Download
1 / 41
470 likes | 733 Views
薄膜材料与技术. 实验教程. 主讲：邹友生 15996294651. 材料科学与工程系. 实验一. 反应磁控溅射方法制备 ZnO 薄膜实验. 提纲：. 一、实验目的 二、实验内容 三、实验仪器设备和材料 四、实验原理 五、实验方法和步骤 六、实验报告要求 七、实验注意事项 八、思考题. 一、实验目的. （１）通过本实验使学生了解真空泵的使用方法和真空计的测量原理。 （２）使学生了解并熟悉磁控溅射镀膜系统的结构和使用方法。 （３）掌握磁控溅射镀膜的工艺原理及在基片上沉积 ZnO 薄膜的工艺过程。. 二、实验内容. （１）基片的清洗。
E N D
薄膜材料与技术 实验教程 主讲：邹友生 15996294651 材料科学与工程系
实验一 反应磁控溅射方法制备ZnO薄膜实验
提纲： 一、实验目的 二、实验内容 三、实验仪器设备和材料 四、实验原理 五、实验方法和步骤 六、实验报告要求 七、实验注意事项 八、思考题
一、实验目的 （１）通过本实验使学生了解真空泵的使用方法和真空计的测量原理。 （２）使学生了解并熟悉磁控溅射镀膜系统的结构和使用方法。 （３）掌握磁控溅射镀膜的工艺原理及在基片上沉积ZnO薄膜的工艺过程。
二、实验内容 （１）基片的清洗。 （２）低真空和高真空的获得与测量，使用真空计进行真空的跟 踪测量。 （３）设定实验工艺参数、利用反应磁控溅射方法制备ZnO薄膜。
三、实验仪器设备和材料 １、试样： 玻璃和硅基片、氩气、氧气、Zn靶、丙酮、酒精。 ２、实验设备： （１）超声清洗器； （２）高真空磁控溅射镀膜系统。
（１）超声波清洗机： HB-1990QT型 • 超声波工作时间可调； • 清洗温度在20-80范围可调，可恒温控制溶液温度； • 工作频率：42000Hz • 功率：200W
超声波清洗时，在超声波的作用下，机械振动传到清洗液中，使清洗液体内交替出现疏密相间的振动，液体不断受到拉伸和压缩。疏的地方受到拉伸，形成微气泡(空穴)；密的地方受到压缩。由于清洗液内部受超声波的振动而频繁地拉伸和压缩，其结果使微气泡不断地产生和不断地破裂。微气泡破裂时，周围的清洗液以巨大的速度从各个方向伸向气泡的中心，产生水击。这种现象可以通过肉眼直接观察到，即在清洗液中可以看到有剧烈活动的气泡，而且清洗液上下对流。此时若将手指浸入清洗液中，则有强烈针刺的感觉。上述这种现象称为超声空化作用。 在超声空化作用一定时间后，被清洗件上的污垢逐渐脱落(当然也有清洗液本身的作用在内)，这就是超声波清洗的基本原理。超声波清洗时，在超声波的作用下，机械振动传到清洗液中，使清洗液体内交替出现疏密相间的振动，液体不断受到拉伸和压缩。疏的地方受到拉伸，形成微气泡(空穴)；密的地方受到压缩。由于清洗液内部受超声波的振动而频繁地拉伸和压缩，其结果使微气泡不断地产生和不断地破裂。微气泡破裂时，周围的清洗液以巨大的速度从各个方向伸向气泡的中心，产生水击。这种现象可以通过肉眼直接观察到，即在清洗液中可以看到有剧烈活动的气泡，而且清洗液上下对流。此时若将手指浸入清洗液中，则有强烈针刺的感觉。上述这种现象称为超声空化作用。 在超声空化作用一定时间后，被清洗件上的污垢逐渐脱落(当然也有清洗液本身的作用在内)，这就是超声波清洗的基本原理。
①溅射真空室组件： 真空室（不锈钢材料制造、氩弧焊接、表面进行化学抛光处理），真空室组件上焊有各种规格的法兰接口。 ②溅射靶组件： 锌靶材数量，靶内有水冷，电动控制挡板组件，靶配有屏蔽罩 ③基片水冷加热台组件： • 基片尺寸、基片加热温度、基片回转、基片加负偏压 ④工作气路： • 质量流量控制器、进气截止阀、混气室、管路、接头
