Высокочастотный индукционный разряд для получения двухслойных просветляющих покрытий

УДК 621.7.043, 621.317.727.1

Р. Т. Галяутдинов, Н. Ф. Кашапов

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ РАЗРЯД ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДВУХСЛОЙНЫХ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ

Ключевые слова: низкотемпературная плазма, высокочастотный индукционный разряд, пзамотрон,

просветляющие покрытия

Метод нанесения оптических покрытий с помощью струйной низкотемпературной плазмы пониженного давления позволил синтезировать пленки SiOx с требуемым показателем преломления и выполнить условие нулевого отражения для двухслойных просветляющих покрытий.

Key words: low-temperature plasma, high-frequency induction discharge, pzamotron, antireflection coatings

Method of applying optical coatings using low temperature plasma jet reduced pressure allowed the synthesis of SiOx films with the desired refractive index and the condition of zero reflection for a two-layer antireflection coatings.

Введение

Плазменные технологии являются перспективными в процессах изготовления оптических покрытий с заданными характеристиками, так как позволяют управлять показателем преломления пленок [1-3]. Тонкопленочные оптические покрытия, полученные с помощью струйной низкотемпературной высокочастотной индукционной (ВЧИ) плазмы при пониженном давлении имеют ряд новых свойств по сравнению с покрытиями, полученные традиционными методами. Плазменные методы получения тонкопленочных покрытий в условиях динамического вакуума позволяют совмещать процесс испарения пленкообразующего материала с ионизацией и возбуждением атомов, а также формировать направленный поток частиц и транспортировать их на поверхность подложки. Наличие протяженного транспортного участка дает возможность управлять физико-химическими процессами и составом осаждаемого вещества [4]. Таким образом, струйная плазменная ВЧ-технология напыления в динамическом вакууме дает возможность изготовить покрытии с заданным показателем преломления.

Экспериментальная часть

Тонкопленочные оптические покрытия наносились на плазменной установке, изготовленной на базе промышленной вакуумной установки ВУТП [4]. В состав струйной ВЧИ-установки входят: высокочастотный генератор, ВЧИ-плазмотрон, система откачки, система газоснабжения, вакуумная камера, в которой находится карусельное устройство с обрабатываемыми деталями, диагностическое оборудование. Рабочий газ или смесь подается в плазмотрон из системы газоснабжения. Нагрев и ионизация рабочего газа в плазмотроне осуществляются высокочастотным электромагнитным полем индуктора, подключенного к ламповому ВЧ-генератору. Обрабатываемая деталь закреплена в карусельном устройстве так, что плазменная струя, выходящая из плазмотрона в вакуумную камеру, омывает поверхность детали. Система откачки удаляет отработанные газы из вакуумной камеры и обеспечивает необходимое давление в вакуумной камере. Давление в вакуумной камере контролируется мембранным манометром. Аксиальная подача распыляемых материалов в поток плазмы минимально нарушает газодинамическую структуру потока, а значит, обеспечивает изотропность условий транспортировки и осаждения покрытий. Тугоплавкие стержни диаметром 4 - 6 мм аксиально по потоку подаются к верхнему витку индуктора. Вследствие плохой теплопроводности этих материалов, разогрев и испарение их максимальны на торце стержня, что позволяет длительно проводить процесс напыления, вводя в разряд новые участки стержня по мере его расхода.

Конструкция ВЧИ-плазмотрона представлена на рис. 1. Основными частями плазмотрона являются индуктор 1 и разрядная камера 3. Индуктор представляет собой трехвитковую катушку диаметром 0,054 м и длиной 0,07 м, изготовленную из медной трубки диаметром 0,008 м, охлаждаемую

протекающей по ней водой. Он закрепляется на специальном кронштейне, который позволяет перемещать индуктор вдоль разрядной камеры. Разрядная камера и рубашка охлаждения 4 представляют цельносварную конструкцию, состоящей из двух коаксиальных кварцевых трубок с протекающей между ними охлаждающей водой. Плазмотрон крепится в отверстии базовой плиты 5 при помощи фланца 7. Для герметизации используется уплотнительное кольцо 6 из вакуумной резины.

