[发明专利]一种过渡金属氧化物薄膜的直流反应磁控溅射沉积方法

说明书

本发明公开了一种过渡金属氧化物薄膜的直流反应磁控溅射沉积方法，包括如下步骤：将安装有过渡金属靶的阴极连接到外部直流电源，设定合适的沉积条件，开启直流电源产生等离子体；逐步增加或者减少进入真空溅射腔室内的反应气体流量，获得一条关于靶电压和反应气体流量的特定关系曲线；根据所述关系曲线将反应气体零点至靶电压最高点的反应溅射区域划分为金属区，将靶电压最高点之后的反应溅射区域划分为金属氧化物区，靶电压最高点对应的反应气体流量为拐点反应气体流量，在拐点反应气体流量附近获得由多个工艺参数共同决定的工作点；在该工作点下进行反应磁控溅射沉积从而制备获得性能优异的过渡金属氧化物材料。本发明涉及薄膜制备技术领域。

技术领域

本发明涉及薄膜制备技术领域，特别涉及一种过渡金属氧化物薄膜的直流反应磁控溅射沉积方法。

背景技术

过渡金属氧化物如氧化钨(WO_x)、氧化钼(MoO_x)、氧化钽(TaO_x)、氧化铌(NbOx)以及氧化钨钼(Mo_1-yW_yO_x)等由于其具有不同的材料特性如载流子传输选择性、高功函、高介电特性、高光透过率和离子可嵌入或者脱出等特性因而被广泛应用于电致变色器件、太阳电池、全薄膜固态电容器、光电传感器和晶体管等中，发挥着重要的作用。例如，在电致变色器件中，金属氧化物如氧化钨(WO_x)被用作全薄膜固态电致变色器件的变色层，而氧化钽(TaO_x)则应用氢离子传输的离子传输层。另外，可采用高功函的过渡金属氧化物如MoO_x和WO_x等材料应用于薄膜太阳能电池中如碲化镉(CdTe)太阳能电池、铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池中用于调节材料的接触特性和载流子传输性能。目前，通常制备一层或者多层过渡金属氧化物应用于晶体硅太阳电池中，对电极表面进行钝化作用、减反作用、前表面场和背表面场作用，以及与晶体硅材料形成p-n异质结等各种作用。金属氧化物如TaO_x薄膜在薄膜晶体管中作为介电材料实现优异的开关性能等。

磁控溅射方法广泛应用于过渡金属氧化物材料的制备，而其中采用金属靶材的反应磁控溅射方法可以实现快速沉积、材料成分易调等特点。尽管如此，采用反应磁控溅射方法制备过渡金属氧化物时工艺相对复杂，一方面反应磁控溅射过程的沉积条件如溅射功率、工作气压、反应气体流量、衬底温度等相互依赖；另一方面，反应溅射过程可能具有多个反应区间如金属区、过渡区、氧化物区等，不同反应区间制备的材料具有不同的材料特性。不同过渡金属氧化物材料具有不同的反应溅射区特点，最优化特性的材料在特定的反应磁控溅射过程的反应溅射区间的工作点制备完成，如何确定特定的反应溅射区间的反应溅射工作点十分重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种利用靶电压监控方式来监控靶材表面状态，进而在拐点反应气体流量附近获得由多个工艺参数共同决定的工作点，在该工作点下进行反应磁控溅射沉积从而制备获得性能优异的过渡金属氧化物材料。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种过渡金属氧化物薄膜的直流反应磁控溅射沉积方法，包括如下步骤：将安装有过渡金属靶的阴极连接到外部直流电源，设定合适的沉积条件，开启直流电源产生等离子体；逐步增加或者减少进入真空溅射腔室内的反应气体流量，获得一条关于靶电压和反应气体流量的特定关系曲线；根据所述关系曲线将反应气体流量零点至靶电压最高点的反应溅射区域划分为金属区，将靶电压最高点之后的反应溅射区域划分为金属氧化物区，靶电压最高点对应的反应气体流量为拐点反应气体流量，在拐点反应气体流量附近获得由多个工艺参数共同决定的工作点；在该工作点下进行反应磁控溅射沉积从而制备获得性能优异的过渡金属氧化物材料。

作为优选的技术方案，在所述金属区内，靶电压随着反应气体流量的增加而增大，在所述金属氧化物区内，靶电压随着反应气体流量的增加保持相对稳定。