CC BY
38
УДК 629.7.023.222
Ю.А. Хохлов1, В.А. Богатое1, Н.М. Березин1, А.Г. Крынин1
РЕАКТИВНОЕ МАГНЕТРОННОЕ ОСАЖДЕНИЕ ITO ПОКРЫТИЯ НА ПОЛИМЕРНУЮ ПЛЕНКУ С ПРИМЕНЕНИЕМ СЕКЦИОНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ НАПУСКА ГАЗОВ
Исследовано распределение толщины и свойств (коэффициент пропускания, поверхностное сопротивление) ITO покрытия, полученного методом реактивного магнетрон-ного осаждения на поверхность полимерной пленки, с использованием секционированной подачи реактивного газа.
Показана возможность увеличения зоны равномерности толщины и свойств покрытия путем оптимизации расхода кислорода через разные секции системы подачи газа.
Ключевые слова: реактивное осаждение, планарный магнетрон, ITO покрытие.
The distribution of thickness and properties (transmission coefficient, surface resistance) of an ITO coating fabricated by the reactive magnetron deposition on a polymer film using a sec-tionalized reactive gas feed system was investigated. It was shown that the uniformity of coating thickness and properties can be enhanced by optimizing the oxygen flow rate through different sections of the gas feed system.
Keywords: reactive deposition, planar magnetron, ITO coating.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) играют важную роль в современной авиационной технике [1-6]. Особенный интерес представляют функциональные ПКМ, в частности полимерные материалы с прозрачными электропроводящими покрытиями для приборных панелей, экранирующего, электрообогреваемого и других специальных видов остекления [7-10].
Перспективным методом низкотемпературного получения керамических функциональных оптических покрытий на полимерных материалах является реактивное магнетронное осаждение [11-16], которое обладает существенными преимуществами по сравнению с высокочастотным распылением, такими как низкая энергоемкость процесса, высокая скорость распыления, низкая цена металлических мишеней.
К недостаткам реактивного магнетронного осаждения относят эффект «отравления» металлической мишени [17-19], который проявляется в образовании на ее поверхности неоднородного по толщине оксидного диэлектрического слоя. В работе [20] показано, что при реактивном осаждении керамического покрытия эффект «отравления» мишени увеличивает неравномерность толщины покрытия на протяженной подложке (по сравнению с осаждением металлического покрытия). В работе даны рекомендации по изготовлению магнитной системы планарного магнетрона и отмечено, что одной из причин неравномерности толщины покрытия может быть неоднородность концентрации реактивного газа в зоне магнетронного разряда.
Цель данной работы состояла в исследовании возможности использования секционированной подачи реактивного газа для повышения равномерности толщины и физических свойств (коэффициента пропускания, удельного сопротивления) ITO по-
крытия, получаемого методом реактивного магнетронного осаждения на полимерной подложке большой площади (характерный размер -600 мм).
Материалы и методы
Исследования проводили с помощью вакуумной установки УНИП-900П, схема которой приведена в работе [20]. Установка оснащена четырехканальным регулятором расхода газа (один канал для напуска аргона и три канала для напуска кислорода), несбалансированным планарным магнетроном с мишенью из сплава состава, в % (по массе): 90 индия+10 олова, протяженностью 730 мм, и источником ионов холловского типа для подготовки поверхности подложки. Распределение магнитного поля над поверхностью мишени оптимизировано с целью уменьшения неравномерности толщины покрытия [20]. Смесь рабочих газов подавали в вакуумную камеру через систему газораспределения источника ионов, разделенную на три секции (рис. 1). В качестве подложки использовали полиэтилентерефталатную (ПЭТФ) пленку. Электропитание магнетрона осуществляли от блока питания ИВЭ-145 при работе в режиме стабилизации тока, а источника ионов - от блока питания ИВЭ-343.
