Вплив параметрів радіочастотного магнетронного розпилення на структуру та характеристики тонких плівок Al та Al2O3
Анотація
У цій роботі досліджувалися структурні, морфологічні та оптичні властивості тонких плівок алюмінію (Al) та оксиду алюмінію (Al₂O₃), нанесених методом радіочастотного (РЧ) магнетронного розпилення. Плівки вирощували з використанням високочистої мішені з Al у контрольованих атмосферах, що містили різні потоки аргону (Ar) та кисню (O₂). Особливу увагу приділяли тому, як відстань між мішенню та підкладкою та співвідношення потоків Ar/O2 впливають на структурні властивості плівок, особливості поверхні та оптичну реакцію. Методи характеристики включали рентгенівську дифракцію (XRD) для ідентифікації фаз та оцінки розміру кристалітів, атомно-силову мікроскопію (АСМ) для аналізу морфології та шорсткості поверхні, а також УФ-спектроскопію для вимірювання оптичного пропускання. Результати показали, що зменшення відстані між мішенню та підкладкою призводить до отримання плівок зі збільшенням шорсткості поверхні, товщини, розміру зерен та розміру кристалітів, ймовірно, через посилене енергетичне бомбардування та рухливість адатомів. Оптичні вимірювання показали, що плівки Al2O3, вирощені при вищих швидкостях потоку O2 (близько 5 куб. см³/см³), були дуже прозорими, демонструючи значення пропускання близькі до 100% у всьому УФ-видимому діапазоні (190-900 нм). На противагу цьому, плівки, осаджені в умовах низького потоку O2 (0,6-1,4 куб. см³/см³), були майже непрозорими, що свідчить про неповне окислення або металеву поведінку. Рентгенівський дифракційний аналіз показав, що вищі потоки O2 мали тенденцію пригнічувати кристалічність, що призводило до аморфних плівок Al2O3, тоді як нижчі потоки зберігали певний ступінь кристалічного порядку. Крім того, збільшення швидкості потоку Ar під час осадження сприяло росту плівок, про що свідчить збільшення товщини плівки, що може бути пов'язано з підвищеною ефективністю розпилення та потоком атомів мішені. Ці результати підкреслюють критичну роль параметрів осадження у визначенні властивостей тонких плівок на основі Al для оптичних та електронних застосувань.
Завантаження
Посилання
F.M. Mwema, O.P. Oladijo, S.A. Akinlabi, E.T. Akinlabi, “Properties of physically deposited thin aluminium film coatings: A review”, Journal of Alloys and Compounds 747 (2018) 306-323. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.006
J. Tao, J. Liu, L. Chen, H. Cao, X. Meng, Y. Zhang, C. Zhang, L. Sun, P. Yang, J. Chu, 7.1% efficient Co-electroplated Cu2ZnSnS4 thin film solar cells with sputtered CdS buffer layers, Green Chem. 18 (2) (2016) 550-557. https://doi.org/10.1039/C5GC02057C
S. Ponmudi, R. Sivakumar, C. Sanjeeviraja, C. Gopalakrishnan, “Infuences of sputtering power and annealing temperature on the structural and optical properties of Al2O3:CuO thin films fabricated by radio-frequency magnetron sputtering technique”, Journal of Materials Science: Materials in Electronics (2019) 30:18315–18327. https://doi.org/10.1007/s10854-019-02185-0
Moonyoung Lee, et. al., “Influence of sputtering conditions on the properties of aluminum-doped zinc oxide thin film fabricated using a facing target sputtering system”, Thin Solid Films 703 (2020) 137980. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2020.137980
S. Asgary et al., “Magnetron sputtering technique for analyzing the influence of RF sputtering power on microstructural surface morphology of aluminum thin films deposited on SiO2/Si substrates”, Applied Physics A (2021) 127:752. https://doi.org/10.1007/s00339-021-04892-0
Tchenka, A., et al. (2021). Effect of RF sputtering power and deposition time on optical and electrical properties of indium tin oxide thin film. Advances in Materials Science and Engineering, 2021(1), 5556305. https://doi.org/10.1155/2021/5556305
V. Karoutsos, et al., “On the Effect of Randomly Oriented Grain Growth on the Structure of Aluminum Thin Films Deposited via Magnetron Sputtering”, Coatings 2024, 14, 1441. https://doi.org/10.3390/coatings14111441
Akhtaruzzaman, M., Shahiduzzaman, M., Amin, N., Muhammad, G., Islam, M. A., Rafiq, K. S. B., & Sopian, K. (2021). Impact of Ar flow rates on micro-structural properties of WS2 thin film by RF magnetron sputtering. Nanomaterials, 11(7), 1635. https://doi.org/10.3390/nano11071635
Jipeng Wang, et. al., “Enhanced formation of α-Al2O3 at low temperature on Cr/Al coating by controlling oxygen partial pressure”, Applied Surface Science 515 (2020) 146053. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146053
Sandager, M. K., Kjelde, C., Popok, V. (2022). Growth of thin AlN films on Si wafers by reactive magnetron sputtering: Role of processing pressure, magnetron power and nitrogen/argon gas flow ratio. Crystals, 12(10), 1379. https://doi.org/10.3390/cryst12101379
Y. Gao, H. Leiste, S. Heissler, S. Ulrich, M. Stueber, “Optical properties of radio-frequency magnetron sputtered α-(Cr1-xAlx)2O3 thin films grown on α-Al2O3 substrates at different temperatures”, Thin Solid Films 660 (2018) 439–446. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.06.053
Zhu, G., Yang, Y., Xiao, B., & Gan, Z. (2023). Evolution Mechanism of Sputtered Film Uniformity with the Erosion Groove Size: Integrated Simulation and Experiment. Molecules, 28(22), 7660. https://doi.org/10.3390/molecules28227660
