（无线电物理专业论文）磁控溅射沉积氧化铟薄膜及其tft器件应用研究.pdf

浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：摩，斑 签字日期： 阳7 口年 当月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：厚研庭 签字日期：功jd 年易月勺目 导师签名： 襄慈，扳 签字日期：g io 年6 月q 日 致谢 本论文是在导师吴惠桢教授的悉心指导下而完成的，由衷的感谢导师吴惠桢 教授两年来的在实验和论文写作中对我的教导帮助以及生活工作上的关心照顾。 导师渊博的专业知识、严谨的科学作风和精益求精的治学态度以及对我的谆谆教 诲使我在研究生阶段学习中受益匪浅，在此谨致以诚挚的谢意。 同时也非常感谢实验组里的每一位成员对我论文工作在实验上和理论上的 极大帮助，使我少走了不少弯路。本论文的实验操作过程中，朱夏明师兄的耐心 指导和热心帮助，是他们带领我逐步了解并熟悉各部分实验仪器的操作规范，开 始了本论文的实验研究；感谢张莹莹师姐，徐天宁、何展师兄为我的实验工作提 出了很多宝贵的意见；也感谢王雄，万正芬，魏晓东，才玺坤，张兵坡等同学在 实验和论文过程中给我的鼓励和帮助。另外，本文的完成还要感谢硅材料国家重 点实验室的张立强，张俊等同学，以及高分子系杜滨阳老师的帮助。 最后，感谢我的父母和家人这么多年以来对我学习、生活的无私支持和照顾， 感谢诸多朋友们在我人生路上的鼓励和扶持。在我困难的时候，是父母和朋友给 了我最重要的精神支持，让我在感悟人生的同时重拾信心，勇敢地承担起对家人 对社会的责任，坚强面对未来。谢谢你们! 本工作受到国家自然科学基金项目( 项目编号6 0 6 7 6 0 0 3 ) 、国家重点基础研 究计划项目( 项目编号2 0 0 6 c b 6 0 4 9 0 6 ) 和浙江省自然科学基金项目( 项目编号 z 4 0 6 0 9 2 ) 的资助。 原子健 2 0 10 年5 月 浙江大学硕士学位论文 摘要 薄膜晶体管在有源矩阵寻址液晶显示器( a m l c d ) 中处于关键地位，它的 研发历来是该领域研究中的重点。非晶硅薄膜晶体管( 0 【s in 吓) 易于在低温下 大面积制备，技术成熟，是目前使用最广的技术。但由于q s i 材料的禁带宽度 只有1 7 e v ，在可见光波段透过率较低，所以u s i l l 可的开口率未能达到1 0 0 ， 这阻碍了显示器件性能的进一步提高。 氧化铟( 1 n 2 0 3 ) 是一种宽禁带的n 型半导体材料，其室温下直接禁带宽度 约为3 6 5 e v ，在可见光范围的透明度超过9 0 ，并且单晶氧化铟有着很高的迁 移率( 1 6 0c i l l w - s ) ，这使得氧化铟成为制备透明电子器件的重要候选材料之一。 用氧化铟做有源层制备高性能的透明薄膜晶体管( i n 2 0 3 t f t ) ，并用它来做像素 开关元件应用于有源矩阵，这可能使有源矩阵显示器性能得到较大提高。 本文通过磁控溅射方法制备i n 2 0 3 薄膜材料，一方面对其微结构特性进行研 究，另一方面，研究基于i n 2 0 3 有源层的t f t 器件，进而获得性能优异的器件。 首先，我们对一系列不同条件下生长的i n 2 0 3 薄膜进行多项物理特性表征与 分析。x p s 显示我们制备了高纯的i n 2 0 3 薄膜。通过原子力显微镜( a f m ) 观察 薄膜形貌，发现较低温度下生长的l n 2 0 3 薄膜表面较高温样品表面平滑，而高温 退火后的样品表面也较低温更为粗糙。x r d 分析显示，不管是提高生长温度还 是退火温度，都可以改善薄膜的结晶质量。但相比较而言，退火的效果要更为合 适。对样品进行透射谱分析显示，i n 2 0 3 薄膜的可见光范围透过率超过9 0 ，并 通过理论拟合得到了带隙宽度( 3 6 8 e v ) 。霍尔效应的测试结果表明纯心气氛下 的i n 2 0 3 薄膜较0 2 气溅射的薄膜迁移率要更高。同时，随着生长温度的提高，薄 膜的电子浓度也提高到了1 0 2 0 c m 3 的数量级，相应的迁移率也降低了，这对器件 制作也是极为不利的。而空气退火虽然会降低电子浓度，但也会导致迁移率的下 降。只有真空退火可以提高薄膜的迁移率，并且进一步分析后，i n 2 0 3 薄膜的导 电机制更加符合晶界散射模型。 其次，利用光刻工艺成功制备出氧化铟薄膜晶体管，器件采用底栅式结构， 以i t o 玻璃为衬底，腐蚀出t f t 栅电极，采用p e c v d 方法沉积氮化硅绝缘层， 进而室温下用磁控溅射沉积氧化铟有源层，最后用热蒸发方法蒸镀铝膜作为源漏 i i 浙江大学硕士学位论文 电极。通过电学特性测试，得到器件的输出特性曲线和转移特性曲线。结果显示， 我们虽然制备除了有效迁移率较高的t f t ，但开关比较低且均为耗尽型结构。