（材料物理与化学专业论文）3英寸ybco双面超导薄膜的研制.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 y b c o 高温超导薄膜在高性能微波无源器件有着良好的应用前景 而大面 积双面薄膜的制备在满足批量生产及多器件集成的同时 能够进一步提高微波 无源器件的性能 本论文在q b 2 双面y b c o 薄膜制备工艺的基础上探讨0 3 双 面薄膜的制备工艺 在溅射沉积方法的真空热传递环境中 溅射气体的热传导比加热器的辐射 热传递小3 个数量级 可以忽略不计 在此基础上 本论文首先建立了辐射热 传递模型 评估加热器热场分布的均匀性 并针对西3 双面薄膜的制备 提出 双功率输入 热场可调的筒形加热器设计 成功实现了对m 3 双轴旋转基片的 均匀加热 加热器的面内温度差小于 5 分析了溅射方法中溅射粒子的空间传质过程 y b a c u 粒子在3 6 p a 的 a r 气中输运的平均自由程小于o 7 m m 粒子离开靶材后其能量迅速衰减至热运 动能 因此溅射粒子在溅射气氛中主要以扩散方式进行传播 基于扩散传质机 理建立了薄膜膜厚计算模型 并结合实验测试 对m 3 薄膜膜厚分布的均匀性 进行了分析 提出了调速双轴旋转机构 在不降低沉积速率的前提下 成功的 实现了0 3 薄膜的膜厚均匀分布 膜厚偏差小于5 与此同时 本论文对m 3 薄膜样品的结构性能及电性能进行了分析 在0 3 范围内样品均是严格的c 轴外延取向 f w h m v a c o o o s 0 3 电性能测试结果 值分布在8 9 8 9 0 2 k j c 值主要分布在2 1 4 2 5 0 m a c m 2 r s 1 4 5 g h z 7 5 k 主要分布在5 0 7 5 m f l r s 的平均值为o 6 m t l 8 5 g h z 7 7 k 表明性能样品性 能良好 针对大面积薄膜溅射沉积的特殊环境 对y b c o 薄膜的生长机理进行了初 步探讨 发现在7 2 0 8 0 0 2 温度范围内 y b c o 薄膜生长初期均是沿c 轴外 延生长 较高的沉积温度以及双轴旋转基片边缘的温度波动有助于提高薄膜生 长初期的成核密度 采用最佳生长工艺条件 在薄膜生长过程中能够观察到明 显的螺旋生长模式和具有y b c 0 单胞高度的台阶 关键词 y b c o 超导薄膜 外延生长 溅射沉积 辐射热传递 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o s t p r o m i s i n ga p p l i c a t i o n o fh i g h t c s u p e r c o n d u c t i n g t h i nf i l m si s p a s s i v em i c r o w a v ed e v i c e sa n dt h ef a b r i c a t i o no fl a r g e a r e ad o u b l e s i d e dy b c o t h i nf i l m si sac o n v e n i e n t w a y t or e a l i z e l a r g e s c a l e p r o d u c t i o n a n d m u l t i c o m p o n e n ti n t e g r a t i o n as y s t e m a t i cm e t h o d o l o g yh a sb e e np r o p o s e d t o i n v e s t i g a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h em a n u f a c t u r eo fm 3 d o u b l e s i d e dy b c 0t h i nf i l m s b yi n v e r t e dc y l i n d r i c a ls p u t t e r i n go c s w i t h b i a x i a ls u b s t r a t er o t a t i o n s o m ei m p o r t a n t c o n s i d e r a t i o n so fav a c u u mh a v eb e e nd i s c u s s e da n dt h e i n f l u e n c eo fi n l e tg a s e so nh e a tt r a n s f e rw a sf o u n dt ob e n e g l i g i b l ea tt h eo p t i m i z e d d e p o s i t i o np a r a m e t e r s am o d e lb a s e do nr a d i a t i o nh e a tt r a n s f e ri sd e v e l o p e dt o e v a l u a t et h eh o m o g e n e i t yo fs o m eh e a t e rd e s i g n sa n dac y l i n d r i