Prof. dr inż. Jerzy Zdanowski Wrocław, 10.06.2014 r. ul. Żniwna 16 52-230 WROCŁAW O c e n a rozprawy doktorskiej mgr inż. Katarzyny Tadaszak pt. Badanie procesu wydajnego impulsowego rozpylania magnetronowego w atmosferze gazów reaktywnych Ogólna charakterystyka rozprawy i jej celów Rozprawa doktorska mgr inż. Katarzyny Tadaszak dotyczy reaktywnego rozpylania magnetronowego z zasilaniem impulsowym. Autorka w swych badaniach stosowała magnetrony kołowe z targetami z glinu i tytanu a także tantalu i krzemu. Procesy rozpylania prowadziła w atmosferze zawierającej argon, argon z domieszką tlenu oraz argon z domieszką azotu. Uzyskiwała cienkie warstwy stechiometrycznych i niestechiometrycznych tlenków i azotków wymienionych wyżej metali a także warstwy kompozytów złożone z tlenku lub azotku glinu z wtrąceniami metalicznego glinu. Zarówno metoda wytwarzania warstw jak i zestaw materiałów, którymi zajmowała się autorka są od wielu lat obiektem badań w nauce krajowej i światowej i rezultaty tych badań doprowadziły do zastosowań przemysłowych. Tak więc można by sądzić, że jak to jest w wielu dziedzinach techniki, zainteresowania świata nauki powinny wygasać a ewentualne dalsze badania np. w ośrodkach przemysłowych powinny owocować raczej nowymi rozwiązaniami technicznymi i patentami niż typowymi publikacjami naukowymi. W dziedzinie rozpylania magnetronowego tak nie jest w skali krajowej potwierdza to
2 realizowanie w kilku poważnych ośrodkach naukowych prac cenzusowych doktorskich i habilitacyjnych, których wyniki wzbogacają wiedzę o szczegółowych metodach, zjawiskach i produktach rozpylania magnetronowego. Do takich prac należy rozprawa doktorska mgr inż. Katarzyny Tadaszak zrealizowana w jednym z przodujących w kraju ośrodków zajmujących się rozpylaniem magnetronowym, jakim jest od lat zespół prof. Witolda Posadowskiego. Metoda rozpylania magnetronowego jest obecnie jedną z wiodących metod nanoszenia warstw cienkich. Wyparła w znacznym stopniu z rynku naukowego i przemysłowego inne metody z grupy PVD a także CVD. Do jej podstawowych zalet należy wszechstronność materiałowa i elastyczność zastosowań, możliwość nanoszenia warstw na podłoża o różnych rozmiarach i właściwościach, w tym także na podłoża wymagające niskich temperatur w procesach nanoszenia. Przy wszystkich swych zaletach metoda jest jednak kapryśna, wymaga szczególnych wysiłków dla uzyskania stabilności procesów i powtarzalności ich wyników. Dotyczy to w szczególności reaktywnego rozpylania magnetronowego, w którym nanoszeniu na podłoże warstw związków chemicznych, powstających w wyniku reakcji atomów gazu domieszkowego (aktywnego chemicznie), zachodzących w fazie gazowej i na podłożu, towarzyszyć mogą reakcje zachodzące na rozpylanej tarczy targecie. Te ostatnie powodują niepożądany efekt zatruwania targetu. Produkty reakcji na targecie w recenzowanej pracy tlenki i azotki zmieniają warunki rozpylania targetu (najczęściej obniżając wydajność rozpylania) a gdy są dielektrykami to zwiększają prawdopodobieństwo powstawania przy targecie mikrołuków mających negatywny wpływ na morfologię powierzchni targetu i na właściwości nanoszonych warstw. Poszukiwanie metod i warunków przebiegu zjawisk na targecie jest jednym z ważnych tematów badań procesu reaktywnego rozpylania magnetronowego i jedną z ważkich przyczyn stosowania zasilania impulsowego. Autorka recenzowanej rozprawy poświęciła tej problematyce znaczną część swych badań mając na celu uzyskanie wysokiej wydajności procesu rozpylania a jednocześnie zapewnienie stabilności procesu i uzyskanie możliwie prostych sposobów regulacji i stabilizacji rozpylania. Formułując tezę pracy mówiącą o możliwości realizacji wymienionych wyżej celów określiła obszar swych badań odnosząc je do nanoszenia z dużą wydajnością cienkich warstw wybranych tlenków i azotków metali metodą reaktywnego, impulsowego rozpylania magnetronowego. Przyjęła, że realizację celów osiągnie stosując rozpylanie w modzie metalicznym, gdy target nie jest pokryty produktami reakcji, lub na granicy modów metalicznego i przejściowego, gdy tylko niewielka część targetu jest pokryta produktami reakcji. Ambitne zamierzenia obejmowały też stabilne i kontrolowane otrzymywanie warstw
