Научная статья на тему 'Контроль реактивного осаждения Ito покрытия по эмиссионному спектру плазмы магнетронного разряда'

Контроль реактивного осаждения Ito покрытия по эмиссионному спектру плазмы магнетронного разряда Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
226
60
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПЛАНАРНЫЙ МАГНЕТРОН / PLANAR MAGNETRON / РЕАКТИВНОЕ ОСАЖДЕНИЕ / REACTIVE DEPOSITION / ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ / OPTICAL CONTROL / ЭМИССИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ / EMISSION SPECTROSCOPY / ITO ПОКРЫТИЕ / ITO COATING

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Хохлов Ю.А., Богатов В.А., Крынин А.Г., Попков О.В.

Исследовано влияние технологических параметров на состав плазмы магнетронного разряда в процессе реактивного осаждения покрытия оксида индия, легированного оловом (ITO). Опробован метод стабилизации технологических параметров, основанный на управлении расходом кислорода с использованием оптического контроля интенсивностей линий индия и кислорода в эмиссионном спектре плазмы магнетронного разряда.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Хохлов Ю.А., Богатов В.А., Крынин А.Г., Попков О.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Control of reactive deposition of ITO coating on the emission spectrum of the plasma magnetron discharge

The effect of process parameters on the magnetron plasma composition during reactive deposition of the ITO coating has been studied. A method for stabilization of the process parameters based on controlling the oxygen flow involving the monitoring of the indium and oxygen emission spectra lines intensities is proposed.

Текст научной работы на тему «Контроль реактивного осаждения Ito покрытия по эмиссионному спектру плазмы магнетронного разряда»

УДК 542.42:629.7.023

Ю.А. Хохлов1, В.А. Богатов1, А.Г. Крынин1, О.В. Попков1

КОНТРОЛЬ РЕАКТИВНОГО ОСАЖДЕНИЯ ITO ПОКРЫТИЯ ПО ЭМИССИОННОМУ СПЕКТРУ ПЛАЗМЫ МАГНЕТРОННОГО РАЗРЯДА

doi: 10.18577/2071 -9140-2015-0-4-67-71

Исследовано влияние технологических параметров на состав плазмы магнетронного разряда в процессе реактивного осаждения покрытия оксида индия, легированного оловом (ITO). Опробован метод стабилизации технологических параметров, основанный на управлении расходом кислорода с использованием оптического контроля интенсивностей линий индия и кислорода в эмиссионном спектре плазмы магнетронного разряда.

Ключевые слова: планарный магнетрон, реактивное осаждение, оптический контроль, эмиссионная спектроскопия, ITO покрытие.

The effect ofprocess parameters on the magnetron plasma composition during reactive deposition of the ITO coating has been studied. A method for stabilization of the process parameters based on controlling the oxygen flow involving the monitoring of the indium and oxygen emission spectra lines intensities is proposed.

Keywords: planar magnetron, reactive deposition, optical control, emission spectroscopy, ITO coating.

"'Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации

[Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: admin@viam.ru

Введение

Реактивное магнетронное осаждение покрытий [1-6] открывает широкие перспективы для получения многофункциональных покрытий химических соединений металлов на разных подложках, включая полимерные. Это связано с возможностью управления стехиометрическим составом и свойствами покрытия. Полимеры с многофункциональными покрытиями, в свою очередь, находят применение в композиционных материалах для таких отраслей науки и техники, как микроэлектроника, энергетика, авиация и др. [7-13]. Например, в специальных полимерных материалах остекления, устройствах индикации, солнечной энергетике широко применяются полимерные пленки с многофункциональными покрытиями [14-16].

Основной проблемой реактивного магнетронного осаждения является отсутствие воспроизводимости состава покрытий. Данная проблема стимулировала интерес к изучению причин такой нестабильности и разработке методов стабилизации реактивного магнетронного осаждения [17-20]. Одним из вариантов стабилизации процесса реактивного осаждения покрытий является управляемое изменение расхода реактивного газа. В работах [21-24] к наиболее эффективным методам управления реактивным магнетронным осаждением покрытий относят методы, основанные на оптической эмиссионной спектроскопии. Причем, как следует из результатов этих работ, положительный эффект достигается при использова-

нии в качестве регистратора эмиссионного спектра плазмы недорогих спектрометров с разрешением по длине волны ~1 нм.

