РАЗДЕЛ 2.
МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК Bi2O3.
2. 1. Обоснование выбора метода получения пленок Bi2O3.
Оксиды металлов – наиболее распространённые стабильные соединения, получение
которых в обычных условиях часто не составляет больших трудностей. Наиболее
простой метод их получения – окисление чистых металлов до оксидов. Получение же
плёнок оксидов металлов - довольно сложная задача, поскольку необходимо
распылять непосредственно оксиды металлов, что зачастую просто невозможно из-за
их высокой температуры плавления, которая в большинстве случаев гораздо выше
температуры плавления самих металлов.
Термовакуумное напыление оксида висмута довольно трудно осуществить по причине
того, что расплавленный оксид висмута реагирует практически с любым материалом
тигля, кроме платины [6]. В работе Завьяловой и Имамова [57] пленки Bi2O3
получали, возгоняя в высоком вакууме порошок оксида висмута на грани скола
монокристалла NaCl, находящегося при различных температурах. Такие пленки
представляли собой смесь различных фаз.
Часто для получения пленок Bi2O3 использовался один из наиболее простых
методов, при котором осажденные пленки чистого металлического висмута
окислялись в атмосфере кислорода. Например, Шарма и Пендли [64] получали таким
образом пленки толщиной 250?600 Е, которые после отжига в течение нескольких
дней при температуре 451±5 K превращались в многофазную систему Bi2O2,33 и
b?Bi2O3. Леонтье [65] сообщает о получении таким же методом пленок
представляющих смесь BiO и Bi2O3. Пленки оксида висмута толщиной 2500 Е,
полученные окислением пленок висмута в температурном диапазоне 500?640 К, по
мнению Джерджа и Прадиба [66], имеют фазовый состав, совпадающий с составом
образцов керамики оксида висмута Bi2O3 [4]. Рентгенофазовые исследования
показали, что в зависимости от скорости нагрева и охлаждения, а также давления
кислорода получаются пленки a- или b? фаз, при чем в атмосфере с избытком
кислорода получается в основном чистая b? фаза, а в атмосфере обедненной
кислородом получается в основном a? фаза. В температурном диапазоне от 550 до
600 К всегда получается смесь a и b ? фаз. Кроме этого, авторы [66] утверждают,
что им удалось впервые получить пленки g- фазы Bi2O3. Пленки, полученные
методом окисления пленок чистого висмута довольно плохого оптического качества
и, как правило, являются смесью различных фаз оксида висмута Bi2O3.
С точки зрения получения однофазных пленок оксида висмута наиболее удачными
оказались методы ионно-плазменного распыления. Для получения простых оксидов и
нитридов металлов наиболее приемлемы методы реактивного распыления, при которых
в атмосфере активного газа распыляется чистый металл и на подложку осаждается
соединение металла и активного газа. В работе [67] производилось распыление
мишени из чистого металлического висмута в атмосфере реактивного газа- смеси
кислорода с инертным газом аргоном. Полученные этим методом пленки обладали
хорошими оптическими свойствами. Однако, поскольку скорость осаждения была
очень низка (0,5-0,2 Е/с) получались только пленки b?модификации Bi2O3.
Джордж и Прадиб [68] использовали более модифицированную технику, с применением
магнитного поля. В результате при низких (менее 20 Е/с) скоростях осаждения
пленок на подложку, нагреваемую выше 475 К, всегда получали пленки b-Bi2O3. При
высоких (более чем 35 Е/с) скоростях осаждения на подложку, нагреваемую свыше
525 К, всегда получали пленки a-Bi2O3. При температурах подложки ниже 475 К,
как правило, получались аморфные пленки.
Для напыления плёнок оксида висмута нами был выбран достаточно простой и в
тоже время хорошо контролируемый метод - метод реактивного магнетронного
распыления на постоянном токе. Данный метод примечателен тем, что мишень должна
быть металлической и при распылении чистого металла в среде активного газа
происходит его окисление. На подложку осаждается пленка соединения металла с
окислителем, которая при постоянстве режимов напыления имеет постоянный фазовый
состав. В зависимости от величины четырех параметров: силы тока магнетрона,
температуры подложки, парциального давления активного и инертного газов могут
получаться пленки различных фазовых состояний [69].
2. 2. Технология получения пленок Bi2O3.
Для получения пленок оксида висмута Bi2O3 нами использовался универсальный
вакуумный пост ВУП?5М. Данная установка содержит магнетронный блок, работающий
на постоянном токе, и позволяет напылять пленки немагнитных металлов. Для
получения пленок оксида висмута и улучшения контроля над режимами напыления
нами была произведена модернизация отдельных узлов вакуумного универсального
поста ВУП?5М. Блок-схема установки, включающая некоторые изменения, изображена
на рис. 2.1.
Для осаждения пленок оксида висмута металлическая мишень, помещенная в рабочий
объем вакуумного поста 1, распылялась при помощи магнетрона 2 на подложку 5,
закрепленную на нагреваемом подложкодержателе 3. Для поддержания необходимых
режимов напыления производился контроль температуры подложки 5 с помощью
термопары 6, а также осуществлялся контроль парциального давления газа в
рабочем объеме 1 при помощи термопарного манометрического преобразователя 13.
Необходимая скорость осаждения задавалась при помощи высоковольтного блока
питания 10, путем установления необходимой величины тока магнетрона, которая
при постоянстве давления в рабочем объеме в процессе напыления оставалась
постоянной. В процессе осаждения пленок оксида висмута производился контроль и
стабилизация основных технологических режимов процесса осаждения пленок:
температуры подложки, тока магнетрона и давления в рабочем объеме. Для
изме
- Киев+380960830922