Реактивное магнитное осаждение ITO покрытия на полимерную пленку с применением секционированной системы напуска газов

Ю. А. Хохлов, В. А. Богатов, Н. М. Березин, А. Г. Крынин
УДК
629.7.023.222
DOI
10.18577/2307-6046-2015-0-5-7-7
версия в формате pdf (459.59 КБ)
Цитирование
Ю. А. Хохлов, В. А. Богатов, Н. М. Березин, А. Г. Крынин Реактивное магнитное осаждение ITO покрытия на полимерную пленку с применением секционированной системы напуска газов // Труды ВИАМ. 2015. № 5. DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-5-7-7. URL: https://test.viam.ru/journal/2015/5/7
Ключевые слова
реактивное осаждение, планарный магнетрон
Аннотация

Исследовано распределение толщины и свойств (коэффициент пропускания, поверхностное сопротивление) ITO покрытия, полученного методом реактивного магнетронного 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. 

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 покрытия, 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-стимулированного реактивного магнетронного распыления

 

 

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 ITO покрытия при скорости вращения барабана с подложками 10 об/мин.

Осаждение ITO 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 ITO 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

,

где δmax и δmin – максимальная и минимальная толщина покрытия на исследуемом участке поверхности соответственно;

– для величины поверхностного сопротивления

,

где RSmaxи RSmin – 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   см3/мин, полученные по технологическому режиму [19]:

– расход аргона GАr=200 см3/мин;

– расход кислорода =33 см3/мин;

– рабочее давление в вакуумной камере Р=0,22 Па;

– напряжение разряда магнетрона Up=430 В;

– ток разряда магнетрона Ip=5 А;

– продолжительность осаждения покрытия τ=10 мин.

Выполненные измерения показали, что в верхней части подложки толщина и скорость осаждения ITO 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: Δδ=15%, ΔRS=40%.

С целью увеличения скорости осаждения и уменьшения величины поверхностного сопротивления в верхней части подложки проведена серия экспериментов по реактивному осаждению ITO 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 см3/мин. При этом расходы  и  поддерживали равными, а суммарный расход кислорода поддерживали равным =33 см3/мин.

На рис. 2 приведены примеры распределения толщины и поверхностного сопротивления по ширине подложки.

 

 

 Рис. 2. Распределение толщины (1) и величины поверхностного сопротивления (2) покрытия по ширине подложки при расходе кислорода через три секции  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 распределения газа:=9,8 см3/мин, =11,6 см3/мин, =11,6 см3/мин соответственно. На рис. 3 приведены зависимости распределения толщины и величины поверхностного сопротивления покрытия по ширине подложки толщиной 600 мм.

Рис. 3. Распределение толщины (1) и величины поверхностного сопротивления (2) покрытия по ширине подложки при расходе кислорода через три секции =9,8 см3/мин, =11,6 см3/мин, =11,6 см3/мин

 

Характеристики неравномерности свойств покрытия для этого случая составили: Δδ=13%, ΔRS=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 секции составлял              0,2 см3/мин, а суммарный расход поддерживали равным =33 см3/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 ITO покрытия (Δδ=8%, ΔRS=15%) по поверхности подложки шириной 600 мм (рис. 4), для исследованной конфигурации реактивного магнетронного осаждения.

 

  Рис. 4. Распределение толщины (1) и величины поверхностного сопротивления (2) покрытия по ширине подложки при расходе кислорода через три секции =10,4 см3/мин, =11,4 см3/мин, =11,2 см3/мин

 

 

Оптимальные расходы кислорода через верхнюю, центральную и нижнюю секции системы распределения газа составили =10,4 см3/мин, =11,4 см3/мин, =11,2 см3/мин соответственно.

 

Обсуждение и заключения

Экспериментальное исследование распределения свойств ITO 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 ITO покрытия, полученного методом низкотемпературного реактивного магнетронного осаждения на полимерную подложку из ПЭТФ пленки шириной 600 мм, удалось снизить с Δδ=15%, ΔRS=40% до Δδ=8%, ΔRS=15%.

Дальнейшее уменьшение неравномерности свойств ITO 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 Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
  2. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520–530.
  3. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад //Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2–7.
  4. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2–14.
  5. Каблов Е.Н. 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 Е.Н., Кавун Н.С. Термостойкие негоpючие полиимидные стеклотекстолиты для изделий авиационной и pакетной техники //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2009. №7. С. 2–11.
  7. Богатов В.А., Кондрашов С.В., Хохлов Ю.А. Многофункциональные оптические покры-тия и материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 343–348.
  8. Кисляков П.П., Хохлов Ю.А., Крынин А.Г., Кондрашов С.В. 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 магнетронного 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., Кондрашов С.В., 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
  16. Ar–O2 средах //Известия РАН. Серия физическая. 2009. Т. 73. №7. С. 920–923.
  17. 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.
  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., 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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.
  23. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Л.: Машиностроение. 1973. 224 с.
  24. Крынин А.Г., Хохлов Ю.А. Оптические характеристики термостабилизированной полиэтилентерефталатной пленки, используемой для функциональных материалов остекления //Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 31–34.
  25. Технология тонких пленок /Под ред. Л. Майссела, Р. Гленга. М.: Советское радио. 1977. С. 305–344.