Рис. 1 - Плазмотрон для получения ВЧИ разряда в динамическом вакууме: 1 - индуктор, 2 -устройство перемещения индуктора, 3 - разрядная камера, 4 - рубашка охлаждения, 5 - базовая плита, 6 - уплотнительное кольцо, 7 - прижимной фланец, 8 - упрощенная схема системы подачи плазмообразующего газа и напыляемого материала

Система питания плазмотрона рабочим газом состоит из баллона со сжатым газом, редуктора для понижения давления, образцового манометра и ротаметра РМ-0,4Г для определения расхода газа. Игольчатый натекатель позволяет точно регулировать расход газа. Система откачки обеспечила стабильный расход рабочего газа. В нее входят агрегат вакуумный АВР-50, вакуумные вентили, трубопроводы, вакуумные шланги. Двухступенчатый вакуумный агрегат АВР-50 представляет собой последовательное соединение двух насосов: пятилитрового насоса вакуумного пластинчато-роторного НВР-5Д и двухроторного вакуумного насоса ДВН-50. Вакуумный агрегат обеспечивает скорость откачки равную 50 л/с. Давление в вакуумной камере регулируется расходом плазмообразующего газа, количеством одновременно работающих насосов и вакуумными вентилями.

Для нанесения покрытий использовались плазменные потоки в стационарном режиме ВЧИ-разряда с расходом газа при варьировании входных параметров в следующих пределах. Потребляемая мощность - от 2 до 10 кВт, рабочее давление - от 20 до 200 Па, расход плазмообразующего газа - от 0 до

0,1 г-с-1, частота генератора 1,76 МГц, в качестве рабочего газа использовался Аг. Это соответствует изменению внутренних характеристик разряда и плазменной струи — пе = 1015 - 1019 м-3, Рр = 0,1 - 4 кВт,/ =15-25 А-м-2, = 10 - 30 эВ, qт = 5 - 102 - 5 - 103 Вт-м-2, где пе — концентрация электронов, Рр —

мощность разряда, ]} — плотность ионного тока поступающего на поверхность, W — энергия ионов, qт

— плотность теплового потока.

Оптические покрытия наносились на подложки из кварца марки КВ диаметром 20 мм толщиной 2-3 мм, которые устанавливались в держателе на срезе плазмотрона. Из вакуумной системы производилась предварительная откачка до давления 0,1 Па. В разрядную камеру ВЧИ плазмотрона подавался плазмообразующий газ, который в области индуктора нагревался до состояния плазмы и нагревал подложки. Необходимая температура достигалась путем постоянного увеличения мощности,

вкладываемой в разряд до заданной величины, и достигала 623 - 673 К. При этом вкладываемая в разряд мощность составляла 2,4 кВт. Индуктор с помощью устройства перемещения медленно опускался вниз и торец стержня из оксида кремния 8102 оказывался в центре сгустка плазмы. Тугоплавкий оксид кремния вследствие низкой теплопроводности разогревался и испарялся максимально на торце стержня, что давало возможность длительно непрерывно производить процесс испарения. Нагрев плазмой позволял перевести материал в парообразное состояние. Пары испаряемого вещества плазменной струей транспортировались до подложек и осаждались на них. Состав пленки варьировался изменением величины расхода Аг и расстоянием от испаряемого вещества до подложки. Оптические толщины наносимых слоев оксидов кремния контролировались системой фотометрического контроля толщины. По окончании напыления испаряемое вещество выводилось из сгустка плазмы.

Результаты и обсуждения

Спектральные и оптические исследования потока ВЧИ-плазмы при давлениях более 10 Па показали диссоциацию оксидов кремния 8Ю2 непосредственно над поверхностью испарения. С возрастанием давления аргона в камере скорость испарения материалов резко увеличивается, что сопровождается ростом интенсивности излучения компонентов пара и одновременным ослаблением излучения атомов аргона. На спектрах исчезают полосы молекул кислорода. Состав паровой фазы оксидных пленок непостоянен по длине транспортного участка и изменяется в зависимости от расстояния до точки испарения.

На рис. 2 показано распределение атомов и молекул вдоль оси разрядной камеры при напылении 8Ю2 (в относительных единицах). В сечении, соответствующем верхнему витку плазмотрона молекулы 8Ю2 полностью диссоциированы на атомы 81 и 0. На расстоянии

0,005-0,01 м от верхнего витка индуктора происходит образование 8Ю. В составе конденсата присутствуют, в основном, атомарные продукты (чистый 81), а так же низшие оксиды кремния 8ЮХ. На расстоянии более 0,04 м от верхнего витка индуктора моноокись кремния, присоединяя атом кислорода, начинает превращаться в двуоксид кремния, что ведет к уменьшению содержания одновременно, как молекул 80, так атомов и молекул кислорода в потоке плазмы. По мере удаления от области индуктора доля оксидной фазы увеличивается и для расстояний 0,18 - 0,25 м состав пленки соответствует составу исходного

пленкообразующего материала 8Ю2. Таким образом, наличие протяженного транспортного участка дает возможность управлять составом паровой фазы и составом конденсата оксида кремния 8Юх.

