论文摘要
本文的研究内容分为两大部分:第一部分研究了一种新型的薄膜制备技术,即会切场约束ICP（Inductively Coupled Plasma）增强非平衡磁控溅射沉积薄膜技术,并应用该技术在合适的参数条件下沉积了性能良好的铜膜;第二部分用发射光谱和Langmuir探针研究了该技术中等离子体参数随气压、射频功率、会切磁场及放电室中不同位置处的变化规律。ICP增强非平衡磁控溅射技术使用自制的非平衡磁控溅射装置,外加以射频线圈增强等离子体电离,并在基片台上加脉冲负偏压,来增加离子到达基片的速率。溅射靶位于真空室内上方,和真空室上壁之间采用绝缘的聚乙烯连接。放电室外共有两组永久磁铁:真空室外侧环绕真空室的三匝永久磁铁环和溅射靶上面的永久磁铁。两组磁铁产生的磁场在真空室中相互叠加,形成会切场磁场位形。此设备在实现射频放电及射频增强磁控溅射放电过程中,在会切场的约束下,放电室中间区域等离子体均匀。在调节气压、功率及考虑到离子流密度不致过大的情况下,选择了沉积铜膜的最佳沉积参数。我们在传统的磁控溅射沉积的基础上,由柱形真空室外增加的永久磁铁和靶上面的永久磁铁叠加形成会切磁场约束作用,增加了电子的自由程,提高了等离子体的电离率。真空室外还加了由柱状天线传输的射频功率,进一步激励等离子体,增强了等离子体的密度和电子温度。实验过程中,使用纯度为99.99%的高纯氩气,纯度为99.9%的铜作为溅射靶。用发射光谱法研究了射频放电氩等离子体随射频功率、气压和放电室中位置的变化规律,选用了两条特定氩的原子和离子谱线。射频放电中谱线强度表现出了模式跳变和回滞现象,即射频功率增加到400 W时,射频放电从E模式跳变到H模式,Ar原子谱线强度证明了增加的跳变,而Ar+谱线强度只是有小的变化,而从高功率降低时,到300W时射频放电从H模式跳变到E模式。还用发射光谱法研究了放电室在有无会切磁场及射频情况下,特定的氩和铜的原子和离子谱线的变化情况,从而定性的研究等离子体参数的变化。用Langmuir探针测量了放电室内等离子体参数。研究了射频放电时,等离子体参数如电子温度、电子密度和离子密度等在轴向和径向的分布及会切磁场会对等离子体参数的影响。证实了在有外约束磁场的情况下,ICP增强的非平衡磁控溅射等离子体参数都有明显的提高。用该实验设备在硅基片上沉积了铜膜。在如下三种条件下沉积了薄膜:有射频无会切磁场、无射频有会切磁场和有射频有会切磁场。膜的表面形貌和织构通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）测得。用电子能谱（ES）对薄膜的成分进行了分析。膜的表面特性由原子力显微镜（AFM）和来自原子力显微镜数据的粗糙度来表征。电阻率通过四探针法测量。通过比较最后的实验结果,表明射频和会切磁场的加入明显改善了放电室中等离子体参数如电子温度、电子密度及离子密度等。因此,在有射频和会切磁场时,膜的表面光滑致密,晶粒尺度在几百纳米,粗糙度也不大,电阻率最小。原因可能是射频放电和会切磁场增强等离子体密度,高密度的等离子体在相同的脉冲偏压下能更好的改善了离子轰击效应。离子轰击可以明显地影响着沉积Cu膜的表面生长和性能。通过实验,可以找到沉积性能好的Cu膜的最佳实验参数,并希望这一工艺能应用在集成电路中。