Si(001)基片上反应射频磁控溅射ZnO
薄膜的两步生长方法
*
谷建峰 刘志文 刘 明 付伟佳 马春雨 张庆瑜
(大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,大连 116024)
(2006年8月9日收到;2006年10月31日收到修改稿)
利用反应射频磁控溅射技术,采用两步生长方法制备了Zn O 薄膜,探讨了基片刻蚀时间和低温过渡层沉积时间对ZnO 薄膜生长行为的影响.研究结果表明,低温ZnO 过渡层的沉积时间所导致的薄膜表面形貌的变化与过渡层在Si(001)表面的覆盖度有关.当低温过渡层尚未完全覆盖基片表面时,ZnO 薄膜的表面岛尺度较小、表面粗糙度较大,薄膜应力较大;当低温过渡层完全覆盖Si(001)基片后,Zn O 薄膜的表面岛尺度较大、表面粗糙度较小,薄膜应力较小.基片刻蚀时间对薄膜表面形貌的影响与低温过渡层的成核密度有关.随着刻蚀时间的增加,ZnO 薄膜的表面粗糙度逐渐下降,表面形貌自仿射结构的关联长度逐渐减小.
关键词:ZnO 薄膜,反应射频磁控溅射,两步生长,形貌分析PACC :6855,6810J,6116P,7280E
*国家自然科学基金(批准号:10605009)资助的课题. 通讯联系人.E -mail:qyzhang@https://www.doczj.com/doc/3a12085839.html,
1 引言
ZnO 作为宽带半导体材料,具有良好的光电、压电和气敏特性,在发光二极管、光探测器、声表面波器件及气敏传感器等诸多领域有着广泛的应用
[1 5]
.自从Tang 等[6]
报道了ZnO 薄膜的近紫外受
激发射现象以后,ZnO 成为当今半导体材料领域的一个研究热点
[7,8]
.在目前的ZnO 材料研究中,高质
量ZnO 薄膜的制备是人们关注的重点问题之一.为了改善ZnO 薄膜的质量,各国学者对各种薄膜合成技术中的ZnO 薄膜生长行为进行了广泛研究,并取得了一些重要的进展.例如,Chen 等[9]
发现以MgO
作为过渡层有利于ZnO 薄膜在(001)取向的Al 2O 3
基片上层状生长;Ko 等
[10]
在研究Zn O 原子比对等
离子体辅助下ZnO 分子束外延生长行为的影响中发现ZnO 薄膜的生长是受气氛中的O 浓度所控制的,并给出了生长过程中ZnO 表面重构结构变化的相图.
反应射频磁控溅射是一种大面积、低成本的薄膜制备技术,有着广泛的应用.近年来,通过各国学者的不断努力,反应射频磁控溅射沉积的ZnO 薄膜
实现了室温光致荧光发射[11 13]
,使得这一技术受到
ZnO 研究领域的关注.在以前的研究工作中[14]
,我们发现反应射频磁控溅射沉积的ZnO 薄膜与Si (001)基片之间存在确定的外延生长关系.我们认为,ZnO 在Si(001)基片上的外延生长与Si(001)表面的(2 1)重构有关.Si(001)表面(2 1)重构的键
能约为0 32 0 46eV [15]
,因此沉积温度对表面重构的影响较大.我们还发现,较低温度下沉积的ZnO 薄膜,其晶粒不仅具有高度的c 轴择优取向,而且晶粒之间的平面取向接近,呈现出明显的织构特征,
有利于通过高温退火方法熔结成更大的晶粒[14]
.光学特性的研究结果表明[16]
,700 左右沉积的ZnO 薄膜质量较好,可以观察到室温光致荧光发射.基于以上实验结果,我们提出了在Si(001)基片上沉积ZnO 薄膜的两步生长方法,即在室温或较低的沉积温度下首先生长一层ZnO 过渡层,然后通过原位高温退火,使低温沉积的ZnO 薄膜的晶粒进一步长大,最后在750 下制备ZnO 薄膜,以达到进一步改善薄膜质量的目的.本文采用反应射频磁控溅射技术,采用两步生长方法制备了具有高c 轴取向的ZnO 薄膜.利用X 射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AF M)等分析手段对薄膜的结构、应力状态和表面形貌进行了表征,探讨了基片刻蚀时间、低温ZnO
第56卷第4期2007年4月1000-3290 2007 56(04) 2369-08
物 理 学 报
AC TA PHYSIC A SINICA
Vol.56,No.4,April,2007
2007Chin.Phys.Soc.
过渡层的生长时间对ZnO薄膜生长行为的影响.
2.实验与表征
ZnO薄膜的制备是在JGPG-450型射频磁控溅射仪上进行的.实验中选择金属Zn作为溅射靶,溅射靶直径为60mm,厚为3mm,纯度优于99 99%. ZnO薄膜沉积采用n型Si(001)基片,厚度为525 m,电阻率大于500 cm.Si基片清洗处理的方法如下:将Si片放入丙酮、乙醇、去离子水中分别用超声波清洗5min,再在体积比为3 1的H2SO4+H3PO4的溶液中浸泡20h,去除Si基片表面的油污及其他污染物,然后在5%的HF酸溶液中进行刻蚀,以便剥离掉Si基片表面的本征氧化层,最后经去离子水冲洗,用干燥N2气吹干后快速放入真空室.为了探讨基片刻蚀时间对ZnO薄膜生长行为的影响,刻蚀时间分别设定为0 5,1,2和3min.
ZnO薄膜沉积是在Ar和O2混合气氛下进行的,Ar和O2气体的纯度均为99 999%.真空室的本底真空度为6 0 10-4Pa.溅射过程中的工作气压为0 5Pa,Ar和O2表观体积流率分别为20和19 c m3 min.Si基片与溅射靶之间的距离为70mm,溅射靶的射频输入功率为80W.在薄膜的制备过程中,样品台以4 8 s的速度自转以保证沉积薄膜的均匀性.为了探讨低温沉积时间对高温ZnO薄膜生长行为的影响,低温沉积时间分别设定为0,10,20和30min.低温沉积时,基片未进行加热,基片的实际温度约为50 .低温沉积完成以后,将基片原位加热至800 ,进行真空退火1h.最后,在750 的基片温度下沉积ZnO薄膜3h.
ZnO薄膜的生长形貌分析是在Digital a型AF M上完成的.AF M分析采用接触式扫描模式,所选取的扫描范围分别为8 m 8 m,4 m 4 m,2 m 2 m,1 m 1 m和0 5 m 0 5 m,以研究不同扫描范围内的表面形貌特征.XRD分析是在D MAX-2400型衍射分析仪上进行的,X射线源为Cu K 辐射,波长 =0 15418nm.
3 结果及分析
3 1 低温沉积时间对ZnO薄膜生长的影响
图1是采用两步生长方法沉积的ZnO薄膜的表面形貌,低温沉积时间t1分别为0,10,20和30min,基片的刻蚀时间为1min.从图1可以看出,t1不同ZnO薄膜的表面形貌也明显不一样.当没有低温过渡层时,ZnO薄膜的表面岛密度较大,尺寸较小.此时的表面岛主要呈现出两种形貌特征:光滑的竹笋状表面岛和相对粗糙的多边形表面岛,分别如图1 (a)中A,B所示.竹笋状表面岛的尺寸相对较小,但平均高度较高;而多边形表面岛的表面相对平坦,部分表面岛的表面存在一些凹坑和沟槽.定量分析表明:竹笋状表面岛的斜面与扫描平面之间的夹角在30 左右,多边形表面岛的表面与扫描平面之间夹角一般小于3 .这说明竹笋状表面岛与多边形表面岛的生长行为是不同的.