c a lh e a t e rt h a ti s c o m p o s e d o ft w oh e a t i n gp a r t s i t l li n d i v i d u a lp o w e r i n p u t sw a s c o n s t r u c t e df o rt h e 0 3 b i a x i a lr o t a t i n gs u b s t r a t e b ym o d u l a t i n gt h ei n p u tp o w e r so ft h et w o h e a t i n g p a r t s ah o m o g e n e o u st e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no v e rm 3 i sr e a l i z e d t h ed e v i a t i o no f w h i c h i s l e s s t h a n 士5 i no r d e rt oe n h a n c et h et h i c k n e s s h o m o g e n e i t y o f 巾3 t h i nf i l m s t h e t r a n s p o r t a t i o no fs p u t t e r e dp a r t i c l e sh a s b e e ni n v e s t i g a t e d t h em e a nf r e ep a t h so f y b a a n dc u a tt h eo p t i m i z e dg a sp r e s s u r ea r el e s st h a n0 7 m m a n dt h e r e f o r e t h e y a r e t r a n s p o r t e dm a i n l yb y d i f f u s i o ni nt h e s p u t t e r i n gg a s as p e e d m o d u l a t e d b i a x i a lr o t a t i o nm e t h o dh a sb e e np r e s e n t e d b yw h i c ht h et h i c k n e s sd e v i a t i o no f 中3 t h i nf i l m si sr e d u c e dt ol e s st h a n5 巾3 d o u b l e s i d e dy b c os a m p l e sh a v e b e e nf a b r i c a t e d a n dt h eb a s i c p r o p e r t i e sa r em e a s u r e d t h es a m p l e s a r es t r i c t l yc a x i se p i t a x i a la n d f 日蟛访c o 0 0 5 8 0 0 平面内 温度波动小于 5 2 设计新型镀膜方法 对q 3 基片两面同时成膜 面内膜厚偏差 8 9 k 4 t c 1 k 克 7 7 k 0 t l 眦m 2 凰 1 0 g h z 7 7 k l m q 薄膜两面差异 1 0 主要针对临界电流密度而言 面内差异 辐射损耗比 超导损耗小很多 于是导体的q 值可以表示为 q c 2 巧面丽函3 0 z 4 b 3 巧丽硒 z 一4 妒可研赢瓦司瓦币诵 u q 式中 k 2 a 2 r s s 和r s m 均以单位面积的欧姆数值为单位 分别是超导样品和 常规金属反射镜的表面电阻 知道了飓m 就可以推导出r s s 这种方法对样品 制备无特殊要求 并且是非接触和非破坏性的 光斑小 就可以沿表面扫描从 电子科技大学硕士学位论文 而对薄膜的凡分布进行测试 对大面积薄膜的性能表征非常有用 本论文的 凰分布测试是采用德国f z k 材料所的共聚焦测试系统完成的 其中测试条件为 7 5 k 1 4 5 g h z 空间分辨率为2 m m g l n 曲h o h e r 三了 k 图2 1 2 测量高温超导薄膜的共焦谐振器示意图 f i g 2 1 2c o n f o c a lr e s o n a t o rs t r u c t u r eu s e d t om e a s u r es a m p l es u r f a c e r e s i s t a n c e 电子科技大学硕士学位论文 第三章3 英寸双面y b c o 薄膜的研制及均匀性分析 y b c o 是含有多种金属的氧化物 只有在保证化学计量比的前提下生成 定的结构并有一定的取向 才具有良好的超导电性 制备工艺要解决三方面的 问题 1 薄膜中y b a c u 具有正确的化学计量比 即l 2 3 这与溅射过程 中的气氛 基片位置等密切相关 2 薄膜有正确的结晶状态 并具有合适的 氧含量 这需要通过热处理过程实现 3 薄膜具有正确的晶格取向 这与基 片的选择以及热处理过程有关 对于大面积双面薄膜的制备 还需要考虑均匀 性和两面一致性的问题 这对工艺设备提出了更高的要求 就工艺而言 必须 采取一种特殊的成膜方法 