WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Далее рассмотрены конструкции наиболее перспективных технологических устройств, применяемых в указанных методах. Приведен обзор литературных источников, посвященных свойствам ТСО пленок, напыляемых с помощью МРС, с высокой прозрачностью в видимом диапазоне и низким удельным сопротивлением. Из проведенного обзора магнетронных распылительных систем и свойств напыляемых пленок следует, что наиболее перспективными для масштабирования, являются МРС с использованием несбалансированного магнетрона и импульсной биполярной системой питания. Использование этих методов позволит увеличить ионную бомбардировку растущего покрытия, что благотворно скажется на характеристиках ТСО пленок.

Сделаны выводы о перспективности использования импульсного несбалансированного магнетронного распыления для нанесения прозрачных проводящих покрытий на основе оксида цинка, а также о необходимости исследования механизма роста и свойств таких пленок.

В завершении рассмотрены основные типы вакуумных технологических установок для ионно-плазменного нанесения покрытий в промышленных масштабах.

В качестве итога Главы 1 выделяются основные направления исследований и конкретизируются поставленные задачи.

Во второй главе описаны экспериментальное оборудование и методики экспериментов. Представлена конструкция разработанной планарной магнетронной распылительной системы с электромагнитной катушкой для нанесения покрытий, характеристики и электрические схемы источников питания, генераторов напряжения смещения, подаваемого на подложку.

Экспериментальная установка для вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий включает в себя:

- протяженный цилиндрический магнетрон с вращающимся катодом и длиной рабочей зоны 400 мм;

- магнетронную распылительную систему с электромагнитной катушкой и диаметром мишени 100 мм;

- импульсный униполярный источник питания магнетрона мощностью 5 кВт;

- биполярный источник питания магнетрона мощностью 2 кВт и частотой 25 кГц.

В Главе 2 также кратко описано использовавшееся стандартное измерительное и аналитическое оборудование. Описаны методики измерений параметров разрядов и плазмы, а также свойств покрытий.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований магнетронной Iс = -1 А Iс = 1 А распылительной системы, позволяющей (а) реализовывать различные конфигурации (б) магнитного поля над поверхностью катода.

На рис. 1 представлены рассчитанные картины магнитного поля над поверхностью катода. Известно, что для генерации ионов в области подложки наиболее подходит 2-й тип несбалансированной конфигурации магнитного поля (Рис. 1.б). Она реализуется Рис. 1. Конфигурации магнитного поля над в том случае, когда магнитное поле поверхностью катода в зависимости от соленоида совпадает по направлению с направления тока Iс в электромагнитной катушке.

магнитным полем, создаваемым внешними а – несбалансированный магнетрон (тип 1);

магнитами магнетрона (Iс = 1 А). б – сильно несбалансированный магнетрон (тип 2).

В дополнение к расчетам магнитного поля были проведены непосредственные его измерения при различных токах в электромагнитной катушке. Результаты измерений приведены на рис. 2. При Iс = 1 А тангенциальная составляющая магнитного поля над поверхностью катода минимальна (550 Гс) и минимален радиус зоны распыления. Это объясняется тем, что в сильно несбалансированном режиме (тип 2) магнитная ловушка над поверхностью катода поджимается несбалансированными линиями магнитного поля к его центру.

В целях изучения процесса формирования и переноса носителей заряда в магнетронном разряде с несбалансированной конфигурацией магнитного поля были проведены зондовые измерения характеристик плазмы и энергии ионов в области, простирающейся от магнитной ловушки у поверхности катода до подложки.

Результаты измерения плотности ионного тока насыщения на зонд, на расстоянии L = 150 мм от катода, при разных токах в электромагнитной катушке приведены на рис. 3.

Мощность разряда поддерживалась постоянной и составляла 0.6 кВт. Увеличение тока в электромагнитной катушке сопровождается значительным увеличением плотности ионного тока, наиболее выраженным на оси системы. Это объясняется увеличением степени несбалансированности магнитного поля, силовые линии которого, направляясь в сторону подложки, ограничивают поперечную подвижность электронов и заставляют их двигаться по оси системы. При этом электроны перемещаются совместно с ионами из-за необходимости поддержания электронейтральности плазмы. Визуально, увеличение тока в соленоиде сопровождается уменьшением радиуса светящейся области на катоде и появлением на оси системы потока плазмы, направленного на подложку.

Большое значение для получения качественных прозрачных проводящих пленок на различных подложках имеет энергия и распределение энергии ионов в магнетронном разряде. Для проведения экспериментов по измерению энергетических параметров разряда была выбрана мишень из титана, поскольку она дешевле и технологичнее в изготовлении, чем мишень из керамики (ZnO: Al или ZnO: Ga), а физическую картину не искажает.