当低温沉积时间t1为10min时,竹笋状表面岛(图1(b)中A所示)的比例明显增加,岛尺度虽然有所增加,但不是很明显,说明低温过渡层对ZnO薄膜生长的影响较小.当t1为20min时,ZnO薄膜的表面形貌发生了明显改变,竹笋状表面岛的比例显著减少,相对粗糙的表面岛变成不规则形状,岛尺度明显增加.同时,我们注意到不规则形状表面岛的表面特征也有所变化,岛表面与扫描平面之间的夹角有所增加.t1为30min的ZnO薄膜表面形貌与20 min类似,说明低温过渡层的沉积时间超过20min 以后,过渡层对薄膜生长行为的影响基本相同.
我们认为,低温过渡层的沉积时间所导致的薄膜表面形貌的变化与过渡层在Si(001)表面的覆盖度有关.在反应射频磁控溅射ZnO薄膜的成核及生长行为研究中[17],我们发现ZnO薄膜在Si(001)表面的成核过程可大致分为三个阶段,形成完全覆盖的连续薄膜所需要的时间比较长.两步生长方法所制备的ZnO薄膜形貌分析结果表明,当t1为10min 时,ZnO在Si(001)表面尚未完全覆盖,呈孤立的表面岛分布.在随后的高温退火过程中,这些孤立分布的表面岛不能熔结成面积较大的晶粒,因此,对随后的高温生长影响较小,与没有低温过渡层的ZnO薄膜生长行为类似.当t1大于20min以后,低温过渡层已经基本上覆盖了Si(001)基片,在随后的高温退火过程中,平面取向接近的ZnO晶粒可以熔结成更大的晶粒,因此高温生长的ZnO薄膜相当于同质外延生长.
XRD分析表明,尽管低温沉积时间t1不同,但所有的ZnO薄膜只有(002)和(004)衍射峰,说明低温过渡层的存在没有改变ZnO薄膜的c轴择优取
2370物 理 学 报56卷
图1 两步生长方法沉积的ZnO薄膜的表面形貌 (a),(b),(c)和(d)对应t1分别为0,10,20和30min,基片的刻蚀时间为1min,A代表竹笋状表面岛,B代表多边形表面岛
向.但是,仔细分析发现低温过渡层对ZnO薄膜的应力状态影响较大,而且与t1有关.图2是采用两步生长方法沉积的ZnO薄膜(002)衍射峰.从图2可以看到,随着t1的增加,(002)衍射峰逐渐向高角方向偏移.同时我们注意到,t1为10min时,ZnO薄膜的衍射峰峰位位移较小,与没有过渡层的ZnO薄膜比较接近;t1为20和30min时,ZnO薄膜的衍射峰峰位位移较大,而且两者之间的差异较小.根据ZnO 薄膜的XRD应力分析公式[18],t1分别为0,10,20和30min时,所对应的ZnO薄膜应力分别为-0 83, -0 70,-0 18和0 15GPa.XRD分析结果与根据AF M表面形貌分析所得到的结论是符合的,说明没有过渡层或过渡层尚未完全覆盖基片时,基片对ZnO薄膜生长的影响较大,薄膜的生长行为与Si (001)面和ZnO(001)面之间的晶格失配度有关;当过渡层完全覆盖基片时,界面应力在高温退火过程中得以充分释放,ZnO薄膜的生长行为受界面晶格失配的影响相对较小.
为了进一步了解低温过渡层对ZnO薄膜生长行为的影响,图3给出了不同扫描范围的薄膜均方根表面粗糙度R r ms随低温沉积时间的变化.从图3中可以看到,对于2 m 2 m以上的扫描范围,同一沉积条件下的ZnO薄膜R r ms基本相同.在t1为10 min时R r ms最高,此后,随t1的增加R rms逐渐下降.当t1为30min时,R r ms与没有过渡层的ZnO薄膜基本相同.对于1 m 1 m和0 5 m 0 5 m的扫描范围,没有过渡层的ZnO薄膜的R r ms下降较小,而t1为20和30min的ZnO薄膜的R r ms下降较大,意味着此时局域平坦的范围较大,这与薄膜表面岛尺度的增加是一致的.
2371
4期谷建峰等:Si(001)基片上反应射频磁控溅射ZnO薄膜的两步生长方法
图2 不同沉积时间的ZnO薄膜(002)衍射峰
图4 不同沉积条件下ZnO薄膜的P(f)
1DPSD
谱 扫描范围为4 m 4 m,共256 256个像素点
为了定量地描述薄膜表面形貌的变化,我们对薄膜的AF M表面形貌像进行了一维功率谱密度(1DPSD)分析.1DPSD可以定义为[19,20]
图3 不同扫描范围的薄膜表面粗糙度R rms随低温沉积时
间的变化
P(f)1D PSD=
1
L
L
y(x)e i2 fx d x
2
,(1)其中L为扫描长度,y(x)为轮廓线,f为空间频率, x为该区域扫描方向的坐标值.
图4给出了不同沉积条件下的ZnO薄膜的P(f)1D PSD谱,扫描范围为4 m 4 m,共256 256个像素点.从图4中可以看到,P(f)1DPS D与频率之间
2372物 理 学 报56卷
的双对数关系曲线可划分为低频平台区和高频线性区两个区域.低频平台区意味着扫描方向上缺乏局域关联,而高频线性区域与表面形貌的自仿射结构有关[19].根据薄膜生长的标度理论,在一定范围内, P(f)与f之间满足下列关系:
P(f)1DPS D=K0f- ,(2)其中K0是常数,而 与标度指数 和扫描维数d 之间的关系为
=1
2
( -d).(3)
图5 ZnO薄膜的表面形貌 (a),(b),(c)和(d)对应基片刻蚀时间t
2分别为0 5,1 0,2 0和3 0min,t
1
为30min
通过对高频线性区作线性拟合,可以得到t1分别为0,10,20和30min时薄膜的高频直线区的 值分别为4 93,4 97,3 95和3 99,所对应的标度指数 分别为1 97,1 98,1 47和1 49.根据 值和平台非局域关联区域的数值P(1 L),可以确定表面形貌自仿射结构的关联长度 [19],即图4中的直线交点所对应的长度,
=exp ln[P(1 L)1D PSD]-ln K0
.(4)对于t1分别为0,10,20和30min的ZnO薄膜,根据(4)式所计算的关联长度分别为132,159,269和239 nm.表面形貌自仿射结构的关联长度是晶粒尺度的反映.因此,这一结果说明低温过渡层的存在可以增加ZnO薄膜的晶粒尺度.但是,低温过渡层过厚可能导致高温退火过程中晶粒之间的熔结变得比较困难,反而可能影响晶粒的长大.
3 2 基片刻蚀时间对薄膜生长的影响
通过低温过渡层的沉积时间对薄膜表面形貌影响的分析可以发现,不同沉积条件下的薄膜表面形貌均存在两种不同特征的表面岛.根据ZnO薄膜成核过程的研究结果[17],我们认为竹笋状表面岛可能与初始的缺陷成核有关.这些优先成核的ZnO表面岛比后期因低能粒子轰击而二次成核形成的岛要高得多.因此,即使高温退火可以使低温过渡层内的晶粒熔结,也不能完全消除这种高度的差异.为此,我们研究了基片刻蚀时间t2对两步生长ZnO薄膜的影响,探讨通过控制低温过渡层的成核密度,以减小晶粒之间的高度差异.