在保证化学计量比的前提下实现膜厚与成分的均匀 分布 如基片或靶材运动 同时还要提供一种基片加热方式 对大面积基片均 匀加热 我4 f d 组采用单倒筒靶直流溅射结合基片双轴旋转 在l a a l 0 3 基片 制备了具有优异超导性能毗 双面y b c o 薄膜 表3 1 给出了具体的工艺参数 本论文以此为基础探讨中3 双面y b c o 薄膜的制备 j 表3 l p 2 双面y b c o 薄膜制各的优化工艺条件 t a b 3 1 o p t i m i z e dd e p o s i t i o np a r a m e t e r sf o rm 2 d o u b l e s i d ey b c o t h i nf i i r e s s p u t t e r i n gp o w e r 8 0 w t o t a lp l e s t lr e3 6 p a 0 2 a r 1 2 s u b s t r a t et e m p e r a t u r e7 8 0 轧b s t r a t e 中f l a a l 0 3 0 0 1 t a r g e t s u b s t r a t ed i s t a n c e 4 5 r a m d i m e n s i o no f t l l ci n v e r t e dr a d i u s 3 6 r a m c y l i n d r i c a lt a r g e t i n n e rs u r f a e e h e i g h t 2 3 5 r a m h 岛c r 嬲嬲 0 竺 s u b s t r a t er o t 毗i n 勰 鬻 曲 3 1 加热器热场分布模拟及热设计 近年来 大面积y b c o 薄膜的制备取得了很大的进展 单面0 9 的薄膜沉 积设备已经出现 但是对用于大面积高温超导薄膜制备的加热器的设计却只有 少量的文献报道 这主要是因为 单面大面积薄膜的制各一般只要求基片做简 单的面内旋转 可以在基片的一面采用大面积的辐射式平面加热器实现对基片 的均匀加热 然而 在双面薄膜沉积的过程中 由于基片的两面都需要接受沉 积源粒子 所以加热器的设计就变得更加复杂 g e e r k 韶 7 9 j 等采用双倒筒靶方 电子科技大学硕士学位论文 法对薄膜的两面同时沉积 他们给出了加热器热场分布数据 但并未对加热器 设计作详细讨论 我们小组采用筒形加热器对双轴旋转的基片进行加热 能 够对中2 的基片进行均匀加热 本节将首先对真空溅射环境中的热传递进行分 析 然后建立在溅射环境中的辐射热传递模型 并对多种加热器设计进行讨论 并提出一种适用于中3 双轴旋转基片的新型加热器 3 1 l 加热器热场分布模拟 3 1 1 1 真空中的热传递环境 溅射成膜过程中必须在真空腔体中引入溅射气体和反应气体 如氩气和氧 气 这使溅射设备中的热传递比一般的蒸发镀膜更为复杂 这些气体可能会影 响到真空中的大面积基片的温度分布 在另一方面 溅射过程 或脉冲激光沉积 的等离子体也会引起基片的温度上升 基片表面面积元4 的温度殆 由其总输入功率q 和总输出功率q 一决定 4 所获的的净功率为g g q k q 一 幺可以表示为 q 山j 如 2 j 州 二 p i 删山 相 3 1 式中 厶d 表示从加热器通过辐射热传递传至面积元a 的功率 妇2 表示 通 过辐射热传递散失的功率 以耐表示从临近基片区域传导至a 的功率 厶h 和j 玉表示从等离子体或者气体粒子获得的功率 其中包括气体的对流 传导 粒子的吸附 凝结 分子重组等获得的功率 j i 耐 必定为正值 j 如2 必定为负 值 而厶小j 茹和占缸 对q k 和q 都有贡献 所以可能是正值也可能是负 值 在平衡状态下 乃是一个常数而且q m 和q 的绝对值相等 但是在同一 设备配置下 越大的q 将产生更高的珏 所以研究输入能量通量的分布是一 种分析薄膜基片温度分布的有效手段 因此 我们将集中讨论q 的来源 j 南j 正 d 知 和易h 一 一般而言等离子体和固体的作用是一个非常复杂的过程 而且经典的理论 并不适用于薄膜制备中的非平衡态的等离子体 因此本论文将不讨论由等离子 产生的能量通量 然而幸运的是 合理的几何配置的设计 能够使该部分能量 通量成为薄膜温度分布均匀化的有益补偿1 9 8 s 1 1 v i s s e r 1 0 3 1 在研究基片与环境气体间的热传导过程中发现 在溅射所需的低 压环境中 气体对基片的冷却速率没有影响 d r e h r a a n 1 0 4 1 等得到了类似的结果 在低气压情况下 气体的热传导由f o u r i e r 定律给出 电子科技大学硕士学位论文 一恤警 3 2 其中a 是与热传输方向x 垂直的有限面积 而k 为热导率 然而当加热器和基 片间的距离比气体分子的平均自由程小得多时 气体热传导的热通量应该为 鲸 q a 0 p r 瓦 3 3 式中 是适应系数 以d 是气体的热导常数 p 为气体气压 利用v i s s e r 给出 的k 和山 可以计算出典型的高温超导薄膜溅射成膜系统中热传递情况 图3 一l 给出了该计算结果 在最佳的成膜工艺条件下 由气体热传导产生的能量通量 比辐射热传递低三个数量级 因此 气体的热传导对基片温度的影响可以忽略 薯 差 薏 寸 l 图3 一l 