3 mieszanin (zrealizowała nanoszenie warstw kompozytów : tlenku glinu i glinu metalicznego oraz azotku glinu i glinu metalicznego) a także cienkich warstw o właściwościach dielektrycznych nanoszonych na podłoża o stosunkowo niskiej temperaturze. Zawartość rozprawy Krótki, dwustronicowy Wstęp do rozprawy wprowadza w zagadnienia i problemy rozpylania magnetronowego, w historię badań nad tą metodą rozpylania prowadzonych na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej a następnie przedstawia tematykę kolejnych rozdziałów rozprawy. W rozdziale zatytułowanym Charakterystyka procesu rozpylania magnetronowego autorka zawarła materiały o charakterze podręcznikowym czy literaturowym. Pierwszy podrozdział przedstawia rozpylanie magnetronowe na tle innych metod nanoszenia warstw cienkich samemu rozpylaniu magnetronowemu poświęcono tylko ok. 20% jego tekstu a więc jego tytuł jest niewłaściwy. Bardziej adekwatny do jego treści byłby tytuł Rozpylanie magnetronowe na tle innych metod nanoszenia. Do tego podrozdziału można by także włączyć zawartość podrozdziału Rys historyczny występującego samodzielnie w recenzowanym tekście. W kolejnym podrozdziale zatytułowanym Wyładowanie elektryczne w gazie rozrzedzonym zamieszczono skrótowo informacje o wyładowaniach, głównie takie, jakie są istotne dla zrozumienia zjawisk występujących w procesie rozpylania magnetronowego. Zdaniem recenzenta zbędne jest wydzielanie podtytułem ruchu cząstek naładowanych w układzie magnetronowym, tym bardziej, że autorka nie umieściła tego podtytułu w spisie treści rozprawy. W czwartym podrozdziale (2.4) omawianego rozdziału znów znajdują się informacje o rozpylaniu magnetronowym na tle innych metod osadzania warstw cienkich i zdaniem recenzenta również początkową część tego podrozdziału należało by włączyć do podrozdziału 2.1. Dopiero istniejący podrozdział 2.4.1 można by wydzielić jako podrozdział 2.3 o tytule Konstrukcje źródeł magnetronowych i metody ich zasilania. Numery 2.3.1 i 2.3.2 można by nadać podtytułom występującym w rozprawie a nie włączonym przez autorkę do spisu treści. W podrozdziale obecnym 2.5 (nowy numer 2.4) zawarto bardzo istotne dla całości rozprawy informacje o osadzaniu warstw cienkich w procesie reaktywnego rozpylania magnetronowego zdefiniowano i przedyskutowano mody pracy magnetronów,
4 przedstawiono model Berga służący do opisu zjawisk w reaktywnym rozpylaniu i określono warunki brzegowe tego modelu dla zagadnień występujących w rozprawie. Sformułowano wstępne wnioski dotyczące realizacji jednego z celów rozprawy, jakim jest uzyskanie wysokiej wydajności procesu nanoszenia warstw. W rozdziale trzecim rozprawy przedstawiono, uzyskane przy zastosowaniu odpowiedniego programu, symulacje procesu rozpylania magnetronowego z wykorzystaniem modelu Berga i wspomnianych wyżej jego warunków brzegowych. Są to w całości wartościowe wyniki prac własnych autorki. Korekty wymaga podział tego podrozdziału należy skorygować numery 3.0.4 i 3. 0. 