Получение и применение полимерной пленки с прозрачным электропроводящим покрытием на основе оксида индия, легированного оловом

Современную технику невозможно представить без разнообразных устройств индикации, в конструкции которых используются прозрачные проводящие материалы. В качестве прозрачных проводящих пленок на гибких полимерных материалах в настоящее время используют пленки оксида индия, легированного оловом (ITO), которые наносятся реактивным магнетронным распылением индия и олова в среде, содержащей кислород, или распылением керамической мишени [1–6].

Такие технологические параметры, как напряжение разряда, ток, общее давление, величина расхода газов при реактивном магнетронном распылении не могут однозначно характеризовать состав плазмы магнетронного разряда и, следовательно, состав и свойства получаемого покрытия. Одним из методов дополнительного контроля процесса реактивного магнетронного нанесения является метод, базирующийся на оптической эмиссионной спектроскопии, которая позволяет определять состав и параметры плазмы [7, 8].

Для повышения повторяемости и стабильности свойств получаемых тонких пленок была изучена связь между функциональными свойствами наносимых покрытий ITO (удельной проводимостью и величиной светопропускания) и соотношением интенсивностей излучения возбужденных атомов индия и кислорода.

Исследования проводились на экспериментально-технологической установке на базе промышленной установки ВУ-1, оснащенной планарным магнетроном, системой напуска газа, двумя регуляторами расхода газа MKS 1179A, подключенными к персональному компьютеру через блок управления PR4000F, и мини-спектрометром с волоконным входом FSD9 v2.0. Для стабилизации электрических параметров разряда в конструкции блока питания предусмотрена схема регулятора, поддерживающая постоянным ток источника. Блок оборудован защитой от короткого замыкания и системой дугогашения. Для достижения более высоких адгезионных и функциональных свойств получаемых покрытий техпроцесс содержал ионную очистку, а магнетронное осаждение сопровождалось ионным ассистированием [9–13].

На рис. 1 приведены спектральные характеристики эмиссионного излучения разряда магнетрона с катодом из сплава индия и олова в среде смеси аргона и кислорода. Видно, что при увеличении расхода кислорода увеличивается интенсивность излучения возбужденных атомов кислорода (длина волны 558 нм) и уменьшается интенсивность излучения возбужденных атомов индия (длина волны 410 нм).

 Рисунок 1. Спектральные характеристики эмиссионного излучения реактивного магнетронного разряда индия и олова в среде смеси аргона и кислорода при значениях напуска 20 (––) и
30 см³/мин (––) реактивного газа при нормальных условиях и без напуска реактивного газа (––)

В процессе исследований при удержании отношения интенсивностей эмиссионного излучения плазмы на 410 и 558 нм, равном 20±5, были получены образцы ITO покрытия на ПЭТФ пленке со значениями поверхностного сопротивления в диапазоне от 35 до 70 Ом/□ и значением светопропускания – не менее 80%.

Для удовлетворения требованиям, предъявляемым к современным оптическим приборам, а также к оптическим материалам, современные техпроцессы получения материалов должны содержать новейшие IT-решения [14]. Для улучшения повторяемости, равномерности и стабильности результатов нанесения разработано программное обеспечение, поддерживающее постоянной величину отношения интенсивностей эмиссионного излучения разряда на заданном уровне с помощью обратной связи.

При удержании отношения интенсивностей эмиссионного излучения плазмы на 410 и 558 нм, равном 20±1, при помощи программы стабилизации получены образцы ITO покрытия на ПЭТФ пленке толщиной 580 нм со значением светопропускания, равным 82%, и поверхностным сопротивлением 35±3 Ом/□.