在不同气压下 热电偶测得的加热器表面 m 与基片 z d 间的温度关系 实线和虚线分别给出了辐射和氩气传导的热传输通量 f i g 3 1 t e m p e r a t u r e r e l a t i o n sm e a s u r e d b yt h e r m o c o u p l e b e t w e e nt h eh e a t e r s u r f a c e 确a n dt h es u b s t r a t e t s u n d e rd i f f e r e n tg a sp r e s s u r e t h es o l i da n d d a s h e dl i n e sd e s i g n a t et h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f h e a tt r a n s f e rf l u xb ym d i a t i o n a n d a r g o nc o n d u c t i o n r e s p e c t i v e l y 我们将基于辐射热传递建立一数学模型用以评估加热器的温度分布均匀 性 该模型将忽略由气体热传导所产生的能量通量 同时还需指出 虽然基片 内部的热传导山口 d 和j k 出对基片温度的分布起着关键的作用 然而模型中也将 不讨论这两方面内容 这主要是因为厶树和j j 耐2 都是使基片温度分布更加地均 匀 在任何情况下厶耐必然是从基片的高温部分流向低温部分 而高温部分的 厶d 必然比低温部分的j k 2 要高 只要j k j 的分布是均匀的 那么基片的温 度分布也就是均匀的 电于科技大学硕士学位论文 3 1 1 2 辐射热传递模型 图3 2 基片表面面积元 姒s 和加热器表面面积元 拟h 的几何关系 f i g 3 2 g e o m e t r i c a lr e l a t i o n s h i po fe l e m e n t a la r e a so ns u b s t r a t e d a s a n dh e a t e r d a h 如图3 2 所示 热辐射密度j o 定义为单位面积上获得的总功率 一 扭 j r a d 1 2 瓦 3 4 其中 d e 是辐射到面积元姒s 上的功率 假设加热器表面向各个方向的辐射 强度相同 即黑体表面辐射 单位立体角上的辐射功率由l a m b e r t 余弦定律给 出 竽圭眦 c o s 如 a 3 5 式中e 是由加热器上的面积元剃 辐射出的功率 由方程 3 5 可得 砸 e d a m s 以 媳 c o s b 2 牙 2 对式 3 4 在么 上积分可得 t 1 l e c o s c o s 2 r z 2 地 3 6 3 7 e 由s t e f a n b o l t z m a n n 定律给出 e a t 4 o 为s b 常数 假设加热器表面的 温度是均匀的 那么在积分中e 为常数 另外 厶t 沿转动角口的积分用于计 算做旋转运动的基片上辐射功率的分布 电子科技大学硕士学位论文 3 w 2 i 1n p 3 8 必须指出该模型是以两个假设为前提的 工作气体对辐射的吸收可以忽略 不计 基片对光的吸收率与其温度无关 由此我们就可以用 赢 来评估基片温 度分布的均匀性 在所有的计算中都会以基片中心对j k 做归一化处理 并用 上表示 3 1 2 大面积超导薄膜制备中的加热器热场分布 3 1 2 1 单面沉积用加热器 许多小组采用顺序沉积的方法制备双面薄膜 如图1 1 2 b 所示 这种方法 的好处就是可以在基片的一面采用大面积的平面辐射式加热器对基片加热 图 3 3 给出了这种加热器与基片的几何配置以及模型计算结果 一般情况下 在 制备大面积薄膜的过程中 基片要进行面内转动以实现膜厚的均匀分布 但是 由于几何对称性 面内旋转并不影响辐射功率密度上的分布 当r s 盖k 时 即便h 很小的情况下 在基片边缘工都会突然下降 因此 应该采用一个 相对较大的平面加热器或者采用一些补偿措施 如在加热器边缘设计屏蔽层 当 s u b k 0 8 时 随着日的减少 上的偏差可以小于5 r u b 尺h e 柏r 图3 3 用于单面沉积的平面加热器的几何配置和模型计算结果 f i g 3 3 g e o m e t r i c a lc o n f i g u r a t i o n i n s e t a n dc a l c u l a t i o nr e s u l t so f h e a t e rf o rs i n g l e s i d ed e p o s i t i o n 3 1 2 2 对靶双面沉积用加热器 g e e r k 等 船1 设计了由相对的两面矩形加热平板组成的加热器 在这两面加 电子科技大学硕士学位论文 图3 4 相对的加热平板与基片的位置关系 f i g 3 4g e o m e t r i c a lc o n f i g u r a t i o no f o p p o s i t er e c t a n g l eh e a t i n gs h e e t s p o s i t i o na l o n gc e l l t e r l i n e 图3 5 沿两加热平板中心线的热辐射通量4 