《真空磁控溅射镀zno膜-讲义-2014-6》由会员分享，可在线阅读，更多相关《真空磁控溅射镀zno膜-讲义-2014-6（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、真空磁控溅射镀Al 掺杂的ZnO薄膜(AZO)1852年，Grove发现阴极辉光放电产生的金属粒子溅射沉积现象。这一现象现已广泛应用于各种薄膜的制备。磁控溅射是在70年代在阴极溅射基础上加以改进而发展起来的一种新型溅射镀膜方法。它克服了阴极溅射速率低、基片升温高的致命弱点，使得它一诞生便获得了迅速的发展和广泛应用。磁控溅射具有高速、基片低温和沉积膜损伤低等优点。磁控溅射在最佳条件下可以得到均匀、致密、有良好的C轴取向性和可见光波段透明性好等优点的薄膜，使得它成为在AZO制备中研究最多并且最广泛使用的方法。溅射原本属于物理气相沉积，当溅射时在真空室内引入与金属Zn反应的气体O2，使得溅射同时具有
2、磁控溅射和反应溅射的优点，这就是反应磁控溅射。一、 实验原理磁控溅射的工作原理如图1所示。电子e在电场E作用下，在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar+和一个新的电子e，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，靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则沉积在基片上形成薄膜。二次电子e1一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。为了便于说明电子的运动情况，可以认为：二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。于是，从靶面发出的二次电子，首先在阴极暗区受到电场加速，飞向负辉区。进入负辉区的电子具有一定速度，并且是垂直于磁力线运动的
3、。在这种情况下，电子由于受到磁场B洛仑兹力的作用，而绕磁力线旋转。电子旋转半圈之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。当电子接近靶面时，速度即可降到零。以后，电子又在电场的作用下，再次飞离靶面，开始一个新的运动周期。电子就这样周而复始，跳跃式地朝E(电场)B(磁场)所指的方向漂移。简称EB漂移。电子在正交电磁场作用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作圆周运动。二次电子在环状磁场的控制下，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区，在该区中电离出大量的Ar+离子用来轰击靶材，从而实现了溅射淀积速率高的特点。随着碰撞次数的增加，电子e1的能量消耗殆尽，
4、逐步远离靶面。并在电场E的作用下最终沉积在基片。由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，致使基片温升较低。另外，对于e2类电子来说，由于磁极轴线处的电场与磁场平等，电子e2将直接飞向基片，但是在磁极轴线处离子密度很低，所以e2电子很少，对基片温度升高作用极微。图1 磁控溅射的工作原理综上所述，磁控溅射的基本原理，就是以磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。因此，使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。同时，受到正交电磁场束缚的电子，又只能在其能量要耗尽时才淀积在基片上。这就是磁控溅射具有“低温”、“高速”两大特点
5、的道理。直流反应磁控溅射方法是以直流电源作为磁控溅射电源，通入溅射气体Ar和其它反应气体如O2和N2等，使其与从靶材溅射出来的原子发生反应生成氧化物和氮化物等，从而制备出各种氧化物和氮化物薄膜。二、实验仪器采用JGP450型高真空磁控溅射设备制备出AZO薄膜，其设备主要由以下部分构成：计算机控制部分、RF型500W射频源、D07系列质量流量控制器、HTFB型复合分子泵、2DF-2A型复合真空计、偏压电源、直流溅射电源。三、实验流程1、在实验前，首先是清洗基片，用丙酮、酒精和去离子水分别对基片进行超声波清洗15分钟，完后取出基片放入高温烘箱烘干。2、其次是打开仪器电源前要为仪器送冷水，然后开启总
6、电源开关，开启V2控制阀使真空室内的气压为大气压，升起真空室，装上薄膜制备所需基片；把Zn靶装入固定环上，注意固定环与屏蔽罩间距保持2mm-3mm之间，以免短路，降下真空室。3、开始镀膜的实验流程如图2所示,其具体流程如下：关闭V2控制阀，开启机械泵，然后缓慢开启低真空阀V1旋钮，打开数码显示真空计，当压强显示低于5Pa时，关闭V1，打开高真空阀门G，启动分子泵电源，开启加热控温电源，加热温度至200，当真空达到10-6Pa以上时，关闭电离规(compound键)，稍微关G阀。开启直流溅射电源的断路器，并且启动电源。依次开启V3、V5、V6阀门和氩气和氧气瓶，开启DOB-3B/ZM型流量显示仪
7、的MFC1和MFC2的阀控，归零后调节氩气和氧气的流量示数，并调节工作压强为5Pa，电脑控制移回挡板，开始正式镀膜。镀膜完成后，关闭直流溅射电压以及断路器，此时辉光停止，关闭Ar、O2的气瓶，开G阀抽气15-20分钟，抽至流量显示仪示数为零时，关阀控减压阀以及V3、V5、V6，关流量显示仪和高真空磁控电流。等衬底温度降至70-80时，关G阀和分子泵。等3-7分钟后依次关电磁阀和机械泵，分子泵电源以及冷却水，实验结束。图2 反应磁控溅射法的试验流程图载玻片的前处理检查设备，保证溅射室洁净通电、通水、通气通入氩气和氧气溅射完成后，取出样品或经退火处理后取出预溅射5分钟后，开始进行溅射抽真空至610
