Исследование оптических и электрических свойств плёнок типа оксид/металл/оксид, полученных путём магнетронного распыления

ВВЕДЕНИЕ 5
1. Процесс распыления 6
2. Магнетронная распылительная система, принцип действия 6
2.1 МРС с импульсным источником питания 9
2.2 Реактивное магнетронное распыление 10
2.3 МРС с ВЧ-разрядом 12
3. Оптические тонкие пленки 13
3.1 Материалы, используемые для оптических тонких пленок 13
3.2 Виды оптических покрытий 14
4. Методика эксперимента 15
4.1 Оборудование, описание, порядок работы на установке 15
4.2 Источники питания 16
4.2.1 Импульсный источник питания APEL-SB-5PDC-800-2 16
4.2.2 Сильноточный источник питания APEL-M-5DOMS-1200 17
4.3 Измеритель толщины пленок Микрон-5 18
4.4 Четырёхзондовый метод определения электропроводимости полупроводников 19
5. Результаты эксперимента 21
5.1 Измерение скорости нанесения покрытий 21
5.2 Нанесение многослойных покрытий 22
5.3 Исследование поверхностного сопротивления многослойных пленок 23
5.4 Оптические свойства 24
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 30

Весь текст будет доступен после покупки

Проблема нанесения тонкопленочных покрытий является едва ли не самой обширной среди современных актуальных направлений технологии и материаловедения. Среди множества различных методов нанесения покрытий особое место занимают вакуумные ионно-плазменные методы, в которых используется низкотемпературная газоразрядная плазма [2].
Возможность в процессе нанесения покрытий изменять и контролировать параметры плазмы в широком диапазоне представляет собой одно из наиболее важных свойств магнетронного распыления [6].
Вследствие огромного прогресса в оптоэлектронике, квантовой электронике, оптического приборостроения, спектроскопии и голографии, авиации и т.д. встала необходимость развития технологии получения многослойных тонкопленочных покрытий.
Метод магнетронного распыления широко используются при нанесении тонких пленок, в частности, в электронной, оптической промышленности и в машиностроении.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Процесс распыления
Распылением называется процесс передачи импульса, в котором быстрая частица выбивает атом с поверхности катода. В атомном масштабе это явление сравнимо с ударом двух бильярдных шаров, из которых один представляет собой падающий ион, а другой – атом твердого тела [2].

Рисунок 1 - Схема ионного распыления: 1 – ион, 2 – поверхностный атом, 3 – распыляемый материал.
Для распыления мишени используют ионы инертных газов (обычно аргон высокой чистоты).
Ионное распыление происходит путем импульсной передачи энергии от ионов плазмы атомам вещества электрода с последующим радиационным разрушением. Попав в вещество, ион на пути пробега растрачивает свою энергию при соударении с атомами вещества. В случае, когда переданная атомами энергия превышает энергию их смещения, атомы могут покинуть свои места в кристаллической решетке, образуя смещенные атомы. Первично смещенные атомы при достаточном запасе энергии смещают другие атомы и т.д. Таким образом, вдоль пути иона образуются каскады смещенных атомов. Часть смещенных атомов может достичь поверхности облучаемого ионами тела и покинуть ее, т.е. произойдет ионное распыление [2].

2. Магнетронная распылительная система, принцип действия
Магнетронная распылительная система – источник плазмы газового разряда низкого давления со скрещенными электрическими и магнитными полями [1].
Устройство магнетронной распылительной системы можно объяснить на примере планарного магнетрона, поскольку на данный момент он является наиболее распространенным типом МРС (рис. 2) [3,4].

Рисунок 2 – устройство планарного магнетрона [3].
Магнетронная распылительная система стоит из нескольких элементов: катода и анода. Мишень закрепляется на катоде, а подложки на аноде. Анод обычно заземляется, а на катод подается постоянное отрицательное напряжение в несколько киловольт. В свою очередь катод состоит из нескольких элементов – корпус, мишень, содержащая распыляемый материал и магнитная система, необходимая для удерживания электронов магнитным полем около мишени для постоянной ионизации рабочего газа и ускорения процесса распыления. В качестве анода выступает сама камера (стенки) и подложка [3,5] (рис.3).

Рисунок 3 – иллюстрация принципа действия магнетронной распылительной системы.