分布 加热器的几何参数为 l 2 5 h 22 如 岫2o 4 f i g 3 5 上d i s t r i b u t i o na l o n gc e n t e r l i n eo fo p p o s i t er e c t a n g l eh e a t i n gs h e e t s 上25 h 2 a n dr 崛 0 4 a r ca s s u m e df o rt h ec o n f i g u r a t i o n 热平板上各有一个圆形开口用于配置倒筒靶材 基片在两加热平板间做面内旋 转 图3 4 给出了该加热器的几何结构 由此我们计算了沿加热器中轴线的上 分布 见图3 5 在加热器开口处热辐射功率下降 在加热平板间距离矽较小 时尤为明显 但是在一些特殊的情况下 该处的温度降低能够通过等离子得到 完全补偿 8 引 为了能够比较不同矿下热辐射功率的强度 图3 5 中的所有4 是对 0 8 时五的最小值进行归一化的 随着平板间的距离矽增大 中轴线 上的4 的分布也更加均匀 同时热辐射功率也随之下降 但是这种 的增加受 到靶基距的限制 电子科技大学硕士学位论文 为了使膜厚均匀分布 基片需要做一定的离轴位移m 同时进行面内旋转 图3 6 给出了不同的离轴位移下 基片旋转一周其表面获得的热辐射功率的分 布 随着离轴位移m 的增加 基片有更多的面积处于4 分布均匀的区域 4 的偏差也就更小 但是随着m 的增加 薄膜的沉积速率也会明显的降低 m o 10 6 l0 5 i 0 4 i 0 3 i 0 2 i 0 1 i 0 0 r 3 尺o p e n 旧 图3 6 在不同的离轴位移下的平均4 的分布情况 其中矿 0 8 f i g 3 6a v e r a g e 工d i s t r i b u t i o nf o rd i f f e r e n t o f f a x i sd i s p l a c e m e n t s f ar e a lc a s eo f 矿 0 8i sa s s u m e d 3 1 3 双轴旋转基片的加热器设计 双轴旋转是指基片面内旋转和面外旋转相结合 从而实现薄膜两面同时均 匀沉积 做双轴旋转运动基片的各个部分在不同的球面上运动 这使加热器的 设计变得非常复杂 一种方法是采用较大的加热器 而只利用其中的一部分温 度均匀的空间 然而 这样将有很大一部分加热功率被浪费 而且加热器的大 小还受到真空腔体的体积以及其他成膜参数的限制 我们设计了一个筒形加热器 其几何结构如图3 7 所示 该加热器由两部 分组成 圆柱体的圆柱侧面以及用于补偿上端开口热损失的底面 图3 8 给出 了基片面外旋转一周基片上的工分布 如果分别用底面或者侧面加热 基片各 部分获得的z 均不相同 然而 我们发现侧面与底面的热辐射存在由相互补偿 的关系 如果给这两部分通以不同的加热功率 那么就可以调节基片上的工的 分布 在实际设计中 我们使r 日 l 通过计算发现如果加到加热器侧 面和加热器底面的功率相同时 基片上各点的4 得到完全补偿 另外我们对面外旋转过程中的上变化也做了相应的计算 结果如图3 9 所 示 当仅用底面或者是侧面加热时 在面外转动过程中鼻有明显的波动起伏 电子科技大学硕士学位论文 图3 7 基片和用于双轴旋转的筒形加热器的几何关系 f i g 3 7 g e o m e t r i c a l r e l a t i o n s h i p o ft h es u b s t r a t ea n dt h e c y l i n d r i c a l h e a t e rf o rb i a x i a lr o t a t i o n r s 曲 r 时 图3 8 双轴旋转过程中基片的4 分布 正方形标记 一 a n d d 表示只用加热器底 面加热的情况 圆形标记 一 一a n d o 表示只用筒形加热器侧面加热的情况 实心标记表示沿转动轴上的点 空心标记表示垂直于转动轴的半径上的点 f i g 3 8j d i s t r i b u t i o no v c f t l l es u b s t r a t e t h es e r i e sw i t ht h es q u a r es y m b o l 一a n d 一口 1 d e s i g n a t e 廿i es u b s t r a t ei sh e a t c db v 也eb o t t o m t h es e r i e sw i t h ac i r c u l a r s y m b o l 一 a n d 一0 1d e s i g n a t et h es u b s t r a t ei sh e a t e db yt h es i d e t h es o l i d s y m b o l sa l ef o rt h ep o i n t sa l o n gt h er o t a t i o na x i sa n dt h eo p e ns y m b o l ss r ef o r t h ep o i n t sa l o n gt h er a d i u sv e r t i c a lt o 血er o t a t i o na x i s 类似的 底面与侧面之间也存在有相互补偿 