На рис. 4 представлены распределения ионов аргона и титана по энергии при различных токах в электромагнитной катушке (0.2 - 0.6 А). Энергетические распределения ионов в магнетронном имеют максимум, соответствующий термализованным частицам с энергиями до 5 эВ, ионизованным при потенциале плазмы, и высокоэнергетический хвост с энергиями до 20-30 эВ. Видно, что при увеличении степени несбалансированности 800 Ic = -1A Ic = -1A Ic = Ic = Ic = 1A Ic = 1A --(а) (б) --0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 R, мм R, мм Рис. 2. Распределения тангенциальной (а) и нормальной (б) компоненты магнитного поля в радиальном R (а) направлении (над поверхностью катода) и аксиальном L (б) направлении (в центре магнетрона) при разных токах электромагнитной катушки.

t t B, Гс B, Гс примерно в 2 раза увеличивается 3,интенсивность пика ионов аргона с энергиями до 5 эВ и уменьшаются 2,высокоэнергетичные хвосты ионов с энергиями от 5 эВ до 30 эВ. Это 2,объясняется тем, что увеличение тока катушки уменьшает магнитное поле 1,вблизи катода. Это приводит к менее эффективной ионизации атомов 1,рабочего газа и атомов распыляемого металла в области мишени. Поэтому 0,уменьшается доля -60 -40 -20 0 20 40 высокоэнергетичных ионов, R, мм образовавшихся в этой области и достигших подложки. Следует Рис. 3. Радиальные распределения плотности ионного тока на расстоянии 150 мм от катода при различных отметить, что высокоэнергетичная токах соленоида (мощность разряда 0.6 кВт).

бомбардировка растущей пленки 1 - Iс = 0 А, 2 - Iс = 0,5 А, 3 - Iс = 1 А.

приводит к увеличению удельного сопротивления ТСО покрытий, тогда как низкоэнергетичная бомбардировка позволяет улучшить их свойства за счет увеличения подвижности атомов распыляемого материала по поверхности подложки и улучшения кристалличности покрытия.

В четвертой главе описываются результаты экспериментов по нанесению прозрачных проводящих покрытий на основе легированного оксида цинка методом магнетронного распыления. Основное внимание уделено изучению зависимости свойств получаемых пленок от параметров процесса осаждения и поиску наиболее оптимальных режимов нанесения ТСО пленок.

Глава 4 делится на две части, в которых описываются и обсуждаются эксперименты:

а) по нанесению пленок легированного алюминием оксида цинка методом реактивного магнетронного распыления Zn:Al мишени; б) по нанесению пленок легированного галлием оксида цинка с использованием несбалансированной магнетронной распылительной системы.

Задача получения покрытий с высокой проводимостью при низких температурах подложки (до 100 – 110 C) и без последующей операции отжига является актуальной, 5x(а) (б) 4x1 3x2x1x0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 Ei, эВ Ei, эВ Рис. 4. Энергетические спектры ионов аргона (а) и титана (б) при различных токах в электромагнитной катушке (PAr = 0.08 Па, мощность разряда – 0.5 кВт). 1 - Iс = 0 А, 2 - Iс = 0.2 А, 3 - Iс = 0.4 А, 4 - Iс = 0.6 А.

i J, мА/см I, имп/сек I, имп/сек например, при изготовлении многослойных покрытий солнечных батарей (так как при низкой температуре замедляются процессы взаимной диффузии слоев, что снижает эффективность работы батарей) или при напылении проводящих покрытий на полимерные подложки при температурах, не превышающих температуру размягчения материала.

Таким образом, целью работы, описанной в первом разделе, была отработка методики получения и исследование характеристик прозрачных, проводящих и обладающих высоким отражением в ИК-диапазоне пленок легированного алюминием оксида цинка, наносимых при низкой температуре подложки. Осаждение пленок осуществлялось методом реактивного магнетронного распыления мишени из сплава Zn с добавлением 2 вес.% Al. В экспериментах использовался протяженный цилиндрический магнетрон. Подача напряжения осуществлялась от источника питания постоянного тока и импульсного биполярного источника.

Одним из основных требований к низкоэмиссионным покрытиям является их высокое (>80%) отражение в инфракрасном диапазоне, что возможно при низком удельном сопротивлении. На рис. представлены зависимости концентрации N и холловской подвижности носителей зарядов от расхода кислорода при получении пленок TCO в трех режимах распыления на постоянном токе при температурах подложки 110 С.

Рис. 5. Зависимость холловской подвижности и концентрации В первом режиме постоянной носителей зарядов от расхода кислорода. 1 – P=1,9 кВт, L=10 см;

являлась мощность разряда, а 2 – U=360 В, L=5 см; 3 – U=460 В, L=10 см.

