射频磁控溅射镀膜过程及机制.pdfVIP

2.1 薄膜的制备方法 溅射镀膜 磁控溅射 溅射过程 迁移过程 成膜过程 溅射镀膜 气相条件下沉积薄膜有两种主要的方式 ：物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD)和化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition, CVD). 气相沉 积是在气相环境中，采用不同的方式（如蒸发或溅射），把源材料上的原子或分 子转变为气相，再沉积到衬底上。这个过程一般要在真空室内进行，以便于控制 气相的成分，而且由于过程中，源材料要转变为气相再沉积，所以需要真空以减 少大气对源材料的污染。 气相沉积的两种主要方式是蒸发和溅射，其本质区别是将源材料转变为气相 的手段不同。蒸发是采用对源材料的原子或分子提供热能，使其逸出；溅射则是 采用外来的高速离子，轰击源材料，使源材料的原子或分子获得大量的动能而溅 射出来。 本论文中样品采用中科院沈阳科学仪器厂 JGP350 型磁控溅射镀膜机制备， 真空抽气系统由机械泵（前级泵）和分子泵（主泵）组成，极限真空度可达 2.0×10-4Pa 。溅射系统配有三个立式靶，其中两个接射频阴极 （RF ），另一个接直 流阴极（DC ）。RF 的溅射功率可在0～200W 之间调节，直流电源电压为0～2000V 。 中间样品控制架上有3个样品夹具，样品控制架可通过旋转来选择所要溅射的靶。 其中一个样品位的后面有加热电阻丝，可对该位置上的衬底加热，使得衬底温度 在室温与 400 ℃之间可调。靶和衬底间距为 5cm 。由于靶材CdTe 和 ZnTe 陶瓷靶 的电导率较低，所以采用射频溅射模式。工作气体为氩气。磁控溅射所用靶材是 纯度为 99.999%的ZnTe 和 CdTe 化合物陶瓷靶，靶材直径为 100mm、厚 6mm 。 沉积薄膜用的衬底均为普通玻璃，衬底厚 1mm，长宽为 2.5×6cm 。 射频溅射时，采用高频射频电源（13.56MHz），分别将靶材和真空室的其他 部分耦合在电源的两极，衬底处于靶材对应的位置，与靶材间距为 5cm， 射频磁控溅射时放电的过程（工作气体为 Ar 气）： 1）无光放电 打开射频电源及电流显示器，即会有十毫安以下以下的电流显示。这时真 空室中一般会有几帕到几十帕的 Ar 压，始终有少量 Ar 处理游离态，以电子和Ar 正离子的状态存在。并维持微弱的电流。 + 然后随着电压的增加，电流会逐渐增加。当两极加上电压后，电子和Ar 在 电压作用下，往返于两极。这时外加电压的变化周期为 7e-8s，正离子的浓度来 不及改变，电子的质量很小，速度快，可以在电压方向改变的半个周期内形成电 流。 升高电压，电子加速获得较大动能，碰撞 Ar 气分子时，使之电离。增加了 正离子和电子的浓度，进一步导致电流增加。 2）辉光放电区 当电压继续升高，电流继续增大；电压升高到500V 附近时，达到临界点， 产生辉光，同时电流基本不变，电压随之降低。 这一阶段中，电压增大到一定的值，正离子在较大的电场作用下，加速获得 足够的动能， 当电压进一步增加时，汤森放电的电流将随之增大，当电流增大到临界点时， 极板两端电压突然降低，（在射频溅射时，这一区域也很明显，在可以起辉的气 压下，电压增加到500V 左右时，电流保持不变，电压突然降低，同时起辉。）电 流突然增大，并同时出现带有颜色的辉光，此过程称为气体的击穿，图中电压称 为击穿电压。这时电子和正离子是来源于电子碰撞和正离子的轰击 （正离子对阴 极的靶材轰击，轰击出靶材料中的电子，然后这些电子在加速向阳极 （一般放有 基底的过程中，会再把气体电离，电离出更多的电子和正离子，然后电子再加速， 电离气体，而正离子则获得动能后轰击阴极，然后不断循环并增大，犹如雪崩）。 这时电子和离子的来源已经不再是 Ar 的自然电离了； 这一阶段，维持放电的电压较低，且不变，电流的增大与电压无关，而只与 阴极板上产生辉光的表面积有关。正常辉光放电的电流密度与阴极材料和气体的 种类有关。气体的压强与阴极的形状对电流密度的大小与有影响。电流密度随 气体压强增加而增大，凹面形阴极的正常辉光放电密度要比平板形阴极大数十 倍以上。 由于正常辉光放电时电流密度仍然比较小，所以在溅射等方面均是选择在非 正常辉光放电区工作。