而 长期暴露于大气之中，t f t 的性能也会受到影响：开关比得到提高，但是迁移率 却下降，这都使得器件的工艺制作需要进一步改良。 关键词：i n 2 0 3 薄膜；磁控溅射；微结构特性；光电特性；t f t 器件 i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i nf i l mt r a n s i s t o r sa r ec r u c i a li na c t i v em a t r i xl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s ( a m l c d ) ， o fw h i c ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti sa l w a y si m p o r t a n t a - s it f l 飞a r et h em o s t p o p u l a ra n dm a t u r et e c h n i q u ea tp r e s e n tt h a tc a nb ef a b r i c a t e di nl a r g ea r e ae a s i l y a t l o wt e m p e r a t u r e h o w e v e r , t h eb a n dg a po f0 【- s im a t e r i a l si so n l y1 7 e v i tl e a d st o l o wv i s i b l el i g h tt r a n s m i t t a n c e ，a n dt h eo p e n - r a t eo f0 【一s it f tc a nn o tr e a c hu pt o 10 0 ，w h i c hh i n d e r sd e v i c e sf r o mf u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h e i rp e r f o r m a n c e s i n d i u mo x i d ei sad i r e c t ，w i d eb a n dg a pa n dn t y p es e m i c o n d u c t o rw i t hg o o d o p t i c a la n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e s i t sb a n dg a pi s3 6 5 e va tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h e t r a n s m i t t a n c eo fv i s i b l el i g h ti sv e r yh i g h ( 9 0 ) a sw e l la st h eh i g hm o b i l i t y ( - 16 0 c m 2 v so fs i n g l e - c r y s t a l ) ，m a k i n gi ta ni m p o r t a n ta k e m a t i v et of a b r i c a t et r a n s p a r e n t e l e c t r o n i cd e v i c e s h i g h l yt r a n s p a r e n tt h i nf i l mt r a n s i s t o ru s i n gi n 2 0 3a sa c t i v e c h a n n e ll a y e r ( i n 2 0 3t f t ) m a yb ea p p l i e dt oa c t i v em a t r i xa sp i x e ls w i t c h , w h i c hm a y r e s u l ti ng r e a t l ye n h a n c e dp e r f o r m a n c eo fa c t i v em a t r i xd i s p l a y i nt h i sp a p e li n 2 0 3t h i nf i l m sp r e p a r e db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n gw e r es t u d i e d o n o n eh a n d ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o s t r u c t u r ew e r ei n v e s t i g a t e d o nt h eo t h e rh a n d ， t