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

1、非平衡磁控濺射沉積技術(UnbalancedMagnetronSputtering，UMS)目前得到廣泛關注，能夠得到比較高的離子/原子到達比(Ion-to-atomArrivalRatio，IAR)，在相對較低的基體溫度下沉積結構致密薄膜，通過磁場狀態(tài)優(yōu)化沉積參數。結構-區(qū)域模型(StructureZone-Model，SZM)包含沉積過程的關鍵因素，為確定非平衡磁控濺射沉積技術放電參數和沉積參數之間的關系，仍然需要深入研究其放電、沉

2、積機制，通過建立精確的理論模型控制放電和沉積過程，以滿足日益發(fā)展的應用需求。 濺射靶的磁場分布是非平衡磁控濺射系統(tǒng)的關鍵因素。通過增強濺射靶外側的磁極形成非平衡的磁場分布，能夠約束等離子體，增強電離；磁場梯度帶來的磁鏡效應增強電荷引出，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部磁極具有一定的非平衡度，構成永磁式非平衡磁控濺射靶(PermanentMagnetUnbalancedMagnetronSputtering)；

3、通過附加一個同軸線圈加強系統(tǒng)的非平衡特征，形成同軸磁場約束非平衡磁控濺射靶(CoaxialSolenoidconfiningUnbalancedMagnetronsputtering)。該文通過這樣兩種相互對比的系統(tǒng)來研究同軸磁場變化對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)域的等離子體參數和同軸磁場(CoaixialSolenoid)對這些參數的影響規(guī)律。在同軸磁場作

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；由于電子受到磁場約束，沉積區(qū)域的等離子體電位降低；同軸磁場提高了系統(tǒng)的放電效率和低氣壓沉積過程的穩(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、空間位置之間的關系。實驗結果表明同軸磁場顯著影響收集電流密度通量，

5、增強同軸磁場使飽和離子通量在距陰極200mm以上的位置達到9.5mA/cm2，達到飽和值后保持穩(wěn)定，不再受磁場和放電電流影響。 在系統(tǒng)的實驗研究基礎上，理論研究了同軸磁場對圓形平面磁控濺射系統(tǒng)放電特性和離子束流影響。根據蔡爾德定律研究了同軸磁場對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。根據沉積過程中離子的分布特點，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，闡明放電參數對于沉積過程離子束流密度等參數的影響

6、。研究的結果表明，同軸磁場優(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，理論模型附合實驗數據的變化規(guī)律。 采用同軸磁場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。通過調節(jié)附加的同軸磁場來控制入射到基體的離子/原子的到達比(Ji/Jm)，研究了濺射功率、偏壓、基體溫度、氣壓、和氮氣和氬氣氣流比例對于沉積TiNx薄膜的影響。原子力顯微鏡(AFM)被用來研究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薄膜的結構，硬度和摩擦系數的測量使用顯微硬度計和ball-on-disk摩擦方法測定，確定沉積參數對于TiNx薄膜的硬度和摩擦系數影響。結果表明沉積TiNx薄膜的顯微硬度在偏壓為-50V和離子原子到達比為Ji/Jm=4.1時達到最大值和具有致密、細小的晶體顆粒，氮氣和氬氣的氣流比例(f(N2/Ar)在0.3-0.64之間利于形成致密和