Рис. 2 - Распределение концентрации атомов и молекул в ВЧИ-плазме в процессе напыления ЭЮ2 в аргоне. Значение 7 = -80 мм соответствует верхнему витку индуктора, 7 = 0 - срезу плазмотрона. Рр = 1,3 кВт, О = 0,04 г/с, р = 133 Па, f = 1,76 МГц. 1 - О, 2 - в1, 3 - ЭЮ, 4 - БЮ2

Таким образом, анализ качественного состава спектров при напылении оксидов показывает:

1) увеличение скорости испарения материалов при постоянном давлении аргона Раг приводит к увеличению интенсивности излучения компонентов пара с одновременным ослаблением интенсивности излучения атомов аргона по всей длине потока;

2) с увеличением расстояния от поверхности испарения происходит относительное увеличение интенсивности молекулярных полос оксидов по сравнению с интенсивностью атомарных линий.

Формирование пленок, полученных с помощью ВЧИ-плазмотрона в условиях динамического вакуума, происходит при следующих характерных условиях:

1. Высокая концентрация инертного газа у поверхности подложки.

2. Наличие вязкостного потока, осуществляющего доставку пара к подложке и отвод неконденсирующихся продуктов.

3. В процессе роста поверхность пленки подвергается непрерывной бомбардировке ионами с энергией от 1 до 30 эВ.

4. Температура поверхности подложки в процессе конденсации составляет 470-650 К.

5. Высокие температуры испарения материалов и энергии заряженных частиц в потоке способствуют диссоциации сложных молекул на транспортном участке, причем диссоциация преобладает над синтезом.

В связи с перичисленными условиями формирование пленок состав и строение пленок 8ЮХ, полученных с помощью струйного ВЧИ-плазмотрона низкого давления, описывается моделью макроскопической смеси: отдельные кластеры А (81) диспергированы в матрицу диэлектрика В (8Ю2). Двухкомпонентную (А и В) смесь неоднородного покрытия можно описать несколькими типами микроструктуры. В первом случае отдельные кластеры А диспергированны в матрицу диэлектрика В.Степень окисления синтезируемых пленок описывается фактором заполнения q = 4лЫа /3 - частью объема, который занимают поглощающие кластеры, где N - число хаотически распределенных в единице объема однородных металлических сфер радиусом а. Если частицы с комплексной диэлектрической проницаемостью 8а находятся в среде с диэлектрической проницаемостью 8в, то имеет место следующее соотношение Максвелла Гарнетта:

8 —8в 8а —8в /А\

в = ^_а—^

8МС + 28в ' 8а + 28в

МО

Из соотношения (1) следует, прежде всего, что диэлектрическая постоянная смеси 8 зависит от оптических характеристик веществ и от фактора заполнения q. Это дает возможность оценить комплексный показатель преломления пленок 8ЮХ в зависимости от степени окисления.

Изменение величины q приводит к изменению комплексного показателя преломления п. Чтобы получить требуемое значение п достаточно изготовить пленку с заданной степенью окисления (или заданным фактором заполнения q). Наличие протяженного транспортного пути у струйного ВЧИ-плазмотрона пониженного давления позволяет точно контролировать величину поглощения покрытия.

Чтобы подавить до нуля отражение от кварцевой подложки с показателем преломления п5 = 1,44 необходима просветляющая пленка с показателем преломления П1 = п51/2 = 1,22. Прочных и долговечных покрытий с таким показателем преломления не существует. Наиболее подходящим является покрытие из фтористого магния с показателем преломления 1,38, которое уменьшает отражение от чистой поверхности кварца с 3,2% до 1,9%. Эффективность такого просветляющего покрытия мала.

Проблема подавления отражения от материалов с низким показателем преломления решается применением покрытий из двух или более слоев. Для двухслойного покрытия с четвертьволновыми оптическими толщинами условие нулевого отражения имеет вид [5]:

2 2

П12  ns = П22  По ,

где По , П1, П2 и П5 показатели преломления воздуха, верхней пленки, пленки прилегающей к подложке и самой подложки. Соответствующее решение нулевого отражения в заданной точке спектра для подложки из кварца и внешнего слоя с П1 = 1,44 (пленка 8Ю2) находится из уравнения (2). Данному решению соответствует прилегающий к подложке четвертьволновый слой с показателем преломления П2 = 1,73. Таким образом, для получения нулевого отражения для кварцевой подложки в заданной точке спектра предлагается применить двухслойное покрытие с показателем преломления П2 = 1,72 - 1,73, которое изготавливается распылением оксида кремния с помощью никотемпературной плазмы ВЧИ разряда при пониженном давлении.

