материала, которая для лавсана составляет 110С.

Для достижения оптимальной структуры и свойств ТСО покрытий важно регулировать плотность ионного тока на подложку Ji, энергию бомбардирующих ионов Ei и другие параметры плазмы. Используемый для нанесения TCO метод магнетронного распыления позволяет контролировать параметры плазмы и, как следствие, управлять условиями осаждения пленки, определяющими электрофизические и структурные свойства наносимого покрытия, в широком диапазоне.

Цель работы:

Разработка эффективного оборудования для технологии нанесения прозрачных проводящих покрытий на основе ZnO, легированного Al или Ga, на подложки большой площади при температурах до 110С, а также изучение свойств наносимых покрытий.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать и исследовать магнетронную распылительную систему с регулируемой степенью несбалансированности, позволяющую реализовывать различные конфигурации магнитного поля над поверхностью катода, а также исследовать пространственное распределение характеристик плазмы в данной магнетронной распылительной системе с точки зрения нанесения однородных покрытий с хорошей проводимостью и прозрачностью.

2. Исследовать свойства и характеристики наносимых пленок ZnO:Ga в несбалансированной конфигурации магнитного поля в магнетроне по сравнению со сбалансированной магнитной системой.

3. Сравнить характеристики напыляемых пленок оксида цинка, легированного алюминием, полученных при распылении на постоянном токе и биполярном питании магнетрона.

4. На основе проведенных исследований и разработанных конструкций магнетронов с несбалансированной конфигурацией магнитного поля создать автоматизированную вакуумную технологическую установку для нанесения покрытий на основе оксида цинка на подложки большой площади.

Научная новизна работы:

1. Предложена модификация магнетронной распылительной системы с комбинированным магнитным полем, создаваемым электромагнитной катушкой и постоянными магнитами, которая может быть использована как для лабораторных исследований, так и для серийного производства.

2. Исследованы характеристики предложенной несбалансированной МРС, и показано, что в плазме разряда содержится в 10-100 раз меньше ионов с энергиями более эВ, чем в плазме сбалансированных МРС, что уменьшает высокоэнергитичную бомбардировку растущей пленки.

3. Показано, что применение импульсного биполярного питания магнетрона для реактивного распыления Zn:Al мишени позволяет устранить негативное влияние зоны эрозии мишени на электрические характеристики растущих пленок легированного алюминием оксида цинка на подложке в области, соответствующей проекции зоны эрозии мишени. Данный режим работы магнетрона позволяет уменьшить удельное сопротивление пленки с 5,7·10-3 Ом·см до 8·10-4 Ом·см при температуре подложки 90-110оС.

4. Исследован процесс нанесения пленок на основе оксида цинка, легированного галлием, в несбалансированной магнетронной распылительной системе. Определены оптимальные режимы работы несбалансированной магнетронной распылительной системы с точки зрения формирования покрытий на подложках большой площади с прозрачностью в видимом диапазоне до 90%. При этом удельное сопротивление пленок, наносимых на легкоплавкие подложки, снижается с 1·10–2 Ом·см до 2·10–3 Ом·см (при температурах подложки не выше 110оС).

Практическая значимость работы:

1. Предложены и реализованы способы повышения эффективности нанесения прозрачных покрытий на основе оксида цинка. Простота реализации этих способов позволяет использовать их в промышленном масштабе.

2. Создано оборудование и в лабораторном масштабе реализована технология нанесения прозрачных проводящих покрытий на основе оксида цинка методом несбалансированного магнетронного распыления на постоянном токе и в импульсном режиме при температурах подложки не выше 110оС. Конструкция несбалансированного магнетрона позволяет масштабировать данную технологию на подложки большой площади.

3. В результате проведенных исследований создана вакуумная технологическая установка для нанесения прозрачных покрытий на основе оксида цинка на подложки большой площади в полупромышленном масштабе. Установка оснащена модифицированными конструкциями магнетронных распылительных систем, современными источниками питания с дугогашением и криогенной системой откачки.

Процессы напыления в данной установке полностью автоматизированы и управляются с помощью компьютера.

Положения, выносимые на защиту:

1. В несбалансированной магнетронной распылительной системе, негативное влияние ионной бомбардировки на качество растущих пленок прозрачных проводящих оксидов ослаблено существенно меньшим содержанием в плазме высокоэнергетичного ионного компонента, доля которого по сравнению со сбалансированной магнетронной распылительной системой оказывается ниже на один два порядка величины.

2. Применение импульсного биполярного питания магнетрона при реактивном распылении устраняет влияние зоны эрозии мишени на однородность электрических характеристики прозрачных проводящих пленок и позволяет уменьшить на порядок величины удельное сопротивление пленки, наносимой при температуре, не превышающей температуру размягчения полимерных материалов (90-110С).

3. Использование несбалансированной магнетронной распылительной системы для распыления керамической мишени из легированного галлием оксида цинка позволяет снизить на порядок величины удельное сопротивление пленки, наносимой при температуре, не превышающей температуру размягчения полимерных материалов (90110С).

4. На основе проведенных исследований создана вакуумная напылительная установка с автоматизированной системой управления, позволяющая разрабатывать технологии промышленного нанесение пленок прозрачных проводящих оксидов на подложки большой площади с однородностью не хуже ±1,5%.

Апробация результатов исследования:

Материалы работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. 4-ая международная конференция по физике плазмы и плазменным технологиям, Минск, Белоруссия, 2003 г.

2. 7-м Корейско-Российском симпозиуме по науке и технологии, Ульсан, Корея, 2003 г.

3. 7-ой международной конференции по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы, Томск, Россия, 2004 г.

4. Международной школе-конференции молодых ученых «Физика и химия наноматериалов», Томск, Россия, 2005 г.

5. II Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем», Томск, Россия, 2006 г.

6. 8-ой международной конференции по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы, Томск, Россия, 2006 г.

7. 9-ой международной конференции по модификации материалов пучками частиц и потоками плазмы, Томск, Россия, 2008 г.

На основе проведенных исследований были изготовлены и поставлены заказчикам:

1. Несбалансированные магнетронные распылительные системы в Уфимский государственный авиационный технический университет, Научно-исследовательский институт полупроводников (г. Томск), Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирский государственный университет.

2. Автоматизированная вакуумная установка для ионно-плазменного нанесения нанокомпозитных покрытий в Томский государственный университет.

Структура и краткое содержание работы Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В работе 146 страниц, включая 78 рисунков, 9 таблиц и список литературы (108 наименований).

Основное содержание работы

:

Во введении кратко обоснована актуальность работы, сформулирована цель, основные решаемые задачи и научно-практическая значимость полученных результатов.

Перечислены положения, выносимые на защиту. Дано краткое содержание работы.

В первой главе приведен обзор литературы по темам, связанным с проблемами, решаемыми в данной работе. Проанализированы основные существующие на сегодняшний день способы нанесения покрытий с помощью магнетронных распылительных систем, преимущества и недостатки этих методов с точки зрения использования их в промышленности. На основе этого анализа сделан вывод о перспективности использования таких методов нанесения покрытий как магнетронное распыление.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»