⑤抽气机组及阀门、管道： 复合分子泵、机械泵、电磁隔断放气阀、联接金属软管 ⑥真空测量及电控系统： 电源机柜、总控制电源、水流报警系统、样品加热控温电源、靶挡板电源、加热烘烤及照明电源、热偶规、电离规、质量流量显示器、分子泵控制电源、射频电源、直流电源、直流偏压电源 ⑦各种配件及计算机控制系统：
真空系统 A C B 机械真空泵： 旋片式机械泵工作过程图
分子泵： 泵壳、主轴、转子叶片和定子叶片； 抽气组件由转子叶片和定子叶片相间排列组成；
热偶真空计（测量低真空）： 通过热电偶直接测量热丝温度的变化，热电偶产生的电动势就可以表征规管内的压力。气体压强和热电偶的电动势之间存在的关系：
电离真空计（测量高真空）： 利用某种手段使进入规管中的部分气体分子发生电离，收集这些离子形成离子流；由于被测气体分子所产生的离子流在一定压力范围内与气体的压力成正比关系，通过离子流的大小反映出被测气体压强。 I+=kIeP 由阴极、阳极和离子收集极三电极组成。
四、实验原理 1. 物理气相沉积介绍 2. 溅射镀膜的基本原理 3. 溅射沉积方法 4. ZnO薄膜
１.物理气相沉积（PVD）： 在真空条件下，用物理的方法将材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程在衬底上沉积一层具有特殊性能的薄膜技术。 • 从原材料中发射粒子 • 通过蒸发、升华、溅射和分解等过程 • 粒子输运到基片 • （粒子间发生碰撞，产生离化、复合、反应，能量的交换和运动方向的变化）； • 粒子在基片上凝结、成核、长大和成膜
2.溅射镀膜的基本原理： 溅射：荷能粒子轰击固体表面，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子的溅射。 溅射是轰击粒子与靶原子之间动量传递的结果
（１）入射离子的产生： 直流辉光放电区域可分为8个发光强度不同的区域。实际镀膜过程采用异常辉光放电。
（２）溅射主要参数： • 溅射阈值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射离子的种类关系不大、与靶材有关。
入射离子能量影响：＜150eV，平方关系；150eV-10keV，变化不大；＞10keV，下降。入射离子能量影响：＜150eV，平方关系；150eV-10keV，变化不大；＞10keV，下降。 • 入射离子的种类影响：溅射产额随入射原子序数增加而周期性增加。 Xe Kr Ar Ne • 溅射产额： 入射离子轰击靶材时，平均每个正离子能从靶材打出的原子数。
离子入射角度的影响： • 材料（靶材）特性的影响： • 靶材温度的影响： • 表面氧化的影响： • 合金化的影响：
Sputtering Yield for argon ion bombardment at 600 eV 溅射产额（0.01-4）之间
溅射原子能量和速度： 能量呈麦克斯韦分布，平均在10eV左右。溅射原子能量与靶材、入射离子种类和能量有关。 • Z大溅射原子逸出时能量高，Z小逸出的速度高。 • 同轰击能量下，溅射原子逸出能量随入射离子的质量而线形增加。 • 溅射原子平均逸出能量随入射离子能量的增加而增大，达到某一高值时，平均能量趋于恒定。
I-V characteristics of three different methods used for sputtering 3.溅射沉积方法： 溅射方法根据特征可分为：直流溅射、射频溅射、磁控溅射和反应溅射。
（１）磁控溅射： ① 传统溅射方法缺点： • 沉积速率低； • 工作气压高； • 气体分子对薄膜污染高 ② 磁控溅射原理： 垂直方向分布的磁力线将电子约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，提高电子与气体分子的碰撞几率和电离过程。
③ 磁控溅射靶材： • 永磁体磁控溅射靶： • Nd-Fe-B永磁体（简单经济、铁磁性材料溅射效率低） • 励磁磁控溅射靶： • 励磁线圈、结构复杂、可溅射铁磁材料 平面靶和圆柱形靶
