Оксид цинка распыляемые мишени. Изделия из оксидной керамики на основе оксида цинка, легированного галлием (GZO) и
Изделия из оксидной керамики на основе оксида цинка, легированного галлием (GZO) и алюминием (АZO) – это новое поколение высокоэффективных распыляемых мишеней, разработанных по уникальной технологии ПОЛЕМА для создания прозрачных электропроводящих пленок в производстве солнечных батарей, низко-эмиссионных покрытий на стеклах, TFT ЖК-панелей (LCD) и OLED дисплеев. Усовершенствованные распыляемые мишени позволяют получать тонкие, сверхстабильные пленки, не содержащие на поверхности узелковых утолщений, с однородной структурой и отличными электрическими характеристиками, устойчивыми в различной атмосфере.
Основные преимущества распыляемых мишеней:
· отсутствие островковых утолщений на поверхности распыляемой мишени, характерных, например, для ITO (In2O3-SnO2) материала;
· однородная структура пленки (отсутствие столбчатой структуры) при температуре подложки 2000С;
· отличная электрическая проводимость пленки, сравнимая с ITO;
· прозрачность пленки в видимой части спектра ( 450-650нм) более 90%;
· сопротивление влиянию тепла и влажности атмосферы на прозрачность и проводимость пленки.
Содержание примесей Fe, Cu, Al, Si, Ni, Pb, а также Na, Mg, Ca, контролируемых дополнительно по желанию потребителя и определяемых методом ICP-MS, не превышает 0,01%.
| Марки и химический состав АZO керамики для распыляемых мишеней | |||||
| Марки АZO изделий | Химический состав, масс.% | ||||
| ZnO+Al2O3 | ZnO+Al2O3 +СаО | Al2O3 | СаО | ||
| ТСО-А2 | > 99,9 | - | 2,0±0,3 | - | |
| ТСО-А1 | > 99,9 | - | 1,0±0,2 | - | |
| ТСО-А0,5 | > 99,9 | - | 0,50±0,15 | - | |
| ТСО-А0,2 | > 99,9 | - | 0,2±0,15 | - | |
| ТСО-А2С | - | > 99,9 | 2,0±0,3 | 0,2±0,1 | |
| ТСО-А1С | - | > 99,9 | 1,0±0,2 | 0,2±0,1 | |
| ТСО-А0,5С | - | > 99,9 | 0,50±0,05 | 0,2±0,1 | |
| ТСО-А0,2С | - | > 99,9 | 0,2±0,15 | 0,2±0,1 |
Изделия поставляются в виде механически обработанных пластин, дисков и труб, размерами, установленными заказами в пределах следующих габаритов:
| Форма | Размеры, мм | |||||||||||
| Длина | Ширина | Толщина (высота) | Диаметр наружный | |||||||||
| Пластина | До 450 | До 250 | До 12 | - | ||||||||
| Диск | - | - | До 12 | До 250 | ||||||||
| Труба (полый цилиндр) | - | - | От 100 до 270 | До 165 | ||||||||
| Примеры электрического сопротивления слоев из GZO (ТСО–G3) сплава, осажденных при комнатной (Тк) и температуре 200ОС (Т200) | ||||||||||||
| Температура осаждения | Электросопротивление, Ом·см, при толщине слоя, нм | |||||||||||
| Тк | 2,02х10-3 | 6,75х10-4 | ||||||||||
| Т200 | 4,87х10-4 | 3,0х10-4 | ||||||||||
| Примеры электрического сопротивления слоев из GZO (ТСО–G3) сплава, осажденных при комнатной (Тк) и температуре 200ОС (Т200) | ||||||||||||
| Температура осаждения | Электросопротивление, Ом·см, при толщине слоя, нм | |||||||||||
| Тк | 2,02х10-3 | 6,75х10-4 | ||||||||||
| Т200 | 4,87х10-4 | 3,0х10-4 | ||||||||||