h es t u d yo fi n 2 0 3 - t f to p e r a t e di no r d e rt oa c q u i r ed e v i c e sw i t h e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e f i r s t l y , t h ea n a l y s i s a n dc h a r a c t e r i s t i c so fi n 2 0 3f i l m sg r o w nu n d e rd i f f e r e n t p a r a m e t e r sw e r ed i s c u s s e d x p ss h o w su st h ei n 2 0 3t h i nf i l m s w i t hh i g hp u r i t y o b s e r v i n gt h es u r f a c eo ft h ef i l m sb ya f m ，i ti sf o u n dt h a ts a m p l e sg r o w na tl o w s u b s t r a t et e m p e r a t u r eh a ss m o o t h e rs u r f a c et h a na th i g hs u b s t r a t et e m p e r a t u r e ，a n d s e md i s p l a y sam u c hr o u g h e rs u r f a c ew i t hh i g h e ra n n e a l i n gt e m p e r a t u r e a n dt h e x r dr e s u l t ss h o wt h a ti n 2 0 3t h i nf i l m so b t a i n e da ni m p r o v e m e n to fc r y s t a l l i n i t y , w h e t h e ru s i n gt h ep r o c e s so fh i g h e rg r o w t ht e m p e r a t u r eo ra n n e a l i n go n e c o m p a r e d t og r o w t ht e m p e r a t u r e ，t h ea n n e a l i n gp r o c e s si sp r e f e r a b l e t h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u m s h o w st h a ti n 2 0 3t h i nf i l m sw i t hh i g ht r a n s p a r e n c e ( 9 0 ) w e r eo b t a i n e da n dt h e b a n d g a pw i t ho p t i c a lm e t h o d sw a sa l s og i v e n ( 3 6 8 e v ) t h eh a l lm e a s u r e m e n t ss h o w t h a ti n 2 0 3t h i nf i l m sp r e p a r e du n d e ra ra t m o s p h e r eo w nm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h a n g r o w nu n d e r 0 2 m e a n w h i l e ， w i t ht h e r i s i n g o fg r o w t ha n da n n e a l i n g t e m p e r a t u r ei na i r , t h em o b i l i t yo fi n 2 0 3f i l m sr e l a t i v e l yd e c r e a s e d ，i n d i c a t i n gt h a tt h e d i s a d v a n t a g eo nt f tf a b r i c a t i o n o n l yt h ev a c u u ma n n e a l i n gp r o c e s s c a ne n h a n c et h e w 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t h a l lm o b i l i t yo fi n 2 0 3t h i nf i l m s ，w h i c ha r ei na g r e e m e mw i t hg r a i nb