直流反应溅射制备氧化铝薄膜及其迟滞现象研究

论文摘要

由于迟滞现象的存在以及Al2O3薄膜自身特性的影响使得直流反应溅射制备Al2O3薄膜的工艺过程不稳定并且难以控制。迟滞曲线对于研究靶的溅射状态和镀膜工作点的选取具有重要的意义。本课题旨在研究铝靶反应溅射过程中靶原子发射特征谱线强弱的迟滞曲线现象以及迟滞曲线上不同的区段对薄膜性能的影响。本课题利用光纤光谱仪对铝靶直流反应溅射过程中的辉光放电等离子体进行实时监测,在实验的基础上研究了工作压力、工作气体和反应气体流量、溅射功率对放电状态以及等离子体发射光谱的影响,并且重点研究了铝原子特征谱线强度随氧气流量变化的迟滞曲线以及工作压力和溅射功率对迟滞曲线的影响。从等离子体发射光谱的分析结果来看,所监测的发射光谱符合溅射理论和规律。铝原子特征谱线的强弱明显地呈现出迟滞曲线的变化,实质上反映了铝靶表面状态的变化。溅射功率和工作压力的变化都会使迟滞曲线的过渡区的位置发生偏移,使过渡区的面积发生变化。本文还在测得的迟滞曲线的基础上选取工艺参数进行了镀膜实验,研究在迟滞曲线上不同区段的工艺条件对薄膜晶体结构、表面形貌、成分、透射率、导电特性、亲水性等特性的影响。研究结果表明,在迟滞曲线的金属区制备的薄膜为金属铝和氧化铝复合成分膜,透光性较差,电阻较小；在过渡区制备的薄膜为透明的氧化铝膜,为多晶体结构,表面形貌均匀致密,在350m-800nm波长范围内的透光率高达90%以上,薄膜的电阻值为几百兆欧以上,薄膜具有亲水性。通过对实验结果的分析研究可以得出如下结论：在反应溅射工艺中,可以借助发射光谱分析来认识镀膜室内的等离子体状态和薄膜生长环境；可以通过等离子体中靶原子光谱强度分析来寻找靶溅射模式的转变点；在不同的溅射功率和工作压力下,应选取不同的工作点来制备所要求化学配比的薄膜；采用本课题的实验方法,可以在迟滞曲线的过渡区制备出性能良好、接近理想化学配比的氧化铝薄膜。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 2O₃薄膜的研究现状和发展'>1.2 反应溅射制备Al₂O₃薄膜的研究现状和发展
• 2O₃薄膜的性质与应用'>1.2.1 Al₂O₃薄膜的性质与应用
• 2O₃薄膜的主要问题及研究现状'>1.2.2 反应溅射法制备Al₂O₃薄膜的主要问题及研究现状
• 1.3 发射光谱在反应溅射中的应用
• 1.4 溅射现象和辉光放电
• 1.5 光谱分析和发射光谱
• 1.5.1 光谱分析
• 1.5.2 发射光谱概述
• 1.6 课题的研究内容
• 第2章 反应磁控溅射及实验设备
• 2.1 磁控溅射镀膜设备
• 2.1.1 真空抽气系统
• 2.1.2 溅射镀膜室
• 2.2 等离子体监测设备
• 2.3 薄膜性能检测设备
• 2.3.1 晶相检测设备
• 2.3.2 表面形貌和成分检测设备
• 2.3.3 导电特性测试设备
• 2.3.4 接触角测量仪器
• 2.3.5 透射率测量仪器
• 第3章 反应溅射发射光谱分析
• 3.1 实验得到的谱线分析
• 3.1.1 实验得到的谱线成分分析
• 3.1.2 不同功率下等离子体特征谱线强度变化
• 3.1.3 不同工作压力下等离子体特征谱线强度变化
• 3.2 反应溅射的迟滞现象
• 3.2.1 反应溅射的迟滞现象
• 3.2.2 迟滞效应的理论分析
• 3.2.3 迟滞现象研究的实验过程
• 3.2.4 发射光谱随氧气流量的变化
• 3.2.5 溅射功率对迟滞曲线的影响
• 3.2.6 工作压力对迟滞曲线的影响
• 3.3 本章小结
• 2O₃实验'>第4章 直流反应溅射沉积Al₂O₃实验
• 4.1 实验方法及实验过程
• 4.1.1 工作压力和工作气体流量的确定
• 4.1.2 迟滞曲线的获得及薄膜制备的工艺参数
• 4.1.3 薄膜制备实验流程
• 4.2 氧气流量对薄膜XRD物相的影响
• 4.3 氧气流量对薄膜表面形貌的影响
• 4.3.1 SEM表面形貌分析
• 4.3.2 EDS能谱分析
• 4.4 氧气流量对薄膜透光性的影响
• 4.5 氧气流量对薄膜导电特性的影响
• 4.5.1 测试方法
• 4.5.2 结果与讨论
• 4.6 氧气流量对薄膜亲水性的影响
• 4.6.1 薄膜亲水性的表征方法
• 4.6.2 结果与讨论
• 4.7 直流功率120W下制备的薄膜样品特性
• 4.7.1 薄膜的XRD物相
• 4.7.2 薄膜的表面形貌
• 4.7.3 薄膜的透光性
• 4.7.4 薄膜的导电特性
• 4.7.5 薄膜的亲水性
• 4.8 本章小结
• 第5章 结论和展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