非平衡磁控濺射沉積系統(tǒng)放電特性和沉積TiN-,x-薄膜應(yīng)用研究.pdf

1、非平衡磁控濺射沉積技術(shù)(UnbalancedMagnetronSputtering，UMS)目前得到廣泛關(guān)注，能夠得到比較高的離子/原子到達(dá)比(Ion-to-atomArrivalRatio，IAR)，在相對(duì)較低的基體溫度下沉積結(jié)構(gòu)致密薄膜，通過(guò)磁場(chǎng)狀態(tài)優(yōu)化沉積參數(shù)。結(jié)構(gòu)-區(qū)域模型(StructureZone-Model，SZM)包含沉積過(guò)程的關(guān)鍵因素，為確定非平衡磁控濺射沉積技術(shù)放電參數(shù)和沉積參數(shù)之間的關(guān)系，仍然需要深入研究其放電、沉

2、積機(jī)制，通過(guò)建立精確的理論模型控制放電和沉積過(guò)程，以滿足日益發(fā)展的應(yīng)用需求。 濺射靶的磁場(chǎng)分布是非平衡磁控濺射系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。通過(guò)增強(qiáng)濺射靶外側(cè)的磁極形成非平衡的磁場(chǎng)分布，能夠約束等離子體，增強(qiáng)電離；磁場(chǎng)梯度帶來(lái)的磁鏡效應(yīng)增強(qiáng)電荷引出，系統(tǒng)的性能得到提高。該文使用的圓形平面磁控濺射靶內(nèi)部磁極具有一定的非平衡度，構(gòu)成永磁式非平衡磁控濺射靶(PermanentMagnetUnbalancedMagnetronSputtering)；

3、通過(guò)附加一個(gè)同軸線圈加強(qiáng)系統(tǒng)的非平衡特征，形成同軸磁場(chǎng)約束非平衡磁控濺射靶(CoaxialSolenoidconfiningUnbalancedMagnetronsputtering)。該文通過(guò)這樣兩種相互對(duì)比的系統(tǒng)來(lái)研究同軸磁場(chǎng)變化對(duì)放電特性和沉積特性的影響。 采用Langmuir探針、發(fā)射探針、平面電極和發(fā)射光譜等方法研究了沉積區(qū)域的等離子體參數(shù)和同軸磁場(chǎng)(CoaixialSolenoid)對(duì)這些參數(shù)的影響規(guī)律。在同軸磁場(chǎng)作

4、用下，其沉積區(qū)域電子溫度、等離子體密度和離子飽和電流密度得到顯著提高，有利于提高薄膜質(zhì)量；沉積速率隨濺射功率先增加，繼續(xù)提高濺射功率，則沉積速率降低；由于電子受到磁場(chǎng)約束，沉積區(qū)域的等離子體電位降低；同軸磁場(chǎng)提高了系統(tǒng)的放電效率和低氣壓沉積過(guò)程的穩(wěn)定性。采用圓形平面電極在軸向不同位置研究飽和離子電流(SaturationIonCurrent)與同軸線圈電流、放電電流密度、空間位置之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明同軸磁場(chǎng)顯著影響收集電流密度通量，

5、增強(qiáng)同軸磁場(chǎng)使飽和離子通量在距陰極200mm以上的位置達(dá)到9.5mA/cm2，達(dá)到飽和值后保持穩(wěn)定，不再受磁場(chǎng)和放電電流影響。 在系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，理論研究了同軸磁場(chǎng)對(duì)圓形平面磁控濺射系統(tǒng)放電特性和離子束流影響。根據(jù)蔡爾德定律研究了同軸磁場(chǎng)對(duì)于非平衡磁控濺射沉積系統(tǒng)伏安特性影響的基本規(guī)律。根據(jù)沉積過(guò)程中離子的分布特點(diǎn)，采用磁流體理論方法，建立反映沉積空間等離子體特性的理論模型，闡明放電參數(shù)對(duì)于沉積過(guò)程離子束流密度等參數(shù)的影響

6、。研究的結(jié)果表明，同軸磁場(chǎng)優(yōu)化了非平衡磁控濺射系統(tǒng)的放電特性和轟擊基體的離子電流，理論模型附合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。 采用同軸磁場(chǎng)約束非平衡磁控濺射沉積方法在室溫條件下成功沉積了光滑、致密和均勻的TiNx薄膜。通過(guò)調(diào)節(jié)附加的同軸磁場(chǎng)來(lái)控制入射到基體的離子/原子的到達(dá)比(Ji/Jm)，研究了濺射功率、偏壓、基體溫度、氣壓、和氮?dú)夂蜌鍤鈿饬鞅壤龑?duì)于沉積TiNx薄膜的影響。原子力顯微鏡(AFM)被用來(lái)研究TiNx薄膜的表面形貌和粗糙度，

7、采用掠入射的X射線衍射方法(GlazingIncidentX-Raydiffraction)研究TiNx薄膜的結(jié)構(gòu)，硬度和摩擦系數(shù)的測(cè)量使用顯微硬度計(jì)和ball-on-disk摩擦方法測(cè)定，確定沉積參數(shù)對(duì)于TiNx薄膜的硬度和摩擦系數(shù)影響。結(jié)果表明沉積TiNx薄膜的顯微硬度在偏壓為-50V和離子原子到達(dá)比為Ji/Jm=4.1時(shí)達(dá)到最大值和具有致密、細(xì)小的晶體顆粒，氮?dú)夂蜌鍤獾臍饬鞅壤?f(N2/Ar)在0.3-0.64之間利于形成致密和