Al2O3薄膜孪生靶高功率脉冲磁控溅射制备技术研究

摘要

氧化铝是一种机械性能优良的材料，在薄膜领域具有广泛应用。本研究通过孪生靶高功率脉冲磁控溅射技术（TWIN-MAG HPPMS）沉积制备了氧化铝薄膜，利用SEM、XRD等分析手段对薄膜的微观形貌及晶体结构进行了分析；使用划痕仪以及纳米压痕仪等测试手段对薄膜的力学性能进行了测试。另一方面，本文使用质谱仪对不同工艺参数下孪生靶高功率脉冲磁控溅射技术的放电特性进行研究，并进一步对孪生靶高功率脉冲磁控溅射的等离子体进行诊断分析。
　　放电特性结果表明，随氧气流量增加，靶电流上升，当氧气流量增至12sccm时，靶电流出现少量下降；随工作电压及工作气压增大，靶电流呈现上升趋势，且工作电压增大可使靶电流出现明显上升；脉宽在小范围内对靶电流影响不大；脉冲频率增加靶电流无明显变化。
　　等离子体分析结果表明，随溅射功率增大，等离子体中铝离子含量显著增大，氩离子变化较小，氧离子呈现出先增大后减小的趋势；随氧气流量增加，等离子体中铝离子含量减少，氧离子及氩离子含量均呈现出先增大后减小的趋势；随着工作气压增大，等离子体中铝离子及氩离子含量减少，氧离子含量增加。
　　薄膜微观形貌及晶体结构分析表明，随氧气流量增加，薄膜沉积速率减小，表面大颗粒数量增多。向基体施加-50V偏压有利于薄膜沉积和表面致密化。在基片温度为550℃，偏压为-50V，氧气流量分别为8sccm及10sccm时薄膜中出现γ-Al2O3。
　　薄膜力学性能测试结果表明，基片温度在450℃及550℃时膜基结合力较差，薄膜呈现压缩剥落，基片温度在300℃及室温时膜基结合力提高，薄膜呈现屈曲剥落。随氧气流量提高，薄膜厚度减小，膜层缺陷增加，膜基结合力减小。随基片温度升高，膜层内应力提高，薄膜纳米硬度及弹性模量均有所提高。随氧气流量增加，薄膜在8sccm及10sccm时出现结晶相，纳米硬度及弹性模量显著提高，增至12sccm时，晶体结构转为无定形，薄膜厚度锐减，纳米硬度及弹性模量最小。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2氧化铝基本性质

1.3氧化铝薄膜制备方法

1.4 氧化铝薄膜磁控溅射研究现状

1.5 本文研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1试验材料

2.2试验设备

2.3 试验方法

2.4 分析测试方法

第3章 孪生Al靶高功率脉冲反应磁控溅射等离子体及放电特性分析

3.1孪生靶高功率脉冲磁控溅射技术

3.2 孪生靶高功率脉冲磁控溅射放电特性分析

3.3孪生靶高功率脉冲反应磁控溅射等离子体分析

3.4 本章小结

第4章 孪生靶高功率脉冲磁控溅射制备氧化铝薄膜工艺研究

4.1 孪生靶溅射沉积Al2O3薄膜工艺

4.2 表面形貌分析

4.3 沉积速率分析

4.4 晶体结构分析

4.5 本章小结

第5章 孪生靶高功率脉冲反应磁控溅射Al2O3薄膜性能研究

5.1 膜基结合力研究

5.2 纳米硬度研究

5.3 弹性模量研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