磁控溅射沉积薄膜预溅射时间的光谱诊断.pdf

第卷，第期光谱学与光谱分析，年月，磁控溅射沉积薄膜预溅射时间的光谱诊断郭庆林，范青，崔永亮，董开虎，张磊，李旭，张金平，陈金忠河北大学物理科学与技术学院，河北保定摘要利用系列光栅光谱仪、数据采集和处理系统以及光纤导光系统等构成的等离子体光谱分析系统，实现了实时获取射频磁控溅射过程中等离子体光谱，分别对，陶瓷靶，合金靶四种靶材的磁控溅射过程产生的等离子体进行监测，以，和为分析线，获得了分析谱线强度随时间的变化规律，并以此为依据确定了预溅射时间，同时研究了不同溅射功率和压强对预溅射时间的影响。关键词等离子体发射光谱；光谱分析；磁控溅射；预溅射时间中图分类号：文献标识码：犇犗犐：（）收稿日期：，修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）和河北省自然科学基金项目（）资助作者简介：郭庆林，年生，河北大学物理科学与技术学院教授：引言磁控溅射法是当今制备薄膜较常用的一种方法，而此种方法制备高质量薄膜的关键之一在于能够在溅射过程中各方面条件比较稳定的阶段进行膜的生长，从而保证薄膜质量达到最优。在以往的探索研究中，人们主要是依靠多次实验而得到的经验来确定溅射达到稳定的时间。如王志安等采用中频反应磁控溅射孪生靶在玻璃基体上沉积，在镀膜前通入氩气进行的预溅射来清洗靶表面。胡敏通过直流反应磁控溅射来沉积薄膜时，靶材进行预溅射时间。等利用磁控溅射技术制备碳化硼薄膜时对靶材进行了的预溅射。等在对铝铜合金进行等离子体渗氮前先对样品进行预溅射持续，以清除其表面氧化层。在利用等离子体发射光谱诊断对磁控溅射制备薄膜工艺参数优化方面已有不少报道，并均采用预溅射措施。可见诸多研究中都意识到了进行预溅射对薄膜生长的重要性，但采用有效手段来确定预溅射所需时间的报道少见，一般靠经验给定，这样很难保证所制备薄膜的稳定性，同时对资源可能造成不必要的浪费。利用等离子体光谱诊断系统，对磁控溅射制备铁电薄膜过程中靶材组份进行光谱采集，通过研究靶材组份光谱强度随时间变化，实现了预溅射时间确定，该方法对提高磁控溅射法制备薄膜质量和稳定性有一定的指导作用。实验部分装置实验装置如图所示，由磁控溅射仪、光纤导光系统、光栅光谱仪、数据采集与处理系统构成的等离子体光谱分析系统。犉犻犵犈狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾狊犲狋狌狆其中磁控溅射仪射频频率为（由中国科学院沈阳科学仪器厂）；光栅光谱仪（，分辨率为）；探测器为紫外增强型。方法实验中为了确保对磁控溅射过程中等离子体光谱实时采集的可行性，磁控溅射制备薄膜实验条件在以往优化条件下进行，本底真空，工作气体氩气，流量为，压强为，靶基间距为，溅射功率。分别以金属陶瓷靶，金属合金靶，作为溅射靶材，在（）基片上各制备金属陶瓷靶的，薄膜，合金靶，薄膜。通过磁控溅射过程中靶材组分等离子体光谱采集，获取其光谱强度随时间的变化。为了能同时采集到配比元素谱线强度变化规律，考虑到探测器件一帧光谱范围，分别以，线作为分析线。结果与讨论光谱分析是物质成份定量分析的重要手段，分析谱线强度不仅与靶材组分中元素含量密切相关，且其光谱强度反映了等离子中电子密度和温度变化。在磁控溅射等离子体中粒子密度和环境气氛直接决定了相应元素的发射光谱强度。等离子体发射光谱图给出了陶瓷靶材，以和作为分析线，在磁控溅射过程中不同时刻的等离子体发射光谱，在实验中从溅射开始即狋起，每隔采集记录一次，这里给出了时间段的部分光谱图。可观察到发射光谱谱线强度随时间的推移逐渐趋于稳定，且元素分析谱线清晰可见。