Рис. 1. Схема системы подачи рабочих газов в комбинированной системе ионно-стиму-лированного реактивного магнетронного распыления
Оо
Ль
1 (верх)
Аг
02
02
-А-
2 (центр)
3 (низ)
ШЩ>
+300 мм
0 мм
-300 мм
Перед нанесением покрытия проводили очистку поверхности мишени магнетрона магнетронным разрядом в среде аргона при напряжении 450-470 В и токе разряда 6 А. Поверхность подложки (ПЭТФ пленки) подвергали плазмохимической обработке [21] в аргонокислородной плазме, создаваемой источником ионов, при напряжении 2000 В и токе разряда 0,5 А. Затем проводили реактивное осаждение 1ТО покрытия при скорости вращения барабана с подложками 10 об/мин.
Осаждение 1ТО покрытия проводили с использованием результатов оптимизации распределения магнитного поля над поверхностью мишени по технологическим режимам, полученным в работе [20], которые обеспечивали осаждение не поглощающих в диапазоне длин волн 650-1400 нм 1ТО покрытий с поверхностным сопротивлением 40-80 Ом/^ и интегральным коэффициентом пропускания видимого света - не менее 70%.
Отсутствие поглощения и наличие максимума коэффициента отражения в диапазоне длин волн 650-1400 нм позволяло определять толщину покрытия по результатам измерений спектральных коэффициентов пропускания.
Толщину покрытия определяли в соответствии с известными соотношениями [22], используя данные по показателю преломления подложки [23] и метод расчета, описанный в работе [20].
Величину поверхностного сопротивления покрытия определяли методом «квадрата» [24].
В качестве характеристик неравномерности свойств покрытия использовали следующие величины:
- для толщины покрытия
5 -5 А5= "5 т" -100%,
^тях
где 5тах и 5тт - максимальная и минимальная толщина покрытия на исследуемом участке поверхности соответственно;
- для величины поверхностного сопротивления
д^ = -К5тп 1оо% ,
"^Зтах
где К^тах и ^"т - максимальное и минимальное значение величины поверхностного сопротивления на исследуемом участке поверхности соответственно.
Результаты
Распределение толщины и величины поверхностного сопротивления покрытия определяли по результатам измерений на образцах размером 20*30 мм, вырезанных из полосы ПЭТФ пленки с шагом 50 мм, соответствующих «контрольным» точкам: -300, -250, ... 0, ..., +250, +300 мм на подложке шириной 600 мм.
На рис. 2 показаны экспериментально измеренные распределения толщины и величины поверхностного сопротивления на образце при одинаковых расходах кислорода через три секции 01ог =02 =б3 =11 см /мин, полученные по технологическому
режиму [19]:
- расход аргона 0дг=200 см3/мин;
- расход кислорода 00г =33 см3/мин;
- рабочее давление в вакуумной камере .Р=0,22 Па;
- напряжение разряда магнетрона Ир=430 В;
- ток разряда магнетрона 1р=5 А;
- продолжительность осаждения покрытия т=10 мин.
Выполненные измерения показали, что в верхней части подложки толщина и скорость осаждения 1ТО покрытия меньше, а величина поверхностного сопротивления больше, чем в нижней и центральной частях. Это свидетельствует о том, что в верхней части подложки степень «отравления» поверхности мишени, а следовательно, концентрация кислорода больше, чем в нижней. Характеристики неравномерности толщины и величины поверхностного сопротивления покрытия на ПЭТФ пленке шириной 600 мм в этом случае составили соответственно: А5=15%, АК^=40%.
С целью увеличения скорости осаждения и уменьшения величины поверхностного сопротивления в верхней части подложки проведена серия экспериментов по реактивному осаждению 1ТО покрытия с постепенным уменьшением расхода кислорода через верхнюю секцию системы газораспределения. На каждом этапе серии экспериментов расход кислорода через верхнюю секцию системы газораспределения уменьшали на 0,4 см /мин. При этом расходы 02 и 03 поддерживали равными, а суммарный
расход кислорода поддерживали равным 00 =33 см3/мин.
На рис. 2 приведены примеры распределения толщины и поверхностного сопротивления по ширине подложки.
