·206· 北京科技大学学报 2005年第2期 电，产生大的颗粒，影响薄膜的表面质量，因此要 能，又能以较高速率沉积，进一步研究了不同供 获得高质量的薄膜，需要采用射频反应溅射方 气方式对溅射模式转化的影响. 法.射频磁控溅射可以用不导电的靶材（如氧化 实验表明，在不同位置通入反应气体，溅射 物靶材)进行溅射沉积，也可采用金属靶进行射 模式的转变点不同.如果定义沉积速率降低50% 频反应溅射，能够避免上述问题的发生， 时的工作点为金属态与非金属态溅射的转变点， 研究发现，在射频反应溅射时，无论反应气 在射频反应溅射制备氧化铬薄膜时，在基片附近 体（氧气）流量多大，溅射都能进行：但是流量不 供气和在靶附近供气时，溅射模式发生转变时的 同，沉积速率会有很大的差别.这是由于金属和 溅射功率和氧流量关系示于图2. 氧化物的溅射系数有巨大差异.当靶材表面呈金 属态时，即靶材表面原子被溅射出来的速率大于 表面氧化的速率时，溅射速率高，而当靶材表面 为氧化态时，溅射速率会急剧下降.由此可以将 3.5 射频反应溅射分为两种不同的溅射模式：(1)金属 态溅射，即靶材表面未被氧化，沉积速率高：(2) 2.5 非金属态溅射，即靶材表面已经被氧化，形成了 屏1.5 一层氧化物，这时沉积速率低. 实验测量得到的溅射功率为300W时，氧化 0.5 铬薄膜沉积速率和氧流量的关系如图1所示.由 150 200250300 350400 溅射功率/W 于薄膜是由铬原子与氧原子组成，薄膜厚度决定 图2不同位置供氧时溅射模式发生转变的藏射功率和氧流 于两种原子的总量.在氧气流量较低时，沉积速 量.A一在基片附近供氧气，B一在靶附近供氧气 率随着参加反应的氧量增加而增加：然而，当氧 Fig.2 O:flow rate and sputtering power for sputtering mode 气流量增加到一定值以后，沉积速率发生急速降 transforming when O,feeding at different positions.A-O,feed- ing near the samples:B-O,feeding near the target 低，表明过量的氧已使靶材表面发生了氧化，导 致溅射模式发生了从金属态溅射到非金属态溅 由图2可以看到，溅射模式转变点的溅射功 射的转化.从图1可以看到发生转化的氧气流量 率和氧流量近以成直线关系，即如果溅射功率为 P,则溅射模式转变的氧流量F为： F=CP. 其中，C为常数，在直线上方区域为非金属态溅 m 射，在直线下方区域为金属态溅射，从图中可以 看出，在基片附近通入氧气时，会有较大的金属 2 态溅射区域，即可以在较高的氧气流量下保持金 属态溅射，这样就可以实现在较高沉积速率下保 证制备的薄膜中有足够的氧含量.因此，在本研 究制备薄膜中采用这种方式供气， 00.51.01.52.02.53.03.5 氧流量/(cm-min-) 2.2氧化铬薄膜的结构 图1溅射功率为300W,不同氧气流量时氧化铬薄膜的沉积 当以不同的氧气流量，在射频溅射功率为 速率 300W时进行溅射，所沉积薄膜的X射线衍射谱 Fig.I Deposition rate of chromium oxide coating at a RF power of 300 W and different O:flow rates 如图3所示.从图中可以看到，随着氧气流量增 加，衍射谱发生明显变化.当氧气流量较低时(0.4 范围很窄 cm'/min)衍射谱中除了基体的Fe峰外，主要是一 在制备氧化铬薄膜过程中，为了达到较高的 个很强的CO(400)峰，表明在这种条件下由于氧 薄膜沉积速率，就要采用较低的氧气流量，以保 缺乏，不能形成C,O薄膜.当氧气流量增加到0.8 证金属态溅射：但氧气量不足又会影响薄膜的成 cm/min时，Cr0的(400)峰明显减弱，同时出现了 分和性能（硬度）.为了既尽可能提高薄膜的性 CrO的峰，其中(104)峰最强.继续增加氧气流量. 2 0 6 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 5 年 第 2期 电 , 产生 大 的颗 粒 , 影 响薄 膜 的表 面质 量 . 因此 要 获得 高 质 量 的 薄膜 , 需 要 采 用射 频 反应 溅 射 方 法 . 射 频磁 控 溅射 可 以用 不 导 电的靶 材 ( 如氧 化 物 靶 材 ) 进行 溅 射沉 积 , 也可 采 用金 属 靶 进行 射 频 反应 溅射 , 能够 避 免 上述 问题 的发 生 . 研 究 发现 , 在射 频 反应 溅射 时 , 无 论 反应 气 体 (氧 气 ) 流 量 多大 , 溅 射都 能 进行 ; 但 是流 量 不 同 , 沉 积速 率 会 有很 大 的 差别 . 这是 由于 金属 和 氧 化 物 的溅 射 系数 有 巨大 差异 . 当靶材 表 面呈 金 属 态 时 , 即靶 材 表面 原子 被溅 射 出来 的速 率 大于 表 面氧 化 的速 率 时 , 溅 射速 率 高 . 而 当靶 材表 面 为氧 化 态 时 , 溅射 速 率 会 急剧 下 降 . 由此 可 以将 射 频 反应溅 射 分 为两种 不 同的溅 射模 式 : ( l) 金 属 态 溅 射 , 即靶 材表 面 未被 氧 化 , 沉积 速 率 高 ; (2) 非 金 属态 溅 射 , 即靶 材 表面 己 经被 氧 化 , 形 成 了 一 层 氧化 物 , 这 时沉 积速 率 低 . 