犉犻犵犘犾犪狊犿犪犲犿犻狊狊犻狅狀狊狆犲犮狋狉犪狅犳犖犻犜犪犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋犻犿犲狊（）：狋；（）：狋；（）：狋；（）：狋等离子体发射光谱强度随时间变化图给出了和等离子体光谱强度随时间变化的曲线。可以观察到，分析线谱线强度从时刻开始随时间变化起初呈迅速上升，约后上升趋势逐渐趋于平缓，后，谱线强度维持在一稳定值左右；同样，分析线有着相同的变化规律，后强度趋于稳定。这表明以陶瓷靶为靶材磁控溅射所产生的等离子体中，无论是或的粒子数密度都是在溅射开始以后达到最大且保持相对稳定，定义该时间为预溅射时间。为进一步考证方法可行性，实验中又对陶瓷靶材、合金靶材的等离子体光谱进行分析，图图分别为以上三种靶材相应的分析线强度随时间变化的曲线，陶瓷靶、合金靶和合金靶的预溅射时间分别犉犻犵犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狆犾犪狊犿犪犲犿犻狊狊犻狅狀狊狆犲犮狋狉犪犻狀狋犲狀狊犻狋狔狅犳犖犻犜犪狆狅狑犱犲狉狋犪狉犵犲狋光谱学与光谱分析第卷为，和。犉犻犵犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狆犾犪狊犿犪犲犿犻狊狊犻狅狀狊狆犲犮狋狉犪犻狀狋犲狀狊犻狋狔狅犳犜犻犃犾狆狅狑犱犲狉狋犪狉犵犲狋犉犻犵犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狆犾犪狊犿犪犲犿犻狊狊犻狅狀狊狆犲犮狋狉犪犻狀狋犲狀狊犻狋狔狅犳犖犻犃犾犪犾犾狅狔狋犪狉犵犲狋犉犻犵犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狆犾犪狊犿犪犲犿犻狊狊犻狅狀狊狆犲犮狋狉犪犻狀狋犲狀狊犻狋狔狅犳犜犻犃犾犪犾犾狅狔狋犪狉犵犲狋从各实验中所给出的等离子体发射光谱图中可以发现，光谱强度并不稳定，随时间的变化逐渐增大，最终在某时刻到达最大值，此后光谱强度一直稳定在此最大值附近。磁控溅射等离子体光谱所表现出的以上行为，说明了在预溅射过程中等离子体粒子密度和等离子体温度的不稳定性。这是因为，一方面靶材在空气中放置受到杂质污染同时发生氧化反应，预溅射过程即是清除这些杂质的过程；另一方面磁控溅射过程与其环境相关联，反应气体的离化率对靶材受轰击从而溅射出粒子的效率也有极大的影响，同时等离子体中粒子的密度还受到沉积速率的影响，因此气体的离化程度达到稳定，并且溅射速率与沉积速率达到平衡是需要一个过程的。因此预溅射开始阶段元素特征光谱强度较弱；随着溅射时间延长，靶材表面杂质被逐渐清除，并且溅射环境趋于稳定，等离子体中靶材元素粒子密度达到最大值，因此所探测到的等离子体特征光谱强度达到稳定。由图和图可看出金属合金、陶瓷粉末靶材在光谱行为和预溅射时间上有所不同，其原因是靶材中元素前者以金属单质、后者以氧化物形式存在，的活性远大于，因此在陶瓷靶材的溅射中，氧更容易与重新结合，从而导致两种靶材之间光谱行为有所不同。实验中看出不同靶材所需要的预溅射时间不同，这与靶材的物理化学性质有关，预溅射时间的确定受诸多因素影响。除了靶材种类以外，实验条件的变化也会对其产生很大影响，为此要根据检测对象来确定。预溅射时间与溅射功率的关系图和图给出了以合金靶为溅射靶材，压强设定为和，溅射功率分别为，时等离子体光犉犻犵犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狆犾犪狊犿犪犲犿犻狊狊犻狅狀狊狆犲犮狋狉犪犻狀狋犲狀狊犻狋狔狅犳犜犻犃犾犪犾犾狅狔狋犪狉犵犲狋犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆狅狑犲狉狊狑犻狋犺狋犻犿犲（）：，；（）：，第期光谱学与光谱分析谱强度变化。