При подаче постоянного напряжения между анодом и катодом появляется неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Магнитная система создает локализованное магнитное поле с дугообразными силовыми линиями, образующих туннельные своды. При этом плазма локализуется именно около катода (мишени), благодаря замкнутому магнитному полю у ее распыляемой поверхности [7].
При (10-2 Па) давлении, в камеру запускается рабочий газ (аргон, гелий, неон). Свободные электроны, первоначально находившиеся в камере, захватываются магнитным полем и оказываются «в ловушке», с одной стороны, магнитным полем, возвращающим электроны на катод, с другой стороны – поверхностью мишени, отталкивающей электроны, и начинают совершать циклоидальные движения, при этом сталкиваясь с атомами рабочего газа, тем самым обеспечивая непрерывный процесс ионизации рабочего газа [6-7](рис.4).

Рисунок 4 - Траектория движения электрона в перпендикулярных
электрическом и магнитном полях [6].
Образование свободных электронов может происходить и вследствие автоэлектронной эмиссии, то есть при вырывании электронов из мишени под действием электрического поля. После столкновения атомов с электронами, образующиеся ионы ускоряются под действием электрического поля к мишени и выбивают атомы материала на подложку, вместе с нейтральными атомами происходит и вторичная ионная эмиссия электронов, которые также захватываются магнитным полем [7,8].
Основными рабочими характеристиками магнетронной распылительной системы являются напряжение на электродах, ток разряда, плотность тока на мишени, удельная мощность, величина индукции магнитного поля и рабочее давление. От величины и стабильности данных параметров очень зависят: во-первых, стабильность разряда, во-вторых, воспроизводимость процесса нанесения пленок.
Напряжение питания магнетронных распылительных систем не должно превышать 1000 В постоянного тока. Как правило, рабочее напряжение составляет 300 – 700 В. На мишень подается отрицательный потенциал, анод имеет нулевой потенциал. Однако в МРС с плоским катодом для более полного улавливания вторичных катодных электронов на анод рекомендуется подать положительное смещение примерно 40 – 50 В. Ток разряда в свою очередь зависит от многих факторов, это могут быть – рабочее напряжение, давление, рабочий газ, индукция магнитного поля и т.д. Плотность тока на мишени очень велика. Для систем с полым цилиндрическим катодом составляет в среднем 80 мА/см2. Причем максимальные плотности тока в центральной части зоны распыления могут быть значительно выше. Удельная мощность 40 – 100 Вт/см2, в зависимости от формы катоды. Рабочее давление МРС от 10-2 – 1 Па. Индукция же магнитного поля у поверхности мишени составляет 0,03 – 0,1 Т, является важнейшим параметром, поскольку определяет характер разряда [9].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Кривобоков В.П. Радиационные и плазменные технологии: терминологический справочник. – Новосибирск: Наука, – 2010. – 334 с.
2. Кривобоков В.П. К82 Плазменные покрытия (методы и оборудование): учебное пособие / В.П. Кривобоков, Н.С. Сочугов, А.А. Соловьёв. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. – 104 с.
3. Юрьева А.В., Ковальчук А.Н., Введение в плазменные технологии и водородную энергетику, Учебное пособие, Томск: Изд-во ТПУ, 2014. – 90 с.
4. P.J. Kelly, R.D. Arnell, Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications, J. Vacuum 56 (2000) 159 – 172.
5. Л.П. Амосова, М.В. Исаев, Магнетронное напыление прозрачных электродов ITO из металлической мишени на холодную подложку, Журнал технической физики, том 84, вып. 10 (2014) 127 – 132.
6. А. А. Соловьев, Н. С. Сочугов, Исследование характеристик плазмы в несбалансированной магнетронной распылительной системе, физика плазмы, том 35, № 5, (2009) с. 443–452
7. Кузьмичев А.И., Магнетронные распылительные системы. Кн.1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. – К.: Аверс, 2008. – 244 с.
8. R. Wendt, K. Ellmer, Thermal power at a substrate during ZnO:Al thin film deposition in a planar magnetron sputtering system, J. Appl. Phys. 82 (5) (1997) 2115 – 2122.
9. Данилин Б. С., Сырчин В. К. Д18 Магнетронные распылительные Радио и связь; 1982. - 72 с.
10. В.О.Оскирко. Импульсный биполярный источник питания магнетронных распылительных систем: диссертация кандидата технических наук. Томский государтсвенный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, 2016.

Весь текст будет доступен после покупки