Vysokovýkonová pulzní reaktivní magnetronová depozice vrstev oxidů a oxynitridů tantalu a zirkonia

Ing. Jiří REZEK

Doctoral thesis

Reactive high-power impulse magnetron sputtering of oxide and oxynitride films of tantalum and zirconium

Abstract:

Vysokovýkonové pulzní reaktivní magnetronové naprašování je v současné době intenzivně zkoumanou metodou pro přípravu nových tenkovrstvých materiálů na bázi oxidů a oxynitridů. Tato disertační práce se zaměřuje na přípravu tenkovrstvých materiálů ZrO2, Ta2O5, Zr-Ta-O a Ta-O-N a na vyšetřování vlivu depozičních podmínek na výbojové charakteristiky a materiálové charakteristiky připravených materiálů. Použití efektivního řízení reaktivní depozice a použití vhodné geometerie napouštení kyslíku umožňuje přípravu stechiometrických, opticky vysoce transparentních, vrstev ZrO2 a Ta2O5 při vysoké depoziční rychlosti až 140 nm/min pro ZrO2 a 345 nm/min pro Ta2O5. Připravené vrstvy vykazovaly hodnoty indexu lomu velmi blízké hodnotám uváděným pro objemové materiály, což slouží jako důkaz zahuštěnosti vrstev ZrO2 a Ta2O5. Volba geometrie napouštění kyslíku podstatně rozhoduje o depozičních charakteristikách výboje pro depozici vrstev ZrO2. Bylo ukázáno, že použití optimalizovaného napouštění O2 směrem k substrátu vede k výraznému nárůstu depoziční rychlosti stechiometrického ZrO2 (až 118 nm/min) oproti případu s použitím geometrie napouštění O2 směrem k terči (až 64 nm/min). Použití napouštění O2 k substrátu vede k menšímu počtu mikrooblouků na povrchu terče, vyšším energiím a populacím vysokoenergetických kladných iontů a naopak významně snižuje produkci vysokoenergiových záporných O- iontů. Vysokoteplotní chování oxidových vrstev na bázi ternárního systému Zr-Ta-O ukazuje, že malá příměs Ta (~ 5 at. %) do vrstev ZrO2 vede ke vzniku krystalického tuhého roztoku TaZr2,75O8, jehož struktura se nezmění ani po žíhání na 1300 °C ve vzduchu. Tato vrstva si udržuje svoji relativně vysokou tvrdost 18 GPa až do žíhací teploty 1000 °C. Přimísení malého množství Zr (~ 5 at. %) do vrstvy Ta2O5 má za následek posunutí teploty krystalizace původně nanokrystalické vrstvy z teploty 700 - 750 °C pro materiál Ta2O5 na teplotu 800 - 830 °C. Podařilo se připravit vrstvy na bázi Ta-O-N v širokém rozsahu laditelného poměru N/(N+O) ve vrstvě. To má za následek široce laditelné optické (šířka optického zakázaného pásu 0 - 4 eV), elektrické (měrná rezistivita 4,22×10-2 ohm.cm ? 6,3×1010 ohm.cm) a mechanické vlastnosti (tvrdost 5 - 19 GPa), navíc při vysoké depoziční rychlosti až 190 nm/min. Vrstvy se složením Ta27O40N31 a Ta25O40N32 vykazují posun absorpční hrany k hodnotě vlnové délky světla 500 nm, což odpovídá šířce optického zakázaného pásu 2,5 eV.

Abstract:

Reactive high-power impulse magnetron sputtering is an intensely investigated method for preparation of novel thin-film materials based on oxides and oxynitrides. In this thesis, the preparation of films based on ZrO2, Ta2O5, Zr-Ta-O and Ta-O-N is described. Moreover, the effect of deposition conditions on discharge characteristics and material characteristics was investigated. Stoichiometric, optically highly transparent, ZrO2 and Ta2O5 films were successfully prepared using an effective control system of reactive sputter deposition. Very high deposition rates were achieved (up to 140 nm/min for ZrO2 films and up to 345 nm/min for Ta2O5 films). The refractive indices of the films are very close to their bulk value. It indicates densification of the films prepared. The geometry of the oxygen inlet is a crucial factor that influences the deposition characteristics of sputter deposition of optically transparent ZrO2 films. The reactive sputter deposition of the stoichiometric ZrO2 films using an optimized to-substrate oxygen inlet configuration leads to a significant increase of the deposition rate up to 118 nm/min in comparison with the case of the reactive sputter deposition using a to-target oxygen inlet configuration (maximum deposition rate of 64 nm/min). Moreover, the use of an optimized to-substrate oxygen inlet results in a lower arcing on the target, higher energies and populations of high-energy positive ions and, on the contrary, to a significantly lower production of negative high-energy O- ions. The study of the high-temperature behaviour of oxide films based on the ternary Zr-Ta-O system reveals the formation of a TaZr2.75O8 solid solution in the case of a small admixture of Ta (5 at. %) to the ZrO2 film. The structure of this solid solution is stable during annealing up to 1300 °C in air. The relatively high hardness of this film of 18 GPa is stable during annealing up to 1000 °C. An admixture of a small amount of Zr (~ 5 at. %) to a Ta2O5 film leads to a shift of the crystalization temperature to 800-830 °C compared with a crystallization temperature of 700-750 °C in the case of a pure Ta2O5 film. Ta-O-N films with a tunable N/(N+O) ratio were prepared at high deposition rates of up to 190 nm/min. The tunable elemental composition of the films leads to tunable optical (optical band gap 0 - 4 eV), electrical (electrical resistivity 4.22×10-2 ohm.cm ? 6.3×1010 ohm.cm) and mechanical (hardness 5 - 19 GPa) properties. Furthermore, the films with the elemental composition of Ta27O40N31 and Ta25O40N32 exhibit a shift of the absorption edge to the value of the wavelength of 500 nm, which corresponds to the value of the optical band gap of 2.5 eV.

Keywords

reaktivní HiPIMS, magnetronové naprašování, ZrO2, Ta2O5, Zr-Ta-O, Ta-O-N

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 9. 2013

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Prof. RNDr. Jaroslav Vlček, CSc.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

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