图5是两步生长方法沉积的ZnO薄膜的表面形
2373
4期谷建峰等:Si(001)基片上反应射频磁控溅射ZnO薄膜的两步生长方法
貌,基片刻蚀时间t2分别为0 5,1 0,2 0和3 0 min,t1为30min.从图5可以看出,t2不同所导致的表面形貌的变化不大,主要表现在竹笋状表面岛的密度不同.随着t2的增加,竹笋状表面岛的密度有所降低.我们认为,导致这一现象的原因是t2不同所引起低温沉积的ZnO成核密度变化的结果.随着t2的增加,低温沉积的ZnO成核密度增加,晶粒尺度减小,晶粒之间的高度差异减小.经高温退火处理以后,晶粒之间的熔结使得具有较大高度的ZnO晶
粒的比例下降,二次生长时竹笋状表面岛的密度降低.需要指出的是,我们对低温过渡层的退火研究表明,退火温度对低温过渡层的表面粗糙度也有影响.在退火温度较低时,低温过渡层的表面粗糙度随退火温度的增加而减小.在退火温度较高时,低温过渡层的表面粗糙度随退火温度的增加而明显增加.
图7 不同基片刻蚀时间的ZnO薄膜的P(f)
1DP SD 谱 扫描范围为4 m 4 m,共256 256个像素点
图6给出了不同扫描范围的薄膜表面粗糙度R r ms随t2的变化.由于此时薄膜的关联长度较大,扫描范围较小的表面粗糙度随扫描区域的选择随机性较大,因此我们只给出了扫描范围大于2 m 2 m 的表面粗糙度.从图6可以看出,同一基片刻蚀时间下的ZnO薄膜粗糙度基本相同.随着t2的增加,ZnO 薄膜的表面粗糙度逐渐下降.这一结果说明,可以通过改变基片刻蚀时间控制低温过渡层成核密度,进而实现对二次生长的ZnO薄膜表面粗糙度的控制.此外,XRD分析表明,t2对两步生长的ZnO薄膜的c轴择优取向和应力状态的影响不大.
图6 不同扫描范围的薄膜表面粗糙度R rms随基片刻蚀
时间的变化
2374物 理 学 报56卷
为了定量地描述基片刻蚀时间对薄膜表面形貌
的影响,我们对薄膜的AFM表面形貌像进行了P(f)1DPSD分析.图7给出了不同基片刻蚀时间的ZnO薄膜的P(f)1DPSD谱,扫描范围为4 m 4 m,共256 256个像素点.从图7可以看到,不同的基片刻蚀时间的高频线性区域的斜率变化不大.线性拟合结果表明,t2分别为0 5,1 0,2 0和3 0min时,薄膜高频直线区的 值分别为4 06,3 99,4 29和4 47,所对应的标度指数 分别为1 53,1 49,1 65和1 73,根据(4)式所计算的关联长度分别为242, 239,222和196nm.这一结果说明,随着t2的增加两步生长方法所制备的ZnO薄膜的晶粒尺度有所减小,这与低温过渡层的成核密度增加是一致的.这一结果还说明,针对不同的应用目标,需要考虑表面粗糙度、晶粒尺度等综合因素,进而选择合适的基片刻蚀时间.4 结论
1)低温过渡层的沉积时间对两步生长方法沉积的ZnO薄膜的生长行为有重要影响.低温ZnO过渡层的沉积时间所导致的薄膜表面形貌的变化与低温过渡层在Si(001)表面的覆盖度有关.当低温沉积的ZnO过渡层尚未完全覆盖基片表面时,ZnO薄膜的表面岛尺度较小,表面粗糙度较大,薄膜应力较大.当低温过渡层已经基本完全覆盖Si(001)基片后, ZnO薄膜的表面岛尺度较大,表面粗糙度较小,薄膜应力较小.
2)Si基片的刻蚀时间对两步生长方法沉积的ZnO薄膜的生长行为有一定的影响.基片刻蚀时间对薄膜表面形貌的影响与低温沉积的ZnO过渡层的成核密度有关.随着刻蚀时间的增加,ZnO薄膜的表面粗糙度逐渐下降,表面形貌自仿射结构的关联长度逐渐减小.
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4期谷建峰等:Si(001)基片上反应射频磁控溅射ZnO薄膜的两步生长方法
2376物 理 学 报56卷Two-step growth of ZnO films deposited by
reactive radio-frequency magnetron
sputtering on Si(001)substrate*
Gu Jian-Feng Liu Z h-i Wen Liu Ming Fu We-i Jia Ma Chun_Yu Zhang Qing-Yu
(Sta te Ke y Labora tory o f Mate ria ls Modi fic ation by Laser,Ion an d Elec tron Bea ms,
Dalia n U nive rsity o f Te chn olo gy,Da lian 116024,China)
(Received9Au gus t2006;revised man uscrip t recei ved31October2006)
Abstract
Using reactive radio-frequency magne tron sputtering,ZnO films have been deposited on Si(001)substrate with a two-step growth method.The first step:depositing a ZnO buffer la yer at low te mperature and annealing at800 ,the second step: growing the ZnO a t the te mperature of750 .In this paper,we discuss the dependence of the ZnO film growth on the e tching time of Si c hips and the deposition time of the buffe r laye r.I t is found that different deposition t i me of the buffer layer results in the differe nce in the morphology of ZnO films.The difference can be related to the c overage of the buffer layer.When the buffer layer does not c over the substra te,the ZnO film has small grains similar to the film without buffer layer and quite large roughness and internal stre ss.When the substrate is co mple tely c overed by the buffer layer,a ZnO film can be obtained with large_sized grains,smooth surface and lo w internal stress.The gro wth beha vior of the ZnO films is also related to the etching time of Si c hip. With the increase of e tching time,both the roughness of the ZnO films and the correlation length of the sel-f affine morphology decrease.
Keywords:ZnO film,reactive radio-frequency magnetron sputtering,two-step growth,morphological analysis
PACC:6855,6810J,6116P,7280E
*Project supported by the National Natural Science Foundati on of China(G rant No.10605009).