В данной работе исследовалось влияние технологических факторов на состав плазмы в процессе реактивного магнетронного осаждения покрытия на основе оксида индия, легированного оловом (!ТО). Опробован метод стабилизации, основанный на регулировании расхода кислорода с использованием в качестве контрольного параметра величины отношения интенсивностей линий индия и кислорода в эмиссионном спектре плазмы магнетронного разряда.

Материалы и методы

Исследования проводили с помощью вакуумной установки ВУ-1, оснащенной источником ионов для очистки подложки и планарным магнетроном, расположенными на боковой поверхности вакуумной камеры. Распыляемая мишень магнетрона изготовлена из сплава следующего состава: 90% (по массе) индия+10% (по массе) олова. В качестве подложки использовалась полиэтиленте-рефталатная (ПЭТФ) пленка. Подложка закреплялась на вертикальном цилиндрическом барабане высотой 450 мм и 0500 мм, ось вращения которого совпадала с осью симметрии вакуумной камеры. Рабочие газы - аргон и кислород - подавали в вакуумную камеру с помощью двухканального регулятора расхода газа.

Эмиссионные спектры плазмы магнетронного разряда регистрировали с помощью спектрометра

FSD-9 (разрешение по длине волны 1,5 нм). Эмиссионные спектры плазмы разряда магнетрона в реальном времени отображались на экране компьютера с помощью программного обеспечения, прилагаемого к спектрометру, которое позволяло сохранять спектры на жестком диске компьютера для дальнейшего анализа, а также регистрировать отношение интенсивностей для двух пар, выбранных для контроля линий эмиссионного спектра как функции от времени в процессе осаждения покрытия.

Образцы ПЭТФ пленки с 1ТО покрытием изготавливали следующим образом. ПЭТФ пленку закрепляли на устройстве перемещения подложек и откачивали рабочую камеру до давления не более 3 • 10-3 Па. Между мишенью магнетрона и подложкой устанавливали заслонку и проводили предварительную очистку поверхности мишени магнетронным разрядом в среде аргона в течение 1-2 мин. Затем проводили плазмохимическую подготовку поверхности ПЭТФ пленки [25]. После подготовки поверхности подложки включали подачу в вакуумный объем рабочих газов - аргона и кислорода. На мишень магнетрона подавали отрицательный потенциал от стабилизированного по току источника питания. Выставляли величину тока, обеспечивающую заданное значение отношения интенсивностей контрольных эмиссионных линий индия и кислорода I ш //0 убирали заслонку и осаждали прозрачное электропроводящее 1ТО покрытие на ПЭТФ пленку. Для стабилизации процесса реактивного магнетронного осаждения 1ТО покрытия использовали регулирование расхода кислорода в соответствии с отклонением величины отношения интенсивностей контрольных эмиссионных линий индия и кислорода Iь / 10 в процессе осаждения покрытия. При изменении величины отношения интенсивностей линий I ы / /0 на регулятор расхода кислорода подавался сигнал, рассчитанный по пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) алгоритму, для поддержания заданного значения IЬ / 102 .

У полученных в разных технологических циклах образцов ПЭТФ пленки с ГГО покрытиями определяли оптические и электрические свойства. Интегральный коэффициент пропускания образцов ПЭТФ пленки с ГТО покрытиями в видимой области спектра определяли с помощью спектрофотометра СФ-2000 в соответствии с руководством по использованию прибора.

Толщину покрытия определяли оптическим методом по спектральным зависимостям коэффициентов пропускания и отражения поверхности подложки с покрытием [26], которые получали путем расчетного исключения вклада, который вносит вторая поверхность подложки в экспериментально измеренные значения коэффициентов отражения и пропускания. Необходимые для расчетов значения оптических констант ПЭТФ пленки брали из работы [27].

Поверхностное сопротивление образцов покрытия (RS) определяли методом «квадрата» [28].

Результаты

Для проведения необходимых исследований предварительно экспериментальным путем выбрали режим осаждения ITO покрытия, обеспечивающий максимальные значения интегрального коэффициента пропускания видимого света и электропроводности: расход аргона 0^=40 см3/мин, расход кислорода GO2 = 3 0 см3 / мин, ток разряда /р=2 А (стабилизированный с точностью 1%). Указанным параметрам соответствовали напряжение разряда магнетрона ир=412 В и давление в рабочей камере в процессе осаждения покрытия P=0,23 Па.

