Reaktivní magnetronové naprašování Zn-Sn-O vrstev a charakterizace jejich vlastností

Zuzana ČIPEROVÁ

Master's thesis

Abstract:

Práce se zabývá pulzním reaktivním magnetronovým naprašováním vrstev Zn-Sn-O. Byly připraveny tři série vrstev. Společnými depozičními parametry všech sérií byla: vzdálenost terčů od substrátů dS-T = 60 mm, opakovací frekvence fr = 20 kHz, výbojový proud v pulzu ID = 1,2 A a výbojová hustota na terči v pulzu Wt 20 Wcm-2. První a druhá série byly připraveny při konstantním tlaku v komoře pT = 1 Pa a při napětí na magnetronu (v periodě) UD 400 V. Proměnným parametrem první série byl parciální tlak kyslíku pO2. Substráty byly ohřívány na teplotu Ts = 500 °C a byly na plovoucím potenciálu. První série ukázala, že existuje velice úzký pás hodnot parciálního tlaku kyslíku (pO2 0,23 Pa), kde jsou vrstvy Zn-Sn-O zároveň vodivé ( 6,6210-2 cm) i transparentní (T = 550 nm 84 %), vrstvy ale nevykazovaly odolnost proti vzniku trhlin to se snažila vylepšit druhá série změnou energie bombardu iontů do vrstvy Ebi. Substráty byly při druhé sérii ohřívány na Ts = 60 °C a napětí na substrátu Us bylo měněno v rozsahu mezi -25 a -250 V. Parciální tlak kyslíku byl pO2 = 0,5 Pa. Bylo dokázáno, že depozice při pO2 = 0,5 Pa je stabilní a že rostoucí Ebi pozitivně ovlivňuje kritickou zatěžovací sílu Lkr a kritické prodloužení kr až do okamžiku, kdy dochází vlivem pnutí k delaminaci vrstvy; rostoucí Ebi také pozitivně ovlivňuje mechanické vlastnosti vrstev. Vlivem malé vodivosti vrstev může při depozici docházet k mikroobloukům na vrstvě, což vede ke snížení transmitance vrstev. Řešením nestability výboje se zabývá třetí série. Teplota na substrátu byla Ts = 60 °C, napětí na substrátu Us = -150 V, energie bombardu iontů do vrstvy Ebi 2,80 MJcm-3. Proměnnými parametry depozice byly napětí na magnetronu v periodě UD a parciální tlak kyslíku pO2. Výsledky třetí série ukázaly, že změnou řídícího parametru z výbojového proudu ID na napětí na magnetronu UD lze stabilně deponovat v přechodovém módu. Pomocí UD a pO2 lze ladit stechiometrii vrstev. Ta ovlivňuje mechanické vlastnosti, makropnutí, vodivost i transmitanci vrstev. Kvůli vysokému pnutí a nízké adhezi vrstvy k substrátu nevykazuje vrstva s H/E* > 0,1 zvýšenou odolnost proti vzniku trhlin. Ostatní vrstvy třetí série vykazují velkou odolnost proti vzniku trhlin díky dodané energii bombardu iontů Ebi. Vysoká hodnota negativního pnutí není tedy nutnou podmínkou pro vysokou odolnost proti vzniku trhlin při indentačním testu.

Abstract:

Subject of the thesis was pulse reactive magnetron sputtering of Zn-Sn-O thin films. Three series were prepared. The common parameters of deposition were: distance between targets and substrates dT-S = 60 mm, pulse repetition frequency fr = 20 kHz, discharge current ID = 1,2 A and power density Wt 20 Wcm-2. The first and second series were prepared under constant pressure in chamber pT = 1 Pa and magnetron voltage was UD 400 V. The variable parameter of the first series was partial pressure of oxygen pO2. The substrates were heated to Ts = 500 °C and they were on floating potential. The first series resulted in finding very narrow zone of values of pO2 0,23 Pa in which the films are conductive ( 6,6210-2 cm) as well as transparent (T = 550 nm 84 %). These films do not exhibit resistance to cracking though the second series has tried to improve this by varying energy of ion bombardment Ebi. The substrates of the second series were heated to Ts = 60 °C and substrate bias voltage Us was changed in range between -25 and -250 V. The partial pressure of oxygen pO2 = 0,5 Pa. It was proved that deposition at pO2 = 0,5 Pa is stable and increasing of Ebi results in incresing of critical load Lkr and critical extension kr until the film delaminates as a consequence of stress. Increasing Ebi also positively influences mechanical properties of films. It is possible that arcs occur on films during the deposition due to low conductivity of films which results in decreasing of transmittance of films. The third series deals with the discharge instability. The substrates were heated to Ts = 60 °C, Us = -150 V, Ebi 2,80 MJcm-3. Magnetron discharge UD and partial pressure of oxygen pO2 were variable parameters of the third series. It has been shown that it is possible to stabilize sputtering process in transitional mode by switching controlling from ID to UD. It is possible to tune the stoichiometry of Zn-Sn-O films by tuning UD and pO2. The stoichiometry influences mechanical properties, stress, conductivity and transmittance of films. Due to high stress and low adhesion the film with H/E* > 0,1 does not exhibit enhanced resistance to cracking. The other films of the third series do exhibit enhanced resistance to cracking which is caused by increased Ebi. It has been shown that enhanced resistance to cracking is not dependent on high value of stress.

Keywords

Reaktivní magnetronové naprašování, transparentní vodivé vrstvy, Zn-Sn-O

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 8. 2016

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Prof. Ing. Jindřich Musil, DrSc.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Master programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Applied Physics and Physical Engineering