直流、射频磁控溅射制备Al2O3薄膜工艺探索及其性能的研究

摘要

精密加工与制造技术的不断发展，要求薄膜传感器具有微小化、高灵敏度、高分辨率、耐高温等能在恶劣环境下正常工作的特性。而制备表面质量高、绝缘性好、抗损伤性强的传感器基底绝缘膜又是获得薄膜传感器优良性能的关键技术之一，本文利用直流磁控溅射和射频磁控溅射技术，进行某传感器基底Al2O3薄膜绝缘层的制备工艺及性能研究，对于指导薄膜传感器工艺设计及应用的快速发展，具有十分重要的理论意义及较好的工程应用价值。
　　文中在对薄膜传感器绝缘膜的性能要求、磁控溅射镀膜原理研究分析的基础上，首先以载玻片和硅片为基底，分别对直流和射频条件下在基底上沉积Al2O3薄膜开展研究，通过单因素试验，研究直流和射频下溅射靶功率、O2流量、工作气压、负偏压、本底真空等工艺参数的变化对沉积速率、表面粗糙度、表面形貌和物相结构等的影响规律情况。
　　研究结果表明:在一定工艺参数范围内，直流沉积薄膜时，Al2O3薄膜的沉积速率和薄膜表面粗糙度随着溅射靶功率的增加不断增大;Al2O3薄膜的沉积速率随着O2流量增加不断下降，薄膜表面粗糙度先降低后保持不变;随着反应腔工作气压的增大，Al2O3薄膜的沉积速率先增大后减小，在1.0Pa时达到最大速率，薄膜表面粗糙度先减小后保持不变;Al2O3薄膜的沉积速率随着加载的负偏压增加不断降低;随着本底真空度的提高，Al2O3薄膜的沉积速率不断增大。采用射频方法时，Al2O3薄膜的沉积速率和薄膜表面粗糙度随着溅射靶功率的增加不断增大;O2流量增加时Al2O3薄膜的沉积速率不断下降，薄膜表面粗糙度先降低后保持不变;随着反应腔工作气压的增大，Al2O3薄膜的沉积速率先保持不变后不断减小，Al2O3薄膜表面粗糙度先增大后保持不变;Al2O3薄膜的沉积速率随着本底真空度提高不断增大。O2流量为0.8sccm、1.0sccm、1.2sccm时直流和射频制备的薄膜均呈透明状且表面均匀致密，常温下不同O2流量制备的Al2O3薄膜均为非晶态。
　　在单因素试验研究的基础上设计正交试验，继续深入研究直流、射频方法下，溅射靶功率、O2流量、工作气压的综合变化对Al2O3薄膜溅射沉积速率的影响，并对正交试验结果进行极差与方差分析。获取了较优的直流、射频薄膜制备工艺参数并进行薄膜的制备，对制备薄膜的沉积时间、薄膜表面粗糙度、薄膜的复合硬度进行检测并对比分析，选定了优化后的直流溅射工艺参数并实施Al2O3薄膜的制备。通过对制备的薄膜进行扫描电镜观测和能谱检测，验证了所选工艺参数的合理性。对常温下不锈钢基底上制备的Al2O3薄膜进行退火处理，测试分析退火温度对薄膜晶体结构影响，结果表明:与常温制备薄膜相比，退火温度800℃时出现γ-Al2O3晶体结构，奥氏体相消失，退火温度1000℃时出现α-Al2O3晶体结构和金属间化合物AlFe。
　　利用薄膜传感器的结构要求与传感器薄膜的性能要求探索了制备Al2O3绝缘膜的工艺方法，得出了溅射靶功率、O2流量、工作气压、负偏压和本底真空度等因素对直流和射频溅射沉积薄膜性能等的影响规律，改进并优化了Al2O3薄膜制备工艺，结合退火工艺得出了退火温度对Al2O3薄膜晶体结构的影响规律。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景目的及意义

1．1．1 课题研究的背景及意义

1．1．2 课题研究的目的及意义

1．2 薄膜压力传感器的研究现状

1．3 Al2O3薄膜的国内外研究现状与发展

1．3．2 Al2O3薄膜的国内研究现状

1．4 Al2O3薄膜性能及其应用

1．5 论文的研究内容

1．5．1 主要关键问题

1．5．2 主要工作

1．5．3 技术路线

第二章 磁控溅射镀膜原理及Al2O3薄膜制备表征方法

2．2 直流、射频溅射原理及Al2O3薄膜的镀膜机理

2．2．2 射频磁控溅射薄膜及Al2O3薄膜的镀膜机理

2．3 磁控溅射镀膜系统

2．4 Al2O3薄膜性能要求与试验制备

2．4．2 Al2O3薄膜试验制备

2．5 本文涉及的几种薄膜性能表征方法

2．5．1 薄膜的沉积速率与厚度的测量

2．5．2 薄膜表面粗糙度的测量

2．5．3 薄膜复合硬度的测量

2．5．4 薄膜物相结构的XRD表征

2．5．5 薄膜表面形貌及成分的表征

2．6 本章小结

第三章 工艺参数对直流、射频沉积Al2O3薄膜性能影响分析

3．1．2 Al2O3薄膜沉积速率、表面粗糙度、表面形貌与O2流量的关系分析

3．1．3 Al2O3薄膜沉积速率、表面粗糙度与工作气压的关系分析

3．1．4 Al2O3薄膜沉积速率与负偏压的关系分析

3．1．5 Al2O3薄膜沉积速率与本底真空的关系分析

3．2 射频工艺参数对沉积Al2O3薄膜性能的影响分析

3．2．1 Al2O3薄膜沉积速率、表面粗糙度与溅射靶功率的关系分析

3．2．2 Al2O3薄膜沉积速率、表面粗糙度、表面形貌与O2流量的关系分析

3．2．3 Al2O3薄膜沉积速率、表面粗糙度与工作气压的关系分析

3．2．4 Al2O3薄膜沉积速率与本底真空的关系分析

3．3 Al2O3薄膜的XRD物相检测

3．4 本章小结

第四章 直流溅射法与射频溅射法制备薄膜Al2O3及结果分析

4．1．1 制备方案的正交试验及结果表征

4．1．2 正交试验结果的极差分析与方差分析

4．1．3 目标工艺参数选择与薄膜制备

4．2 Al2O3薄膜射频溅射的正交试验设计与分析

4．2．1 制备方案的正交试验及结果表征

4．2．2 正交试验结果的极差分析与方差分析

4．2．3 目标工艺参数选择与薄膜制备

4．3 工艺参数对比及Al2O3薄膜能谱分析

4．3．1 直流、射频沉积薄膜对比与分析

4．3．2 对样品A的SEM观测与能谱分析

4．3．3 对样品B的SEM观测与能谱分析

4．4 退火工艺对Al2O3薄膜晶体结构影响

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文的主要工作

5．2 主要创新点

5．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