Идентификацию эмиссионных линий спектра плазмы магнетронного разряда проводили с использованием базы данных «Atomic Spectra Database» Национального института стандартов и технологий (NIST, U.S. Department of Commerce) [29].

На рис. 1 приведен эмиссионный спектр плазмы маг-нетронного разряда, полученный в процессе реактивного осаждения ITO покрытия (кривая 1). Время накопления сигнала спектрометром FSD-9 составляло 0,5 с.

Анализ полученного спектра позволил выбрать эмиссионную линию атомарного индия IIn (длина волны Х=410,3 нм), подходящую для контроля состава плазмы. Кривая 2 (см. рис. 1) получена при уменьшенном значении тока разряда 1р=1,8 А. Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что интенсивность линии индия IIn (Х=410,3 нм) имеет высокую чувствительность к изменению параметров разряда. Уменьшение мощности разряда на 15% приводит к уменьшению интенсивности линии эмиссионного спектра IIn (А=410,3 нм) на 50%.

В работах [19-21] для контроля процессов осаждения оксидов титана и тантала рекомендуется эмиссионная линия кислорода I O с длиной волны Х=777,3 нм. В данном рассматриваемом случае -при имеющемся разрешении спектрометра и выбранном времени накопления сигнала - эта линия сливается с сильными линиями ионов индия IIn (при длине волны 768,5; 774,3; 777,8 нм) и не может быть использована в качестве контрольной линии.

На рис. 2 приведены эмиссионные спектры плазмы магнетронного разряда, полученные с временем накопления сигнала, равным 0,1 с, для разных значений расхода кислорода. Анализ полученных спектров показал, что уменьшение времени накопления сигнала не позволяет выделить линию кислорода I O (Х=777,3 нм). В то же время на рис. 2 (кривые 1 и 2) отчетливо видно, что при увеличении расхода кислорода на 17% интенсивность линии кислорода I 0 (Х=557,9 нм) увеличивается в 2 раза, а интенси2 вность линии индия IIn (Х=410,3 нм) уменьшается в 2 раза. Это связано с эффектом «отравления» мишени магнетрона [15, 16, 18], который приводит к уменьшению коэффици-

Рис. 1. Эмиссионный спектр плазмы разряда магнетрона с мишенью из сплава состава 90% (по массе) индия+10% (по массе) олова при разной мощности разряда. Расход аргона 40 см3/мин, расход кислорода 30 см3/мин, рабочее давление 0,23 Па, время накопления сигнала спектрометром 0,5 с:

1 - напряжение разряда 412 В, ток разряда 2 А; 2 - напряжение разряда 400 В, ток разряда 1,8 А

4 104

3,5 104

3 3-Ю4

-

1- о 2,5-Ю4

£ о 2-104

X

S 15-Ю3

-

т 103

S

5 ■ 103

1 -Л

Г 2 \

• \ \ \

я т 1 Л Л л J 1 ,...

0

400 440 480 520 560 600 640 680 720 760 800 840 880 920 Длина волны, нм

Рис. 2. Эмиссионный спектр плазмы разряда магнетрона с мишенью из сплава состава 90% (по массе) индия+10% (по массе) олова при разном расходе кислорода. Расход аргона 40 см3/мин, рабочее давление 0,23 Па, время накопления сигнала спектрометром 0,1 с:

1 - напряжение разряда 412 В, ток разряда 2 А, расход кислорода 30 см3/мин; 2 - напряжение разряда 400 В, ток разряда 2 А, расход кислорода 35 см3/мин

Рис. 3. Временная зависимость отношения максимумов интенсивностей контрольных линий индия и кислорода при ручном (1) и автоматическом (2) регулировании расхода кислорода

Характеристики разряда и свойства 1ТО покрытий (расход аргона GAf=40 см3/мин, расход кислорода = 30 см3/мин, ток разряда 7р=2 А, время осаждения покрытия 200 с)

Стабилизация разряда расходом кислорода Диапазон изменения разрядного напряжения, В Диапазон изменения рабочего давления, Па Толщина покрытия, нм Коэффициент пропускания, % Поверхностное сопротивление, Ом/^

Ручная 406-414 0,230-0,234 50-65 76-82 150-200

Автоматическая 409-413 0,231-0,233 65-70 81-82 90-120

ента распыления и, соответственно, к уменьшению концентрации распыленных атомов индия. Таким образом, эмиссионные линии индия и кислорода с длиной волны 410,3 и 557,9 нм могут быть использованы для контроля и поддержания постоянным состава плазмы при реактивном маг-нетронном осаждении ГТО покрытия.