5 zastępując je numerami 3.1 i 3.2 a także należało by nadać numery wydzielonym przez autorkę fragmentom testu tych podrozdziałów (odpowiednio 3.1.1, 3.1.2 itd.). Przedstawione w tym rozdziale analizy posłużyły określaniu wpływu parametrów procesu rozpylania na przebieg i wyniki reaktywnego rozpylania magnetronowego oraz pozwoliły sformułować zalecenia procesowe wykorzystywane w eksperymentach opisanych w dalszej części rozprawy. Krótki rozdział czwarty zawiera uzasadnienie doboru tematyki rozprawy, przedstawia jej cele i tezę. Sformułowania tych ostatnich są precyzyjne i jasne. Rozdział piąty opisuje techniczne warunki w jakich realizowane były badania. Jest tu opis stanowiska technologicznego, sposobów jego zasilania, wykonywanych w nim procesów oraz stosowanych metod kontroli i sterowania procesami. W tym rozdziale także należało by ponumerować wyróżnione przez autorkę fragmenty tekstu i wstawić ich tytuły do spisu treści. Rozdział szósty ma tytuł wyraźnie zawężony w stosunku do zawartych w nim treści. Tytułowa emisja elektronów wtórnych (ISEE) dotyczy faktycznie jego pierwszego podrozdziału. Dalsza, większa część rozdziału zawiera przedstawienie wyników prac eksperymentalnych autorki dotyczących rozpylania w obecności gazów aktywnych chemicznie, oczywiście także wpływu ISEE na przebieg procesu rozpylania glinu, krzemu, tantalu i tytanu. W podsumowaniu tego rozdziału autorka pisze podjęto próbę opisu zjawisk zachodzących w trakcie procesu reaktywnego rozpylania różnych materiałów. Badano wpływ gęstości mocy wydzielanych w targecie oraz składu atmosfery procesu na charakterystyki elektryczne rozpylania i jest to dobry opis najważniejszych treści tego rozdziału i wniosków z prac autorki o znaczeniu poznawczym i zastosowaniu praktycznym. Rozdział siódmy przedstawia wyniki prac własnych autorki badań wpływu parametrów procesu rozpylania na dynamikę osadzania cienkich warstw związków. Podstawowym celem tych badań było osiągnięcie dużej wydajności procesu osadzania. Są tu badania wpływu grubości targetu (a właściwie odległości powierzchni rozpylanej od znajdujących się pod
5 targetem nabiegunników układu magnetycznego), wpływu dynamicznego pogłębiania wytrawionego obszaru targetu i zmian kształtu tego obszaru, wpływu mocy efektywnej, odległości target-podłoże i ciśnienia gazów. W badaniach jako wygodną miarę mocy występujących w układzie stosowano moc krążącą. Powyżej wymienione badania pozwoliły sformułować wnioski dotyczące doboru parametrów procesu rozpylania pod kątem maksymalizacji wydajności procesu. Rozdział ósmy rozprawy (najdłuższy jej rozdział) to głównie wyniki badań i pomiarów wielkości charakteryzujących właściwości warstw związków i kompozytów, uzyskanych przez autorkę za pomocą opracowanych w ramach rozprawy metod wydajnego reaktywnego rozpylania magnetronowego. Przedstawiono w nim obiekty i metody pomiarowe wykorzystywane w badaniach, m.in. metodę spektroskopii impedancyjnej. Opisano procedury otrzymywania badanych warstw. Zamieszczono wyniki badań morfologii, właściwości elektrycznych i optycznych warstw. Przedstawiono elektryczne układy równoważne wykonanych struktur, przeanalizowano elementy tych układów otrzymane na podstawie pomiarów widm impedancyjnych. Ostatni, dziewiąty rozdział rozprawy to podsumowanie wyników badan i wnioski końcowe. W klarowny i precyzyjny sposób autorka przedstawiła tu najważniejsze uzyskane przez siebie wyniki i najważniejsze swoje osiągnięcia. Recenzent w pełni akceptuje zawarte w nim treści i uważa, że zrealizowane zostały cele rozprawy i potwierdzona jej teza. Dobór badanych materiałów, wybór metod i ustalenie szczegółowej metodyki nanoszenia, wykonanie programu badań charakteryzujących otrzymane związki i kompozyty stanowi o wartości uzyskanych wyników i ich znaczeniu poznawczym i praktycznym. Uwagi krytyczne Wymienione niżej uwagi krytyczne należy rozważać biorąc pod uwagę, że : - są to głównie uwagi dotyczące strony edycyjnej pracy, a nie jej zawartości merytorycznej, - recenzent przywiązuje ogromną wagę do poprawności językowej (zgodności z zaleceniami słowników poprawnej polszczyzny) i jasności sformułowań będąc zdania, że pracom cenzusowym (doktorskim, habilitacyjnym czy tzw. książkom profesorskim) należy stawiać szczególnie ostre wymagania; jest więc regułą, że recenzując takie prace zgłaszam do nich bardzo wiele uwag, niekiedy bardzo szczegółowych, niekiedy też dyskusyjnych.
