3 国家自然科学基金资助课题

3 国家自然科学基金资助课题采用磁控管方式溅射的电子回旋共振等离子体沉积技术的研究3汪建华袁润章(武汉工业大学, 武昌430072)邬钦崇任兆杏(中科院等离子体物理研究所)喻宪辉(湖北省交通学院)摘要将磁控管方式溅射用于微波ECR 等离子体沉积技术。在低气压和低温下沉积了高度C 轴取向的ZnO 薄膜, 其膜的沉积速率比普通ECR 溅射中所得到的速率大得多, 并且在5 12cm 的膜区域内显示出良好的均匀性。关键词磁控管方式溅射ECR 等离子体ZnO 薄膜Study of an Electron Cyclotron Resonance Pla sma Depos it ionTechn ique byMagnetron M ode Sputter ingW ang J ianhua, Yuan Runzhang, W u Q inchong, Ren Zhaox ing, Yu Xianhu i(W uhan P oly technic U niv. , W uchang 430072)AbstractM agnet ron mode spu t tering w as app lied to an elect ron cyclo t ron reso2nance (ECR ) p lasm a depo sit ion techn ique, ZnO f ilm w ith an excellen t crystal o rien tat ionw as depo sited at low temperatu res and low gas p ressu res, w ith m uch h igher rates thantho se ob tained in conven t ional ECR react ive spu t tering and good un ifo rm ity of depo si2t ion f ilm in 5 12cm.KeywordsM agnet ron modeSpu t teringECR p lasm aZnO f ilm1引言溅射是在真空条件下沉积薄膜的最重要的工艺之一。自80年代以来, 磁控管溅射方法在制造计算机磁盘及其他器件中起着非常重要的作用, 它比DC 溅射, RF 溅射具有更高的沉积速率。然而, 就这种方法沉积金属化合物而言, 难以满足反应溅射中的高沉积速率和完全反应的要求, 即改变薄膜的化学计量比, 制作高质量薄膜是有困难的。为了控制薄膜的成分、晶体结构、晶粒大小和缺陷, 必须研究膜制备技术, 开发新的膜制备方法。微波ECR 等离子体方法来源于可控核聚变研究中的电子回旋共振加热(ECRH) 技术。经过二十多年的研究与发展, 80年代起逐步被开拓应用到材料科学中来。ECR 等离子体比DC、RF 放电产生的等离子体具有无极放电、离化率高的特点。在低气压下产生高密度的等离子体, 并受磁场约束, 减少了等离子体与器壁的相互作用。用发散磁场的微波ECRP CVD 技术, 可在室温下(无须加热基片, 由于等离子体加热效应基片温度一般不超过50, 有时会升高, 但不超过150) 沉积出Si3N 4、SiO 2、a2SiH 等优质膜 1, 2 , 在低温下气相外延生长GaA s 膜 3 、金刚石薄膜 4 、BN 膜 5 。并且用微波ECRP CVD 技术已成功地制备了高质量的薄膜 6 。本文报道了采用磁控管方式在低气压下产生了ECR 等离子体, 实现了磁控管方式溅射,研究了该溅射法的放电特性, 并在低温下沉积出高度C 轴取向的ZnO 薄膜。2实验装置图1示出微波ECR 等离子体溅射装置, 使用2145GHz 的微波源, 功率连续可调(0 5千瓦)。微波通过BJ 22标准的矩形波导, 经石英窗口引入等离子体室。室外周围通有一定电流磁体线圈(水冷) , 在室内适当的区域产生ECR 条件的磁场(875高斯)。在10- 2帕低气压下, 波与电子发生共振, 耦合电离中性气体, 产生高密度的等离子体。磁场强度从等离子体室到膜沉积室逐渐减小。如图2所示。所产生的ECR 等离子体中的离子在靶电压的作用下, 对圆筒状金属靶产生溅射。在发散磁场的作用下, 溅射粒子在靶口前方的基片上沉积出薄膜。图1微波ECR 等离子体溅射装置磁控管方式溅射用的圆筒靶放置在水冷靶座上。溅射气体(A r) 引入等离子体室, 而反应图2腔内磁场位形分布气体O 2引入沉积室。装置的抽气系统由机械泵(抽速为8L s) 和涡轮分子泵(抽速为450L s 组成)。3磁控管方式溅射用靶结构没有加磁控管的ECR 溅射方法中, 外磁场在腔内产生的磁通会穿过圆筒靶表面。放电时,由于离子的轰击, 从靶表面发射的高能电子, 绕着磁力线作圆周或螺旋运动, 很容易撞在腔壁被复合消耗。因而靶的溅射速率低。为此提高溅射速率, 我们将圆筒状靶设计成磁控管溅射的方式。溅射靶结构示于图3, 圆筒靶直径为图3磁控管方式溅射用的靶结构和磁场的示意图。1: 圆筒靶; 2: 铁环; 3: 不锈钢环; 4: 磁力线; 5: 局部磁场; 6: 磁控管放电区域; 7: 发散磁场7cm , 高度6cm , 靶与一个连接直流电源的靶基座相接, 并且水冷却靶座。