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

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.