Двухслойное просветляющее покрытие 8Ю2 - 8ЮХ получали следующим образом. Подложки, представляющие собой круглые плоскопараллельные полированные диски из кварца марки КВ, очищались этиловым спиртом и помещались в вакуумную плазменную установку над верхним срезом плазмотрона. Предварительно поверхность обрабатывали плазменным потоком в течение 10 минут при следующих режимах: частота генератора 1,76 МГц, ток анода лампы ¡д = 1,0 - 1,3 А, ток сетки 1С1 = 100 - 150 мА, напряжение на сетке ис2 = 200 - 220 В, расход плазмообразующего газа Аг 0=0,07 - 0,08 г/с, давление р = 50 -80 Па, расстояние до верхнего витка индуктора равно 120 - 150 мм. В процессе обработки температура подложки достигала 250 - 3000С, поверхность очищалась и полировалась. Затем в зону плазмы подавался распыляемый материал (оксид кремния). Процесс напыления проходил в течение 10 минут при следующих режимах: ток анода лампы ¡д = 1,0 - 1,3 А, ток сетки ¡с1 = 140 - 190 мА, напряжение на сетке ис2 = 140 - 200 В, расход плазмообразующего газа Аг О = 0,07-0,08 г/с, давление р = 50 - 80 Па, расстояние до верхнего витка индуктора равно 150-220 мм. Это соответствует изменению внутренних характеристик плазменной струи

— Пе = 1015 - 1019 м-3, Рр = 0,1 до 4 кВт, ], =15 - 25 А-м-2, Щ = 10 - 30 эВ, qт = 5-102 - 5-103 Вт-м-

2, где Пе — концентрация электронов, Рр — мощность разряда, ji — плотность ионного тока поступающего на поверхность, Wi — энергия ионов, qт — плотность теплового потока. Слой оксида кремния 8Ю2 осаждался на подложку при расстоянии до индуктора равном 200 -220 мм. Слой 8ЮХ осаждался на расстоянии от индуктора равном 170 - 190 мм со скоростью 5-10 А/с. Толщины слоев контролировались по отраженному сигналу от рабочего образца на контрольной длине волны. В точках достижения экстремума для каждого слоя напыление прекращалось.

Синтезированное двухслойное покрытие 8Ю2- 8ЮХ представлено на рис. 3. Коэффициент отражения полученного просветляющего покрытия в области спектра 1,35 -1,65 мкм имел величину менее 0,5%.

Рис. 3 - Коэффициент отражения двухслойного просветляющего покрытия БЮ2- ЭЮх, 1-расчет, 2 - эксперимент

Заключение

Таким образом, метод получения оптических покрытий с помощью струйной ВЧИ плазмы пониженного давления позволил синтезировать пленку 8ЮХ с требуемым показателем преломления для выполнения условия нулевого отражения для двухслойного просветляющего покрытия 8Ю2- 8ЮХ.

Литература

1. Галяутдинов, Р. Т. Оптические характеристики тонкопленочных покрытий, полученных с помощью струйной плазмы высокочастотного индукционного разряда пониженного давления / Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов // Прикладная физика.- 2003.- № 5.- С. 55 - 62.

2. Галяутдинов, А.Р. Состав и структура пленок оксида титана, полученных методом магнетронного распыления / А.Р. Галяутдинов, Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов // Прикладная физика.-2007.- № 6.-С.108-111.

3. Галяутдинов, Р.Т. Аномальный тлеющий разряд в высоком вакууме в процессе изготовления высокоотражающих стоматологических зеркал / Р.Т. Галяутдинов, М.В. Елхин, Н.Ф. Кашапов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010.- № 2. - С. 335-339.

4. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов.- Казань: Изд-во Казанс. ун-та, 2000.- 348 с.

5. Кокс, Дж.Т. Просветляющие покрытия для видимой и инфракрасной области спектра /Дж.Т. Кокс, Г.Хаас // - В кн.: Физика тонких пленок. - М.: Мир, 1967. Т.2. - С. 186-253.

© Р. Т. Галяутдинов - канд. техн. наук, доц. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КГТУ, raf7g@mail.ru; Н. Ф. Кашапов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КГТУ, kashnail@mail.ru;