高气压磁控溅射中较高功率对沉积速率的影响

摘 要：本文拟研究在磁控溅射中，在高气压、高溅射功率范围内，不同的溅射功率对沉积速率的影响。实验采用磁控溅射法制备锌薄膜，应用控制变量法，在其它条件相同的条件下，对于70～200W的6个不同的溅射功率，制备6个锌薄膜，然后分别测其膜厚，并算出沉积速率。本文经过分析，得出在高气压、高溅射功率范围内，随溅射功率增加沉积速率变小，并且两者呈线性关系的结论。

关键词：磁控溅射 高气压 高溅射功率 沉积速率 线性回归

中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0126-01

磁控溅射法是被广泛应用的成熟的制膜技术，溅射功率和气体压强（即Ar气压强）是其最为重要的两个参数。对于溅射功率对沉积速率的影响，许多文献都指出，随着溅射功率的增加，沉积速率会增加，且两者成良好的线性关系，例如下图1（0.2 Pa下制备Bi薄膜的数据）。但是这些实验都只涉及了较低的溅射功率，且实验时气压较低。学界的一个已有结论是，在其它条件相同时，随着气压的增高，沉积速率将呈现先增加后减少的趋势，峰值大约出现在0.2 Pa～ 0.5 Pa之间。较高的气压导致沉积速率降低的原因是：第一，随着Ar气分子的增多，溅射原子与Ar气分子的碰撞次数大量增加，这导致溅射原子能量在碰撞过程中大大损失，致使粒子到达基片的数量减少，沉积速率下降。第二，由于气体分子平均自由程减小，溅射原子的背反射和受气体分子散射的几率增大。[2]可见高气压的实验条件是较为特殊的。那么，当溅射功率较高时，尤其是同时溅射气压也较高时，溅射功率与沉积速率的关系是怎样的呢？本文拟就在高气压高溅射功率范围内，溅射功率对沉积速率的影响做些探讨。

锌是一种重要的金属，在功能薄膜材料中经常被使用，如铜锌锡硫光伏薄膜，氧化锌磁性薄膜、铌锌酸锶钡微波介质陶瓷薄膜等。鉴于锌的重要作用，本文所述实验以锌为研究对象。

1 实验记录

实验使用JGP560C型双室超高真空多功能磁控溅射仪，以玻璃片为基片，使用台阶仪测量薄膜厚度。溅射时，先抽至10～5 Pa，再通入Ar气至1 pa，然后在不同的溅射功率下溅射45 min。在6个基片上镀膜，每个膜的溅射功率与沉积速率见下表1。

2 数据分析

观察可知随着溅射功率的增加，沉积速率有递减的趋势。如表1，不妨记溅射功率为x，沉积速率为y。假设x和y之间满足线性回归方程y=k×x+b。应用matlab软件对数据进行线性回归分析可得，假设成立。同时得到k=-0.0010，置信区间为[-0.0017， -0.0003]。b=0.3851，置信区间为[0.2799， 0.4904]。数据点与线性回归直线见图2，每个数据点的残差分析见图3。

可以看出，虽然第二个、第三个数据点的残差较大，但其置信区间仍然包含0点，所以均可不视为异常数据。

文献[3]指出，对于相同的溅射时间，基片温度会影响薄膜的薄厚。该文献还具体给出了在一定的制备条件下，基片温度和膜厚的关系，如图4所示。

可以看出，随着基片温度的升高，溅射速率将减小，其原因可能是薄膜粘着力的降低或密度的增大。[3]由于在高溅射功率范围内，溅射功率的增大更容易导致基片温度的升高，该文献中的这一结论可以作为本实验所得结论的佐证。

参考文献

[1] 廖国，何智兵，陈太红，等.溅射功率对Mo薄膜微结构和性能的影响[J].强激光与粒子束，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.