图3 9 c 给出了在最优条件下 用底面和侧面同时加热时的计算结果 鼻的波动减少了许多 而且对于转轴上 的点a b 和c 上没有明显的变化 同时图3 1 0 给出了用热电偶测得的加热 器上端开口处的温度分布 电子科技大学硕士学位论文 c 2o 彦飞 夕 匕 06 01 2 01 8 02 4 03 0 03 6 0 d e g 图3 9 面外旋转过程中4 的变化 a 由底面加热 b 由侧面加热 c 由底面和 侧面同时加热 a b c d e 所标记的位置由图3 7 中内嵌小图给出 f i g 3 9v a r i a t i o no f 上d u r i n g o u t o f p l a n er o t a t i o n 8 h e a t e db y t h eb o t t o m b h e a t e d b yt h es i d e a n d c h e a t e db yt h eb o t t o ma n dt h es i d et o g e t h e ra to p t i m u m c o n d u c t i o n d e s i g n a t o r sa b a n dcr e p r e s e n tt h ep o i n t sa l o n g t h er o t a t i o na x i s o nt h es u b s t r a t e ci st h ec e n t e ro ft h es u b s t r a t e c d a n dea r et h ep o i n t s a l o n g t h er a d i u sv e r t i c a lt ot h er o t a t i o na x i s a ss h o w ni nf i g 3 7 i n s e t 然而 沿垂直于转动轴的半径方向上的点d 和e 在面外旋转过程中 鼻 仍然有明显的波动 对于点e 鼻的最大值大约是其最小值的5 倍左右 虽然 工有明显的波动 但是采用该加热器成功制各出了均匀性良好的0 3 高温超导 薄膜 这可能有两方面原因 首先 在合适的面外转动速率下 j 厶 d 能够很好 的补偿工的波动 其次 这种 的波动使这种过程成为一种 顺序沉积一热处 5 o 5 0 1 1 o 0 电子科技大学硕士学位论文 n s d a 过程1 8 7 1 0 5 1 0 6 1 如基片边缘的e 点 当该点转动至加热器底部时 由于靶基距的增加以及加热器的屏蔽效应 e 点只接受到少量的沉积粒子 而 此时鼻较高 更类似于热处理过程 而当e 点转动至最高点时 情况则相反 类似于薄膜沉积过程 在这种情况下 基片的转动速度尤为重要 这需要进一 步的研究分析 加热器设计是大面积薄膜制备的关键问题之一 与0 2 薄膜沉积采用的筒 形加热器不同 我们对m 3 筒形加热器的侧面与底面通以不同的加热功率 通 过改变这两个输入功率的比值来调节加热器的热场分布 从而获得均匀的热场 分布 p o s i t i o no r lt h er a d i u s m m 图3 10 沿筒形加热器上端开口平面的半径的温度分布 f i g 3 10t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na l o n g t h er a d i u so ft h eu p p e r o p e n i n g o f t h ec y l i n d r i c a lh e a t e r 3 2y b c o 薄膜膜厚分布模拟及基片转动控制 就面积而言 0 3 薄膜的面积是0 2 的两倍 要实现膜厚的均匀分布将更加 的困难 本节将首先分析溅射方法中 溅射粒子从靶材到基片表面的空间输运 过程 然后建立适用于y b c o 薄膜溅射沉积环境的膜厚模拟模型 最后以模型 为基础提出基片运动方式以提高薄膜膜厚分布的均匀性 3 2 1y b c o 薄膜膜厚分布模拟 3 2 1 1 溅射环境中的传质过程 与蒸发镀膜方法 脉冲激光沉积方法相比 溅射方法中需要在真空腔体中 引入溅射气体 大多情况下采用a r 气 而工作气体必然会对溅射粒子产生散射 一n n ej暑巴mciem卜 电子科技大学硕士学位论文 作用 另外溅射粒子在离开靶材表面时 般都有1 0 e v 与热蒸发原子的动能 3 0 0 k 时约为0 0 4 e v 在1 5 0 0 k 时约为0 2 e v 相比要大得多 初始能量以及方 向分布对粒子的空间传递也有着重要影响 一般而言 我们把溅射成膜的传质 过程分为以下几个阶段 1 溅射气体离子轰击靶材 通过动量传递过程溅射离子能量传递给靶材 粒子使其脱离靶材表面并向空间发射 由于靶材具有负电位 所以只有中性粒 子或者是负离子才能逃离靶材 然而 在溅射系统中由靶材表面轰击出来的负 离子是非常的少的 大部分粒子都是中性原子或者是原子团 1 0 7 1 而对于氧化物 靶材 m o 粒子的数目 其中m 为金属粒子 随着m o 键的强度增大而增多 对于稳定的氧化物m o 粒子的数目大约占所有溅射粒子的4 0 然而在本论文 中将只考虑溅射粒子中的中性原子 p v d 方法中 粒子的发射沿不同的方向具有不同的几率 而且溅射粒子的 能量也不是唯一确定的而是具有 定的分布关系 