Wei, Z., Shen, L., Kuang, Y., Wang, J., Yang, G., & Lei, W. (2024). The evolution of preferred orientation and morphology of AlN films under various sputtering parameters. Journal of Crystal Growth, 625, 127439. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2023.127439
A. Baptista, et. al., “Sputtering Physical Vapour Deposition (PVD) Coatings: A Critical Review on Process Improvement and Market Trend Demands”, Coatings 2018, 8, 402. https://doi.org/10.3390/coatings8110402
J. Cheng, et al., “Research on magnetron sputtering thin films as electrode materials for supercapacitors”, Chemical Engineering Journal, Volume 509, 2025. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161242
M. Singh, et. al., “Deposition and Characterization of Aluminium Thin film Coatings using DC Magnetron Sputtering Process”, Materials Today: Proceedings 5 (2018) 2696–2704. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.01.050
Y. Gao, et. al., “The process of growing Cr2O3 thin films on α-Al2O3 substrates at low temperature by r.f. magnetron sputtering”, Journal of Crystal Growth, 1 January 2017, Pages 158-163. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.08.009
J. Cheng Ding, et. al., “Low-temperature deposition of nanocrystalline Al2O3 films by ion source-assisted magnetron sputtering”, Vacuum 149 (2018) 284-290. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.01.009
K.C. Chung, Wen-Hsi Lee, “Effect of pretreatment on Al2O3 substrate by depositing Al2O3 film on the properties of Ni–Cr–Si based thin film resistor”, Materials Chemistry and Physics 234 (2019) 311–317. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.05.058
Y. Ning, et. al., “NiCrAlO/Al2O3 solar selective coating prepared by direct current magnetron sputtering and water boiling”, Solar Energy Materials and Solar Cells 219 (2021) 110807. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110807
Y. Wu, et. al., “Enhanced thermal stability of the metal/dielectric multilayer solar selective absorber by an atomic-layer-deposited Al2O3 barrier layer”, Applied Surface Science 541 (2021) 148678. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148678
P. Li, et. al., “Copper-Doped Chromium Oxide Hole-Transporting Layer for Perovskite Solar Cells: Interface Engineering and Performance Improvement”, Adv. Mater. Interfaces 2016, 3, 1500799. https://doi.org/10.1002/admi.201500799
E.B. Kashkarov, D.V. Sidelev, M. Rombaeva, M.S. Syrtanov, G.A. Bleykher, “Chromium coatings deposited by cooled and hot target magnetron sputtering for accident tolerant nuclear fuel claddings”, Surface & Coatings Technology 389 (2020) 125618. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125618
Ozen S, Senay V, “Optical, Morphological and Nano-Mechanical Properties of Chromium Oxide Thin Films Fabricated by Radio-Frequency (RF) Magnetron Sputtering”, Optik, Volume 201, January 2020, 163433. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.163433
Li, J., Ren, GK., Chen, J. et al., “Facilitating Complex Thin Film Deposition by Using Magnetron Sputtering: A Review”, JOM 74, 3069–3081 (2022). https://doi.org/10.1007/s11837-022-05294-0
Seshan, K., & Schepis, D. (Eds.). (2018). Handbook of thin film deposition. William Andrew.
J.A. Lenis, M.A. Gómez, F.J. Bolívar, “Effect of deposition temperature and target-substrate distance on the structure, phases, mechanical and tribological properties of multi-layer HA Ag coatings obtained by RF magnetron sputtering”, Surface & Coatings Technology 378 (2019) 124936. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.124936
Peiyun Yi, Weixin Zhang, Feifei Bi, Linfa Peng, Xinmin Lai, “Microstructure and properties of a-C films deposited under different argon f lowrate on stainless steel bipolar plates for proton exchange membrane fuel cells”, Journal of Power Sources 410-411 (2019) 188-195. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.10.054
Chavan, K. B., Desarada, S. V., & Chaure, N. B. (2020). Influences of substrate temperature and Ar flow on the properties of RF sputtered Mo thin films. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 31(13), 10306-10314. https://doi.org/10.1007/s10854-020-03578-2
Md. Akhtaruzzaman, et al., “Impact of Ar Flow Rates on Micro-Structural Properties of WS2 Thin Film by RF Magnetron Sputtering”, Nanomaterials 2021, 11, 1635. https://doi.org/10.3390/nano11071635
Khan, H., Yerramilli, A. S., D'Oliveira, A., Alford, T. L., Boffito, D. C., & Patience, G. S. (2020). Experimental methods in chemical engineering: X‐ray diffraction spectroscopy—XRD. The Canadian journal of chemical engineering, 98(6), 1255-1266. https://doi.org/10.1002/cjce.23747
M. Sowjanya, et al., “Impact of Ar:O2 gas flow ratios on microstructure and optical characteristics of CeO2-doped ZnO thin films by magnetron sputtering”, EPL 135 (2021) 67003. https://doi.org/10.1209/0295-5075/ac2d55
Angarita, G., Palacio, C., Trujillo, M., & Arroyave, M. (2017, June). Synthesis of alumina thin films using reactive magnetron sputtering method. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 850, No. 1, p. 012022). IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1742-6596/850/1/012022
Arif, M., & Eisenmenger-Sittner, C. (2017). In situ assessment of target poisoning evolution in magnetron sputtering. Surface and Coatings Technology, 324, 345-352. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.05.047
Авторське право (c) 2025 Р. Рамос Бласкес, Франциско Соліс-Помар, Абель Фундора, Мітчел А. Руїс-Роблес, Амілкар Фрагіельc, Едуардо Перес-Тіхерінаa
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