o u n d a r y s c a t t e r i n gm o d e lf o raf u r t h e ra n a l y s i s m o r e o v e r , i n 2 0 3 矾w e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e dw i t hb o t t o m - g a t es t r u c t u r eb y p h o t o l i t h o g r a p h yp r o c e s s p r e p a t t e m e di t op a d s s e r v ea st h eg a t er e g i o n s ；s i l i c o n n i t r i d el a y e rw a sd e p o s i t e db yp l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( p e c v d ) ， a n dt h e nt h eg a t ed i e l e c t r i cw a sd e f i n e db yp h o t o l i t h o g r a p h ya n de t c h i n g ；i n d i u m o x i d ew a sd e p o s i t e da sa c t i v el a y e rb yr fm a g n a t r o ns p u t t e r i n ga tr o o mt e m p e r a t u r e a l u m i n u mw a sd e p o s i t e da ss o u r s ea n dd r a i ne l e c t r o d e sb ye v a p o r a t i o nm e t h o d t h e n t h eo m p mc h a r a c t e r i s t i ca n dt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ca r eo b t a i n e dt h r o u g he l e c t r i c a l m e a s u r e m e m t h er e s u l t si n d i c a t et h a tw es u c c e s s f u l l yp r e p a r e dt h et y p i c a lt f t d e v i c e h o w e v e r , t h el o w e ro n - o f fr a t i oa n dd e p l e t i o n - t y p eo fi n 2 0 3 - t f t sc a nn o tb e a p p l i c a b l et ot h ei n d u s t y , a l t h o u g ht h eh i g he f f e c t i v em o b i l i t y m e a n w h i l e ，a f t e r l o n g t i m ee x p o s u r ei na i r , t h ep e r f o r m a n c ea p p a r e n t l yd e c r e a s e de v e nt h o u g ht h e o n - o f fr a t i oe n h a n c e d t h e s ea l li n d i c a t et h a tw en e e daf u r t h e rs t u d yo nt h e i m p r o v e m e n to ft f t f a b r i c a t i o n k e y w o r d s ：i n 2 0 3t h i nf i l m ；m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ；o p t i c a l a n d e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ；t f td e v i c e v 浙江大学硕士学位论文目录 目录 i 改谢i 摘要i i a b s t r a c t 】 1 、厂 第一章绪论。