| Гарантированные плотность (γ), поверхностное электросопротивление (ρs), средний размер зерна (d ср) материала изделий из АZO керамики | |||
| Марки АZO изделий | γ, г/см3, не менее | ρs, Ом·см, не более | dср, мкм, не более |
| ТСО-А2 | 5,40 | 5х10-4 | |
| ТСО-А1 | 5,40 | 5х10-4 | |
| ТСО-А0,5 | 5,40 | 5х10-4 | |
| ТСО-А0,2 | 5,40 | 5х10-4 | |
| ТСО-А2С | 5,45 | 2х10-3 | |
| ТСО-А1С | 5,45 | 2х10-3 | |
| ТСО-А0,5С | 5,45 | 2х10-3 | |
| ТСО-А0,2С | 5,45 | 2х10-3 |
| Примеры фактических свойств АZO керамики (справочные данные) | |||
| Марки АZO изделий | γ, г/см3 | ρs, Ом•см | d ср, мкм |
| ТСО-А2 | 5,42 | 2,1х10-4 | 8-12 |
| ТСО-А1 | 5,50 | 2,8х10-4 | 7-10 |
| ТСО-А0,5 | 5,52 | 3,2х10-4 | 7-10 |
| ТСО-А0,2 | 5,52 | 3,9х10-4 | 20-30 |
Значения электрического сопротивления керамики из чистого ZnO, GZO и АZO (справочные данные)
Оптические свойства пленок
Оптическая прозрачность слоев GZO (ТСО-G3), осажденных при различных температурах Tsub
Средний коэффициент прозрачности слоев GZO в видимой части спектра Тr ≥ 90 %.
Устойчивость пленок
Осажденные из GZO керамики пленки отличаются высокой устойчивостью оптических и электрических свойств. Прозрачность и электропроводность не ухудшаются при нагреве во влажной атмосфере
Электронный снимок поперечного сечения осажденной пленки GZO (ТСО-G3) до и после испытания во влажной (100%) атмосфере в течение 100 час при 90 0С.
| Влияние отжига в вакууме и на воздухе на электрические свойства слоя GZO ТСО-G3 (справочные данные) | |||
| Режим термической обработки | Удельное электросопротивление, Ом·см при различных температурах, 0С | ||
| Т комнатная | Т=250 | ||
| После осаждения | 7,29·10-4 | 3,78·10-4 | |
| Вакуумный отжиг при 250 0С, 1 ч | 6,21·10-4 | 3,78·10-4 | |
| Отжиг на воздухе при 250 0С, 1 ч | 1,27·10-3 | 3,78·10-4 | |
| Отжиг на воздухе при 350 0С, 1 ч | 6,75·10-3 | 4,15·10-4 |
ITO и GZO мишени после распыления
На электронных снимках представлена морфология поверхности ITO, слева, и GZO (ТСО-G3 ), справа, мишеней после распыления. Островковые наросты на поверхности GZO распыляемых мишеней не обнаруживаются, что характеризует улучшенную однородность структуры материала.
Выводы:
Технологии нанесения тонких пленок и покрытий из различных материалов на разнообразные изделия применяются во многих отраслей техники, в частности:
- в электронике для осаждения тонких пленок полупроводников, диэлектриков, металлов;
- в оптике для нанесения фильтрующих, проводящих, отражающих, поглощающих покрытий;
- в машиностроении для нанесения специальных покрытий, улучшающих свойства поверхности используемых материалов;
- в автомобилестроении и строительстве в качестве декоративных, светоотражающих, теплосберегающих покрытий стекол.
До середины 70-х годов прошлого столетия тонкие слои наносились на подложки в вакууме, в основном, методом термического испарения исходного материала или химическими методами осаждения. В начале семидесятых годов прошлого века было изобретено магнетронное распыление.