При осаждении пленок ITO, получаемых реактивным магнетронным распылением мишени сплава индия и олова в смеси аргона и реактивного газа (кислорода), на мишени магнетрона, подложке, стенках вакуумной камеры образуются полупроводниковые и диэлектрические пленки. Такие пленки обладают отличным от материала мишени сопротивлением, изменяют эмиссионные свойства мишени и снижают ее коэффициент распыления. При образовании этих пленок на поверхности мишени («отравление» мишени), в плазме, поддерживаемой источником постоянного напряжения, происходит дрейф электрических параметров разряда, связанный с образованием микродуг на поверхности мишени и эффектом «исчезающего анода» [15–17]. При реактивном магнетронном распылении обычно используют стабилизированные по току источники электропитания. В зависимости от степени «отравления» мишени возможны три варианта протекания процесса распыления:

1. При оптимальном парциальном давлении кислорода степень «отравления» мишени и параметры разряда (разрядное напряжение и ток) остаются неизменными и имеют оптимальные значения. Скорость осаждения высокая, состав покрытия обеспечивает наилучшие характеристики.

2. При недостаточном парциальном давлении кислорода напряжение разряда ниже оптимального значения, в осаждаемом покрытии наблюдается избыток металла, что приводит к увеличению его коэффициента поглощения. Скорость осаждения высокая.

3. При избыточном парциальном давлении кислорода напряжение разряда выше оптимального значения. Скорость осаждения низкая.

Первый режим является неустойчивым из-за флуктуаций парциального давления кислорода и в процессе осаждения может переходить во второй или третий режимы, что приводит к нестабильности технологического процесса и ухудшению качества осаждаемых покрытий.

Для удержания разряда в оптимальном (первом) режиме исследована возможность стабилизации реактивного магнетронного нанесения путем поддержания оптимального парциального давления кислорода, для чего ранее указанная установка дооснащена вакуумметром мембранно-емкостного типа баратрон MKS 627BU5MDD1B, имеющим рабочий диапазон от 6∙10^-4 до 6 Па и точность измерений – до 0,25%. Натекатель и вакуумметры подключены к персональному компьютеру через блок управления PR4000F. Разработанный регулятор представляет собой программное обеспечение, задающее значения натекания, вычисляемые по ПИД-закону. Контроль давления и задание натекания производились программно по протоколу блока PR4000F через интерфейс RS232.

Использование программного ПИД-регулятора позволило стабилизировать значение парциального давления кислорода при нанесении покрытий. Это, в свою очередь, позволило поддерживать разрядное напряжение на оптимальном уровне с точностью ±1%, а также стабилизировать скорость роста покрытия и повысить воспроизводимость качественных характеристик покрытия.

При использовании стабилизации парциального давления кислорода удалось получить ITO покрытие на ПЭТФ пленке, обладающее сопротивлением не более 35 Ом/□ и светопропусканием не менее 82%, хорошей адгезией.

В составе оптически активного материала остекления (ОАМО) полученные ПЭТФ пленки с ITO покрытием показали хорошую химическую стойкость к компонентам электрохромной композиции, обеспечивая тем самым продолжительный срок службы материала и характеристики, представленные в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Оптические характеристики образцов оптически активного материала остекления

Таблица 2

Время срабатывания образцов оптически активного материала остекления

Рисунок 2. Температура поверхности, до которой за 90 с прогреется образец ПЭТФ пленки с сопротивлением 35 Ом/□, в зависимости от приложенной мощности

Рисунок 3. Температура поверхности органических стекол толщиной 4 мм, до которой за 15 мин прогреется образец ПЭТФ пленки с сопротивлением 35 Ом/□, вложенный между этими стеклами, в зависимости от приложенной мощности

При использовании полученных ПЭТФ пленок в качестве нагревательных элементов получены следующие результаты:

– на рис. 2 приведены значения температур, до которых прогреется образец в свободном состоянии при пропускании через него тока различной мощности за 90 с;

– на рис. 3 приведены значения температур, до которых прогреется поверхность органических стекол толщиной 4 мм, между которыми вложен образец полимерной ПЭТФ пленки, при пропускании через них тока различной мощности за 15 мин.