3 1 1l n 2 0 3 材料及薄膜晶体管的研究现状3 1 1 1 l n ，0 3 薄膜材料现状3 1 1 2 薄膜晶体管以及基于i n 2 0 3 薄膜晶体管现状：4 1 2 磁控溅射沉积薄膜的原理5 1 3 磁控溅射生长l n 2 0 3 薄膜的背景8 1 4 本文研究的内容8 第二章射频磁控溅射生长i n 2 0 3 薄膜9 2 1 使用的磁控溅射仪器介绍9 2 1 1 设备组成9 2 2i n 2 0 3 薄膜生长11 2 2 1 溅射气体一1 2 2 2 2 其他生长参数1 2 2 3 磁控溅射操作流程1 3 2 3 1 玻璃清洗步骤13 2 3 2 磁控溅射仪器详细操作步骤13 2 4 ，j 、结1 4 第三章i n 2 0 3 薄膜的物理特性表征l5 3 1 测试方法介绍1 5 3 1 ix p s 原理15 3 1 2a f m 测表面形貌以及s e m 观察式样形貌的原理1 6 3 1 2 1a f m 原理1 6 3 1 2 2s e m 原理l7 3 1 3x 射线衍射( x r d ) 原理1 9 3 1 4 紫外分光光度计2 0 3 1 5 霍尔效应原理2 l 3 2 测试结果及分析2 5 3 2 1x p s 测试结果及分析2 5 3 2 2a f m 及s e m 测试结果及分析2 5 3 2 3x r d 测试结果及分析2 7 3 2 4 透射谱测试结果分析一3 0 3 2 5 霍尔效应测试结果及分析3 l 3 3 _ 、结一3 5 浙江大学硕士学位论文 目录 第四章i n 2 0 3t f t 器件3 6 4 1i n ，0 1t f t 的工作原理3 6 4 1 1 线性区3 6 4 1 2 饱和区3 7 4 1 3 丌t 主要参数3 7 4 2l n ，o t f t 的结构3 9 4 3 底栅式i n 2 0 3t f t 器件的制作4 0 4 4 底栅式l n 2 0 3t f t 性能测试4 2 4 5 ，j 、结4 4 第五章工作总结和展望4 5 参考文献4 7 作者简历。4 9 2 浙江大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 ii n 2 0 3 材料及薄膜晶体管的研究现状 1 1 1i n 2 0 3 薄膜材料现状 透明导电氧化物( t r a n s p a r e n tc o n d u c t i v eo x i d e ，t c o ) 薄膜，既是金属氧化 物，又是半导体薄膜材料，也属于光学材料。透明导电薄膜材料有很多，但氧化 物薄膜占主导地位。最早的透明导电氧化物薄膜c d 0 ，于1 9 0 7 年由b a d e k e r 首 次制成，从此开始了透明导电薄膜的研究，开发以及应用。透明导电氧化物有多 种，主要包括i l l ，s b ，z 1 1 和c d 的氧化物以及各种多元复合氧化物薄膜材料。透明 导电氧化物薄膜具有禁带宽( 3 e v ) ，高载流子浓度( 1 0 1 8 1 0 2 1 c m 3 ) ，电阻 率低( 1o 3 1 0 4q c m ) 、可见光范围光透射率高( 8 0 9 0 ) 和红外光谱区光 反射率高( 7 0 ) 等光电特性，这使得其广泛地应用于平面显示器件、太阳能 电池、反射热镜、气体敏感器件、特殊功能窗口涂层及其他光电子、微电子、真 空电子器件领域。近年来还出现了由多种氧化物组成的新型多元化合物t c 0 薄膜 以及具有p 型导电特性的t c o 薄膜，使得t c o 薄膜的研究和应用领域大大扩展。 0 - 2 1 氧化铟是一种宽禁带的n 型半导体材料，其室温下直接禁带宽度约为 3 6 5 e v ，在可见光范围的透明度超过9 0 ，并且单晶氧化铟有着很高的迁移率 ( 1 6 0c m 2 v s ) 1 3 - 6 1 。同其他氧化物一样，氧化铟具有很高的化学稳定性和耐高温性， 柔韧性好，可以在低温下用多种方法大面积生长，如磁控溅射法、热蒸发，溶胶 凝胶法、离子辅助沉积( i a d ) 等【7 - 9 】。这些优点使它成为制备微电子器件、光电 子器件以及透明电子器件的优良材料，极具开发和应用的价值。作为一种重要的 透明导电氧化物材料，氧化铟的导电性能主要是通过氧空位和掺杂来提高；较大 的禁带宽度使得其在可见光照射下不至引起本征激发，从而对可见光波段透明。 同时，与众多的氧化物材料相比，氧化铟薄膜具有更好的导电性能。最近，有人 研究发现，氧化铟薄膜中可能存在一个非直接跃迁的小带隙( 约2 6 e v ) o o j ，这 大概就是其拥有卓越导电性能的原因。在室温下，氧化铟的稳定相具有体心立方 方铁锰矿结构，空间群是i a 3 ，晶格常数为1 0 1 1 7 n m ，图1 1 所示为氧化铟的晶 浙江大学硕士学位论文 绪论 体结构。 图l - 1 氧化铟的晶体结构( 黑色球为铟原子，白色球为氧原子) 自从1 9 5 4 年r u p p r e c h t i l i 】开始研究氧化铟半导体的特性开始，各种各样的生 长方法开始用于生长氧化铟薄膜材料，包括磁控溅射、化学气相沉积、热蒸发以 及最近比较常见的溶胶凝胶法，以满足经济以及技术的需求。特别地，人们将更 多的精力投入到研究锡掺杂的氧化铟( i t o ) 薄膜及其应用。