CC BY
41
УДК 621.793.1
ФОРМИРОВАНИЕ МУЛЬТИСЛОЙНЫХ СТРУКТУР ZnS/SiO2 ВЧ МАГНЕТРОННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ НА МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКЕ КАТОД-1М
АЛАЛЫКИН С.С., ЗАКИРОВА Р.М., КОБЗИЕВ В.Ф., КРЫЛОВ П.Н., ФЕДОТОВА ИВ.
Удмуртский государственный университет, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1
АННОТАЦИЯ. Представлены результаты по использованию разработанного программно-аппаратного комплекса для получения мультислойных структур 2пБ/БЮ2 с заданными толщинами слоев.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ВЧ магнетронное напыление, программно-аппаратный комплекс, мультислойные структуры 2пБ/БЮ2.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование объектов нано- и микромира является приоритетным направлением развития современной науки и техники. Среди большого разнообразия наноразмерных объектов важную роль играют моно- и мультислойные покрытия. Роль таких покрытий в нано- и микроэлектронике, нанобиотехнологии и медицине состоит в модификации поверхности, создании новых наноструктурированных микрообъектов, изменении физико-химических свойств материалов и устройств в целом [1].
Уникальные свойства квантовых точек делают их перспективным материалом для применения в самых различных областях. В частности, ведутся разработки по их использованию в светоизлучающих диодах, дисплеях [2, 3], лазерах [4 - 7], солнечных батареях [8 - 10]. Упорядоченные структуры из плазмонных наночастиц в различных прозрачных материалах представляют значительный интерес для фотоники, плазмоники, сенсорики [11]. Полупроводниковые тонкопленочные структуры являются одним из наиболее перспективных базовых элементов для газовых сенсоров и датчиков, в том числе ориентированных на работу в осложненных условиях высоких температур и агрессивных сред, содержащих экологически вредные и взрывоопасные газы [12]. Гетероструктуры на основе А3-нитридов и А2В6-оксидов потенциально способны излучать свет в широчайшей спектральной области от инфракрасного излучения до глубокого ультрафиолета. Характерной особенностью этих соединений является их высокая химическая, тепловая и радиационная устойчивость, что существенно расширяет области потенциального применения [13].
К настоящему времени большинство из исследованных многослойных структур получают различными методами напыления. Эти методы позволяют получать структуры практически любого состава. Среди этих методов следует выделить метод магнетронного напыления, характерной особенностью которого является наличие магнитного поля у распыляемой поверхности мишени, позволяющее локализовать плазму, и тем самым повысить скорость распыления. Распыленные с мишени атомы осаждаются на подложке в виде пленки.
При получении мультислойных структур актуальным становится применение автоматизированных систем управления технологическими процессами.
Целью настоящей работы является исследование возможностей применения модернизированной установки ВЧ магнетронного напыления Катод-1М для получения мультислойных структур 2пБ/8Ю2 с заданными толщинами слоев.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для получения мультислойных структур 2п8/8Ю2 в качестве подложек использовались пластины монокристаллического кремния марки КЭФ-4.5 (100), пластины плавленого кварца марки КУ-1 и сколы монокристаллов №С1. Подложки кремния и кварца очищали в концентрированном щелочном растворе №ОН, промывали дистиллированной водой. Чистоту подложки оценивали по смачиваемости поверхности водой.
Для синтеза мультислойных пленок 2п8/8Ю2 модернизировалась установка Катод-1М, предназначенная для серийного и мелкосерийного производства тонкопленочных структур. В рабочей камере данной установки расположены 5 секторных магнетронов, нагреватель и карусель с подложкодержателями. Конструкция камеры позволяет проводить ее модернизацию, устанавливать различные магнетроны и технологические модули [14]. Для возможности позиционирования подложкодержателей относительно магнетронов и нагревателя и их сканирования по заранее заданной программе был разработан программно-аппаратный комплекс, использующий микросистему управления оборудованием [15]. Контроль угла поворота осуществляется микросистемой по абсолютному энкодеру с точностью 0,5 градуса. Вращение карусели с подложками, установленными на секторные подложкодержатели, производится шаговым двигателем с номинальным шагом 1,8 градуса. Скорость движения шагового двигателя обеспечивается изменением количества импульсов за единицу времени. Функциональная структурная схема такого комплекса представлена на рис. 1.