В данной работе отношение максимумов интен-сивностей этих эмиссионных линий выбрано в качестве контрольного параметра для стабилизации низкотемпературного реактивного магнетронного осаждения ГТО покрытия на ПЭТФ пленку.

С целью определения эффективности оптического контроля реактивного магнетронного осаждения по эмиссионному спектру плазмы изготовили образцы ГТО покрытий на ПЭТФ пленке с использованием как ручного, так и автоматического регулирования расхода кислорода, исследовали их оптические и электрические свойства.

На рис. 3 приведены характерные временные зависимости величины отношения максимумов интенсивностей контрольных линий индия и кислорода I ь / ^ в процессе осаждения ГТО покрытия на ПЭТФ пленку (время накопления сигнала спектрометра составляет 0,5 с). Автоматическое регулирование расхода кислорода обеспечило поддержание величины I ы / I 0 на уровне 2±0,3, в то время как при ручном регулировании эту величину удавалось поддерживать на уровне 2^0' 4 . Повышение точности поддержания величины I м / I 0 позволило повысить стабильность состава плазмы в процессе реактивного осаждения и свойств осажденных ГТО покрытий.

В таблице приведены диапазоны изменения разрядного напряжения и рабочего давления в процессе реактивного магнетронного осаждения, а также свойства образцов ГТО покрытий, полученных при стабилизации отношения максимумов интенсивностей контрольных линий индия и кислорода путем ручного и автоматического управления расходом кислорода.

Проведенные исследования показали, что автоматическое регулирование расхода кислорода с использованием оптического контроля по эмиссионному спектру плазмы магнетронного разряда позволяет повысить стабильность технологических параметров и состава плазмы в процессе реактивного магнетронного осаждения, а также оптических и электрических свойств получаемых ГТО покрытий.

Заключение

В результате проведенных исследований подтверждена возможность применения спектрометров с низкой разрешающей способностью (~1 нм) для стабилизации процесса низкотемпературного реактивного магнетронного осаждения ГТО покрытия на ПЭТФ пленку с использованием оптического контроля по эмиссионным спектрам плазмы. Показано, что автоматическое управление расходом кислорода с контролем эмиссионного спектра плазмы магнетронного разряда позволяет стабилизировать состав плазмы в процессе реактивного осаждения и свойства получаемых на ПЭТФ пленке ГТО покрытий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные си-

стемы. Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. К.: Аверс. 2008. 244 с.

2. Комлев А.Е., Шаповалов В.И., Шутова Н.С. Магне-

тронный разряд в среде аргона и кислорода при осаждении пленки оксида титана //ЖТФ. 2012. Т. 82. №7. С. 134-136.

3. Хохлов Ю.А., Крынин А.Г., Богатов В.А., Кисля-

ков П.П. Оптические константы тонких пленок оксида индия, легированного оловом, осажденных на полиэтилентерефталатную пленку методом реактивного магнетронного распыления (ближняя ин-

фракрасная область спектра) //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 24-28.

4. Богатов В.А., Кондрашов С.В., Хохлов Ю.А. Получе-

ние градиентного покрытия оксинитрида алюминия методом реактивного магнетронного распыления //Авиационные материалы и технологии. 2010. №3. С. 19-21.

5. Kurdesau F., Khripunov G., da Cunha A.F. et al. Com-

parative study of ITO layers deposited by DC and RF magnetron sputtering at room temperature //Journal of Non-Crystalline Solids. 2006. V. 352. №19-20. P. 1466-1470.

6. Mientus R., Ellmer K. Reactive magnetron sputtering of tin-doped indium oxide (ITO): influence of argon pressure and plasma excitation mode //Surface and Coatings Technology. 2001. V. 142-144. P. 748-754.

7. Каблов E.H. Mатериалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.

8. Каблов E.H. Шестой технологический уклад //Шука

и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.