在一定的出射角毋下 立体 角元d f 2 中能量为e 的原子通量为 1 0 8 函c e d c 坦 c s 妒 二 i i 兰 铲d 口扭 c 一 肌p 等芦似面4 m g 可m e 型学 e 是入射离子能量 冬是溅射气体离子的质量 而尬是溅射发射粒子的质量 d a 0 乙乏 6 原子间相互作用的屏蔽半径 印 o 5 3 a 叩 0 5 2 d 是靶材中 的原子i n j 距 e r 是r y d b e r g 能量 嘞是垂直于靶表面方向上入射粒子的通量 表3 2 给出了本论文用于计算的粒子参数 表3 2 用于模拟粒子慢化的参数 t a b 3 2p a r a m e t e r su s e di ns i m u l a t i o no ft h e r m a l i z a t i o no fs p u t t e r e d p a r t i c l e s 4 1 掣帅 厨在竺鬻竺黧呈嚣 盹3 i i m e a n f r e e p a t h s f o r 咖m y 廿a 4 2 一一撇 蝴一孵鳓黼黼一一 榔 噬懒 电子科技大学硕士学位论文 b a c u 在溅射气体a r 中的平均自由程 计算得在a r 气气压p 为3 6 p a 时 y b a c u 的平均自由程五分别为o 3 7 3 2 m m o 2 3 5 7 m m 以及0 6 8 8 4 m m 为了避免 蒙特卡罗模拟计算 我们只考虑每次碰撞的能量损失的数学估计 以 黔表示 其中 毋倡 b 和毋是发生碰撞前后的粒子能量 同时有 1 0 7 螋呱而i m 2 m 当m l 1 一m 3 1 2 a 胁等呱等 当m 川 3 1 2 b 等式中m m g m s 溅射原子通过a r 气时能量损耗可以通过以下等式估计 1 0 8 e f e o k e x p n h a e e 3 1 3 其中岛是溅射粒子离开靶材时的能量 n 是粒子发生碰撞的次数 根据溅射粒 子的平均自由程可以计算出粒子运动距离为d 时发生碰撞的次数以 d 五 由 3 1 2 和 3 1 3 就可以计算出溅射粒子能量最随其运动距离d 衰减的情况 图 3 1 2 给出了计算结果 从图中可以看出在我们的制膜条件下p 3 6 p a 溅射粒子在离开靶材运动 2 m m 后 能量就已经降至其初始能量的l 以下 可见 在本论文讨论的实验 条件下 溅射粒子在离开靶材后其能量很快就下降至与背景气体粒子能量相接 近 从其他气压条件的计算结果 发现在低气压环境中 c u 的能量衰减距离与 y 和b a 的能量衰减距离的差异增大 见图3 1 2 d 所以在低气压下成膜可能 会造成c u 成分分布不均匀 3 1 当溅射粒子完全慢化后 其将以扩散形式在空间中传递 最终到达基 片表面 该扩散传递过程可由f i c k 定律描述 在稳态条件下 j 一d g r a d n 3 1 4 詈一d 罟 等 警 0 p 式中j 为粒子通量 d 为扩散系数 n 为空间粒子浓度 在溅射成膜过程中可 以认为粒子的浓度为稳态分布 然而慢化后的粒子则是在空间中的一个特定的 分布 也就是说该稳态扩散系统的输入通量是一个空间分布的粒子源 这使粒 子扩散的计算模拟变得非常困难 所以应当针对特定的成膜条件 对模型计算 进行简化 电子科技大学硕士学位论文 a 1 0 一 乏 1 一 心 01 b 3 6 p a 弋 1 0 一 乏 1 一 寸 0 1 t c 0 1 0 一 乏 1 一 廿 01 12345 d i s t a n c e m m 激 弋 i 荽芝 毛 0246 d i s t a n c e 81 01 21 4 m m 1p a l y 蓦 c u 心 i 攀 02 55 07 51 0 01 2 51 5 0 d i s t a n c e m m 图3 1 2 在不同a r 气压下 y b a 和c u 的能量与其运动距离的关系 计算中假设 a r 气温度为5 5 0 k 粒子的初始能量为1 0 e v f i g 3 1 2c a l c u l a t i o nr e s u l t so f a v e r a g ey b a a n dc ue n e r g i e s8 saf u n c t i o no f d i s t a n c e f r o m t a r g e tw i t hr e s p e c t t od i f f e r e n ta r g o n p r e s s u r e t h et e m p e r a t u r eo f a rg a s i s5 5 0 ka n dt h ea s s u m e di n i t i a le n e r g yi s1 0 e v 电子科技大学硕士学位论文 z 圈3 1 3 膜厚计算模型中扩散源表面面积元幽r 与基片表面面积元 d 的几何配置 f i g 3 13 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec a l c u l a t i o nm o d e lo ft h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n 3 2 1 2 大面积薄膜的膜厚分布 从上 4 节的计算可知 溅射粒子在运动2 