工作气压对沉积速率的影响

在薄膜溅射沉积过程中，不同工作气压下Sb2Te3和Bi2Te3薄膜的沉积速率变化如图5-54所示。从图中可以看出，随着工作气压的增加，薄膜的沉积速率先增加后降低。当Sb2Te3薄膜的溅射工作气压为0.2 Pa时，速率为5.2Å／s；工作气压增加到0.5 Pa时，沉积速率增加到实验最大值5.4Å／s。然后再增大溅射工作气压，Sb2Te3薄膜的沉积速率迅速降低，当溅射工作气压增加到1.1 Pa时，沉积速率降低到实验最小值3.0Å／s。当Bi2Te3薄膜的溅射工作气压为0.2 Pa时，沉积速率为5.0Å／s；工作气压增加到0.5 Pa时，沉积速率增加到实验最大值6.0Å／s。然后再增大溅射工作气压，Bi2Te3薄膜的沉积速率迅速降低，当溅射工作气压增加到1.1 Pa时，沉积速率降低到实验最小值4.6Å／s。造成薄膜沉积速率随工作气压增加而先增加后下降的原因主要是在薄膜沉积过程中，溅射出的靶原子与工作气体Ar原子之间的相互作用过程随工作气体浓度（即溅射工作气压）的增加而变化。在溅射工作气压较低时（如0.2～0.5 Pa），Ar原子浓度低，轰击靶表面的Ar＋数量少，轰击出的靶原子数量低，到达基片表面能够沉积成膜的原子数量少，在一定时间内形成膜的厚度低，因此沉积速率很低。但是随着工作气压的增大，工作气体Ar原子浓度增加，轰击靶表面的Ar＋数量增加，轰击出的靶原子数量增加，达到基片表面沉积成膜的靶原子数量增多，在一定时间内形成膜的厚度增加，因此沉积速率增加。

图5-54　Sb2Te3和Bi2Te3薄膜的沉积速率和工作气压之间的关系(www.xing528.com)

然而，工作气体粒子浓度的增加在使轰击出的靶原子数量增多的同时，也造成了轰击出的靶原子与工作气体原子之间碰撞的概率增加，造成靶材原子运动的平均自由程减小，在一定程度上降低了靶原子到达基片表面的数量［186］。但是在工作气压较低的情况下，这种削弱作用小于工作气压增加对沉积原子数量的增加作用。当气压逐渐增加时，工作气体原子的削弱作用增强，增加工作气压对沉积速率的增强作用和削弱作用影响持平时，薄膜沉积速率达到最大，即当工作气压增加到0.5 Pa时，上述两种作用的影响相互持平，薄膜沉积速率达到最大值。当工作气压继续增大时，工作气体粒子对沉积原子的碰撞作用继续增强，工作气体粒子对薄膜沉积速率的削弱作用超过其增强作用，造成薄膜沉积速率下降。工作气压越高，削弱作用越强，沉积速率越低，即工作气压从0.5 Pa增加到1.1 Pa时，薄膜沉积速率降低。