i t o 薄膜作为透明导 电薄膜家族的一分子，具有优异的光电性能，例如，对可见光的透过率达9 5 以上，对红外光的反射率大于7 0 ，对紫外线的吸收率以及对微波的衰减率均大 于8 5 ，加上其较低的电阻率( 1 0 - 4 _ 1 0 巧f l c m ) 以及高迁移率( 1 5 - 4 5 0c m 2 v s ) ，这 一系列特性使得i t o 薄膜成为一种应用广泛的材料。伴随着液晶显示的发展， 各国对i t o 薄膜材料的需要量急剧增加，这更加奠定了其当今导电薄膜材料界 的奇葩地位。同时，丰富的材料来源也成为我们研究氧化铟薄膜的基础。 1 1 2 薄膜晶体管以及基于i n 2 0 3 薄膜晶体管现状 前面我们提到关于液晶显示技术的出现奠定了i t o 薄膜的地位，而支持液 晶显示技术关键的器件就是我们要研究的薄膜晶体管( t h i nf i l mt r a n s i s t o r , t f t ) 【1 2 1 薄膜晶体管在有源矩阵寻址液晶显示器( a m l c d ) 中的关键地位使得 它的研发历来是该领域研究中的重点。 上世纪6 0 年代发明的薄膜晶体管，已经得到非常广泛的应用，发展速度之 快超出想象。从非晶硅t f t 到多晶硅t f t ，从高温多晶硅t f t 到低温t f t ，技 术越来越成熟，应用对象也从只驱动l c d 发展到既可以驱动l c d 又可以驱动 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 o l e d 、甚至电子纸。随着半导体工艺水平的不断提高，像素尺寸不断减小，显 示屏的分辨率也越来越高。传统的非晶硅薄膜晶体管( a s it f t ) 易于在低温下 大面积制备，技术成熟，是目前使用最广的技术。但由于q s i 材料的禁带宽度 只有1 7 e v ，在可见光波段透过率较低，所以a s i t f t 的开口率未能达到1 0 0 ， 再加上q s it f t 的迁移率很低( 约0 1e m 2 v s ) ，这阻碍了显示器件性能的进 一步提高。而近来发展的多晶硅t f t 则受限于高温工艺也未能得到进一步的发 展。 透明薄膜晶体管的横空出世改变了这一现状，用全透明t f t 代替不透明 t f t 作为像素开关，同时存储电容也用透明材料制备，将大大提高有源矩阵的开 口率，从而提高亮度，降低功耗。2 0 0 3 年，n o m u r a 等人使用单晶i n g a 0 3 ( z n o ) 5 获得了迁移率为8 0 c m 2 n s ，开关比1 0 6 的t f t 器件【1 3 l 。美国杜邦公司采用掩 膜挡板技术和真空蒸镀在聚酰亚铵柔性衬底上开发了z n o t f t ，其电子迁移率 为5 0c m 2 v s ，开关比达到1 0 6 。| 1 4 1 2 0 0 6 年，l i a nw a n g 等人用有机物与无机 物混合绝缘层获得了迁移率高达1 4 0 c m z v s ，开关比1 0 5 的i n 2 0 3 t f t 器件1 1 5 1 。 这一系列高性能透明t f t 器件的诞生彻底超越了传统硅材料电子器件。另外， 透明薄膜半导体己经蔓延到其他各种各样的电子产品当中，如太阳能电池，电脑， 灵敏元件等，很有希望成为下一代半导体材料。 1 2 磁控溅射沉积薄膜的原理 1 8 4 2 年格洛夫( g r o v e ) 1 6 1 在实验室中发现了阴极溅射现象。他在研究电子 管阴极腐蚀问题时，发现阴极材料迁移到真空管壁上来了。但是，真正应用于研 究的溅射设备到l8 7 7 年才初露端倪。迄后7 0 年中，由于实验条件的限制，对溅 射机理的认同长期处于模糊不清状态，所以，在1 9 5 0 年之前有关溅射薄膜特性 的技术资料，多数是不可靠的。1 9 世纪中期，只是在化学活性极强的材料、贵 金属材料、介质材料和难熔金属材料的薄膜制备工艺中，采用溅射技术。1 9 7 0 年后出现了磁控溅射技术，1 9 7 5 年前后商品化的磁控溅射设备供应于世，大大 地扩展了溅射技术应用的领域。到了8 0 年代，溅射技术才从实验室真正地进入 工业化大量生产的应用领域。 浙江大学硕士学位论文 绪论 b k 一瑚 图1 2 电子在磁场作用下运动 磁控溅射是现在使用最为普遍的一种真空等离子体装备，用于薄膜材料的制 备。其原理是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电 离出大量的氩离子和电子。电子飞向基片，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材， 溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子( 或分子) 沉积在基片上成膜。 