实 验 测量 得 到 的溅 射 功率 为 3 0 W 时 , 氧 化 铬 薄膜 沉 积速 率 和氧 流 量 的关 系 如 图 1所 示 . 由 于 薄膜 是 由铬 原 子与氧 原 子组 成 , 薄膜 厚 度 决定 于 两 种 原子 的 总量 . 在 氧气 流 量较 低 时 , 沉 积 速 率 随着 参加 反 应 的氧 量增 加 而 增加 ; 然 而 , 当氧 气 流量 增加 到 一定 值 以后 , 沉 积速 率发 生 急速 降 低 , 表 明过 量 的氧 已 使靶 材 表 面发 生 了氧 化 , 导 致 溅 射 模 式 发生 了从 金 属 态溅 射 到 非 金 属 态溅 射 的转 化 . 从 图 1 可 以看 到发 生 转化 的氧 气 流 量 能 , 又 能 以较 高速 率 沉 积 , 进 一 步研 究 了不 同供 气 方 式对 溅 射 模式 转 化 的 影 响 . 实 验 表 明 , 在 不 同位 置 通入 反 应气 体 , 溅 射 模 式 的转 变 点不 同 . 如 果 定义 沉 积速 率 降低 5 0% 时 的工作 点 为金 属态 与 非金 属态 溅 射 的转变 点 , 在 射频反应溅 射 制 备氧 化铬 薄膜 时 , 在 基 片附近 供 气和 在 靶 附近供 气 时 , 溅射 模 式 发生 转变 时 的 溅 射 功 率和 氧 流量 关 系 示 于 图 2 . .日 3 . 5 日 日O 丫 2 . 5 酬 璐 了 . _ 崛 1 · 〕 少 · / ’ 0 . 5 ` es es es es L es es es es es es es e 习` 15 0 2 00 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 溅 射功率 卿 图 2 不同位里供 氟时 溅射 模式 发生 转 变的溅 射功 率和 氛流 量 . A 一 在基 片 附近 供氛 气 , B一在靶 附近供 氟气 F ig · 2 0 : if 姗 ar t e a n d s p u 枷 ir n g P ow e r fo r , P u et ir n g m o d e tar n s fo mr i n g w 卜e n 认 fe ed in g a t d让er 作 n t p o s iit o n s . A 一 0 : fe e d - i n g n e a r t h e s a m P les : B一习 : 介 . d i n g n e a r t卜e t a r g e t 一 ǎ ū l à尸、瑕璐彩蜷里 氧 流量 (/ e m · m i n 一 , ) 图 1 溅射 功率 为 3 0 O W , 不 同氧气 流. 时氧化 铬薄膜 的 沉积 速 率 F i.g 1 D e P o s iit o n r a t e o f e 卜功 m i u m o 五d e e o a it n g a t a R l , P ow e r o f 3 0 0 W a n d d ifl 他代 n t o : fl o w ra t e s 范 围很 窄 . 在 制 备氧 化铬 薄 膜过 程 中 , 为 了达 到 较 高 的 薄膜 沉 积速 率 , 就要 采 用较 低 的 氧气 流 量 , 以保 证金 属态 溅射 ; 但 氧 气量 不足 又会 影 响薄 膜 的成 分 和 性 能 ( 硬度 ) . 为 了既 尽 可能 提 高 薄膜 的性 由图 2 可 以看 到 , 溅射 模 式 转 变 点 的溅射 功 率 和氧 流量 近似 成 直 线关 系 , 即如果 溅射 功 率 为 尸 , 则溅 射 模 式 转变 的氧 流量 F 为 : F = C尸 . 其 中 , C 为 常数 , 在 直 线 上方 区 域 为 非金 属 态溅 射 , 在 直 线 下 方 区 域 为 金属 态 溅射 . 从 图中可 以 看 出 , 在 基 片 附近 通入 氧气 时 , 会有 较 大 的金 属 态溅 射 区 域 , 即可 以在 较 高 的氧气 流 量下 保 持金 属态 溅 射 , 这样 就 可 以实现 在 较 高沉 积速 率下 保 证 制备 的薄膜 中有 足够 的氧 含量 . 因此 , 在本 研 究 制备 薄膜 中采 用 这种 方 式 供气 . 2 . 2 氧 化 铬 薄膜 的 结构 当 以不 同 的氧 气 流 量 , 在 射 频 溅 射 功 率 为 3 0 0 W 时进 行溅 射 , 所沉 积 薄 膜 的 X 射线 衍 射 谱 如 图 3 所 示 . 从 图中可 以看 到 , 随着 氧气 流 量 增 加 , 衍射 谱发 生 明 显变化 . 当氧气 流量 较低 时 (.0 4 c m 」 m/ in )衍 射 谱 中 除 了基 体 的 eF 峰 外 , 主 要是 一 个 很 强 的 C or ( 4 0 0) 峰 , 表 明在 这 种 条 件 下 由于 氧 缺 乏 , 不 能形 成 C介 O , 薄 膜 . 当氧 气流 量 增加 到 .0 8 c m , m/ in 时 , C旧 的( 4 0 0 )峰 明 显减 弱 , 同 时 出现 了 C卜 O , 的 峰 , 其 中 ( 10 4) 峰最 强 . 继续 增 加氧 气 流量