По сравнению с другими методами осаждения тонких пленок, такими как термическое испарение, химическое газофазное осаждение (СУБ) или струйный пиролиз, магнетронное распыление имеет ряд преимуществ:
- низкие температуры подложки (вплоть до комнатной температуры);
- хорошая адгезия пленки к подложке;
- высокие скорости осаждения (до 12 мкм/мин);
- хорошая однородность по толщине и высокая плотность покрытий;
- хорошая управляемость и долговременная устойчивость процесса;
- могут распыляться сплавы и материалы сложного состава с различным давлением насыщенных паров;
- могут наноситься покрытия сложного состава из металлических мишеней реактивным распылением в газовых смесях инертного и химически активного газов;
- это относительно дешевый метод осаждения;
- есть возможность нанесения покрытий на большие площади (до 3x6 м2).
Хотя сегодня магнетронное распыление широко применяется в промышленности для нанесения покрытий на архитектурные стекла (низкоэмиссионные покрытия), интегральные схемы (металлические пленки), индикаторные панели (прозрачные проводящие пленки) 'или износостойкие покрытия (ПЫ и т.д.), существует потребность в дальнейших исследованиях, особенно в области нанесения
полупроводниковых тонких пленок. Для нанесения полупроводниковых пленок магнетронное распыление начало использоваться существенно позднее. Это связано с более строгими технологическими требованиями, которые должны быть выполнены при производстве высококачественных полупроводящих тонких пленок.
Поэтому актуальной задачей является совершенствование технологий и повышение эффективности имеющегося оборудования для нанесения пленок на подложки большой площади с высокой степенью однородности и достаточно высокой скоростью, а также уменьшение энергозатрат и стоимости процесса напыления. Эту задачу можно решить с использованием оборудования, позволяющего эффективно генерировать большие объемы плазмы с контролируемыми в широком диапазоне характеристиками.
В настоящее время одними из самых перспективных тонкопленочных покрытий являются прозрачные проводящие покрытия на основе оксидов металлов (цинка, олова, индия). Прозрачные проводящие оксиды (transparent conductive oxide, ТСО) принадлежат к классу полупроводников с широкой запрещенной зоной и находят все более широкое применение в производстве плоских дисплеев, прозрачных электродов и нагревательных элементов, теплосберегающих технологиях и т.п. Широко применяется легирование оксидов металлов различными химическими элементами (алюминием, галлием, фтором и т.д), что значительно улучшает электрофизические свойства напыляемых пленок. Оксид цинка рассматривается как наилучшая альтернатива дорогостоящим покрытиям оксида индий - олова. Наибольшее распространение получило легирование оксида цинка алюминием либо галлием, а оксида олова - фтором. Экспериментальные работы показали, что оксид цинка, легированный алюминием (ZnO:Al) или галлием (ZnO:Ga), обладает меньшим удельным сопротивлением и лучшими оптическими свойствами, по сравнению с оксидом олова, легированным фтором (SnO:F) и является одним из самых перспективных тонкопленочных покрытий. Однако, разработанные к настоящему времени способы магнетронного распыления обеспечивают получение ТСО на основе ZnO с низким удельным сопротивлением только при температуре выше 200°С, что ограничивает область их возможного применения. Например, напыление проводящих покрытий на полимерные подложки возможно при температурах, не превышающих температуру размягчения материала, которая для лавсана составляет 110°С.
Для достижения оптимальной структуры и свойств ТСО покрытий важно регулировать плотность ионного тока на подложку J„ энергию бомбардирующих ионов и другие параметры плазмы. Используемый для нанесения ТСО метод магнетронного распыления позволяет
контролировать параметры плазмы и, как следствие, управлять условиями осаждения пленки, определяющими электрофизические и структурные свойства наносимого покрытия, в широком диапазоне.
Список литературы:
· Минайчев В.Е .Магнетронные распылительные устройства (магратроны).
· Берлин ЕВ Вакуумные технологии и оборудование.
· Данилин БС Вакуумные технологические процессы.
· Интернет.