напряжение разряда при изменении расхода кислорода менялось от 450 до 475 В. Во втором и третьем режимах постоянным поддерживалось напряжение разряда, а его мощность зависела от расхода кислорода и менялась в интервале 0,55 – 0,75 кВт и 1,6 – 3,1 кВт, соответственно. Видно, что все режимы характеризовались узким диапазоном расхода кислорода (5-см3/мин), при котором достигаются высокие значения N и, а следовательно, и низкие значения удельного сопротивления пленки. Наименьшим значением =4,4·10–4 Ом·см обладали пленки ZnO:Al, полученные во втором режиме напыления при напряжении разряда 360 В и расстоянии мишени от подложки L=5 см. Скорость роста пленки в этом случае составляла 110 нм/мин, прозрачность пленок толщиной 1 мкм в видимом диапазоне достигала 75 %, а отражение в ИК диапазоне 83 – 85 %.

Использование импульсного биполярного источника питания магнетронов позволяет также существенно изменять характеристики наносимых покрытий и предупреждать дугообразование на поверхности катода. На рис. 6 представлены данные по распределению удельного сопротивления и коэффициента отражения в ИК-диапазоне покрытия, полученного с использованием постоянного питания и импульсного биполярного питания. Положение ±3см соответствует центру эрозионной канавки. Как видно из рисунка, удельное сопротивление и коэффициент отражения имеют крайне неоднородный характер распределения при использовании постоянного питания.

Причиной неоднородности является усиленная бомбардировка областей подложки, расположенных напротив зоны распыления мишени, высокоэнергетическими атомами и ионами кислорода, что приводит к увеличению удельного сопротивления пленки за счет уменьшения подвижности и концентрации носителей заряда.

Однако, использование импульсного биполярного питания магнетрона позволяет улучшить однородность распределения электрофизических параметров пленок за счет Рис. 6. Распределение удельного сопротивления и устранения влияния зоны эрозии коэффициента отражения в ИК-диапазоне на мишени и уменьшить удельное поверхности подложки для пленок, полученных с сопротивление наносимой пленки по использованием биполярного источника питания (1) и источника питания постоянного тока (2).

сравнению с распылением на постоянном токе с 6·10–3 Ом·см до 8·10–4 Ом·см в области подложки, соответствующей проекции зоны эрозии мишени.

На рис. 7 представлены АСМизображения пленок ZnO:Al, полученных в разных частях подложки с использованием постоянного и импульсного биполярного источника питания магнетрона. Как видно, в случае импульсного источника питания однородность структуры покрытия выше. Среднеквадратичная шероховатость поверхности покрытий, полученных магнетронным распылением на постоянном токе, достигала 25 нм, тогда как в случае использования импульсного источника питания шероховатость значительно меньше Рис. 7. АСМ-изображения поверхности пленок, и составляет около 7 нм. Увеличение полученных с использованием источника питания шероховатости в областях подложки, постоянного тока (слева) и импульсного биполярного соответствующих проекции зоны источника (справа): а – центр подложки; б – область распыления мишени, наблюдается в проекции зоны эрозии; в – периферийная зона подложки.

обоих случаях.

Улучшение однородности и структуры покрытия в случае биполярного питания магнетрона связано с энергетическим воздействием на растущую пленку. Модуляция рабочего напряжения вызывает изменение параметров плазмы магнетронного разряда.

Импульсное биполярное питание увеличивает концентрацию плазмы и температуру электронов в области подложки, при этом поток ускоренных частиц, бомбардирующих подложку, возрастает, и, тем самым, создаются условия для получения качественных проводящих пленок ZnO:Al при низких температурах подложки.

Низкоэнергетичная бомбардировка растущей пленки частицами с энергией E < eV позволяет улучшить свойства покрытия за счет увеличения подвижности атомов распыляемого материала по поверхности подложки и улучшения кристалличности покрытия. Для достижения оптимальной структуры и свойств покрытий важно регулировать плотность ионного тока на подложку Ji и энергию бомбардирующих ионов Ei. Эта задача может быть решена с помощью магнетронных распылительных систем, оснащенных электромагнитными катушками, позволяющими управлять величиной и конфигурацией магнитного поля вблизи подложки.

Целью экспериментов, описанных во втором разделе, являлось получение прозрачных проводящих пленок легированного галлием оксида цинка при помощи магнетронной распылительной системы с регулируемой степенью несбалансированности.

Проведено исследование влияния магнитного поля, создаваемого внешней электромагнитной катушкой магнетрона на электрофизические, оптические и структурные свойства, а также однородность получаемых покрытий.

Pages:     | 1 || 3 |






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