④ 非平衡磁控溅射： • 通过减小或增大靶中心的磁体体积，使部分磁力线发散到距靶较远的衬底附近，使等离子体扩展到衬底附近且部分等离子体起轰击衬底作用。 • 拓展等离子体区域； • 增加离子比例； • 增加沉积能量。
⑤ 磁控溅射特征： • 降低工作气压，可到0.5Pa左右； • 电离效率高，提高了靶电流密度和溅射效率，降低靶电压； • 离子电流密度高，是射频溅射的10-100倍； • 不能实现强磁性材料的低温高速溅射； • 靶材溅射不均匀、靶材利用率低。 帕邢（Paschen）曲线
（２）反应溅射： 在存在反应气体的情况下，溅射靶材时，靶材料与反应气体形成化合物（氮化物、碳化物、氧化物）。 ① 反应溅射特征： • 靶中毒：反应气体与靶反应，在靶表面形成化合物； • 沉积膜的成分不同于靶材； • 化合物靶材溅射后，组元成分（氧、氮）含量下降，补偿反应气体； • 调整氩气和反应气体分压，可控制化合物薄膜的组成、沉积速率和薄膜性能。
② 靶中毒现象： • 取决于金属与反应气体的结合特性及形成化合物表层的性质。 • 降低薄膜沉积速率，化合物的溅射产额低于金属的溅射产额。 反应溅射的回线图 ③ 降低靶中毒措施： • 将反应气体输入位置远离靶材靠近衬底。 • 提高靶材溅射速率，降低活性气体的吸附。 • 采用中频或脉冲溅射。
（３）反应磁控溅射： 有机结合反应溅射和磁控溅射特征 本实验氧化锌薄膜制备方法： Zn靶 反应磁控溅射 ZnO薄膜 氧气
纤锌矿结构 闪锌矿结构 4.ZnO薄膜： （１）结构： ZnO晶胞含有四个原子，其中两个Zn占据(0, 0, 0)和(1/3, 2/3, 1/2)位置；而氧占据(0, 0, 3/8)和(1/3, 2/3, 7/8)位置；晶格常数a=0.324 nm，c=0.519 nm。
（２）性能与应用： • 具有较大的耦合系数而作为一种压电材料； • 响应时间快、感应能力强而应用于光学传感器； • 经Al或Ga元素掺杂后，同时具有良好的可见光透过性和类金属的电导率而用做透明导电薄膜； • 用Li或Mg掺杂的ZnO可作为铁电材料； • ZnO与Mn元素合金化后是一种具有磁性的半导体材料； • 大面积高质量的单晶ZnO可以作为蓝色光和紫外光的激光发射器。
五、实验方法和步骤 （1）超声波清洗器清洗玻璃基片。 （2）安装Zn靶。 （3）玻璃基片放入沉积室里面的样品台上。 （4）检查水源、气源和电源，打开冷却循环水。 （5）抽真空与测量真空度。 机械泵＋分子泵抽真空； 热偶真空计＋电离真空计。 （6）关闭分子泵，机械泵仍然工作，开始通入Ar和O2气体。
（7）沉积ZnO薄膜。 设定工艺参数：功率（400-500W）、靶电压（300-400V）、靶 基距70mm，基片温度室温。 （8）磁控溅射镀膜进行约10分钟，然后结束镀膜。关闭靶电源、氩气 和氧气。 （9）待冷却后，关机械泵，取出薄膜观察。 （10）合上真空室门，将真空室内抽到一定真空后，然后关掉机械 泵，关掉总电源，切断冷却水。
六、实验报告要求 报告内容包括： （１）实验目的、内容和实验的基本原理； （２）实验设备型号及有关参数； （３）实验过程中的现象； （４）实验心得体会。
七、实验注意事项 （1）预习时须认真阅读有关仪器的使用说明，理解仪器操作规程中先后操作步骤的关系； （2）在开启高真空磁控溅射镀膜系统之前，需要确保冷却水已经打开； （3）详细记录实验过程、工艺参数及实验步骤，给出ZnO薄膜制备的实验研究报告。
八、思考题 （1）沉积薄膜之前，基片为什么要进行清洗？ （2）热偶规管和电离规管的工作原理是什么？它们的量程范围是多少？ （3）在观察热偶规及电离规时，若指针来回摆动表明真空系统有何问题？如何解决？ （4）在锌金属靶与氧气进行反应溅射时，靶材会出现那些问题？ （5）简述在溅射过程中溅射功率的调节及注意事项。