микросистема управления оборудованием; вычислительное ядро №1; вычислительное ядро №2; персональный компьютер; пульт управления; шаговый двигатель;
драйвер управления шаговым двигателем; датчик угла (абсолютный энкодер)
Рис. 1. Функциональная схема управления каруселью Катод-1М
Для проведения цикла напыления в камере создавался предварительный вакуум
3 1
~ 3-10" Па. При напылении давление в камере соответствовало 2-10" Па. Оценка скорости роста слоев при температуре подложек 150 °С показала, что при ВЧ мощности разряда 200 Вт скорость роста пленок сульфида цинка составляет 7,8 А за один проход подложек над поверхностью магнетрона (А/скан). Скорость роста пленок оксида кремния составляет 11,25 А/скан при ВЧ мощности разряда 300 Вт. Данные режимы легли в основу получения мультислойных структур.
Были получены мультислойные структуры с толщинами слоев 8Ю2, равными 11,25 А. Толщина слоев 2п8 менялась и составляла 7,8; 15,6; 23,4; 31,2; 39,0 А. Общее число пар таких слоев подбиралось из условия получения пленок с суммарной толщиной порядка 0,4 мкм. Для этого в программе заранее задавалось число проходов подложек над поверхностью мишени сульфида цинка, число проходов над поверхностью кварцевой мишени и общее число пар слоев 2п8 и 8Ю2.
Толщина мультислойных структур определялась с помощью МИИ-4 и методом спектрофотомерии по методике, представленной в работе [16]. Экспериментально определенные таким образом толщины находились в хорошем соответствии с теоретически рассчитанными.
1 -2 -
3 -
4 -
5 -
6 -
7 -
8 -
Рентгенофазовый анализ показал, что пленки являются рентгеноаморфными. На электронограммах (рис. 2) присутствуют дифракционные кольца и гало. Полученные значения межплоскостных расстояний совпадают с табличными значениями 2пБ.
a) b) c) d) e)
Рис. 2. Изображения мультислойных структур ZnS/SiO2, полученные методом электронной микроскопии: а) - число пар слоев ZnS/SiO2 c толщиной слоя ZnS (dZnS) 7,8 Ä и толщиной слоя SiO2 (d SiO2) 11,25 Ä равно 215;
b) - число пар слоев ZnS/SiO2 - 152; dZnS - 15,6 Ä; d SiO2 - 11,25 Ä;
c) - число пар слоев ZnS/SiO2 - 118; dZnS - 23,4 Ä; d SiO2 - 11,25 Ä;
d) - число пар слоев ZnS/SiO2 - 96; dZnS - 31,2 Ä; d SiO2 - 11,25 Ä;
e) - число пар слоев ZnS/SiO2 - 81; dZnS - 39,0 Ä; d SiO2 - 11,25 Ä
По спектрам пропускания по методике работы [17] определили значение показателя преломления мультислойных структур. С ростом толщины слоев значение показателя преломления увеличивается от 1,9 до 2,15.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате работы была модернизирована установка магнетронного напыления Катод-1М. Показано, что, используя разработанный программно-аппаратный комплекс, можно в автоматическом режиме получать требуемые мультислойные пленки с заданными толщинами слоев и заданным чередованием этих слоев.
Установлено, что при температуре подложек 150 °C и ВЧ мощности разряда 200 Вт скорость роста пленок сульфида цинка составляет 7,8 Ä за один проход подложек над поверхностью магнетрона (Ä/скан), скорость роста пленок оксида кремния составляет 11,25 Ä/скан при ВЧ мощности разряда 300 Вт.
При толщине слоев SiO2, равной 11,25 Ä и толщине слоев ZnS 7,8; 15,6; 23,4; 31,2; 39,0 Ä мультислойные пленки с суммарной толщиной 0,4 мкм являются рентгеноаморфными, показатель преломления полученных структур увеличивается при увеличении толщины слоев сульфида цинка.
Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания. Проект № 2009.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горин Д. А.. Наноразмерные планарные слои, структуры ядро-оболочка, нанокомпозитные микрокапсулы и управление их физико-химическими свойствами : Автореф. дис. докт. хим. наук. Саратов, 2010.
2. 3M to challenge OLED displays with quantum dots. 07 Jun 2012. URL: http://optics.Org/news/3/6/9 (дата обращения 15.05.2015).
3. Quantum Dots Pave Way For Flexible Displays. URL: http://www.techweekeurope.co.uk/workspace/quantum-dots-pave-way-for-flexible-displays-49352 (дата обращения 17.05.2015).
4. Klimov V.I., Mikhailovsky A.A., Xu S. Optical gain and stimulated emission in nanocrystal quantum dots // Science. 2000. V. 290. № 5490. P. 314-317.
