工艺参数对直流反应磁控溅射ZnO_Al薄膜沉积速率的影响

真空VACUUM

Vol.46,No.2Mar.2009

收稿日期：2008-04-27

作者简介：邹上荣（1984-），男，湖南省娄底市人，硕士生。

联系人：王海燕，教授。

工艺参数对直流反应磁控溅射ZnO:Al 薄膜沉积速率的影响

邹上荣，王海燕，耿梅艳,穆

慧

（郑州大学物理工程学院材料物理教育部重点实验室，河南郑州450052）

摘

要：实验以合金靶材在玻璃衬底上运用直流反应磁控溅射法制备了ZAO (ZnO:Al)透明导电薄膜样

品。研究了O 2气流量，

衬底温度，以及反应气压和溅射功率等工艺参数对ZAO 薄膜沉积速率的影响规律。结果表明：沉积速率随O 2气流量的增加显著降低,靶面溅射模式由金属模式转变为氧化物模式，而且这种转变趋势在改变其他参数时依然明显；沉积速率随溅射功率的增大几乎成线性增加，但随衬底温度的变化并不大；在反应气压增大的情况下,沉积速率不断上升,达到最大值后,又随气压的增大不断下降。

关键词：ZAO 薄膜；直流反应磁控溅射；沉积速率中图分类号：

TB43文献标识码：A

文章编号：1002-0322（2009）02-0045-04

Effect of Technological parameters on deposition rate of ZAO films prepared by

DC magnetron reactive sputtering

ZOU Shang-rong,WANG Hai-yan,GENG Mei-yan ，MU Hui

(Key Laboratory of Material Physics,Department of Physics,Zhengzhou University,Zhengzhou 450052,China)Abstract:The ZAO (ZnO :Al)transparent conductive films were deposited on glass substrates by DC magnetron reactive

sputtering process with an alloy target.To control the film thickness,the influence of such technological parameters as oxygen flow rate,substrate tempreture,reaction pressure and sputtering powe on the film deposition rate was studied systematically.The results showed that the deposition rate decreases greatly with the increasing oxygen flow rate,and the mode of sputtering from target is transformed into oxide mode from metal one.The abrupt transform keeps obvious no matter how other parameters change.The deposition rate increases almost linearly with increasing sputtering power,but it is not sensitive to substrate tempreture.Besides,the deposition rate increases first to a certain extent with increasing reaction pressure then decreases gradually.

Key words ：ZAO film;DC magnetron reactive sputtering process;deposition rate

近年来，铝掺杂氧化锌(ZAO)透明导电薄膜受到了普遍重视，其原因是这种薄膜具有低电阻率、高可见光透过率和对红外波段的高反射率等优异的光电性能，并且ZAO 薄膜的原材料丰富、成本低廉、化学稳定性好、易于实现工业化大面积镀膜等优点，有望在太阳能电池、平板显示器等光电装置中得到广泛应用[1]，因此ZAO 薄膜是值得深入研究的新一代透明导电材料。

目前用于制备ZAO 薄膜主要的方法有化学气相沉积法[2]，溶胶-凝胶法[3]，脉冲激光法[4],等

离子体沉积法[5]，热喷涂法[6]及磁控溅射法[7]。在

这些工艺中,直流反应磁控溅射法具有低的沉积温度,高的沉积速率,薄膜厚度可控性好,合金靶易于制作等优点[8]。但是这种工艺的稳定性不易控制，这主要是因为合金靶表面被氧化而产生靶材中毒现象，从而导致靶电压和沉积速率的急剧下降，造成进一步沉积的困难。本文研究了O 2气流量，衬底温度，反应气压和溅射功率等工艺参数对ZAO 薄膜沉积速率的影响规律，以减轻这种现象的影响而进一步提高直流反应磁控溅射技术的沉积速率。

1实验

1.1薄膜制备

所有薄膜的制备均在JGP-450型磁控溅射设

备上进行，实验条件为:靶材为220mm×80mm×5mm矩形Zn/Al合金靶,Al的相对含量为3%,本底真空度均优于1.3×10-3Pa,靶到衬底的距离为60mm。选用普通玻璃（50mm×50mm×1mm)作为衬底，用去离子水冲洗后再在丙酮乙醇中采用超声波清洗10min，然后再次用去离子水冲洗烘干。镀膜前,先用Ar+离子对靶预溅射15min。通入O2气后,待靶的电流和电压充分稳定后转开挡板进行沉积,沉积时间为30min。Ar气和O

2

气的流量由流量计分别控制，Ar气流量固定为20sccm。通过调节分子泵闸板阀的排气量以使反应气压控制在0.5～1.1Pa，沉积温度控制在170～230℃，溅射功率控制在120～180W。