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工作气压对射频磁控溅射HfO2薄膜工艺影响的研究 发表时间：2019-03-14T15:24:43.167Z 来源：《知识-力量》2019年6月中作者：刘汉伟 [导读] 二氧化铪可以用来作为取代传统二氧化硅的一种很好的高介电常数。由于然而，在制备薄膜方法中，氧化铪层的结构和性质强烈依赖于沉积条件和后退火处理的技术。 （大连东软信息学院） 摘要：二氧化铪可以用来作为取代传统二氧化硅的一种很好的高介电常数。由于然而，在制备薄膜方法中，氧化铪层的结构和性质强烈依赖于沉积条件和后退火处理的技术。本文应用磁控溅射法来制备二氧化铪薄膜，采用扫描电子显微镜（SEM）分析其薄膜表面形貌及粗糙程度和组织组成。为射频磁控溅射制备HfO2工艺条件的研究提供了借鉴。 关键词：二氧化铪；工作气压；射频磁控溅射；退火 1 引言 在集成电路的飞速发展中，产业存着一则由Gordon Moore先生提出的摩尔定律，提出内容为每隔的摩尔定律，提出内容为每隔18至24个月集成电路芯片上所有的数目翻一番。在摩尔定律下，集成电路的度随着时间不断上升特征尺寸减小。在人们持续不断的研究中，发现一系列可以作为氧化硅替代者的高介电常数材料，其中氧化铪材料备受关注，基于热力学研究和带隙测量，氧化铪被认为是高K电介质中替代二氧化硅材料的最佳候选。氧化铪薄膜具有较高的硬度、高的化学稳定性和优良的介电性能。氧化铪具有合适的介电常数、禁带宽度较大、与硅基CMOS集成电路有着优异的兼容性，因此，氧化铪可以用来作为取代传统二氧化硅的一种很好的高介电常数。由于然而，在制备薄膜方法中，氧化铪层的结构和性质强烈依赖于沉积条件和后退火处理的技术。 本文应用磁控溅射法来制备二氧化铪薄膜，采用扫描电子显微镜（SEM）分析其薄膜表面形貌及粗糙程度和组织组成。 2 实验 实验应用射频磁控溅射法制备HfO2薄膜，通过确定基本工艺参数，控制变量参数，对制备完成的HfO2薄膜进行表征分析，分析其晶体结构、表面形貌。 实验镀膜设备是中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司所生产的TRP-450高真空三靶磁控溅射镀膜系统和北京世纪久泰真空技术有限公司生产的高真空热蒸发薄膜沉积系统。其主要由真空溅射室、电气控制柜、循环水冷系统组成；真空溅射室采用卧式圆筒型结构，尺寸为450×400mm，前开门结构，选用不锈钢材料制造，氩弧焊接，表面进行化学抛光处理，接口采用金属垫圈密封或氟橡胶圈密封。实验制备应用的靶材为纯金属Hf（99.99%）靶材，石英玻璃作为衬底片。溅射功率400W，氩氧比列2/9，本地真空度为3×10-4Pa，工作气压分别为0.2Pa，0.25Pa，0.3Pa，0.35Pa，0.4Pa，0.45Pa和0.5Pa。 3.结果与讨论 图1 工作气压与薄膜溅射速率之间的关系 由图1中可以明显看出,在实验中选取的工作气压范围内,工作气压对沉积速率的影响趋势是明显的。随工作气压升高,沉积速度呈上升趋势,而当工作气压达到0.3Pa以后沉积速度基本上维持不变。之所以出现这样的现象是由于随着工作气压的增高,带来两方面的作用效果。一方面工作气压的升高使得真空室内粒子数量的增加,对靶材的轰击溅射作用增强,其溅射产额增加,为薄膜合成所提供的金属源产量增加,必然提高薄膜的合成速度;另一方面工作气压的升高增加了各种粒子在向基片运动过程中碰撞几率,能够减少到达基片合成薄膜的粒子数量。两方面因素的综合作用,使得在一定的工作气压范围内表现出沉积速度的增加趋势。而当工作气压升高到一定程度后,沉积速度会显示降低的趋势。在本实验中,气压在0.3～0.4Pa之间是沉积速度达到最大,在0.5Pa附近已经有下降趋势。 图2为HfO2薄膜在制备得到薄膜退火后的SEM图。从图中可以得到，退火可以使薄膜表面的增强迁移能力，容易获得致密程度高的薄膜。
磁控溅射法制备薄膜材料综述 摘要薄膜材料的厚度是从纳米级到微米级，具有尺寸效应，在国防、通讯、航空、航天、电子工业等领域有着广泛应用，其有多种制造方法，目前使用较多的是溅射法，其中磁控溅射的应用较为广泛。本文主要介绍了磁控溅射法的原理、特点，以及制备过程中基片温度、溅射功率、溅射气压和溅射时间等工艺条件对所制备薄膜性能的影响。 关键字磁控溅射；原理；工艺条件；影响 Brief Introduction to Thin Films by Magnetron Sputtering Abstract: The thickness of thin films is from the nano to the micron level.With its size effect, the films are widely used in the defense, telecommunication, aviation, aerospace, electronics and other fields.It can be prepared by many ways,of which the sputtering is used mostly.And magnetron sputtering is popular.The principle and characteristics of magnetron sputtering, and how substrate temperature, sputtering power, sputtering pressure and sputtering time influence the the properties of the films during the preparing process are introduced in this paper. Key Words: magnetron sputtering; principles; conditions; lnfluence 1 引言 薄膜是指尺度在某个一维方向远远小于其他二维方向，厚度可从纳米级到微 米级的材料，由于薄膜的尺度效应，它表现出与块体材料不同的物理性质，有广 泛应用。薄膜的制备大致可分为物理方法和化学方法两大类[1]。物理方法主要包 括各种不同加热方式的蒸发，溅射法等，化学方法则包括各种化学气相沉积 （CVD）、溶胶-凝胶法（sol-gel）等。 溅射沉积法由于速率快、均一性好、与基片附着力强、比较容易控制化学剂 量比及膜厚等优点，成为制备薄膜的重要手段。溅射法根据激发溅射离子和沉积 薄膜方式的不同又分直流溅射、离子溅射、射频溅射和磁控溅射，目前多用后两 种。本文主要介绍磁控溅射制备薄膜材料的原理及影响因素。 2 磁控溅射法 2.1磁控溅射基本原理
实验一 真空蒸发和磁控溅射制备薄膜 姓名：许航 学号：141190093 姓名：王颖婷 学号：141190083 系别：材料科学与工程系 专业：材料物理 组号：A9 实验时间：3月16号 本实验主要介绍真空蒸发、磁控溅射两种常用而有效的制备薄膜的工艺，以便通过实际操作对典型的薄膜工艺的原理和基本操作过程有初步的了解。 一、 实验目的 1、 通过实验掌握磁控溅射、真空蒸发制备薄膜的基本原理，了解磁控溅射、真空蒸发制备薄膜的过程 2、 独立动手，学会利用磁控溅射、真空蒸发技术制备薄膜 3、 通过本实验对真空系统、镀膜系统以及辉光放电等物理现象有更深层次的了解 二、 实验原理 薄膜作为一种特殊形状的物质，与块状物质一样，可以是非晶态的，多晶态的和单晶态的。它既可用单质元素或化合物制作，也可用无机材料和有机材料制作。近年来随着薄膜工艺的不断进步和完善，复合薄膜和功能材料薄膜也又很大的发展，因此薄膜技术和薄膜产品已在机械、电子、光学、航天、建材、轻工等工业部门得到了广泛的应用，特别是在电子工业中占有极其重要的地位。例如光电极摄像器件、各种集成电路器件、各种显示器、太阳能电池及磁带、磁头等各种转化器、传感和记录器、电阻器、电容器等都是应用薄膜。目前，薄膜工艺不仅成为一门独立的应用技术，也是改善材料表面性能和提高某些工艺水品的重要手段。 1、 真空蒸发制备薄膜原理 真空蒸发镀膜是把待镀膜的衬底或工件置于高真空室内，通过加热使成膜材料气化（或升华）而淀积到衬底上，从而形成一层薄膜的工艺过程。 因为真空蒸发镀膜的膜层质量与真空室的真空度、膜料蒸发温度和衬底的温度都有很大的关系，因而在实验过程务必严格控制各个环节。下面讨论一下影响蒸发镀膜质量的主要因素和成膜的原理。 （1）、真空度 为了同时保证膜层的质量和生产效率及成本，通常要选择合理的真空度。在镀膜过程中，抽真空后处在同一温度下的残余气体分子相对于蒸发出的膜料分子（原子）可以视作静止，可以得到膜料分子（原子）在残余分子中运动的平均自由程： '2 1()n r r λπ=+ p n k T = n 为残余气体分子的密度，r’为残余气体分子半径，r 为蒸发膜料分子的半径，p 为残余气体的压强，k 为玻尔兹曼常数。若蒸发源到衬底的距离为L （cm ），为使得膜料分子中的大部分不与残余气体分子碰撞而直接到达衬底表面，则一般可以取平均自由程10L λ≥，这样：