5. Dang C., Lee J., Nurmikko A., Breen C., Steckel J.S., Coe-Sullivan S. Red, green and blue lasing enabled by single-exciton gain in colloidal quantum dot films // Nature Nanotechnology. 2012. V. 7, № 5. P. 335-339.
6. Zhang M., Banerjee A., Lee C.-S., Hinckley J.M., Bhattacharya P. A InGaN/GaN quantum dot green (X = 524 nm) laser // Applied Physics Letters. 2011. V. 98, № 22. P. 221104-3.
7. Knoss R.W. Quantum Dots: research, technology and applications. New York : Nova Science Publishers, 2008. 708 р.
8. Zhao N., Osedach T.P., Arango A.C., Bulovic V. Chang L.-Y., Geyer S.M., Wanger D., Bawendi M.G., Binda M.T., Colloidal PbS quantum dot solar cells with high fill factor // ACS Nano. 2010. V. 4, № 7. P. 3743-3752.
9. Chen J., Song J.L., Sun X.W., Deng W.Q., Jiang C.Y., Lei W., Huang J.H., Liu R.S. An oleic acid-capped CdSe quantum-dot sensitized solar cell // Applied Physics Letters. 2009. V. 94, № 15. P. 153115-3.
10. Tessler N., Medvedev V., Kazes M., Kan S., Banin U. Efficient near-infrared polymer nanocrystal light-emitting diodes // Science. 2002. V. 295, № 5559. P. 1506-1508.
11. Рыбалтовский А.О., Баграташвили В.Н., Илюхин С.С., Леменовский Д.А., Минаев Н.В., Фирсов В.В., Юсупов В.И. Формирование филаментных структур из наночастиц благородных металлов в прозрачных диэлектриках под воздействием непрерывного лазерного излучения // Российские нанотехнологии. 2013. Т. 8, № 7-8. С. 110-119.
12. Романов Р.И., Зуев В.В., Фоминский В.Ю., Гнедовец А.Г., Алымов М.И. О влиянии водорода на электрофизические свойства тонкопленочной структуры Ag/WOx /W с эффектом резистивных переключений // Российские нанотехнологии. 2013. Т. 8, № 7-8. С. 22-28.
13. Шубина Т.В. Экситонные и плазмонные эффекты в неидеальных вюрцитных полупроводниковых кристаллах и наноструктурах : Автореф. дис. докт. физ.-мат. наук. СПб., 2008.
14. Ветошкин В.М., Дедюхин А. А., Крылов П.Н., Федотова И.В. Технологический модуль термического напыления к установке магнетронного распыления «КАТОД» // Вакуумная техника и технология. 2009. Т. 19, № 1. C. 33-36.
15. Алалыкин С.С., Крылов П.Н. Микросистема управления оборудованием // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 5. C. 160-161.
16. Зайцев С.В., Герасименко Ю.В., Салтыков С.Н., Ховив Д. А., Ховив А.М. Формирование ультратонких пленок Nb2O5 на подложках из кварца // Неорганические материалы. 2011. Т. 47, № 4. С. 468-472.
17. Marquez E., Ramirez-Malo J., Villares P., Jimenez-Garay R., Ewen P.J.S., Owen A.E. Calculation of the thickness and optical constants of amorphous arsenic sulphide films from their transmission spectra // Journal of Physics D: Applied Physics. 1992. V. 25, № 3. P. 535-541.
THE FORMATION BY RF MAGNETRON SPUTTERING ON THE UPGRADED SETUP THE CATHODE-1M OF MULTILAYER STRUCTURES ZnS/SiO2
Alalykin S.S., Zakirova R.M., Kobziev V.F., Krilov P.N., Fedotova I.V.
Udmurt State University, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The results of using the developed hardware-software complex for producing multilayer structures of ZnS/SiO2 with specified thicknesses of layers are presented.
KEYWORDS: RF magnetron sputtering, a hardware-software complex, multilayer structure ZnS/SiO2. Алалыкин Сергей Сергеевич, заведующий лабораторией УдГУ, e-mail: [email protected] Закирова РаушанияМазитовна, ведущий инженер УдГУ, e-mail: [email protected] Кобзиев Владимир Федорович, ведущий технолог УдГУ
Крылов Пётр Николаевич, кандидат физико-математических наук, доцент УдГУ
Федотова Ирина Витальевна, кандидат физико-математических наук, доцент УдГУ, e-mail: irr. 08@,mail. ru
