非平衡磁控溅射沉积系统放电特性和沉积TiN_x薄膜应用研究

论文摘要

非平衡磁控溅射沉积技术（Unbalanced Magnetron Sputtering,UMS）目前得到广泛关注,能够得到比较高的离子/原子到达比（Ion-to-atom Arrival Ratio,IAR）,在相对较低的基体温度下沉积结构致密薄膜,通过磁场状态优化沉积参数。结构-区域模型（Structure-Zone-Model,SZM）包含沉积过程的关键因素,为确定非平衡磁控溅射沉积技术放电参数和沉积参数之间的关系,仍然需要深入研究其放电、沉积机制,通过建立精确的理论模型控制放电和沉积过程,以满足日益发展的应用需求。 溅射靶的磁场分布是非平衡磁控溅射系统的关键因素。通过增强溅射靶外侧的磁极形成非平衡的磁场分布,能够约束等离子体,增强电离;磁场梯度带来的磁镜效应增强电荷引出,系统的性能得到提高。本文使用的圆形平面磁控溅射靶内部磁极具有一定的非平衡度,构成永磁式非平衡磁控溅射靶（Permanent Magnet Unbalanced Magnetron Sputtering）;通过附加一个同轴线圈加强系统的非平衡特征,形成同轴磁场约束非平衡磁控溅射靶（Coaxial Solenoid confining Unbalanced Magnetron sputtering）。本文通过这样两种相互对比的系统来研究同轴磁场变化对放电特性和沉积特性的影响。 采用Langmuir探针、发射探针、平面电极和发射光谱等方法研究了沉积区域的等离子体参数和同轴磁场（Coaixial Solenoid）对这些参数的影响规律。在同轴磁场作用下,其沉积区域电子温度、等离子体密度和离子饱和电流密度得到显著提高,有利于提高薄膜质量;沉积速率随溅射功率先增加,继续提高溅射功率,则沉积速率降低;由于电子受到磁场约束,沉积区域的等离子体电位降低;同轴磁场提高了系统的放电效率和低气压沉积过程的稳定性。采用圆形平面电极在轴向不同位置研究饱和离子电流（Saturation Ion Current）与同轴线圈电流、放电电流密度、空间位置之间的关系。实验结果表明同轴磁场显著影响收集电流密度通量,增强同轴磁场使饱和离子通量在距阴极200mm以上的位置达到9.5mA/cm2,达到饱和值后保持稳定,不再受磁场和放电电流影响。 在系统的实验研究基础上,理论研究了同轴磁场对圆形平面磁控溅射系统放电特性和离子束流影响。根据蔡尔德定律研究了同轴磁场对于非平衡磁控溅射沉积系统伏安特性影响的基本规律。根据沉积过程中离子的分布特点,采用磁流体理论方法,建立反映

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 注释说明清单
• 1 绪论
• 1.1 磁控溅射沉积技术（MS）发展简介
• 1.2 磁控溅射（MS）基础理论和研究方法
• 1.2.1 带电粒子和磁场作用
• 1.2.2 MS的原理
• 1.2.3 MS研究方法
• 1.2.4 MS放电特性和物理过程
• 1.3 非平衡磁控溅射沉积技术（UMS）应用
• 1.3.1 UMS系统结构特点
• 1.3.2 UMS系统应用研究
• 1.4 磁控溅射沉积纳米复合薄膜研究
• 1.4.1 沉积参数对薄膜表面动力学影响
• x薄膜结构、性能影响'>1.4.2 沉积参数对TiN_x薄膜结构、性能影响
• 1.4.3 纳米复合薄膜结构、成分和性能的调制
• 1.4.4 结构-区域模型（SZM）
• 1.5 本文研究目标和研究思路
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究内容
• 2 非平衡磁溅射沉积装置和实验方法
• 2.1 非平衡磁控溅射沉积装置
• 2.1.1 实验装置介绍
• 2.1.2 薄膜沉积和性能检测方法
• 2.2 放电参数研究方法和原理
• 2.2.1 朗谬尔探针原理
• 2.2.2 平面离子收集电极
• 2.2.3 发射光谱的诊断方法
• 2.2.4 发射探针诊断原理
• 2.3 本章小结
• 3 等离子体参数诊断结果分析
• 3.1 UMS系统磁场分布和作用
• 3.2 沉积参数诊断
• 3.2.1 UMS沉积速率和离子电流密度
• 3.2.2 沉积区域等离子体参数诊断
• 3.2.3 发射探针测量空间电位
• 3.2.4 沉积区域粒子相对丰度
• 3.3 系统伏安特性
• 3.4 本章小结
• x薄膜参数模型和应用'>4 永磁式非平衡磁控溅射沉积TiN_x薄膜参数模型和应用
• 4.1 实验装置
• 4.2 参数模型
• 4.2.1 理论分析
• 4.2.2 磁场影响
• 4.2.3 伏安特性
• 4.2.4 轴向离子束流
• 4.3 模型的拟合计算
• 4.4 TiN-x薄膜性能、结构表征
• 4.4.1 显微硬度和摩擦系数表征
• 4.4.2 X射线分析薄膜结构
• 4.4.3 原子力显微分析表面形貌
• 4.5 沉积参数对薄膜影响分析
• 4.6 本章小结
• 5 同轴磁场约束非平衡磁控溅射沉积系统放电特性
• 5.1 实验装置
• 5.2 磁场分布拟合
• 5.3 同轴线圈对系统放电特性影响
• 5.3.1 同轴磁场对启辉电压影响
• 5.3.2 同轴磁场对伏安特性影响分析
• 5.3.3 离子束流模型
• 5.4 结果与分析
• 5.4.1 伏安特性
• 5.4.2 离子电流密度
• 5.5 本章小结
• x薄膜研究'>6 同轴磁场约束非平衡磁控溅射沉积TiN_x薄膜研究
• 6.1 实验过程
• 6.2 实验结果
• 6.2.1 显微硬度和摩擦系数
• 6.2.2 显微结构分析
• 6.2.3 表面形貌分析
• 6.3 讨论
• 6.3.1 基体偏压影响薄膜性能的机理
• 6.3.2 基体温度影响机理
• 2／Ar）的影响机理'>6.3.3 溅射功率和f（N₂／Ar）的影响机理
• 6.3.4 离子轰击效应作用分析
• 6.4 离子／原子到达比对薄膜特性影响
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书