高氣壓磁控濺射中較高功率對(duì)沉積速率的影響

摘 要：本文擬研究在磁控濺射中，在高氣壓、高濺射功率范圍內(nèi)，不同的濺射功率對(duì)沉積速率的影響。實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射法制備鋅薄膜，應(yīng)用控制變量法，在其它條件相同的條件下，對(duì)于70～200W的6個(gè)不同的濺射功率，制備6個(gè)鋅薄膜，然后分別測(cè)其膜厚，并算出沉積速率。本文經(jīng)過(guò)分析，得出在高氣壓、高濺射功率范圍內(nèi)，隨濺射功率增加沉積速率變小，并且兩者呈線性關(guān)系的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：磁控濺射 高氣壓 高濺射功率 沉積速率 線性回歸

中圖分類(lèi)號(hào)：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（c）-0126-01

磁控濺射法是被廣泛應(yīng)用的成熟的制膜技術(shù)，濺射功率和氣體壓強(qiáng)（即Ar氣壓強(qiáng)）是其最為重要的兩個(gè)參數(shù)。對(duì)于濺射功率對(duì)沉積速率的影響，許多文獻(xiàn)都指出，隨著濺射功率的增加，沉積速率會(huì)增加，且兩者成良好的線性關(guān)系，例如下圖1（0.2 Pa下制備Bi薄膜的數(shù)據(jù)）。但是這些實(shí)驗(yàn)都只涉及了較低的濺射功率，且實(shí)驗(yàn)時(shí)氣壓較低。學(xué)界的一個(gè)已有結(jié)論是，在其它條件相同時(shí)，隨著氣壓的增高，沉積速率將呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，峰值大約出現(xiàn)在0.2 Pa～ 0.5 Pa之間。較高的氣壓導(dǎo)致沉積速率降低的原因是：第一，隨著Ar氣分子的增多，濺射原子與Ar氣分子的碰撞次數(shù)大量增加，這導(dǎo)致濺射原子能量在碰撞過(guò)程中大大損失，致使粒子到達(dá)基片的數(shù)量減少，沉積速率下降。第二，由于氣體分子平均自由程減小，濺射原子的背反射和受氣體分子散射的幾率增大。[2]可見(jiàn)高氣壓的實(shí)驗(yàn)條件是較為特殊的。那么，當(dāng)濺射功率較高時(shí)，尤其是同時(shí)濺射氣壓也較高時(shí)，濺射功率與沉積速率的關(guān)系是怎樣的呢？本文擬就在高氣壓高濺射功率范圍內(nèi)，濺射功率對(duì)沉積速率的影響做些探討。

鋅是一種重要的金屬，在功能薄膜材料中經(jīng)常被使用，如銅鋅錫硫光伏薄膜，氧化鋅磁性薄膜、鈮鋅酸鍶鋇微波介質(zhì)陶瓷薄膜等。鑒于鋅的重要作用，本文所述實(shí)驗(yàn)以鋅為研究對(duì)象。

1 實(shí)驗(yàn)記錄

實(shí)驗(yàn)使用JGP560C型雙室超高真空多功能磁控濺射儀，以玻璃片為基片，使用臺(tái)階儀測(cè)量薄膜厚度。濺射時(shí)，先抽至10～5 Pa，再通入Ar氣至1 pa，然后在不同的濺射功率下濺射45 min。在6個(gè)基片上鍍膜，每個(gè)膜的濺射功率與沉積速率見(jiàn)下表1。

2 數(shù)據(jù)分析

觀察可知隨著濺射功率的增加，沉積速率有遞減的趨勢(shì)。如表1，不妨記濺射功率為x，沉積速率為y。假設(shè)x和y之間滿足線性回歸方程y=k×x+b。應(yīng)用matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析可得，假設(shè)成立。同時(shí)得到k=-0.0010，置信區(qū)間為[-0.0017， -0.0003]。b=0.3851，置信區(qū)間為[0.2799， 0.4904]。數(shù)據(jù)點(diǎn)與線性回歸直線見(jiàn)圖2，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的殘差分析見(jiàn)圖3。

可以看出，雖然第二個(gè)、第三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的殘差較大，但其置信區(qū)間仍然包含0點(diǎn)，所以均可不視為異常數(shù)據(jù)。

文獻(xiàn)[3]指出，對(duì)于相同的濺射時(shí)間，基片溫度會(huì)影響薄膜的薄厚。該文獻(xiàn)還具體給出了在一定的制備條件下，基片溫度和膜厚的關(guān)系，如圖4所示。

可以看出，隨著基片溫度的升高，濺射速率將減小，其原因可能是薄膜粘著力的降低或密度的增大。[3]由于在高濺射功率范圍內(nèi)，濺射功率的增大更容易導(dǎo)致基片溫度的升高，該文獻(xiàn)中的這一結(jié)論可以作為本實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論的佐證。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖國(guó)，何智兵，陳太紅，等.濺射功率對(duì)Mo薄膜微結(jié)構(gòu)和性能的影響[J].強(qiáng)激光與粒子束，2011（9）：2386-2390

[2] Kumru M.[J].Thin Solid Films.1991，（198）：75

[3] Tanaka T， et al.Preparation of Cu2ZnSnS4 thin films by hybrid sputtering[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids， 2005， 66（11）：1978-1981.