1.2膜厚的测量

实验中采用干涉光谱法测量薄膜的厚度，所采用的测量仪器是IT-1810型紫外可见光分光光度计，利用它绘制薄膜的反射和透射光谱曲线，选取曲线上波长在632.8nm相临波峰或波谷所

对应的λ

a

、λb和对应的折射率n，即可求得膜厚d 再除以时间即为沉积速率。

d=λbλa

2n(λb-λa)

2结果与讨论

2.1O2气流量对ZAO薄膜沉积速率的影响

图1是不同流量的O

2

气对沉积速率的影响曲线。工艺参数为:反应气压0.7Pa，沉积温度200℃，溅射功率140W。由图1可以看出，随着氧气流量的提高，溅射气氛中氧分压的逐渐增加，薄膜的生长速率呈现出3种不同的变化状态。在3～4sccm之间存在着2个拐点，在第1个拐点之前，沉积速率变化缓慢，为状态1。在两个拐点之间，沉积速率急剧下降，为状态2。在第2个拐点之后，沉积速率减小变缓,而且速率的变化可以用一条直线来描述，为状态3。

我们根据反应溅射的机理分析[9]，Ar、O两种气态粒子在稀薄气氛中（真空条件下）相碰撞时，根据能量与动量守恒的要求，不可能在气相中耗散掉反应生成热，所以就不可能反应生成ZAO薄膜，那么ZAO薄膜的生成过程必然是在

固体表面进行。在状态1时，当O

2

气分压强很低而溅射速率还比较高时，ZAO薄膜的合成发生在基片表面，膜的化学配比取决于Zn、Al粒子和O+离子到达基片的相对速率，这种状态我们称之为金属模式。这种情况下，靶表面的反应情况是：靶表面ZAO薄层被轰击分解或剥离的速率远大于它的生长速率而使靶表面处于较清洁的金属状态，无沉积物出现而保持了同纯Ar溅射相似的沉积速率。溅射速率随着O

2

气分压强增大进入状态2后，逐渐下降，达到某一临界值时，在靶表面形成ZAO薄层速率超过分解速率。此时，沉积速率急剧下降。下降的原因一部分是因为ZAO 薄层的溅射产额比Zn、Al金属低，另一部分是因为ZAO薄层的二次电子发射系数比Zn、Al高，使得入射离子能量更多用于产生和加速二次电子，第三个原因是因为O+离子比Ar+离子的溅射效率低。这时靶面刻蚀区表面形成ZAO薄层，并且面积逐渐增大而出现靶中毒的现象。当环形中毒区面积基本稳定后，沉积物与靶面附着牢固，靶面已经形成稳定的ZAO薄层，此时溅射完全进入“氧化物”模式即为状态3，此时的溅射效果应该与直接溅射ZnO靶的效果一样。

图1O2气流量和沉积速率的关系

Fig.1Relationship between oxygen flow rate and deposition rate 2.2反应气压对ZAO薄膜沉积速率的影响

图2是不同反应气压下沉积速率的变化曲

线。工艺参数为:O

2

气和Ar气流量比为3/20，沉积温度200℃，溅射功率140W。可以看出，沉积速率随反应气压的增大而先增大后减小，有一个最大沉积速率，对应一个最佳反应气压。分析如下：一方面，在反应气压位于一个较低的工作范围内，随着它的升高，气体分子密度增大导致电子与气体分子之间发生碰撞的几率增大，从而电子在气体分子间能更充分地交换它们的能量，使气体溅射粒子能量增大；另一方面反应气压的升高使电离度增大等离子体阻抗下降，放电增强，离子流增大，穿过阴极暗区被加速初始电子的能量减少，阴极对电子捕集效率增大，所以沉积速率增大。但是，当反应气压处于一个较高的工作

46··第2期邹上荣,等：工艺参数对直流反应磁控溅射ZnO:Al薄膜沉积速率的影响

范围时，随反应气压的升高,沉积速率反而会减小，这是因为辉光放电中原子、离子的平均自由程下降，溅射靶材原子的背反射的几率和受气体原子(Ar)散射的几率增大，造成粒子能量降低，而粒子经多次碰撞后逃离沉积区域而返回阴极表面，减小了衬底对溅射原子的收集效率，导致了沉积速率的降低[10]。由图2可知本实验最佳反应气压为0.7Pa左右。

在图2的曲线上取0.5Pa和0.9Pa两个点，绘制成图2.1并和图1作为比较，其他工艺参数保持一致。可以发现随着气压的提升，两个拐点向流量高的方向移动，金属模式所占的比例增大，靶中毒的现象得以缓解，但是沉积速率降低依然很快。

图2反应气压和沉积速率的关系

Fig.2Relationship between reaction pressure and deposition rate

图2.1不同反应气压下O2气流量和沉积速率的关系Fig.2.1Relationship between oxygen flow rate and deposition rate under different reaction pressure

