磁控管非平衡度及偏压对Cr膜生长和组织性能的影响研究

论文摘要

本文采用直流磁控溅射离子镀设备于单靶溅射条件下在单晶Si基底上制备了Cr镀层。采用SEM、表面轮廓测试仪及XRD观察了不同磁控管非平衡度状态下Cr镀层生长过程中形貌演化过程；采用四点探针法、纳米压入测试仪和表面轮廓测试仪分别对不同磁控管非平衡度和偏压状态下,不同靶基距处Cr镀层的导电性、纳米硬度、弹性模量及表面粗糙度等性能进行了测量；使用SEM、AFM及XRD方法对以上Cr镀层的微观组织、晶体结构、应力状况、晶粒度等微观状态进行了分析。在以上检测的基础上,对检测结果进行了深入的分析,探讨了磁控管非平衡度和偏压对磁控溅射Cr镀层生长及组织性能的影响机理。分析结果表明：磁控管非平衡度的改变显著影响着整个沉积过程中Cr镀层的生长过程、微观组织和性能。Cr镀层在沉积的各时间段内均由不同的影响因素主导其生长过程。随着沉积速率的增大,镀层晶体经历了由随机生长向择优生长的转变过程且镀层晶体发生了由最密排面Cr(110)向次密排面Cr(200)择优生长的转变。不同非平衡度和偏压下镀层截面均为排列紧密的柱状结构,柱状颗粒倾斜贯穿于整个镀层截面且镀层均沿Cr(110)面择优生长,斜向沉积和自遮蔽效应是柱状晶斜向生长的主要原因,提高衬底偏压并未影响镀层晶体结构及柱状晶粒与衬底之间的夹角。不同非平衡度和偏压状态下镀层内应力均为压应力。镀层晶粒度、电阻率、内应力、硬度及弹性模量随K的增大而增大,但表面粗糙度随着非平衡度的增大而减小。靶／基相对位置直接影响着镀层晶体的状态。镀层粗糙度、晶粒度随着靶基距的增加而减小。由于镀层力学性能在很大程度上和其内部结构及其晶粒尺寸有关,镀层硬度和弹性模量随靶基距的增大先减小后增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 物理气相沉积技术
• 1.2.1 物理气相沉积技术基本原理
• 1.2.2 物理气相沉积技术的主要方法
• 1.2.3 物理气相沉积技术的技术特点
• 1.3 溅射现象和机理
• 1.3.1 溅射现象
• 1.3.2 溅射原理及特点
• 1.3.3 溅射技术的发展
• 1.4 磁控溅射离子镀
• 1.4.1 磁控溅射基本原理
• 1.4.2 磁控溅射离子镀基本原理
• 1.4.3 磁控溅射离子镀的轰击效应
• 1.5 影响镀层微结构的因素及其研究进展
• 1.6 课题的研究目的、意义及内容
• 1.6.1 课题目的和意义
• 1.6.2 研究内容
• 1.6.3 技术路线
• 2 实验设备和方法
• 2.1 实验材料及其预处理
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 材料预处理
• 2.2 镀膜设备
• 2.3 磁控管不同磁场组态的设计及其量化表征
• 2.3.1 磁控管不同磁场组态的设计
• 2.3.2 磁控管不同磁场组态的量化表征
• 2.4 镀层的制备
• 2.4.1 镀层制备中衬底的放置
• 2.4.2 镀层制备的总工艺
• 2.4.3 不同沉积时间镀层的制备工艺
• 2.5 镀层的检测
• 2.5.1 镀层性能检测
• 2.5.2 镀层微观结构检测
• 3 磁控管非平衡度对Cr镀层晶体生长过程的影响及机理分析
• 3.1 不同磁控管非平衡度对Cr镀层表面形貌演化过程的影响
• 3.2 不同磁控管非平衡度对Cr镀层表面粗糙度演化过程的影响
• 3.3 不同沉积时间下,Cr镀层的晶体结构演化过程分析
• 3.4 本章小结
• 4 磁控管非平衡度和偏压对Cr镀层性能的影响及机理分析
• 4.1 磁控管非平衡度和偏压对镀层导电率的影响
• 4.1.1 金属薄膜电阻率的电子运输理论
• 4.1.2 磁控管非平衡度对镀层导电率的影响
• 4.1.3 偏压对镀层导电率的影响
• 4.2 磁控管非平衡度对镀层力学性能的影响
• 4.2.1 磁控管非平衡度对镀层硬度的影响
• 4.2.2 磁控管非平衡度对镀层杨氏模量的影响
• 4.3 磁控管非平衡度和偏压对镀层粗糙度的影响
• 4.3.1 磁控管非平衡度对镀层粗糙度的影响
• 4.3.2 偏压对镀层粗糙度的影响
• 4.4 本章小结
• 5 磁控管非平衡度和偏压对Cr镀层组织结构的影响及机理分析
• 5.1 磁控管非平衡度和偏压对镀层微观组织形貌的影响
• 5.1.1 磁控管非平衡度对镀层表面SEM微观形貌的影响
• 5.1.2 磁控管非平衡度对镀层表面AFM微观形貌的影响
• 5.1.3 偏压对镀层微观形貌的影响
• 5.2 磁控管非平衡度和偏压对镀层晶体结构的影响
• 5.2.1 磁控管非平衡度和偏压对镀层晶体结构的影响
• 5.2.2 磁控管非平衡度和偏压对镀层晶粒度的影响
• 5.2.3 磁控管非平衡度和偏压对镀层内应力的影响
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文