Magnetronová depozice oxidových a nitridových vrstev s vysokou teplotní stabilitou

Ing. Martin ŠAŠEK

Doctoral thesis

Magnetron deposition of oxide and nitride thin films with high thermal stability

Abstract:

V současné době existuje poptávka po nových tenkovrstvých materiálech s možností použití v oxidační atmosféře za teplot vyšších než 1000 °C. Proto se předkládaná disertační práce zabývá magnetronovým naprašováním tří skupin tenkovrstvých materiálů a studiem jejich vlastností a chování za uvedených podmínek. Jedná se o tenké vrstvy Al-Si-N, CuOx a Al2O3. Tenké vrstvy Al-Si-N byly zvoleny jako alternativa amorfních tenkých vrstev TMe-Si-N s obsahem Si > 20 at.%. Bylo zjištěno, že vrstvy Al-Si-N s obsahem Si pb. 40 at.% mají po depozici amorfní strukturu a dosahují tvrdosti až 26 GPa. Oproti tomu vrstvy Al-Si-N s obsahem Si $<$ 5 at.% jsou po depozici polykrystalické a dosahují tvrdosti 22 GPa. Amorfní vrstvy s obsahem Si pb. 40 at.% dosahují výborné oxidační odolnosti až do teploty 1150 °C (delta m = 0 mg/cm2 při teplotě 1150 °C) a jejich tvrdost se téměř nemění i po žíhání na teplotu 1100 °C. Tenké vrstvy CuOx byly zkoumány především z hlediska jejich vlivu na teplotní stabilitu vrstev Zr-Cu-O. Při depozici z terče Cu v atmosféře O2 za pokojové teploty závisí struktura vrstvy na parciálním tlaku kyslíku s postupnou změnou od Cu+Cu2O přes Cu2O a směs Cu2O+CuO až po CuO. Během žíhání ve vzduchu dochází k postupné oxidaci Cu na Cu2O a CuO. Při teplotě 1040 °C poté dochází k dekompozici 2CuO -$>$ Cu2O + O. Cílem experimentů s vrstvami Al2O3 bylo především nalezení podmínek, za kterých vrstvy krystalizují. Bylo zjištěno, že po depozici za teploty substrátu 500 °C mají vrstvy strukturu gama-Al2O3. Při žíhání ve vzduchu docházelo k počátku transformace gama-Al2O3 -$>$ alfa-Al2O3 při teplotě 1050 - 1100 °C. Po dynamickém žíhání na teplotu 1200 °C rychlostí 10 K/min měly vrstvy strukturu alfa-Al2O3. Prodloužení doby žíhání z 0 na 5 h při teplotě 1000 °C nevedlo k vytvoření fáze alfa-Al2O3.

Abstract:

In present times there is a strong demand for thin film materials usable in the oxidation atmosphere at temperatures over 1000 °C. Therefore this Ph.D. thesis deals with the magnetron sputtering of three groups of thin film materials, their properties evaluation and behavior at the above mentioned conditions. These thin film materials are Al-Si-N, CuOx and Al2O3. Al-Si-N thin films were chosen as the alternative to the amorphous TMe-Si-N thin films with Si content > 20 at.%. It was found that Al-Si-N films with Si content approx. 40 at.% had amorphous as-deposited structure and hardness up to 26 GPa. On the contrary Al-Si-N films with Si content $<$ 5 at.% were polycrystalline when as-deposited with hardness up to 22 GPa. Amorphous films with Si content approx. 40 at.% achieved excellent oxidation resistance up to 1150 °C (delta m = 0 mg/cm2 at 1150 °C) and their hardness remained almost unchanged after annealing up to 1100 °C. CuOx thin films were studied primarily because of their influence on the thermal stability of Zr-Cu-O films. Structure of the CuOx films depended on oxygen partial pressure during the deposition from the Cu target in O2 atmosphere at room temperature. It changed from Cu+Cu2O past Cu2O and Cu2O+CuO to CuO. During thermal annealing in air the Cu film were gradually oxidized to Cu2O and CuO. CuO then decomposed at 1040 °C following the reaction CuO -$>$ Cu2O + O. The aim of the experiments with the Al2O3 thin film was primarily to find the conditions at which the films crystallize. It was found that the films deposited at the substrate temperature 500 °C had the structure of gamma-Al2O3. During thermal annealing in air the gamma-Al2O3 -$>$ alpha-Al2O3 transformation started at 1050 - 1100 °C. The films had the structure of alpha-Al2O3 after dynamic thermal annealing up to 1200 °C with the heating ramp of 10 K/min. Increasing the annealing time from 0 to 5 h at 1000 °C did not result in the formation of the alpha-Al2O3 phase.

Keywords

tenké vrstvy, reaktivní magnetronové naprašování, teplotní stabilita, oxidační odolnost, žíhání ve vzduchu, Al-Si-N, CuO, Cu2O, Al2O3, gama-Al2O3, alfa-Al2O3

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 8. 2012

Accessible from:: 22. 8. 2012

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Plasma Physics and Physics of Thin Films