氧化锌薄膜制备

实验报告

PB13203265 李颖杰19组实验题目：氧化锌薄膜的制备

实验目的：学习制备氧化锌薄膜

实验原理：

1 制备技术概论

溅射是制备透明导电薄膜的最主要的工艺之一。溅射过程包括在阴阳极之间加一定电压，使惰性气体(如Ar)产生等离子体，靶材为阴极，衬底为阳极，等离子体中的高能离子Ar+轰击靶材料，由于动量传输，使靶材粒子逸出表面，弥散开来，并沉积在衬底表面上形成薄膜，溅射时的气压通常为10-2至10-3tor。

目前已应用的有DC,RF和磁控溅射的反应和不反应形式。下左图表示在反应溅射中溅射速率与氧分压的典型关系(功率一定时)．在低氧分压下，金属原子从靶上溅射下来，仅在衬底表面上发生氧化；在高的氧分压下，靶表面发生氧化，溅射速率明显下降，这是因为化合物的溅射通常要比金属的溅射慢得多。下右图表示在一定溅射功率下氧分压与氧流速的关系．直线表示等离子体点火之前的情况。而“磁滞”效应曲线发生在溅射之后．氧气流速达到B点时，靶表面的氧化发生，溅射速率下降，氧分压迅速增加；而当氧气流速重新退到C点时，靶表面氧化物耗尽，金属显露出来，溅射速率迅速上升氧分压迅速下降到金属溅射的情况。在AB段的溅射，形成富金属薄膜，需要在高浓度氧气中退火，形成ZnO，而在DC段溅射，形成氧化物薄膜，只需要较低氧气浓度中进行退火即可得到好的ZnO膜。为了保证薄膜的重复性生产，需尽量避免在过渡区附近工作。

2 直流溅射法和射频磁控溅射法生长ZnO

2.1 总论

用溅射工艺已制备了优质的ZnO薄膜，靶材为Zn-Al合金，也可为ZnO粉末和Al2O3粉膜的混合物烧结而成．靶中Al的含量通常为3-5wt%,Al掺入ZnO中通常使ZnO的结晶性质变坏，晶粒尺寸由200nm减至100nm．用合金靶生长的膜的沉积速率是O2分压和溅射功率的函数．随总压力变化很小，左下图表示在DC磁控溅射ZnO膜过程中，沉积速率与溅射功率的关系．在低溅射功率下，靶表面被非化学比地氧化了，溅射下来的粒子在输运和生长过程中进一步被氧化．如果功率增加，溅射下来的粒子数也增加。这意味要消耗更多的氧原子，使靶表面和溅射粒子氧化．随着功率的增加，可提供氧化靶表面的氧原子数目在减少，使靶的表面呈现更多的金属性。在氧气氛中600℃下退火30分钟，将改善薄膜质量，此与溅射沉积过程所使用的氧气分压无关．利用合金靶的DC反应溅射中，在较高的氧气分压下首先氧化靶表面,然后DC溅射氧化的靶表面．在溅射过程中，如维持DC电压不变，发现放电电流则随时间不断下降。如右下图所示

3.2 溅射制膜技术

(a)溅射的原理与设备结构

所谓溅射工艺，就是向高真空系统中充入少量所需的气体(如氩，氮，氧等)。气体分子在强电场作用下电离而产生辉光放电．气体电离后产生的带正电荷的离子受电场加速而形成高能量离子流，它们撞击在设置在阴极的靶表面上，使靶表面的原子飞溅出来，以自由原子形式或与反应气体分子形成化合物的形式淀积到衬底表面上形成薄膜层．这个过程就是溅射的基本原理．溅射设备的主体部分大致可分为两部分：即真空获得部分和电源部分。真空部分和镀膜机没有什么区别，所不同的是：溅射真空系统内装有永久性磁钢，用于产生垂直于靶表面的磁场。此磁场的主要功

能是：约束高能离子流对辉光起稳定作用。

(b)溅射方法：

现在，应用比较广泛的溅射方法有两种：直流溅射，射频溅射。

(1)直流溅射：

直流溅射又称直流二极溅射或阴极溅射，溅射材料作为靶设置阴极，衬底材料要放在阳极，两极间间距为3～10厘米．简要工艺过程是：溅射前先将真空抽到5x10-5托，然后连续向真空室内充入所需气体(假定为氩气)，使真空室内氩气压强保持在10-1～10-2托范围内．在两极之间加上3～5KV的直流电压，使真空室内氩气电离，产生辉光放电．氩离子在电场力的作用下加速，使高能离子流撞击靶，使靶表面原子获得足够的能量摆脱晶体的束缚飞溅出来，而在衬底表面形成我们期望得到的薄膜。

(2)射频溅射：

射频溅射又称等离子体溅射或器极溅射，其工作频率为13.56兆赫．在直流溅射中辉光放电要在10-1～10-2托的气压范围内，在高压电场的作用下才能产生，在这样的条件下溅射出来的原子和系统内气体碰撞的几率高，不但会降低膜生长速度，而且也严重影响膜生长质量。此外，直流溅射无法溅射绝缘材料。射频溅射则可在低气压，低电压下进行。射频溅射工作原理是：在高真空中充入所需气体，用热阴极发射电子，在阳极上加一定的正电压，使阴极和阳极之间的气体分子全部电离为电子和带正电荷的离子而形成等离子体．如果外加—个磁场，在磁场作用下，散射的离子向中心靠近，在中心轴附近泵焦成等离子柱。这时在靶上加负电压，等离子体中的正离子就会轰击靶，使靶上的表面原子溅射出来，淀积在对面的衬底上。实验装置简介:

真空镀膜机大体可分为三部分：即真空镀膜室，抽气系统和测量仪器。由于真空度的高低直接地影响着蒸发薄膜的质量，因此真空镀膜室和抽气系统是真空镀膜机镀膜质量的关键。

1．真空镀膜室

真空镀膜室主要由钟罩，蒸发源加热器，衬底加热器，活动挡扳和底盘等构成。钟罩一般由不锈钢或玻璃材料制成，它与钢制底盘构成真空室。室内蒸发源加热器的位置与衬底加热器的距离可调，—般约为6—11匣米．在蒸发源加热器与衬底之间装有活动挡扳，用来控制蒸发的进程。

2．抽气系统

为了获得10-6毫米汞拄(托)以上的真空度，—般采用多级抽气串联起来，称之为高真空机组在真空镀膜工艺中，常用“油封式机械抽气机”(即常说的机械泵)配合“蒸汽流扩散抽气机”(即为常说的扩散泵)以获得10-6毫米汞拄的真空度。

3.测量仪器

主要采用热偶规管和电离规管测量真空室内的气压。

下图为沉积半导体薄膜装置的示意图

实验内容:

1、将真空冲入氮气后再打开真空室将靶材放入真空室。

2、关闭真空室，打开气泵将压强降至10-1Pa后打开涡轮分子真空泵观测到真空泵从打开加速到正常工作时的时间为2分25秒，正常工作时的压强为2.4×10-2Pa

3、大概工作半小时后，关闭涡轮分子真空泵，此时的本底压强为7.1×10-3Pa，然后打开氩气阀门保持流速为15sccm，使压强增至3Pa。

4、打开阴阳两级之间的电压开关，此时读出电流为140mA，驻波比为1.4，