靶由5个支持环支撑, 两个顶环和两个底环用纯铁制作, 中间的环用不锈钢制作。由于利用了4个纯铁支撑环,腔内发散磁场在靶表面上容易形成局部磁场,如图4所示。此局部磁场有效地产生磁控放电(E B )。为了形成等离子体流仍维持发散磁场, 局部磁场从靶表面扩张很小。利用局部磁场来改变电子的运动轨道将它较长时间地约束在靶表面附近, 这样不但可以减少电子的散失和消耗, 而且还可以增加电子在靶上的运动路程,因而使电子与等高离子体的碰壁撞几率和离化效率提高。图4在靶表面附近(图3中的AB) 局部磁场的磁通量密度分布。1, 3: 铁环; 2: 不锈钢环; 4: ECR 条件(875高斯) ; 5: 等离子体室; 6: 靶; 7: 基片。Z 表示离等离子体室顶的距离; B 表示磁通量密度4实验结果与讨论411放电特性当筒状靶为纯锌时, 研究了该装置的溅射放电特性。将氩气引入等离子体室, 并把氧气引入沉积室。图5给出在没有局部磁场情况下靶结构的V 2I 特性曲线。由图可见, 随着靶压的升高, 靶流呈上升的趋势, 并且增大微波功率时,靶流上升较快。图6给出外加局部磁场时靶结构的V 2I 特性曲线。由图可见, 随着靶电压的升高, 靶流上升, 在靶压为250 500V 时, 靶流逐渐呈饱和状态, 当靶压超过500V 后, 靶流增加极快, 并且随着微波功率的增加, 靶流增加很大, 这可大大提高膜的沉积速率。实验观察到, 当ECR 等离子体放电时, 圆筒靶表面有2个界限分明的亮光环, 每个光环长度对应着纯铁环的长度。这表明, 圆筒靶表面形成的局部磁场产生了磁控管放电, 在靶表面形成了高密度的等离子体。图5在没有局部磁场情况下的V 2I 特性曲线图6在有局部磁场情况下的V 2I 特性曲线412高质量ZnO 膜的沉积采用磁控管方式的ECR 等离子体反应溅射沉积的ZnO 薄膜, 用XRD、TEM、光度计、轮廓仪、椭圆偏振仪等对其进行了质量评估。图7示出玻璃基片上ZnO 薄膜典型的XRD 图形。薄膜的沉积条件: 基片温度T = 208, 氧、氩气流量分别为15 (O 2) sccm , 3 (A r) sccm , 工作压强P = 11410- 1Pa, 靶电压V t= - 710V。由图可见, ZnO 薄膜(002) 面衍射峰特别强,(004) 面衍射峰也清晰可见, 这表明该ZnO 薄膜具有高度择优取向, 对应于该薄膜样品的x射线回摆曲线如图8所示。由图可以得到样品的(002) 面C 轴取向分布分散度R= 215, 偏离度m = 015, 这表明所制备的ZnO 膜有非常好的C 轴择优取向。TEM 的形貌观察和电子衍射研究表明, 其膜结构为多晶, 晶粒大小(1020nm )。光度计分析测量ZnO玻璃双层结构,光透射率超过80% 以上。折射率为1184921030, 非常接近于ZnO 晶体的2105。高平整度(表面粗糙度 20nm )。综上所述, 该装置可以制备出高度C 轴取向, 表面平整, 结构致密的nm 级多晶ZnO 薄膜。以(002) 峰为表征的C 轴取向的ZnO 膜具有良好的压电性, 广泛用于各种频段的声体波, 声表面波, 压电换能器等声光电器件中。图8ZnO玻璃(002) 面x 射线回摆曲线图7ZnO 薄膜典型的x 射线衍射示意图413膜的均匀性沉积薄膜的均匀性是实用的重要指标。用Telystep 2Hobb son 轮廓仪测量了ZnO 薄膜厚度分布, 结果表明: 在5 12cm 的面积上均匀性好, 在4% 内。薄膜的均匀性主要由溅射金属粒子的分布确定, 并与靶尺寸和磁控管方式放电的面积有关。此外, 溅射金属粒子的电离对改善膜的均匀性也是有贡献的。5结论磁控管方式溅射金属靶的方法可以用于微波ECR 等离子体技术。通过改善发散场的微波ECR 等离子体装置内靶室的磁场分布, 形成局部磁场, 在圆筒靶表面附近实现了磁控管方式放电, 当靶压超过500V 时, 能进行高速率的溅射。采用该装置沉积出高度C 轴取向的ZnO 薄膜, C 轴取向分散度R= 215, 偏离度m = 015,其晶粒大小为10 20nm , 折射率为1184921030, 光透过率为80% 以上, 并且膜的结构致密, 表面平整, 在5 12cm 的膜面积上显示了较好的均匀性。参考文献1M atuo S, Kiuch iM. 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P rep int subm itted to kobe engineering re2po rts, 19916任兆杏, 盛艳亚. 微波电子回旋共振等离子体物理气相淀积技术. 物理, 1990; 8: 497(收稿日期19971209)汪建华1982年元月毕业于华中理工大学物理系; 1994年在中科院等离子体物理研究所获博士学位, 1997 1999年元月在武汉工业大学复合材料新技术国家重点实验室从事博士后研究工作。现在武汉工学院材料工程系工作, 副教授。长期从事低温等离子体技术及薄膜材料的研究工作。专长是微波等离子体技术和金刚石薄膜产品的开发、应用。半导体技术1999年4月第24卷第2期19