如图1 2 所示，二次电子在加速飞向基片的过程中受磁场洛仑兹力的影响， 被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在 磁场的作用下围绕靶面做圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断 撞击电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次的碰撞后电子的能量逐渐降低，摆 脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上，如图1 3 。 啦钕 捌蚀区， 磁力钱 图1 3 磁控溅射靶表面的磁场和电子运动的轨迹 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 磁控溅射主要分为以下几种： 直流磁控溅射 直流溅射( d c 溅射) 是在阴极与基板之间加载直流电压的溅射方式。 d c 溅射设备简单、溅射率高、对基板的损伤较小。但是，直流溅射的电压 高达数百伏，因此要求基板具有良好的耐热性能，而且不可以溅射绝缘膜。 射频( r f ) 溅射 沉积绝缘薄膜的原理：将一负电位加在置于绝缘靶材背面的导体上，在 辉光放电的等离子体中，当正离子向导体板加速飞行时，轰击其前置的绝缘 靶材使其溅射。这种溅射只能维持1 0 - 7 秒的时间，此后在绝缘靶板上积累的 正电荷形成的正电位抵消了导体板上的负电位，因此停止了高能正离子对绝 缘靶材的轰击。此时，如果倒转电源极性，电子就会轰击绝缘板，并在l o 母 秒时间内中和掉绝缘板上的正电荷，使其电位为零。这时，再倒转电源极性， 又能产生1 0 。7 秒时间的溅射。射频溅射的优点是既可溅射金属靶材，也可镀 绝缘体的介质靶材。 磁控溅射 为了克服d c 溅射在高真空情况下由于气体分子密度过低而导致放电不 能持续维持的问题，在阴极靶材内侧设置一个磁场，可以使电子在阴极表面 作螺旋状前进的运动，这样，即使气体分子密度很小，但由于电子在靶材附 近运动的时间延长，因此电子密度相对增大，同样可以保证和气体的碰撞次 数，从而解离气体产生等离子体，使放电持续进行。这就是所谓的磁控溅射。 磁控溅射提高了放电效率，得到比较高的溅射率以及减小了气体对膜质的影 响，且具有成膜均一性好等优点，但其靶材利用效率较低。 反应磁控溅射 顾名思义，反应磁控溅射即在成膜过程中，添加的反应性气体与靶材发 生了反应。它可以在溅射化合物靶的同时供反应气体与之反应，也可以在溅 射金属或合金靶的同时供反应气体与之反应来制备既定化学配比的化合物 薄膜。 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 3 磁控溅射生长i n 2 0 3 薄膜的背景 我们的问题在于如何获取高质量的i n 2 0 3 薄膜，以便应用到器件当中。到目 前为止，已经有很多薄膜制各技术用来生长i n 2 0 3 薄膜，如磁控溅射、热蒸发、 溶胶凝胶法、离子束辅助沉积( i a d ) 等，其中磁控溅射具有衬底温度相对较低， 制备工艺成熟和简单易控、成本低，能实现大面积沉积薄膜，且生长的薄膜表面 平整、晶粒致密、重复性好、对衬底的附着力强等优点【1 7 】，是i n 2 0 3 薄膜生长较 为理想的方法。c x i r o u c h a k i , h f r i t z s c h e 等人1 1 8 】用直流磁控溅射在普通玻璃基 底上制备除了立方结构的有着较好择优取向的氧化铟多晶薄膜，并且发现光致还 原和氧化进程可以引起薄膜电导发生一定的可逆行为。h i r o m in a k a z a w a 等人【9 】 利用射频和磁控相结合的方法制备出了迁移率高达5 0c m 2 v - s 的非晶i n 2 0 3 薄膜 和1 5 0c m 2 v s 的多晶i n 2 0 3 薄膜。 1 4 本文研究的内容 近年来关于i t o 薄膜的研究以及报道己经很多，也非常成熟。但是对于未 掺杂的氧化铟薄膜的研究似乎已经中断了，特别是关于氧化铟的晶体结构以及能 带结构方面的报道更是少之又少，因而研究氧化铟薄膜材料很有必要。本文的研 究目的就是探讨磁控溅射制备的氧化铟薄膜特性，通过对薄膜形貌，光学以及电 学性能方面的测试，以期掌握一定的制备氧化铟薄膜的技术，并且己此为基础制 备出基于氧化铟沟道结果的t f t 器件。 8 浙江大学硕士学位论文 射频磁控溅射生长i n 2 0 ，薄膜 第二章射频磁控溅射生长i n 2 0 3 薄膜 本章主要讲述我们实验室自主设计的磁控溅射仪的相关参数以及仪器性能， 同时，简单的论述了一些仪器生长参数对薄膜的影响。 2 1 使用的磁控溅射仪器介绍 图2 1 本文所使用的磁控溅射仪 本论文所使用的超高真空射频磁控溅射设备是由我们实验室自主设计的磁 控溅射仪，如图2 1 所示。该设备为两室超高真空射频磁控溅射镀膜设备，主要 用于制备氧化物膜材料。 主要技术指标： a 溅射室极限真空度：6 7 x l o 5 p a ；漏率小于1 x l o p a l s ； b 进样室极限真空度：6 7 x l o 。