由图的图线看出当溅射功率为时，预溅射时间为；溅射功率为的时候，预溅射时间缩短为，此外图同样以合金靶材在功率为，压强，其他各参数条件不变情况下溅射，可观察到预溅射时犉犻犵犞犪狉犻犪狋犻狅狀狅犳狆犾犪狊犿犪犲犿犻狊狊犻狅狀狊狆犲犮狋狉犪犻狀狋犲狀狊犻狋狔狅犳犜犻犃犾犪犾犾狅狔狋犪狉犵犲狋犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆狉犲狊狊狌狉犲狑犻狋犺狋犻犿犲（）：，；（）：，间为。这是由于功率增大，对磁控溅射有促进作用。即碰撞氩气粒子的电子能量增大，则电子温度升高，促进了对基态原子的激发，并且增强了电子对原子的电离作用，促使可轰击靶材的增大，从而导致溅射出的靶材粒子数增加，加快了对靶材表面的清洗，即缩短了预溅射时间。预溅射时间与工作气压的关系当溅射气压不同时，对预溅射时间也有所影响。将预溅射功率设定为，其他参数条件保持不变，只改变工作气体压强。如图所示。从图的曲线中可以观察到，当压强为，经实验测得预溅射时间为；当压强为时，预溅射时间延长为，如图所示为合金靶材在压强，功率，其他各参数条件不变条件下的等离子体光谱图，预溅射时间。这是因为在一定的压强范围内，压强增加会对磁控溅射起到抑制作用，由于工作气压变大虽然会减小气体分子的平均自由程，增加电离出的氩离子数密度，但同时也使得在向靶材运动的过程中，受气体分子碰撞的概率大大增加，导致能量降低，被气体分子散射的概率增大，从而阻碍了对靶材的轰击，导致预溅射时间的延长。结论通过实验及结果分析可以得到如下结论：磁控溅射过程存在预溅射阶段，此阶段中等离子体粒子密度不稳定，并呈先急剧上升后平缓趋势，在预溅射结束时达到最大平稳值；靶材元素的差别、溅射功率和工作气压的变化均对预溅射时间有很大影响。因此在磁控溅射设备中增加等离子体光谱分析系统，对磁控溅射过程进行实时监控，能较为精确的确定靶材预溅射所用时间，对制备薄膜提供技术支持，在不浪费靶材的前提下制备出高质量薄膜，实现了节约资源，降低实验成本，提高效率的目的。犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊，（）：，（）：，（王志安，王军生，童洪辉）（真空），（）：，（胡敏，刘莹，赖珍荃，等）（功能材料），（）：，（）：，（）：，（李阳平，刘正堂）（物理学报），（）：，（傅宇东，闫牧夫，郭在在，等）（硅酸盐通报），（）：，（陈剑辉，刘保亭，赵庆勋，等）（物理学报），（）：，（韩力，熊予莹）（电子元件与材料），（）：光谱学与光谱分析第卷犛狆犲犮狋狉狌犿犇犻犪犵狀狅狊狋犻犮狊犳狅狉狋犺犲犜犻犿犲狅犳犘狉犲犛狆狌狋狋犲狉犻狀犵犻狀犜犺犻狀犉犻犾犿狊犇犲狆狅狊犻狋犲犱犫狔犕犪犵狀犲狋狉狅狀犘狌狋狋犲狉犻狀犵，犃犫狊狋狉犪犮狋，（），犓犲狔狑狅狉犱狊；（，；，）关于光谱学与光谱分析收取审稿费的通知尊敬的光谱学与光谱分析广大作者、读者同志们，本刊自年底采用由“北京玛格泰克科技发展有限公司”开发的投稿系统实现网络采编以来，进一步扩展了审稿专家队伍。本刊参考同类期刊的现行做法，决定自年月日以后登记的稿件向投稿作者收取审稿费元篇，在您投稿之前，为免受经济损失，请您必须考虑：没有创新的一般性稿件，请您不要投稿。没有国家级基金资助的稿件，请您不要投稿。不是光谱专业的稿件，请您不要投稿。与其他文章重合率超过的稿件，请您不要投稿。作者在投稿后，将会收到缴纳审稿费的通知。请作者