高氣壓磁控濺射中較高功率對沉積速率的影響

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，不同的濺射功率對沉積速率的影響。實驗采用磁控濺射法制備鋅薄膜，應用控制變量法，在其它條件相同的條件下，對于70～200W的6個不同的濺射功率，制備6個鋅薄膜，然后分別測其膜厚，并算出沉積速率。本文經過分析，得出在高氣壓、高濺射功率范圍內，隨濺射功率增加沉積速率變小，并且兩者呈線性關系的結論。

關鍵詞：磁控濺射 高氣壓 高濺射功率 沉積速率 線性回歸

中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（c）-0126-01

磁控濺射法是被廣泛應用的成熟的制膜技術，濺射功率和氣體壓強（即Ar氣壓強）是其最為重要的兩個參數。對于濺射功率對沉積速率的影響，許多文獻都指出，隨著濺射功率的增加，沉積速率會增加，且兩者成良好的線性關系，例如下圖1（0.2 Pa下制備Bi薄膜的數據）。但是這些實驗都只涉及了較低的濺射功率，且實驗時氣壓較低。學界的一個已有結論是，在其它條件相同時，隨著氣壓的增高，沉積速率將呈現先增加后減少的趨勢，峰值大約出現在0.2 Pa～ 0.5 Pa之間。較高的氣壓導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氣分子的碰撞次數大量增加，這導致濺射原子能量在碰撞過程中大大損失，致使粒子到達基片的數量減少，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]可見高氣壓的實驗條件是較為特殊的。那么，當濺射功率較高時，尤其是同時濺射氣壓也較高時，濺射功率與沉積速率的關系是怎樣的呢？本文擬就在高氣壓高濺射功率范圍內，濺射功率對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陶瓷薄膜等。鑒于鋅的重要作用，本文所述實驗以鋅為研究對象。

1 實驗記錄

實驗使用JGP560C型雙室超高真空多功能磁控濺射儀，以玻璃片為基片，使用臺階儀測量薄膜厚度。濺射時，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個基片上鍍膜，每個膜的濺射功率與沉積速率見下表1。

2 數據分析

觀察可知隨著濺射功率的增加，沉積速率有遞減的趨勢。如表1，不妨記濺射功率為x，沉積速率為y。假設x和y之間滿足線性回歸方程y=k×x+b。應用matlab軟件對數據進行線性回歸分析可得，假設成立。同時得到k=-0.0010，置信區間為[-0.0017， -0.0003]。b=0.3851，置信區間為[0.2799， 0.4904]。數據點與線性回歸直線見圖2，每個數據點的殘差分析見圖3。

可以看出，雖然第二個、第三個數據點的殘差較大，但其置信區間仍然包含0點，所以均可不視為異常數據。

文獻[3]指出，對于相同的濺射時間，基片溫度會影響薄膜的薄厚。該文獻還具體給出了在一定的制備條件下，基片溫度和膜厚的關系，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，濺射功率的增大更容易導致基片溫度的升高，該文獻中的這一結論可以作為本實驗所得結論的佐證。

參考文獻

[1] 廖國，何智兵，陳太紅，等.濺射功率對Mo薄膜微結構和性能的影響[J].強激光與粒子束，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.