磁场非平衡度对磁控溅射Cr镀层沉积过程的影响

论文摘要

本文通过改变矩形平面磁控管内心部磁铁的磁感应强度,得到了七组非平衡程度各不相同的磁场组态,并采用高斯仪测量了各组磁控管表面的磁感应强度值,充分了解了各组磁控管靶表面处磁场的分布状态。通过对磁控管的分析,定义了磁场非平衡度的概念,并根据测量结果计算了实验所用磁控管的磁场非平衡度值。实验中,在真空室内沿径向方向放置了多枚高速钢和单晶硅试片,使用不同非平衡度的磁控管在高速钢和单晶硅基体上制备了纯金属Cr镀层。采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、和X射线衍射仪(XRD)对镀层的微观组织进行了分析;采用球痕仪和扫描电子显微镜测量了镀层的厚度;采用维氏显微硬度仪测试了镀层的显微硬度:采用四点探针法测量镀层的电阻率。分析了磁场非平衡度对镀层性能和组织结构的影响,并探讨了磁场非平衡度影响镀层性能和组织机构的机理。研究结果表明:磁控溅射过程中,靶表面处形成跑道状的封闭磁场是进行溅射的前提条件,而靶表面的磁场分布不均匀,会导致镀层结构不稳定,镀层硬度减小。磁场非平衡度对镀层性能和组织结构有显著影响。随着磁场非平衡度的增大,镀层的厚度整体上呈上升趋势,沉积速率加快,镀层的晶粒度减小,并且有利于薄膜的连续生长。在保证靶表面磁场分布较均匀的情况下,镀层的硬度随着磁场非平衡度的降低而降低,镀层由晶态转变为非晶态。磁场非平衡度对镀层性能和组织结构影响的实质原因是磁控管的磁场非平衡度不同,其向外发散的磁通量不同,造成真空室内的等离子体分布状态发生变化,最终导致了真空室内沉积粒子流密度和对基体的轰击效应发生了变化。

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 物理气相沉积技术原理简介
• 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特点及应用
• 1.2.4 物理气相沉积技术的新进展
• 1.3 磁控溅射技术的发展和应用
• 1.3.1 溅射技术的发展
• 1.3.2 磁控溅射技术的基本原理
• 1.3.3 磁控溅射离子镀
• 1.3.4 非平衡磁控溅射离子镀
• 1.4 课题的研究目的、意义及内容
• 1.4.1 课题目的和意义
• 1.4.2 课题的研究内容
• 1.4.3 技术路线
• 2 实验设备和实验方法
• 2.1 实验材料及试样前处理
• 2.1.1 试样基材材料
• 2.1.2 试样前处理
• 2.2 镀膜设备
• 2.3 磁控管的磁场组态
• 2.4 镀膜过程
• 2.4.1 镀膜中基材试样的放置
• 2.4.2 镀膜工艺
• 2.5 靶表面磁场分布的检测
• 2.6 镀层性能和组织结构的检测
• 3 磁场非平衡度及其对镀层性能的影响
• 3.1 磁控溅射系统中的磁场非平衡度
• 3.2 磁场非平衡度对靶电压的影响
• 3.3 磁场非平衡度对镀层厚度的影响
• 3.3.1 第一次实验磁场非平衡度对镀层厚度的影响
• 3.3.2 第二次实验磁场非平衡度对镀层厚度的影响
• 3.3.3 磁场非平衡度对镀层厚度均匀性的影响
• 3.4 磁场非平衡度对镀层硬度的影响
• 3.5 磁场非平衡度对镀层电阻率的影响
• 3.6 本章小结
• 4 磁场非平衡度对镀层组织结构的影响
• 4.1 镀层的X射线衍射分析（XRD）
• 4.2 磁场非平衡度对镀层晶粒度的影响
• 4.3 磁场非平衡度对镀层表面形貌的影响
• 4.3.1 表面扫描电子显微镜分析（SEM）
• 4.3.2 原子力显微镜分析（AFM）
• 4.4 磁场非平衡度对镀层截面形貌的影响
• 4.5 本章小结
• 5 磁场非平衡度对磁控溅射沉积过程影响的机理分析
• 5.1 低温等离子体物理概述
• 5.2 磁控溅射系统中的气体放电
• 5.3 带电粒子在电磁场中的运动
• 5.4 实验中磁场非平衡度对镀层的影响机理
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文