8、-4Pa将衬底放在真空腔中四、AZO薄膜的实验条件采用JGP450型高真空磁控溅射仪用直流磁控溅射方法在透明平面玻璃上沉积AZO薄膜。溅射时系统的基础真空为6.010-4Pa，衬底温度由连接到衬底上的热偶计来测量。溅射气体用纯度为99.99%的Ar，反应气体用纯度为99.99%的O2。具体的实验条件如表2.1所示。本论文所用实验样品的参数如表2.2所示。 五、 AZO薄膜的退火处理退火是对制备的薄膜进行处理的一个很重要的手段，退火处理温度越高，给予原子的激活能越大，那么热运动越剧烈，原子有足够能量跑到自己的晶格点上，进一步降低了材料的内能和表面能。而内能和表面能的降低必然要求晶格重组和小晶粒的
9、结合。退火促成了晶粒的长大，降低了材料的内能和表面能，有助于材料质量的提高。为了得到高性能的AZO薄膜，样品在氮气中保护下进行退火，温度分别为300、400、600，自然冷却至室温。退火可以在L13130型单位卧式退火炉中进行，实验是在真空度为10-3Pa的真空室内进行的。其具体的操作步骤如下: 先把样品放入退火炉内，抽真空达到10-3Pa，然后对炉内电阻丝通电加热，用热电偶控制温度，当温度达到所需温度后，退火1h，然后断电降温，把样品取出，最后关机。表1 制备AZO薄膜的基本实验条件沉积样品AZO薄膜靶材Zn靶(99.99%)含Al1.5%工作气体Ar+O2溅射压强5PaO2/Ar0.2/2
10、70.5/27溅射功率58-80W靶基距7.5 cm靶的直径60mm衬底材料透明平面玻璃沉积温度200溅射时间45min表2 实验样品的各个参数样品标号氧氩比 工作压强 沉积温度 靶基距 溅射功率 溅射时间 厚度(O2/Ar) (Pa) () (cm) (W) (min) (nm)E10.2/27 5.0 200 7.5 58 45 103E20.3/27 5.0 200 7.5 60 48 120E30.4/27 5.0 200 7.5 60 45 110E40.5/27 5.0 200 7.5 60 45 115F10.2/26 5.0 200 8.5 50 45 103二、AZO薄膜的性
11、能测试2. 1 晶体结构的表征方法XRD测试可以确定样品的晶体结构、计算晶格常数、研究多晶薄膜材料的晶粒生长取向性、确定多晶材料的晶粒大小、分析薄膜材料中存在的应力等等。用日本岛津公司制造的XRD-600型X射线衍射仪对制得的薄膜进行X射线衍射(XRD)测试，以确定薄膜的晶体结构和薄膜与衬底之间的应力。其测试条件为：CuK靶；电压、电流：40KV，30mA；扫描速度8.0deg/min。X射线衍射原理是由于X射线波长和晶体中原子间距都是10-8cm量级，入射X射线能在晶体中发生衍射，晶体可以作为X射线的光栅。通过对衍射图样的分析，可以确定原子排列的情况。所以X射线衍射是目前研究晶体结构的最重要
12、的方法之一。一束X射线，入射角为q，由相邻平面反射线程差为2dsinq，当线程差是X射线波长l的整数倍时，发生相长干涉，出现加强衍射峰2d sin q = nl(n为正整数)，这就是布拉格衍射方程式，式中n为衍射级数，q为衍射角，d为晶面间距。在单晶体中，d为晶体的晶格常数46。X射线衍射学获得高速的发展，其应用范围已遍及物理、化学、地质学、生命科学、工程及材料科学等各个领域，在材料科学及工程方面的贡献尤为显著，成为近代材料微结构与缺陷分析必不可少的重要手段之一。粉末衍射协会(JCPDS)测得ZnO粉末的c轴为0.51948 nm(卡号36-1451，如图2.3所示)。其具体参数如表2.3 所
13、示：图3 ZnO粉末多晶的XRD衍射卡片(1996，JCPDS)Fig. 3 JCPDS pattern of ZnO powder表3 ZnO粉末的XRD参数Tab. 3 The XRD parameters of ZnO powderd()I/I0(hkl)2 Theta2.81671(100)31.7702.60256(002)34.4222.476100(101)36.2531.91129(102)47.5391.62640(110)56.6031.47735(103)62.8641.4076(200)66.3801.37928(112)67.9631.35914(201)69.100
14、2.2 表面形貌的测试方法利用重庆大学生产的 AFM.STM.IPC-208B.C 型原子力显微镜(AFM)测量薄膜的表面形貌和粗糙度。用日本JEOL电子公司生产的JSM-6460LV型扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜样品的表面形貌，将制备的薄膜切割成1010mm的大小，用导电胶粘在基座上，喷金30秒后即成样品，样品观察时的电子束加速电压为20KV。(1) AFM的工作原理AFM的工作原理基于原子与原子之间的相互作用力。当一根十分尖锐的微探针在纵向充分逼近样品表面至数纳米甚至更小间距时，微探针尖端的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力。原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系。AFM正是利用原子力与间距之间的这些关系，通过检测原子间的作用力而获得样品表面的微观形貌的。(2)SEM工作原理 扫描电镜是在阴极射线管(CRT)荧光屏上扫描成像，由电子枪发出的电子束在加速电压的作用下，经过三个磁透镜聚焦成直径为5nm或更细的电子束。在扫描线圈的控制下，使电子束在试样作用产生二次电子、背散射电子等各种信息。观察试样形貌时，检测器主要是收集二次电子和部分背散射电子，信号随着试样表面的形貌不同而发生变化，从而产生信号衬度，经放大器放大后，调制显像管的亮度。由于显像管的偏转线圈和镜筒中的扫描线圈的电流是同步的，所以检测器逐点检取的二次电子信号将一一对应地调制