r a m 后就基本上完成慢化过程 而与我们的最小靶材的尺寸相比 该距离仅仅是靶材半径的1 0 我们不妨假 设溅射粒子从一个半径为9 0 的r i a r g 吐 高度与靶材相等的圆柱面开始扩散 如 图3 13 所示 扩散源圆柱面上的面积元d d r 的溅射粒子输入通量密度为如 由 此可以算出从该面积元散射至基片表面面积元d a s 的溅射粒子的通量为以 厶 学媳一疗 3 一1 6 其中学为面积元d d s 与 之问的夹角 由此可以计算出么s 上的溅射粒子的沉 积通量密度 晚 岳 警妈 f 3 1 7 等式 3 一1 7 在整个扩散源表面上积分即可以获得基片上某一点的沉积通量密 度 b 筹鸩 3 1 8 屯子科技大学硕士学位论文 a 2 麓辫学二簇荔缀 r 碍 十t 2 l l 钆 4 o 卜 屯 8 叶叱 8 r s u b i 尺m l a 以 lli i l 0i i 一 一生 皇 上 一 三 螬 j 蠢蠢 i 咔叱 4 l t f 叱 8 x 口 x 3 扣d 2 刊 一叱2 i 虬 1 卜一叱 9 h q 蚺 暖静医j 宅 扣一 一 k i 一i x 1 k 尺s 曲 尺自帕e t 图3 1 4 不同倾角虾面内旋转基片上沉积速率的分布 其中r m 口r 1 日21 f i g 3 1 4c a l c u l a t i o nr e s u i t sf o rd e p o s i t i o nr a t ed i s t r i b u t i o no ni n p l a n er o t a t i n gs u b s t r a t e w i t hd i f f e r e n tt i l ta n g l e 口 r la n dh 1 i sa s s u m e df o rt h er e a lc a s e 如果基片是绕某一转动轴进行运动 则通过计算运动过程中沉积通量密度知的 平均值了 也可以算出该点的成膜速率 当基片做面外旋转时 去了伽 3 1 9 a 电子科技大学硕士学位论文 当基片做面内旋转时 去了l 妒 3 1 9 b 当基片做双轴旋转时 l 告ff j d d a d f l 3 1 9 c t 再 i i 当基片的直径大于靶材的直径时 有部分溅射粒子的扩散路径会被靶材遮 挡 使基片上某些点的沉积速率计算变得复杂 这时可以采用转换扩散源的方 法对薄膜的沉积速率进行计算 即先计算出靶材开口处的粒子通量密度分布 然后以靶材开口作为一个平面扩散源对基片进行沉积 9 3 1 由于从靶材开口到基 片表面并无遮挡物 这使沉积速率的计算变得简单 图3 一1 4 和图3 一1 5 给出了倾斜基片面内旋转以及基片双轴旋转的模型计算结 果 从图中可以看出不同的倾角下薄膜的膜厚分布有所不同 处于较高的倾角 时 口接近0 或者接近兀时 薄膜中心薄边缘厚 处于较低的倾角时 口接近x 2 或者接近3 x 2 时 薄膜中心厚边缘薄 双轴旋转就是采用不同倾角间的相互 补偿关系实现膜厚的均匀分布 然而 常规的双轴旋转方式所制得的大面积薄 膜仍然时中心厚边缘薄 我们希望寻找新的基片运动机制以进一步提高薄膜膜 厚的均匀性 v v 9 8 式 f k k i l 1 9 6 j 一 2 2 1 9 4 1 一d k 4 一d f 6 9 2 尺 尺 t a r g e t 图3 1 5 双轴旋转基片上的沉积速率分布 其中凡 l 胃 1 计算中认为扩散 源表面的粒子通量 是均匀的 f i g 3 一l5c a l e u l a t i o nr e s u l t so f d e p o s i t i o nr a t ed i s t r i b u t i o no nb i a x i a lr o t a t i n gs u b s t r a t e 届d f la n dh l i sa s s u m e df o rt h er e a lc 硒e t h ep a r t i c l ef l u x 五o nt h e d i f l u s i o ns u r f a c ei sa s s u m e dt ob eh o m o g e n e o u s 4 7 电子科技大学硕士学位论文 图3 1 6 调速双轴旋转方法中面外旋转调速区域的划分 f i g 3 1 6 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es e c t i o nd e f i n i t i o ni n s p e e d m e d u l a t i o nm e t h o d 3 2 23 英寸大面积薄膜制备中的基片转动控制 通过调节不同倾角下基片运动的速率 使基片上各点的沉积速率获得最佳 补偿 从而提高大面积薄膜膜厚的均匀性 我们可以把基片面外旋转的圆周划 分为两个区域 基片在这两个区域旋转时其沉积速率的分布应当具有不同的特 征 在其中一个区域内沉积速率中心高边缘低 另一个区域内沉积速率中心低 边缘高 以使这两个区域的成膜速率能够相互补偿 一个较为简单的方法如图 3 一1 6 所示 把做面外旋转的圆周划分成两个区域 妒到庐和兀 到7 c 庐为i 区 矿到7 c 一 和兀 庐到2 兀 为i i 区 采用以上薄膜膜厚分布模型计算出在这两个 区域中的膜厚分布 取西