140 И 120
я 1001
и о я й я
а
п о Н
80-
60"
40
-300 -200
-100
100
140
-120
о 8
100 ¡3
о в
-80 & §
-60
8 Н О
а я о о
40
200 300
Координата подложки, мм Рис. 2. Распределение толщины (1) и величины поверхностного сопротивления (2) покрытия по ширине подложки при расходе кислорода через три секции О1ог =О2ог =О3о2 =11 см3/мин
В проведенной серии экспериментов минимальная неравномерность толщины и величины поверхностного сопротивления покрытия получена при следующих значениях расхода кислорода через верхнюю, центральную и нижнюю секции системы распре-
3 3 3
деления газа: О, =9,8 см/мин, О2 =11,6 см/мин, О3 =11,6 см/мин соответственно.
^ 1о2 5 5 2О2 5 5 3О2 5
На рис. 3 приведены зависимости распределения толщины и величины поверхностного сопротивления покрытия по ширине подложки толщиной 600 мм.
140
« 120-
-
| 100 &
о я л я я
а
п о Н
80-
60"?
40
-300 -200
-100
100
Координата подложки, мм
140
И20
□
О
щ
100 ¡3
о я
х
-60
40
200 300
-80 & §
8 Н О
Рис. 3. Распределение толщины (1) и величины поверхностного сопротивления (2) покрытия
по ширине подложки при расходе кислорода через три секции О1 =9,8 см3/мин
О2 =11,6 см3/мин, О3 =11,6 см3/мин
2О 2 ' 3О2 '
Характеристики неравномерности свойств покрытия для этого случая составили: Д5=13%, АЯ8=32% соответственно.
Анализ результатов определения свойств покрытия в «контрольных» точках подложки шириной 600 мм показал, что изменение соотношения расходов через разные секции системы газораспределения позволяет существенно изменять распределение толщины и величины поверхностного сопротивления по ширине подложки.
В следующей серии экспериментов постепенно увеличивали расход кислорода через верхнюю секцию и подбирали расходы кислорода через центральную и нижнюю секции системы газораспределения. Шаг изменения расхода кислорода в каждой сек-
3 3
ции составлял 0,2 см /мин, а суммарный расход поддерживали равным 00 =33 см /мин.
Для каждого эксперимента данной серии исследовали распределение толщины и величины поверхностного сопротивления по ширине подложки.
В этой же серии экспериментов определено соотношение расходов кислорода в секционированной системе распределения газа, обеспечивающее минимальную неоднородность распределения свойств 1ТО покрытия (Д5=8%, ДЯ8=15%) по поверхности подложки шириной 600 мм (рис. 4), для исследованной конфигурации реактивного магнетронного осаждения.
« Н
3 &
о с й в
а
«
о Н
140
120-(
10080-
60" с
40
140
-120
о в
М00 *
-80
-60
о 8 Я 8 о
Я ^ & 0
и И О
С
-300 -200
-100
40
100
200 300
Координата подложки, мм
Рис. 4. Распределение толщины (1) и величины поверхностного сопротивления (2) покрытия
по ширине подложки при расходе кислорода через три секции 02 =11,4 см3/мин, в3 =11,2 см3/мин
2О 2 ' 3О2 '
в, =10,4 см /мин,
1О2 ' '
Оптимальные расходы кислорода через верхнюю, центральную и нижнюю секции системы распределения газа составили в1о =10,4 см3/мин, в2о =11,4 см3/мин, 3
в3 =11,2 см /мин соответственно.
Обсуждение и заключения
Экспериментальное исследование распределения свойств 1ТО покрытий, полученных методом реактивного магнетронного осаждения с использованием секционированной системы подачи кислорода, подтвердило возможность повышения равномерности распределения толщины и величины поверхностного сопротивления по поверхности подложки путем оптимизации распределения концентрации кислорода в зоне разряда планарного магнетрона.
В результате подбора оптимального соотношения расхода кислорода через три секции системы подачи газов неравномерность толщины и величины поверхностного сопротивления 1ТО покрытия, полученного методом низкотемпературного реактивного магнетронного осаждения на полимерную подложку из ПЭТФ пленки шириной 600 мм, удалось снизить с Д5=15%, ДЯз=40% до Д5=8%, ДЯ8=15%.
Дальнейшее уменьшение неравномерности свойств 1ТО покрытий, получаемых на полимерных подложках большой площади методом реактивного магнетронного осаждения, может быть достигнуто путем оптимизации количества и расположения секций системы подачи газа относительно зоны распыления мишени магнетрона, а также благодаря оптимизации конструкции и взаимного расположения технологической оснастки внутри рабочей камеры вакуумной установки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период
до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Каблов E.H. Материалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.