二氧化硅的化学性质 二氧化硅的化学性质不活泼，不与水反应，也不与酸（氢氟酸除外）反应，但能与碱性氧化物或碱反应生成盐。例如：高温 2NaOH+SiO2===Na2SiO3+H2O CaO+SiO2===CaSiO3 二氧化硅的化学性质特点：SiO2是酸性氧化物，是硅酸的酸酐。然而SiO2与其它的酸性氧化物相比却有一些特殊的性质。 （1）酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但SiO2却不能直接跟水化合。它所对应的水化物——硅酸，只能用相应的可溶性硅酸盐跟酸反应制得（硅酸不溶于水，是一种弱酸，它的酸性比碳酸还要弱（2）酸性氧化物一般不跟酸作用，但SiO2却能跟氢氟酸起反应，生成气态的四氟化硅。SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O 普通玻璃、石英玻璃的主要成分是二氧化硅。因而可用氢氟酸来腐蚀玻璃。用氢氟酸在玻璃上雕花刻字，实验室里氢氟酸不能用含二氧化硅的玻璃、陶瓷、瓷器、陶器盛放，一般可用塑料瓶。 （3）SiO2与强碱溶液反应可生成水玻璃，它是一种矿物胶，常用作粘合剂。所以实验室盛放碱溶液的试剂瓶不用玻璃塞，而用橡胶塞。 二氧化硅在IC中的用途 二氧化硅薄膜最重要的应用是作为杂质选择扩散的掩蔽膜，因此需要一定的厚度来阻挡杂质扩散到硅中。二氧化硅还有一个作用是对器件表面保护和钝化。二氧化硅薄膜还可作为某些器件的组成部分： （1）用作器件的电绝缘和隔离。 （2）用作电容器的介质材料。 （3）用作MOS晶体管的绝缘栅介质。 1 二氧化硅（SiO2）薄膜的制备 针对不同的用途和要求,很多SiO2薄膜的制备方法得到了发展与应用,主要有化学气相淀积，物理气相淀积，热氧化法，溶胶凝胶法和液相沉积法等。 1.1化学气相淀积（CVD） 1969年，科莱特（Collett）首次利用光化学反应淀积了Si3N4薄膜，从此开辟了光化 学气相淀积法在微电子方面的应用。 化学气相淀积是利用化学反应的方式，在反应室内，将反应物（通常是气体）生成固态生成物，并淀积在硅片表面是的一种薄膜淀积技术。因为它涉及化学反应，所以又称CVD （Chemical Vapour Deposition）。 CVD法又分为常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和光化学气相沉积等。此外CVD法制备SiO2可用以下几种反应体系:SiH4-O2、SiH4-N2O、SiH2Cl2-N2O、Si(OC2H5)4等。各种不同的制备方法和不同的反应体系生长SiO2所要求的设备和工艺条件都不相同,且各自拥有不同的用途和优缺点。目前最常用的是等离子体增强化学气相沉积法。 1.1.1等离子体增强化学气相沉积法 这种技术利用辉光放电,在高频电场下使稀薄气体电离产生等离子体,这些离子在电场中被加速而获得能量,可在较低温度下实现SiO2薄膜的沉积。这种方法的特点是沉积温度可以降低,一般可从LPCVD中的700℃下降至200℃,且生长速率快,可准确控制沉积速率(约1nm樸s),生成的薄膜结构致密;缺点是真空度低,从而使薄膜中的杂质含量(Cl、O)较高,薄膜硬度低,沉积速率过快而导致薄膜内柱状晶严重,并存在空洞等。
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实验4 磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1. 掌握真空的获得 2. 掌握磁控溅射法的基本原理与使用方法 3. 掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法 二、实验原理 磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。 1. 辉光放电： 辉光放电是在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉
光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。 如图1（a）所示为一个直流 气体放电体系，在阴阳两极之间 由电动势为的直流电源提供电压 和电流，并以电阻作为限流电 阻。在电路中，各参数之间应满 足下述关系： V=E-IR 使真空容器中Ar气的压力保持一定，并逐渐提高两个电极之间的电压。在开始时，电极之间几乎没有电流通过，因为这时气体原子大多仍处于中性状态，只有极少量的电离粒子在电场的作用下做定向运动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。 图1 直流气体放电 随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。
用磁控溅射制备薄膜材料的概述 1.引言 溅射技术属于PVD（物理气相沉积）技术的一种，是一种重要的薄膜材料制备的方法。它是利用带电荷的粒子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质制成的靶电极（阴极），并将靶材原子溅射出来使其沿着一定的方向运动到衬底并最终在衬底上沉积成膜的方法。磁控溅射是把磁控原理与普通溅射技术相结合利用磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，以此改进溅射的工艺。磁控溅射技术已经成为沉积耐磨、耐蚀、装饰、光学及其他各种功能薄膜的重要手段。 2.溅射技术的发展 1852年，格洛夫(Grove)发现阴极溅射现象，从而为溅射技术的发展开创了先河。采用磁控溅射沉积技术制取薄膜是在上世纪三四十年代开始的，但在上世纪70年代中期以前，采蒸镀的方法制取薄膜要比采用磁控溅射方法更加广泛。这是凶为当时的溅射技术140刚起步，其溅射的沉积率很低，而且溅射的压强基本上在lpa以上但是与溅射同时发展的蒸镀技术由于其镀膜速率比溅射镀膜高一个数量级，使得溅射镀膜技术一度在产业化的竞争中处于劣势溅射镀膜产业化是在1963年，美国贝尔实验室和西屋电气公司采用长度为10米的连续溅射镀膜装置，镀制集成电路中的钽膜时首次实现的。在1974年，由J．Chapin发现了平衡磁控溅射后，使高速、低温溅射成为现
实，磁控溅射更加快速地发展起来。 溅射技术先后经历了二级、三级和高频溅射。二极溅射是最早采用，并且是目前最简单的基本溅射方法。二极溅射方法虽然简单，但放电不稳定，而且沉积速率低。为了提高溅射速率以及改善膜层质量，人们在二极溅射装置的基础上附加热阴极，制作出三极溅射装置。 然而像这种传统的溅射技术都有明显的缺点： 1）．溅射压强高、污染严重、薄膜纯度差 2）．不能抑制由靶产生的高速电子对基板的轰击，基片温升高、淀积速率低 3）．灯丝寿命低，也存在灯丝对薄膜的污染问题 3.磁控溅射的原理： 磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。具有低温、高速两大特点。 电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内： F=－q(E+v×B) 电子的运动的轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲线。即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高了它参与原子碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压下可以显著地提高溅射的效率和沉积的速率。 具体地说来磁控溅射系统在真空室充入0.1～1OPa压力的惰性气
