基于等离子体发射谱的反应溅射镀膜方法的实验研究

摘要

随着现代工业的发展，各种功能薄膜越来越多地应用到各个领域;磁控溅射镀膜技术不仅具有沉积温度低、薄膜附着性好，均匀性好、密度高、杂质少，膜的厚度可以控制，操作简单等优点，而且可以制备导电材料、半导体材料以及绝缘材料薄膜，因此近年来得到了广泛地应用。为了优化反应溅射镀膜方法并为实现自动化镀膜提供实验依据，本文采用光谱法对反应溅射镀膜方法进行了实验研究。
　　本文以直流磁控溅射系统和光谱监测系统为实验平台，以反应溅射制备氧化锌为例，通过对直流反应溅射过程中等离子体发射光谱的在线监测，从等离子体特征光谱的角度，通过分析不同靶功率、工作压强、工作气体流量和反应气体流量时放电等离子体特征光谱强度的变化规律，研究在直流反应溅射沉积氧化物薄膜过程中，靶功率、工作压力、工作气体流量以及反应气体流量这四个工艺参数对靶材溅射速率及靶材溅射状态的影响，并通过实验得出在靶功率一定、反应气体流量为零，靶材溅射速率最高时所对应的工作压力(5Pa)和工作气体流量值(10sccm)，并在该参数下研究了氧气流量对金属靶材溅射状态的影响，并获得了ZnO的反应迟滞曲线，得出溅射速率骤降点发生在氧气流量为1.5sccm处。
　　通过光谱监测系统和靶功率的监测和控制，制备了反应迟滞曲线上不同溅射阶段的薄膜，并分别对薄膜的晶体结构、表面形貌以及成分进行了表征，结果表明，随着反应气体流量的增加，薄膜成分逐渐由金属锌膜过渡到氧化锌薄膜，并在氧气流量为1.6sccm时，薄膜的晶粒尺寸最大，表面均匀致密，氧化锌薄膜的结晶质量达到最优;对薄膜的导电特性、透光性和润湿性进行检测结果表明，在金属溅射阶段，由于薄膜中含有较多的剩余锌原子，薄膜的导电性良好，接近于金属锌的导电性，透光率都在80％以下，受晶粒尺寸和薄膜应力变化的影响，薄膜的水接触角在45.9°-105.25°之间变化;随着反应气体流量的进一步增加，在过渡溅射阶段和化合物溅射阶段，薄膜的导电性逐渐减弱，受膜厚及薄膜结构的影响，薄膜透光性逐渐增强，在可见光范围内达到90％及以上，薄膜的润湿性逐渐呈现疏水性，并在氧气流量为1.4sccm时达到最大值109.87°。由以上结论可以看出通过光谱法可以对溅射工艺参数进行优化并在相同功率下达到靶材的最佳溅射状态;在实验获得的迟滞曲线的不同溅射阶段可以制备出预定成分和性质的薄膜。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 磁控溅射镀膜技术

1．2．1 磁控溅射镀膜过程

1．2．2 反应磁控溅射镀膜特点

1．2．3 等离子体诊断技术

1．2．4 光谱法对等离子体的诊断及其应用

1．3 氧化锌的基本性质

1．3．1 氧化锌的结构特性

1．3．2 氧化锌的光电特性

1．3．3 氧化锌的其他性质

1．4 氧化锌薄膜的应用

1．4．1 紫外探测器

1．4．2 压电器件

1．4．3 透明电极

1．5 课题研究内容

第2章 实验仪器设备及其原理

2．1 反应溅射镀膜系统

2．1．1 真空抽气系统

2．1．2 溅射镀膜室

2．1．3 检测组件

2．2 等离子体发射谱测量系统

2．2．1 光纤探头与传导光纤

2．2．2 EPP2000型光谱仪

2．2．3 光谱法检测理论依据

2．3 薄膜表征设备

2．3．1 表面形貌的分析

2．3．2 晶体结构的分析

2．3．3 润湿性的分析

2．3．4 电学性能的分析

2．3．5 光学性能的分析

第三章 ZnO薄膜沉积中工艺参数的测定

3．1 迟滞现象

3．2 沉积ZnO薄膜的迟滞曲线的绘制

3．3 光谱法对工艺参数的实验优化

3．3．1 影响薄膜沉积的工艺参数

3．3．2 功率对等离子体特征谱线强度影晌的实验研究

3．3．3 工作真空度对等离子体特征谱线强度影响的实验研究

3．3．4 工作气体流量对等离子体特征谱线强度影响的实验研究

3．3．5 等离子体中Zn元素谱线最强参数的确定

3．3．6 在优化参数下绘制迟滞曲线

3．4 本章小结

第4章 薄膜的制备及其性质研究

4．1 薄膜的制备

4．1．1 选择实验材料

4．1．2 清洗基片

4．1．3 清洁靶材

4．1．4 安装基片和靶材

4．1．5 制备薄膜

4．2 薄膜的表征

4．2．1 薄膜结构分析

4．2．2 表面形貌与成分分析

4．2．3 电学特性研究

4．2．4 光学性质研究

4．2．5 润湿性研究

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