磁控溅射等离子体靶粒子输运过程研究

论文摘要

磁控溅射是一个涉及粒子的碰撞、分解、激发、喇离及其在电磁场中非线性输运等的复杂过程,通过建立前驱物粒子光谱和薄膜成分之间的定量关系,把薄膜的生长过程与粒子的输运过程相联系,不仅可以动态控制变组分多层薄膜的生长,同时也可通过沉积参数的改变实现对靶材料本身组分不均匀性的实时调整。本文采用Langmuir双探针法和发射光谱法对磁控溅射制备一元（Cu）和二元（Ti3Al）薄膜的过程中的等离子体进行诊断,建立了前驱物粒子光谱和薄膜成分之间的定量关系。其主要结果包括：（1）采用Langmuir双探钳法对磁控溅射制备铜薄膜过程中的等离子体探测结果表明,此系统电子温度范围为2-5 eV,在一定的射频功率下,电子温度随气压的增大呈指数衰减的趋势变化；在一定的反应气压下,电子温度和电子密度随射频功率的增大均呈线性增加的趋势。（2）利用光发射谱的方法对单质铜薄膜生长诊断结果表明,在一定的射频功率下,基态铜原子密度随气压的增大先增大后减小；电子激发温度随气压的增大而减小。在一定的溅射气压下,基态铜原子密度、电子激发温度、均随功率的增大而增大。并对其结果进行了解释。根据结果推断在目前实验条件下高功率比较有利,且气压为5 Pa左右为制备高度择优取向（111）Cu薄膜的最佳气压。由实验证实,在功率为50 W,气压为5 Pa时确为获得高度择优取向（111）铜薄膜的最佳条件。（3）通过发射光谱技术对射频磁控溅射法制备Ti3Al薄膜过程中产生的辉光等离子体的监控结果表明,在一定的射频功率下,随着气压的增大,Al原子的密度减小,而Ti原子的密度增大,并且Ti原子与Al原子密度的比值也是增大的；在一定的溅射气压下,随着功率的增大,Al原子密度随功率的增大而基本呈线性减小,而Ti原子密度随功率的增大而增大,Ti原子与Al原子密度的比值随功率的增大而增大；电子激发温度,随气压的增大而减小,随功率的增大而增大。并得到绪论在3 Pa、56 W左右为Ti3Al薄膜组分。（4）在3 Pa,60 W左右气压功率条件下,随着基片温度的增大,Ti原子密度减小,而A1原子密度增大,Ti原子与Al原子密度的比值随基片温度的增大先增大后减小；在气压、功率一定的条件下,基片温度（60℃-800℃）对电子激发温度影响很小。并根据样品测试结果得出结论：在富钛的条件下,能够生长晶态Ti3Al薄膜,并且推断在3 Pa、56 W条件下,基片温度为610℃可能生长出更加高度择优取向的晶态Ti3Al薄膜。（5）采用发射光谱法对磁控溅射制备Ti3Al薄膜的等离子体光谱的空间分辨结果表明,Ti和Al原子谱线的强度随着距靶距离的增大而减小,并且由谱线强度的最大值Im和输运因子Tp的结果表明,适当提高功率可以同时使Im和Tp提高,从而提高沉积速率,由于Tp曲线上在60 W左右有一个极值点,所以功率的最佳条件为60W左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 等离子体的基本特征
• 1.2 等离子体分类
• 1.3 等离子体诊断方法概述
• 1.3.1 静电探针法
• 1.3.2 发射光谱法
• 1.4 本文研究内容和目标
• 第2章 实验装置与方法
• 2.1 实验装置简介
• 2.1.1 等离子体产生系统
• 2.1.2 光谱采集系统
• 2.2 实验过程简述
• 2.3 实验原理
• 2.3.1 探针原理
• 2.3.2 辐射态的粒子数布居和他们的辐射强度
• 2.3.3 基态原子密度的计算
• 2.3.4 电子激发温度计算
• 2.4 实验参数附表
• 第3章 单质铜薄膜生长过程诊断
• 3.1 探针诊断结果与讨论
• 3.1.1 反应气压对电子温度等参量的影响
• 3.1.2 射频功率对电子温度等参数的影响
• 3.2 光谱诊断结果与讨论
• 3.2.1 溅射气压和射频功率对发射谱线强度的影响
• 3.2.2 基态铜原子密度的计算
• +/Cu的讨论'>3.2.3 对Cu⁺/Cu的讨论
• 3.2.4 电子激发温度的计算
• 3.3 小结
• 3Al薄膜过程中的辉光等离子体诊断'>第4章 磁控溅射Ti₃Al薄膜过程中的辉光等离子体诊断
• 4.1 气压和功率等放电宏观参数对光谱强度的影响
• 4.1.1 气压对光谱强度的影响
• 4.1.2 功率对光谱强度的影响
• 4.2 基态原子密度的测量
• 4.2.1 Al和Ti发射光谱强度的比率的计算
• 4.2.2 溅射气压对基态原子密度的影响
• 4.2.3 射频功率对基态原子密度的影响
• 4.3 功率和气压宏观放电参数对电子激发温度的影响
• 4.4 空间分辨光谱诊断
• 4.4.1 放电空间的分区
• 4.4.2 功率的影响
• 4.4.3 压强的影响
• 4.5 基片温度的影响
• 4.5.1 基片温度对辐射谱线强度的影响
• 4.5.2 基片温度对靶粒子基态原子密度的影响
• 4.5.3 基片温度对电子激发温度的影响
• 4.6 小结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