9. Каблов E.H. Авиационное материаловедение в XXI веке. Перспективы и задачи /В кн. Авиационные материалы. Избранные труды 1932-2002. M.: MИСиС-ВИАM. 2002. С. 23-47.

10. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИЛЫ» ГИЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.

11. Каблов E.H. Авиакосмическое материаловедение //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2-14.

12. Хохлов Ю.А., Крынин А.Г., Кисляков П.П., Юрков Г.Ю. Проектирование стеклопакетов, экранирующих радиочастотное излучение //Жилищное строительство. 2013. №12. С. 34-36.

13. Кисляков П.П., Хохлов Ю.А., Крынин А.Г., Кондра-шов С.В. Получение и применение полимерной пленки с прозрачным электропроводящим покрытием на основе оксида индия, легированного оловом //Труды ВИАM. 2013. №11. Ст. 06 (viam-works.ru).

14. Крынин А.Г., Хохлов Ю.А., Богатов В.А., Кисляков П.П. Прозрачные интерференционные покрытия для функциональных материалов остекления //Труды ВИАM. 2013. №11. Ст. 05 (viam-works.ru).

15. Богатов В.А., Кондрашов С.В., Хохлов Ю.А. Mrn-гофункциональные оптические покрытия и материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 343-348.

16. Богатов В.А., Хохлов Ю.А. Mногофункциональные оптические покрытия, получаемые методами плазменной технологии, и способы контроля их оптико-физических характеристик /В сб. Авиационные материалы и технологии. Вып. «Mетоды испытаний и контроля качества металлических и неметаллических материалов». M.: ВИАM. 2001. С. 93-99.

17. Mарченко В.А. Процессы на поверхности мишени при реактивном распылении V в Ar-O2 средах //Известия РАК Серия физическая. 2009. Т. 73. №7. С. 920-923.

18. Хохлов Ю.А., Богатов В.А., Березин Н.М. Стабилизация реактивного магнетронного осаждения магнитным полем //Физика и химия обработки материалов. 2012. №5. С. 46-50.

19. Хохлов Ю.А., Богатов В.А, Крынин А.Г. Влияние распределения магнитного поля на свойства 1ТО покрытия, получаемого на полимерной пленке методом реактивного магнетронного осаждения //Труды ВИАМ. 2014. №12. Ст. 11 (viam-works.ru).

20. Хохлов Ю.А., Березин Н.М., Богатов В.А, Кры-нин А.Г. Реактивное магнетронное осаждение оксида индия, легированного оловом, с контролем рабочего давления //Авиационные материалы и технологии. 2015 (в печати).

21. Комлев А.Е., Пастушенко Ю.И., Шаповалов В.И. Диагностика плазмы при распылении танталовой мишени //Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2010. №7. С. 14-20.

22. Бурмаков А.П., Кулешов В.Н. Управляемое магне-тронное осаждение пленок оксида тантала с элек-третными свойствами //Вестник БГУ. Сер. 1. 2010. №1. С. 45-48.

23. Бурмаков А.П., Кулешов В.Н. Оптическое управление реактивным магнетронным осаждением пленочных покрытий /В сб. материалов IX Международной конф. «Взаимодействие излучений с твердым телом». Минск. 2011. С. 404-406.

24. Гончаров А.А., Евсюков А.Н., Костин Е.Г. и др. Синтез нанокристаллических пленок диоксида титана в цилиндрическом газовом разряде магнетрон-ного типа и их оптическая характеризация //ЖТФ. 2010. Т. 80. №8. С. 127-135.

25. Богатов В.А., Хохлов Ю.А., Сытый Ю.В., Жадова Н.С. Влияние обработки в разряде с замкнутым дрейфом электронов на адгезионные свойства и прочность клеевых соединений полимеров //Клеи. Герметики. Технологии. 2011. №9. С. 27-31.

26. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Л.: Машиностроение. 1973. 224 с.

27. Крынин А.Г., Хохлов Ю.А. Оптические характеристики термостабилизированной полиэтилентерефта-латной пленки, используемой для функциональных материалов остекления //Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 31-34.

28. Технология тонких пленок /Под ред. Л. Майссела, Р. Гленга. М.: Советское радио. 1977. С. 305-344.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

29. http://www.nist.gov/pml/data/asd.cfm.

Z1

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.