5 p a ；漏率小于1x l o p a l s ； 样品实现连续旋转，转速叫o 转分。 2 1 1 设备组成 设备主要由主溅射室，样品进样室，磁控靶和挡板系统，加热旋转样品台， 磁力送样系统，真空抽气和测量系统，气路系统，电控系统等组成。 9 浙江大学硕士学位论文 射频磁控溅射生长i n 2 0 ，薄膜 主溅射室： 一 7 严 。 7 戈 、 j ，_ ，y 0 0 1 0 0 2 0 03 0 0 4 0 05 0 0 6 0 0 7 0 08 0 0 数显温肌 图2 2 溅射室温厦校正 溅射室材料为不锈钢，立式圆形结构，上盖全金属密封，在真空室的下盖上 以4 5 。均布3 个永磁靶，形成共溅射，磁控靶上带有手动挡板机构，通过十字 轴连接引到台架前方以便于操作，在溅射室的上盖上设置可旋转的升降样品台， 其下方安装有一个加热炉，经校正后，最高加热温度为3 5 0 c 。校正曲线如图2 2 所示。前方有一个观察窗及挡板，高低真空规管，两个进气截止阀，内部装有烘 烤照明灯及电极引线，样品台配有挡板。 进样室系统： 。 r 7 7 - 7 么j 戈j 1 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 数显温度厂c 图2 3 进样室温度校正 1 0 4 3 3 2 2 1 ， y冒咀嘲辎 o 3 2 2 1 1 y鬻羹 浙江大学硕士学位论文 射频磁控溅射生长i n z o ，薄膜 样品处理室为圆筒形立式不锈钢结构，正前方安有观察窗门，可以用来更换 样品，后部安装真空规管，左部与溅射室用手动插板阀连接，右部为磁力传送样 品机构，正上方安装可升降的样品库，每次可以安装三个样品，这样就可以在不 破坏真空的情况下可以一次镀制三个样品，提高了工作效率；在样品库的最下方 安装有一个加热炉，经校正后，最高加热温度为3 0 0 。校正曲线如图2 3 所示 磁控靶和挡板系统： 在真空室底以一定角度安装三个磁控溅射靶，靶面向上，靶可以调整靶面与 样品的距离，保证膜的质量，磁控靶具有独立的手动挡板机构；每只磁控靶分路 水冷，升降距离可调。各靶均为可拆卸式结构。 旋转样品台： 在溅射室上盖上安装工件架，可以连续旋转，由步进电动机带动，由手动可 调频旋钮控制，可以实现升降1 0 m m 。 真空抽气和测量系统： a 溅射室通过打开溅射室与进样室之间的手动插板阀来进行抽真空，同时 溅射室与样品室之间通过一个角阀及连接管道相连。 b 样品处理室采用一台6 2 0 l s 涡轮分子泵通过手动插板阀进行抽气，前级 选用8 l s 机械泵，中间配有波纹管管道及电磁阀：真空测量采用z d f 5 2 2 7 数 显复合真空计进行测量极限真空。 气路系统： 选用三个0 - - - 5 0 s c c m 的质量流量计；其中氩气和氧气并成一路引入主溅射室 内部，一路单独引入，在磁控靶周围弯成环形。每路都由流量控制显示仪，流量 控制器，阀门，管路及接头组成。 电控系统： 主要电源有直流电源，射频电源，总控电源，分子泵电源，真空计电源以及 温度控制和样品台旋转控制电源。 2 2i n 2 0 3 薄膜生长 磁控溅射生长过程中最重要的无疑是靶材的选取以及各个生长参数的调整， 浙江大学硕士学位论文 射频磁控溅射生长i n z o ，薄膜 如何制备高质量的薄膜，一方面要看靶材的纯度，实验所用靶材为9 9 9 9 的i n 2 0 3 陶瓷靶；另一方面，就是如何获得最佳生长参数，诸如溅射气体的选取，生长温 度，气压，溅射功率等。除此之外，诸如衬底的选择以及一系列的排除杂质影响 的清洗流程都将会对生长带来影响。 2 2 1 溅射气体 实验所用a r 气纯度为9 9 9 9 9 的高纯氩气，所用0 2 为纯度之9 9 9 9 5 的高纯 氧气。这两种气体均是比较常用的溅射气体。如前面所讲，i n 2 0 3 薄膜的电学性 能主要由氧空位或者铟间隙决定，如何调控氧空位的密度将是决定薄膜性能的关 键。在生长中，m 气因其不易发生反应而成为一个比较常用且廉价的溅射气体 ( 2 0 1 。用心溅射可能会引入更多的氧空位，由于这种缺氧的环境。而氧气的引入 则会造成富氧环境，这样氧空位就会急剧减少，从而降低电子浓度。当然，溅射 气体对薄膜结晶质量以及沉积速率也是有一定影响的。例如，气溅射生长的 薄膜可能表面损伤会比较严重，这是由于氩气本身的质量大，轰击强度高。而氧 原子质量较小，其轰击力度就较为平和，薄膜的结晶可能就会较好。同时，气压 的大小对薄膜的生长速率以及结晶质量也是有很大影响，这将在实验中讲述。因 此，如何调控溅射气体的组分以及气压将是一个重要的参数。 2 2 2 其他生长参数 在溅射过程中，除了溅射气体和气压之外，还有衬底温度，功率以及退火等 参数，甚至薄膜的厚度也对其性能有影响【2 。例如，衬底温度选择对于薄膜的性 能有比较关键的影响，同时对表面原子的迁移和再蒸发有很重要的影响。衬底温 度太低，表面原子的迁移速度低，