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

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 δ_max и δ_min – максимальная и минимальная толщина покрытия на исследуемом участке поверхности соответственно;

– для величины поверхностного сопротивления

,

где R_Smaxи R_Smin – 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 G_Аr=200 см³/мин;

– расход кислорода =33 см³/мин;

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

– напряжение разряда магнетрона U_p=430 В;

– ток разряда магнетрона I_p=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%, ΔR_S=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%, ΔR_S=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%, ΔR_S=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%, ΔR_S=40% до Δδ=8%, ΔR_S=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.