3. Каблов E.H. Шестой технологический уклад //Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.
4. Каблов E.H. Авиакосмическое материаловедение //Все материалы. Энциклопедический справочник.
2008. №3. С. 2-14.
5. Каблов E.H. Авиационное материаловедение в XXI веке. Перспективы и задачи /В кн. Авиационные
материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2002. М.: МИСиС-ВИАМ. 2002. С. 23-47.
6. Давыдова И.Ф., Каблов E.H., Кавун Н.С. Термостойкие негорючие полиимидные стеклотекстолиты для изделий авиационной и ракетной техники //Все материалы. Энциклопедический справочник.
2009. №7. С. 2-11.
7. Богатов В.А., Кондратов C.B., Хохлов Ю.А. Многофункциональные оптические покрытия и материа-
лы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 343-348.
8. Кисляков П.П., Хохлов Ю.А., Крынин А.Г., Кондратов C.B. Получение и применение полимерной пленки с прозрачным электропроводящим покрытием на основе оксида индия, легированного оловом //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 06 (viam-works.ru).
9. Крынин А.Г., Хохлов Ю.А., Богатов В.А., Кисляков П.П. Прозрачные интерференционные покрытия для функциональных материалов остекления //Труды ВИАМ. 2013. №11. Ст. 05 (viam-works.ru).
10. Богатов В.А., Хохлов Ю.А. Многофункциональные оптические покрытия, получаемые методами плазменной технологии, и способы контроля их оптико-физических характеристик /В сб. Авиационные материалы и технологии. Вып. «Методы испытаний и контроля качества металлических и неметаллических материалов». М.: ВИАМ. 2001. С. 93-99.
11. Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магне-тронного распыления. К.: Аверс. 2008. 244 с.
12. Комлев А.Е., Шаповалов В.И., Шутова Н.С. Магнетронный разряд в среде аргона и кислорода при осаждении пленки оксида титана //ЖТФ. 2012. Т. 82. №7. С. 134-136.
13. Богатов В.А., Кондратов C.B., Хохлов Ю.А. Получение градиентного покрытия оксинитрида алюминия методом реактивного магнетронного распыления //Авиационные материалы и технологии. 2010. №3. С. 19-21.
14. Kurdesau F., Khripunov G., da Cunha A.F. et al. Comparative 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.
15. Марченко В. А. Процессы на поверхности мишени при реактивном распылении V в Ar-O2 средах //Известия РАН. Серия физическая. 2009. Т. 73. №7. С. 920-923.
16. Хохлов Ю.А., Крынин А.Г., Богатов В.А., Кисляков П.П. Оптические константы тонких пленок оксида индия, легированного оловом, осажденных на полиэтилентерефталатную пленку методом реактивного магнетронного распыления (ближняя инфракрасная область спектра) //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 24-28.
17. 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.
18. Хохлов Ю.А., Березин Н.М., Богатов В.А., Крынин А.Г. Реактивное магнетронное осаждение оксида индия, легированного оловом, с контролем рабочего давления //Авиационные материалы и технологии. 2015 (в печати).
19. Хохлов Ю.А., Березин Н.М., Богатов В.А., Крынин А.Г. Контроль реактивного осаждения ITO покрытия по эмиссионному спектру плазмы магнетронного разряда //Авиационные материалы и технологии. 2015 (в печати).
20. Хохлов Ю.А., Богатов В.А., Крынин А.Г. Влияние распределения магнитного поля на свойства ITO покрытия, получаемого на полимерной пленке методом реактивного магнетронного осаждения //Труды ВИАМ. 2014. №12. Ст. 11 (viam-works.ru).
21. 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.
22. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Л.: Машиностроение. 1973. 224 с.
23. Крынин А.Г., Хохлов Ю.А. Оптические характеристики термостабилизированной полиэтилентере-фталатной пленки, используемой для функциональных материалов остекления //Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 31-34.
24. Технология тонких пленок /Под ред. Л. Майссела, Р. Гленга. М.: Советское радио. 1977. С. 305-344.