磁控溅射制备铝薄膜毕业论文 目录 第1章绪论 (1) 1.1 引言 (1) 1.1.2 薄膜研究的发展概况 (1) 1.1.3 薄膜的制备方法 (4) 1.1.4 薄膜的特征 (5) 1.1.5 薄膜的应用 (7) 第2章射频反应磁控溅射制备方法机理分析 (8) 2.1 射频反应磁控溅射法原理 (8) 2.1.1 直流辉光放电 (8) 2.1.2 射频辉光放电 (9) 2.1.3 射频原理 (9) 2.1.4 磁控原理 (11) 2.1.5 反应原理 (12) 2.2. 溅射机理 (13) 2.2.1 基本原理 (13) 2.2.2 基本装置 (13) 2.3 溅射的特点和应用 (15) 2.3.1 溅射的特点 (15) 2.3.2 溅射的应用 (16) 第3章实验 (17) 3.1 课题的研究线路 (17) 3.2 实验材料以及设备 (17) 3.3 实验仪器的原理 (18) 3.3.1 磁控溅射镀膜仪的原理 (18) 3.3.2 椭圆偏振测厚仪的原理 (19) 3.3.3 原子力显微镜的原理 (23) 3.3.4 表面预处理 (27) 3.3.5 薄膜制备 (28) 第4章实验结果及数据分析 (30) 4.1 薄膜测试与分析 (30) 4.1.1 衬底温度对于铝薄膜属性的影响 (30) 4.1.2 衬底温度对于铝薄膜生长的影响 (31)
4.1.3 不同的气压对于铝薄膜生长的影响 (34) 结论 (40) 致 (41) 参考文献 (42) 附录X 译文 (43) 利用CO/SiC衬底上制备单层石墨薄膜 (43) 附录Y 外文原文 (48)
第一章绪论 1.1 薄膜概述 1．1．1 引言 人工薄膜的出现是20世纪材料科学发展的重要标志。自70年代以来，薄膜材料、薄膜科学、与薄膜技术一直是高新技术研究中最活跃的研究领域之一，并已取得了突飞猛进的发展。薄膜材料与薄膜技术属于交叉学科，其发展几乎涉及所有的前沿学科，其应用与推广渗透到了各相关技术领域。正是由于薄膜材料和薄膜技术的发展才极促进了微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息技术、传感器技术、航空航天技术和激光技术的发展，也为能源、机械、交通等工业部门和现代军事国防部门提供了一大批高新技术材料和器件。 薄膜是不同于其它物质(气态、液态、固态和等离子态)的一种新的凝聚态，有人称之为物质的第五态。顾名思义，薄膜就是薄层材料。它可以理解为气体薄膜，如吸附在固体表面的气体薄层；也可理解为液态薄膜，如附着在液体和固体表面的油膜。我们这里所指的薄膜是固体薄膜，即使是固体薄膜，也可分为薄膜单体和附着在某种基体上的另一种材料的固体薄膜，这里所指的薄膜属于后者[1]。 薄膜的基底材料有绝缘体，如玻璃、瓷等；也有半导体，如硅、锗等；也各种金属材料。薄膜材料也可以是各种各样的，如从导电性来分，可以是金属、半导体、绝缘体或超导体。从结构上来分，它可以是单晶、多晶、非晶(无定形)、微晶或超晶格的。从化学组成上来看，它可以是单质，也可以是化合物，它可阻是无机材料，也可以是有机材料。 1．1．2 薄膜研究的发展概况 薄膜科学是由多个学科交叉、综合、以系统为特色，逐步发展起来的新兴学科，以“表面”及“界面”为研究核心，在有关学科的基础上，应用表面技术及其复合表面技术为特点，逐步形成了与其他学科密切相关的薄膜科
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 基片温度对磁控溅射沉积二氧化硅的影响 本文详细地研究了基片温度对磁控溅射沉积二氧化硅的影响,随着基片 温度的增加,溅射沉积速率下降明显,薄膜的折射率也出现上升趋势,薄膜也由低温时的疏松粗糙发展为致密光滑。250℃时的溅射沉积速率仅为室温时的1/3,由此, 针对间歇式在大面积玻璃上沉积二氧化硅薄膜,我们采取了沉积完 本课题组在开发一 1、实验样品由国产JGP450 型磁控溅射系统制备，溅射时采用射频电源，通过Si 靶与O2 反应溅射制备二氧化硅薄膜。基片为单面抛光的单晶硅片，在溅射之前经过乙醇超声清洗30 min。Ar 和O2 的流量一直保持为60 sccm 和20 sccm。待本底真空达到8 乘以10- 4 Pa 后，通入Ar,调节起辉压强0.3 Pa,待基片温度稳定后，起辉预溅射10 min，功率为100 W，通入O2,开始二氧化硅薄膜的溅射。薄膜的厚度和折射率n 通过Filmetrics 公司的F20- UV 测量，溅射速率则由薄膜的厚度和沉积时间的比值计算得到，并通过Hitachi S- 4800 来观察薄膜的表面情况。 2、结果与讨论如表1 所示，对于不同的基片温度，均为100 W 的溅射功率，为了适应F20- UV 的测量范围，减少测量误差，在样品的制备过程中采用不同的沉积时间，随着基片温度的增加，样品的沉积时间也相应增加。 二氧化硅薄膜的折射率随着基片温度的增加出现线性增加的趋势。室温 下沉积的薄膜的折射率为1.4628，当温度上升到250℃时，折射率达到1.669。 出现上面所述的情况，主要是因为基片温度的增加，基片表面的二氧化 硅分子的能量也增加，在基片表面的迁移能力增加，相对低温时薄膜会变得更
实验磁控溅射法制备薄膜 材料 The final edition was revised on December 14th, 2020.
实验4 磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1. 掌握真空的获得 2. 掌握磁控溅射法的基本原理与使用方法 3. 掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法 二、实验原理 磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。 1. 辉光放电： 辉光放电是在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。 如图1（a）所示为一个直流气 体放电体系，在阴阳两极之间由电 动势为的直流电源提供电压和电 流，并以电阻作为限流电阻。在电 路中，各参数之间应满足下述关 系： V=E-IR 使真空容器中Ar气的压力保 持一定，并逐渐提高两个电极之间 的电压。在开始时，电极之间几乎 没有电流通过，因为这时气体原子 大多仍处于中性状态，只有极少量 的电离粒子在电场的作用下做定向运动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。 图1 直流气体放电 随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。 当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。一方面，离子对于阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能量也增加到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离，如图(a)所示。这些过
磁控溅射操作流程 1、开循环水（总阀、分子泵），放气（两个小金属片打开；旁抽阀；V6）放完气后关闭； 2、开总电源，开腔装样品，开机械泵，抽到10pa以下； 3、开电磁阀，抽到10pa以下，开分子泵（按下绿色start按钮，分子泵加速，显示为400） 时，关旁抽阀，再打开高阀；开溅射室烘烤，将电压调节至75V，烘烤时间为1h； 4、抽到1·10-4pa后，抽管道（缓慢打开V1截止阀，V2阀）；打开质量流量计电源，待示 数稳定后，将阀开关拨至“阀控”位置，再将设定旋钮向右调节至最大，待示数变为“0” 时，将阀门开关拨至“关闭”，同时将设定旋钮设定为0； 5、开气瓶（一定要确定阀开关处于“关闭”位置，调节分压阀数值约为0.1mp；待质量流 量计示数稳定后，将阀开关拨至“阀控”位置，调节到所需设定值，如20sccm； 6、开A靶、水冷盘、其他靶的循环水； 7、慢慢讲高阀回调，调节气压至1~3pa，起辉（开总控制电源、A靶射频电源、A靶），调 节功率至60w，（A靶处的tune、load先处于WN状态，要进行调节时，应调节至Auto），调节tune为50%，Load值为10%~20之间（调节后需调回WN状态）；再按R.F起辉； 8、将高阀门调至最外，待气压稳定之后预溅射15分钟，在此期间要对齿轮挡板进行定位（先 将小刚圈上提右转放下，然后向外旋转“马达”旁边的齿轮，直到听到“啪”的一声，最后左转上提小刚圈）； 9、打开电脑后面右边的三个电源开关，开电脑； 10、实验。调节好实验所需压强、功率、气体等，设置“样品位置”，“样品编号”，“挡板位 置”（样品位置以A靶为标准，样品编号即为此时位于A靶上方样品的编号，挡靶位置在装挡板时就已位于B靶处，所以挡板默认为B靶所在位置，所有参数、位置设定好后即可开始镀膜； 11、每次镀膜完，要对其参数进行设定—应用—运行，待齿轮旋转不动时，用机械手推动挡 板至B靶所在位置（上中下三孔对齐），—确定—两个360°—样品放在E靶—挡板放在B靶—开始。 12、镀膜结束。先关闭电脑，然后关闭R.F，将功率调节至0，依次关闭三个电源（最后关 总溅射电源），关闭气瓶总阀，调节气体质量流量计至最大，待其示数变小为零；关闭分压阀，待流量计示数变为零，关闭质量流量计，依次关闭V2、V1阀，随后关闭高阀，按分子泵Stop键，待其示数降为零，再关闭分子泵电源； 13、依次关闭电磁阀、溅射室机械泵、设备总电源，关闭所有循环水。