2.3溅射功率对ZAO薄膜沉积速率的影响

图3为溅射功率和薄膜沉积速率的关系曲线图。工艺参数是：反应气压0.7Pa，O

2

气和Ar 气流量比为3/20，沉积温度200℃。由图3知ZAO 薄膜沉积速率随溅射功率的增大几乎成线性增长。这是因为在溅射镀膜过程中，沉积速率（R)是与入射离子流密度（J)和溅射产额(Y)的乘积成正比，即[11]：

R=CYJ

其中C是溅射装置特性的常数。根据上式，当溅射功率增大时，溅射电流和电压同时增加，使入射离子流密度(J)和入射离子能量（E）增大，而入射离子能量（E）和溅射产额在此区间内的关系呈近似的线性增长，薄膜沉积速率也随之近似增长。

在图3的曲线上取120W和170W两个点，绘制成图3.1并和图1作为比较，其他工艺参数保持一致。可以看出随着功率的升高，沉积速率曲线整体向右上方移动并保持形状的相似性。说明它仅能使沉积速率增大但不能降低靶中毒现象的影响。

图3溅射功率和沉积速率的关系

Fig.3Relationship between sputtering power and deposition rate

图3.1不同溅射功率下O2气流量和沉积速率的关系Fig.3.1Relationship between oxygen flow rate and deposition rate under different sputtering power

2.4衬底温度对ZAO薄膜沉积速率的影响

图4表明了沉积速率对衬底温度的变化并不敏感。工艺参数为：反应气压0.7Pa，O

2

气和Ar气流量比为3/20，溅射功率140W。随衬底温度的升高，气相原子在衬底表面的粘附系数增大，沉积速率理应下降，然而在本实验中的影响并不大，这大概是因为仪表显示温度与实际温度不符又或是因为溅射粒子对衬底表面的刻蚀损伤所引起的。

在图4的曲线上取170℃和230℃两个点，绘制成图4.1并和图1作为比较，其他工艺参数保持一致。可以看出在较低的流量下，沉积速率基本不变，沉积速率突变的两点位置基本相同，但在较高的流量下，沉积速率随衬底温度升高而变大。因此，高温也不能延缓靶中毒现象，但能够

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真空VACUUM 第46卷

使因它引起沉积速率的变化幅度降低。

可以从图2.1、图3.1和图4.1中看出，不论是变化反应气压，溅射功率或沉积温度中的任意一个参数，薄膜的沉积速率随O 2流量的变化趋势是一致的，都会因为靶中毒而经历从金属模式过渡到氧化物模式，所以可以适当地提高气压，功率和温度来获得较高的沉积速率从而缓解靶中毒的现象。

图4衬底温度和沉积速率的关系

Fig.4Relationship between substrate tempreture and deposition rate

图4.1不同衬底温度下O 2气流量和沉积速率的关系Fig.4.1Relationship between oxygen flow rate and deposition rate

at different substrate tempretures

3结论

采用直流反应磁控溅射法在玻璃衬底上制

备了ZAO(ZnO:Al)透明导电薄膜，并且较细致地探讨了O 2气流量，

衬底温度，反应气压和溅射功率等主要工艺参数对ZAO 膜的沉积速率的影响规律。实验表明：ZAO 薄膜沉积速率随O 2气流量的增加经过两次突变而明显降低，靶面溅射由金属模式过渡到氧化物模式,沉积速率随溅射功率的增大几乎成线性增长,随衬底温度的变化不大，随反应气压的增加先增大后减小。

参考文献

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[11]李学丹,万学英,姜祥祺,等.真空沉积技术[M].杭

州:浙江大学出版社,1994.

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《真空工程技术》一书已出版

由东北大学徐成海教授任主编，巴德纯教授（东北大学）、于溥教授级高工（沈阳真空技术研究所）、达道安研究员（航天部510所）、张世伟副教授（东北大学）任副主编的《真空工程技术》一书于2006年9月由化学工业出版社出版。全书约200万字，共一册32章，内容包括真空技术基础、真空泵、真空测量仪器、真空阀门、密封等零部件以及真空容器和真空系统设计计算等和真空技术在各工业领域中的应用，包括冶金、热处理、镀膜、干燥、浸渍、包装、蒸馏、过滤、输送、绝热、航天、核工业领域，还有真空工程材料与工艺等内容。本书是当前真空工程技术界内容较全面的工程技术书籍之一。本书请中国工程院院士闻立时研究员撰写了序言，聘请了真空届知名人士杨乃恒教授为顾问委员会主任委员，李云奇教授、姜燮昌教授级高工、范垂桢研究员、张树林教授为顾问委员会副主任委员，合肥工业大学胡焕林教授等十几位真空科技工作者参加了编写工作。各地新华书店及化工出版社读者服务部(100029北京朝阳区惠新里3号楼)有售，定价180元。

(东北大学张志军供稿)

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