6 Recenzowana rozprawa nie stanowi pod tym względem wyjątku a jej strona edycyjna jest na pewno gorsza od strony merytorycznej, naukowej. Już z poprzednich fragmentów recenzji widoczne jest, że recenzent zgłasza wiele uwag (niekiedy dyskusyjnych) do układu rozprawy, jej podziału na rozdziały i podrozdziały, do systemu ich numeracji, a raczej braku numeracji. Tak więc spis treści rozprawy jest chyba najbardziej krytykowanym fragmentem rozprawy. Zamieszczenie w rozprawie spisu akronimów i spisu symboli zasługuje na uznanie, ich zawartość jednak jest zbyt skromna. Spisy akronimów i symboli należało by uzupełnić o te, które występują kilkakrotnie we wzorach i nie wszędzie są objaśniane (np. AC, DC, RF na str.14; Z,R na str.21; Ym, Yc, αc, i αt na str.33; Rn, Qn na str.85) Bibliografia rozprawy jest obszerna i obejmuje zarówno pozycje źródłowe o charakterze historycznym jak i prace najnowsze. Recenzentowi nie udało się znaleźć w tekście cytowań kilku pozycji bibliografii (20, 39, 59). Z ponad 400 zauważonych usterek połowa dotyczy błędów typowych, takich jak: - systematyczne stosowanie w środku zdania, np. przy cytowaniu w nawiasach, nieprawidłowego zapisu zaczynającego się dużą literą np. (Rys.12), (Tab.2) jak to jest stosowane w literaturze anglojęzycznej, - nadużywanie i niewłaściwe stosowanie określeń pomiędzy, poprzez i posiadają, - stosowanie słowa ilość w miejsce prawidłowego liczba, - nadużywanie i stosowanie niezgodnie ze słownikami poprawnej polszczyzny słowa przypadek w miejsce prawidłowego wypadek. Na zakończenie tej części recenzji pragnę przytoczyć kilka uwag szczegółowych dotyczących m.in. stosowanej nomenklatury, rysunków zamieszczonych w rozprawie. s.7 w tekście brak powołania na rys. 2.3, s.25 w.5 od dołu niewłaściwe sformułowanie zmniejszenie szybkości natężenia przepływu gazu, s.26 w.10-9 od dołu czy właściwe w odniesieniu do modelu Berga jest użycie pojęcia w obszarze powierzchni materiału rozpylanego zamiast na powierzchni, s.28 w.6 od dołu występujące tu wielkości teta dotyczą elementów powierzchni a nie związanych i niezwiązanych atomów targetu, s.29 w.13-12 niejasne sformułowanie stechiometryczny związek jest określony stosunkiem frakcji, w.4-3 od dołu niewłaściwa zbitka pojęć związek stechiometryczny Qc/1-Qc,
7 s.30 w.15-12 od dołu niewłaściwe określenie związku przyczynowego prawdopodobieństwo otrzymania zależy od wartości wielu parametrów, między innymi od względnie małej powierzchni obszaru rozpylania Ac/At, s.41 w.11 od dołu lepiej rozpylanych targetów metalicznych, s.48 w.2 zamiast konstrukcja zasilacza składa się lepiej zasilacz składa się, s.65 w.4-5 - niewłaściwa zbitka pojęć charakterystyki napięcia wyładowania, s.69 w.20 zamiast rażącego sformułowania z dodatkowym dejonizowaniem atmosfery powinno być z dodatkową jonizacją gazów składowych atmosfery, s.70 w.4 błędne sformułowanie maksymalną grubość targetu DTmin, s.81 w.6 tekstu lepiej Podjęto próby wykorzystania otrzymanych warstw w wybranych zastosowaniach wyeliminuje się w ten sposób żargonowe aplikacje, s.94 Rys.8.21 niejasny opis osi rzędnych, s.95 w.3 nad rys. 8.22 niewłaściwe sformułowanie Przeźroczystość oraz kolor warstw zmniejszały się i lepiej barwa (techniczne) niż kolor (potoczne). Wnioski Recenzowana rozprawa ma charakter eksperymentalny a zakres i staranność realizacji i opisu eksperymentów własnych autorki zasługują na uznanie. Wnikliwość podejścia do wyników eksperymentu i umiejętność prawidłowego wyciągania wniosków świadczą o wysokim poziomie wiedzy i umiejętności autorki rozprawy. W pełni zrealizowany program, przedstawiony w rozdziale opisującym cele i tezę rozprawy, stanowi o jakości pracy jako rozprawy doktorskiej. Tematyka rozprawy jest nowoczesna, mieści się w intensywnie rozwijanym nurcie badań światowych. Rozprawa zawiera wyniki oryginalne, których część jest już opublikowana i które powinny być dalej publikowane. Mimo dość krytycznego poglądu recenzenta na edycyjną jakość rozprawy należy uznać, że pod tym względem nie ustępuje ona wielu pracom cenzusowym i że o całościowej ocenie pracy zadecydować musi wysoce pozytywna ocena jej wartości merytorycznej. W świetle powyższych argumentów uważam, że mgr inż. Katarzyna Tadaszak w pełni zasługuje na nadanie jej stopnia doktora nauk technicznych w dyscyplinie elektronika oraz że spełnia ona wszystkie wymagania stawiane przez obowiązującą Ustawę o stopniach naukowych i tytule naukowym. Jerzy Zdanowski
8