实验4 磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1. 掌握真空的获得 2. 掌握磁控溅射法的基本原理与使用方法 3. 掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法 二、实验原理 磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。 1. 辉光放电： 辉光放电是在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同，直流二极溅射利用的是直流辉光放电，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。 如图1（a）所示为一个直流气 体放电体系，在阴阳两极之间由电 动势为的直流电源提供电压和电 流，并以电阻作为限流电阻。在电 路中，各参数之间应满足下述关系： V=E-IR 使真空容器中Ar气的压力保持 一定，并逐渐提高两个电极之间的 电压。在开始时，电极之间几乎没 有电流通过，因为这时气体原子大 多仍处于中性状态，只有极少量的 电离粒子在电场的作用下做定向运 动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。
图1 直流气体放电 随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。 当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频繁的同时，外电路转移给电子与离子的能量也在逐渐增加。一方面，离子对于阴极的碰撞将使其产生二次电子的发射，而电子能量也增加到足够高的水平，它们与气体分子的碰撞开始导致后者发生电离，如图(a)所示。这些过程均产生新的离子和电子，即碰撞过程使得离子和电子的数目迅速增加。这时，随着放电电流的迅速增加，电压的变化却不大。这一放电阶段称为汤生放电。 在汤生放电阶段的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的电晕光斑。因此，这一阶段称为电晕放电。 在汤生放电阶段之后，气体会突然发生放电击穿现象。这时，气体开始具备了相当的导电能力，我们将这种具备了一定的导电能力的气体称为等离子体。此时，电路中的电流大幅度增加，同时放电电压却有所下降。这是由于这时的气体被击穿，因而气体的电阻将随着气体电离度的增加而显着下降，放电区由原来只集中于阴极边缘和不规则处变成向整个电极表面扩展。在这一阶段，气体中导电粒子的数目大量增加，粒子碰撞过程伴随的能量转移也足够地大，因此放电气体会发出明显的辉光。 电流的继续增加将使得辉光区域扩展到整个放电长度上，同时，辉光的亮度不断提高。当辉光区域充满了两极之间的整个空间之后，在放电电流继续增加的同时，放电电压又开始上升。上述的两个不同的辉光放电阶段常被称为正常辉光放电和异常辉光放电阶段。异常辉光放电是一般薄膜溅射或其他薄膜制备方法经常采用的放电形式，因为它可以提供面积较大、分布较为均匀的等离子体，有利于实现大面积的均匀溅射和薄膜沉积。 2. 磁控溅射： 平面磁控溅射靶采用静止电磁场，磁场为曲线形。其工作原理如下图所示。电子在电场作用下，加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞。若电子具有足够的能量(约为30eV)。时，则电离出Ar+并产生电子。电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速
实验一磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1、详细掌握磁控溅射制备薄膜的原理和实验程序； 2、制备出一种金属膜，如金属铜膜； 3、测量制备金属膜的电学性能和光学性能； 4、掌握实验数据处理和分析方法，并能利用 Origin 绘图软件对实验数据进行处理和分析。 二、实验仪器 磁控溅射镀膜机一套、万用电表一架、紫外可见分光光度计一台；玻璃基片、金属铜靶、氩气等实验耗材。 三、实验原理 1、磁控溅射镀膜原理 （1）辉光放电 溅射是建立在气体辉光放电的基础上，辉光放电是只在真空度约为几帕的稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。辉光放电时，两个电极间的电压和电流关系关系不能用简单的欧姆定律来描述，以气压为1.33Pa 的 Ne 为例，其关系如图 5 -1 所示。 图 5-1 气体直流辉光放电的形成 当两个电极加上一个直流电压后，由于宇宙射线产生的游离离子和电子有限，开始时只有很小的溅射电流。随着电压的升高，带电离子和电子获得足够能量，与中性气体分子碰撞产生电离，使电流逐步提高，但是电压受到电源的高输
出阻抗限制而为一常数，该区域称为“汤姆森放电”区。一旦产生了足够多的离子和电子后，放电达到自持，气体开始起辉，出现电压降低。进一步增加电源功率，电压维持不变，电流平稳增加，该区称为“正常辉光放电”区。当离子轰击覆盖了整个阴极表面后，继续增加电源功率，可同时提高放电区内的电压和电流密度，形成均匀稳定的“异常辉光放电”，这个放电区就是通常使用的溅射区域。随后继续增加电压，当电流密度增加到～0.1A/cm 2时，电压开始急剧降低，出现低电压大电流的弧光放电，这在溅射中应力求避免。 （2）溅射 通常溅射所用的工作气体是纯氩，辉光放电时，电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，这些被溅射出来的原子具有一定的动能，并会沿着一定的方向射向衬底，从而被吸附在衬底上沉积成膜。这就是简单的“二级直流溅射”。 （3）磁控溅射 通常的溅射方法，溅射沉积效率不高。为了提高溅射效率，经常采用磁控溅射的方法。磁控溅射的目的是增加气体的离化效率，其基本原理是在靶面上建立垂直与电场的一个环形封闭磁场，将电子约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率，从而显著提高溅射效率和沉积速率，同时也大大提高靶材的利用率。其基本原理示意见图 5-2。 图 5-2 磁控溅射镀膜原理 磁控溅射能极大地提高薄膜的沉积速度，改善薄膜的性能。这是由于在磁控
磁控反应溅射。就是用金属靶，加入氩气和反应气体如氮气或氧气。当金属靶材撞向零件时由于能量转化，与反应气体化合生成氮化物或氧化物。若磁铁静止，其磁场特性决定一般靶材利用率小于30%。为增大靶材利用率，可采用旋转磁场。但旋转磁场需要旋转机构，同时溅射速率要减小。冷却水管。 旋转磁场多用于大型或贵重靶。如半导体膜溅射。用磁控靶源溅射金属和合金很容易，点火和溅射很方便。这是因为靶（阴极），等离子体，和被溅零件/真空腔体可形成回路。但若溅射绝缘体如陶瓷则回路断了。于是人们采用高频电源，回路中加入很强的电容。这样在绝缘回路中靶材成了一个电容。但高频磁控溅射电源昂贵，溅射速率很小，同时接地技术很复杂，因而难大规模采用。为解决此问题，发明了 磁控溅射 磁控溅射是为了在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率的方法。 磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar 和新的电子；新电子飞向基片，Ar在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于 一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。
磁控溅射薄膜金属的制备 黎明 烟台大学环境与材料工程学院山东烟台111 E-mail:1111111@https://www.doczj.com/doc/3a12085839.html, 摘要: 金属与金属氧化物在气敏、光催化与太阳能电池等方面有着极为重要的应用，通过磁控溅射法制备的金属氧化物薄膜，具有纯度高、致密性好、可控性强、与基底附着性好等优点，因此磁控溅射技术被广泛应用于工业化生产制备大面积、高质量的薄膜。我们通过磁控溅射法制备了氧化铜纳米线阵列薄膜，并研究了其气敏性质；除此之外，我们还通过磁控溅射法制备了TiO2/WO3复合薄膜，研究了两者之间的电荷传输性质 关键词：磁控溅射;气敏性质;光电性质 Magnetron sputtering metal film preparation LiMing Environmental and Materials Engineering, Yantai UniversityShandong Yantai111 E-mail:1111111@https://www.doczj.com/doc/3a12085839.html, Abstract:GAasMetal and metal oxide have important applications in gas-sensing, photocatalyst and photovoltaics, etc. The metal oxide film prepared by magnetron sputtering technique possesses good qualities, such as high purity, good compactness, controllability and excellent adhesion. Therefore magnetron sputtering technique is widely used to prepare large area and high quality films in industrial production. In our work, CuOnanowires (NWs) array films were synthesized by magnetron sputtering. Their gas-sensing properties were also investigated. Except this, WO3/ TiO2nanocomposite films were synthesized by magnetron sputtering and their dynamic charge transport properties were investigated by the transient photovoltage technique. KeyWords :Gmagnetron Sputtering, Photo-electric Properties, Gas-sensing Properties 1绪论 磁控溅射由于其显著的优点应用日趋广泛，成为工业镀膜生产中最主要的技术之一，相应的溅射技术与也取得了进一步的发展!非平衡磁控溅射改善了沉积室内等离子体的分布，提高了膜层质量；中频和脉冲磁控溅射可有效避免反应溅射时的迟滞现象，消除靶中毒和打弧问题，提高制备化合物薄膜的稳定性和沉积速率；改进的磁控溅射靶的设计可获得较高的靶材利用率；高速溅射和自溅射为溅射镀膜技术开辟了新的应用领域。
黑色实验总结 1、材料对比 ⑴ TiC TiC是最常见、最经济的一种黑色硬质膜。颜色可以做到比较深，耐磨性能也很好，但其色调不够纯正，总是黑中略带黄色。并且由于钛的熔点相对较低，在溅射时易出现大的颗粒，使其光令度不易得到改善。防指印的能力也不好，擦后变黄、变朦。 ⑵ CrC CrC的总体色调相对TiC要好，虽然达不到TiC那样黑，但更纯正，带白。由于铬在溅射时直接由固态直接变为气态，故虽然铬的溅射系数很大，膜层沉积速率很快，但其光令度却比TiC好。防指印性能也比TiC好。Cr为脆性材料，膜层的残余应力对耐磨性能的影响尤为重要。 ⑶ TiAlC 由于铝有细化晶粒的作用，所以TiAlC膜层的光令度和防指印的能力均较好。但是铝的熔点很低，要求铝靶的冷却效果要好，施加在铝靶上的功率也不能太大。从TiAlC膜层本身来说，也要求铝的含量要低，不然不够黑。但如果铝靶的功率太低，很容易中毒。建议采用平面铝靶或使用一定铝含量的铝钛合金靶材。 ⑷ TiCrAlC TiCrAlC是用小平面靶试电的，结果光令度和防指印的能力很好，这可能有两个原因：①材料本身的光令度和防指印的能力较好；②采用平面靶轰击打底。其耐磨能力也比较好，这可能是由于：①TiCrAl靶材致密；②TiCrAlC本身比较耐磨；③小平面靶的功率密度比较高，溅射出的粒子能量较高，故膜层致密。 ⑸ TiCN TiCN是一种硬度与耐磨性能较好的薄膜，其颜色甚至可以比TiC更黑，手摸起来不光滑，有粘粘的感觉，但防指印的能力却很好，擦后不会变色，也不会变朦。 2、实验机配置 ⑴ 电源 ① AE中频电源 AE电源的精度很高，对靶材的要求不高，电源自我保护的能力比较强，也因此对真空度等外界条件的要求更苛刻，易灭辉。镀出的CrC膜层光令度与防指印的效果较好，但颜色黑中带蓝。耐磨性能也是试过的电源中最好的。 ② 新达中频电源 新达电源的功率比较大，可以并机使用的它的一大优势。镀出的CrC膜层很黑，但带白，耐磨能力比AE电源镀出的膜层要查差。 ③ 盛普中频电源 盛普电源的稳定性相对其它电源来说要差一些，实际功率不大。镀出的CrC膜层略显黄色，
磁控溅射方法制备铜薄膜实验 一、实验目的 1．掌握物理气相沉积的基本原理，熟悉磁控溅射薄膜制备的工艺； 2．掌握磁控溅射镀膜设备的结构和原理。 二、设备仪器磁控溅射薄膜沉积台结构如图1所示。 图 1 磁控溅射镀膜机结构示意图 三、实验原理当高能粒子(电场加速的正离子，如Ar+)打在固体表面时，与表面的原子、分子交换能量，从而使这些原子、分子飞溅出来，沉积到基体材料表面形成薄膜的工艺过程。 四、实验内容 掌握磁控溅射薄膜制备的气体放电理论和特性，观察气体放电现象，理解气体放电的物理过程；掌握磁控溅射膜制备的沉积原理及条件，薄膜制备过程中溅射气体的选择、溅射电压及基片电位、高纯度靶材的影响。 五、实验步骤 1．准备：基体材料载玻片的清洗、烘干、装夹，铜靶材的安装； 2．方案：
a. 描述低真空的抽气回路：真空室三通阀位置2 低真空管道电磁阀机械泵大气。 b. 描述高真空的抽气回路：真空室蝶阀挡油器油扩散泵储气罐三通阀位置 1 低真空管道电磁阀机械泵大气 c. 铜薄膜的沉积工艺参数：本底真空度、溅射电流、溅射电压、沉积时间、薄膜厚度。 3. 步骤：本底真空获得后，进行氩气充气量的控制，溅射过程中电流、电压和时间的 控制，薄膜制备完成后，充入大气，取出试样。六．撰写实验报告 1. 真空系统的组成及作用，简述旋片泵、分子泵的工作原理。 2. 真空测量系统的组成，简述电离真空规的工作原理。 3. 气体放电理论的物理模型。 4. 铜薄膜沉积原理与影响参数的关系。 简介 真空镀膜在真空中制备膜层，包括镀制晶态的金属、半导体、绝缘体等单质或化合物膜。虽然化学汽相沉积也采用减压、低压或等离子体等真空手段，但一般真空镀膜是指用物理的方法沉积薄膜。真空镀膜有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。 蒸发镀膜 通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。这种方法最早由M.法拉第于1857年提出，现代已成为常用镀膜技术之一。蒸发镀膜设备结构如图1。蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，待镀工件，如金属、陶瓷、塑料等基片置于坩埚前方。待系统抽至高真空后，加热坩埚使其中的物质蒸发。蒸发物质的原子或分子以冷凝方式沉积在基片表面。薄膜厚度可由数百埃至数微米。膜厚决定于蒸发源的蒸发速率和时间（或决定于装料量），并与源和基片的距离有关。对于大面积镀膜，常采用旋转基片或多蒸发源的方式以保证膜层厚度的均匀性。从蒸发源到基片的距离应小于蒸气分子在残余气体中的平均自由程，以免蒸气分子与残气分子碰撞引起化学作用。蒸气分子平均动能约为0.1～0.2电子伏。 蒸发镀膜