直流磁控溅射工艺及Zr-Ni、Zr-Cu非晶合金溅射膜结构的研究

摘要

磁控溅射技术作为一种高速、低温溅射镀膜方法，目前已经在镀膜领域占有举足轻重的地位。非晶合金溅射薄膜凭借其诸多优良性能，在作为功能材料方面具有广阔的应用前景。本文以Zr、Cu、Ni及它们问的合金为主要研究对象，具体研究了直流磁控溅射镀膜工艺中工作气体压强、溅射功率、溅射方式与膜层沉积量之间的关系以及反溅射和负偏压对膜基间结合力、膜层生长方式的影响；利用磁控溅射工艺制备了一系列Zr基非晶合金薄膜，对其成分、结构、热稳定性等进行了研究，并与液淬非晶进行了初步对比；另外，还进行了多层溅射膜间的固态非晶化反应(SSAR)来制备非晶合金层的初步探索。
　　 使用称重法对一系列单元(Ni、Cu)和二元(Zr-Ni、Zr-Cu)合金薄膜的沉积量进行测量记录，分析了溅射膜沉积量随工作气体压强、溅射功率的变化规律。结果表明，由于工作气体压强对电子与气体分子以及对靶材原子与气体分子碰撞几率的影响，使得膜层的沉积量不是随着工作气体压强的升高单纯地呈下降趋势，而是有一最佳压强范围；随着溅射功率的增大，膜层沉积量增加；在溅射功率相等的条件下，由于辉光放电电场叠加增大了工作气体的离化率，共溅膜比分层溅射膜的沉积量大得多。
　　 采用胶粘带拉剥法测试了膜基间的结合力，使用SEM观察了Cu膜的组织和Al/Cu的界面形貌，发现镀Cu前对Al箔进行反溅射和溅射沉积过程中对工件施加负偏压都可有效地提高膜基间的结合力，且施加较高负偏压比镀前反溅射对膜层质量影响更大。分析认为，镀Cu前反溅射，可有效地去除Al箔表面的氧化膜，使Al箔表面得到净化，磁控溅射沉积过程中对工件施加较高负偏压将产生辉光放电，使工艺转化成溅射离子镀，在Cu膜与Al箔基体之间形成明显的“伪扩散层”，从而获得与基体结合良好、晶粒细小、致密的镀层。
　　 采用两靶共溅镀膜工艺，制备了不同成分的Zr-Ni合金溅射膜，利用EDS和XRD对其进行了成分和结构分析，结果显示，在较宽的成分范围内，制备的合金溅射膜均为非晶态，且随着成分的变化，非晶漫射峰的数量、强度和位置逐渐发生变化，表现出与液淬非晶合金的不同。分析认为，X射线衍射图上不同的非晶漫射峰，分别富集着Zr原子和Ni原子，这极有可能与两种溅射原子在飞行后期和到达基底表面初期趋向当时温度下的平衡相有关，同时在气相直接凝聚成固相的剧冷条件下，两种溅射原子没有充分的时间进行长程扩散，会分别呈团簇状沉积在基体上，且相互嵌入抑制扩散和重排，造成了微观尺度上的偏聚；漫射峰中心位置的偏移和峰强度的改变与非晶膜此时形成的结构有关。
　　 采用三靶共溅镀膜工艺，制备了Zr-Ni-Cu合金溅射膜。用Ni元素部分取代Cu元素，使得X射线衍射图中漫射峰更加弥散，而用Cu元素部分取代Ni元素，与原来的Zr-Ni二元非晶膜相比，发现其X射线衍射图中漫射峰的强度增大。分析认为，尽管Cu和Ni在尺寸上相近，但由于Cu原子和Zr原子之间、Ni原子和Zr原子之间形成非晶合金的能力不同，Cu和Ni因此不能互相等同取代，同时Cu和Ni相互部分取代后，合金系的成分也会随之改变，这些都会导致溅射合金膜漫射峰的变化。
　　 使用差示扫描量热仪对不同基底温度溅射沉积而成的Zr-Cu非晶合金膜进行热分析，发现基底水冷的非晶合金膜DSC曲线上除高温处有一个晶化放热峰外，在低温处还有一个放热峰，通过XRD分析后仍不能判定其起因。采用以上同样的实验方法，用典型的Fe基非晶合金(Fe78Si13B9)溅射膜对比分析确定Zr-Cu非晶合金膜DSC曲线上低温处放热峰的成因。结果显示，Fe78Si13B9非晶合金溅射膜同样在其DSC曲线上呈现出低温处放热峰。分析认为，两非晶合金薄膜DSC曲线上低温处放热峰是合金原子间非晶化反应的结果。通过Kissinger方程计算合金膜的晶化激活能，得出非水冷基底非晶合金膜比水冷基底非晶合金膜的晶化激活能稍高，但它们均比液淬非晶合金的稳定性低。
　　 磁控溅射制备了Zr/Ni/Zr/Ni和Zr/Cu/Zr/Cu多层膜，利用固态非晶化反应(SSAR)原理制备非晶合金层。SEM观察发现，在Zr/Cu/Zr/Cu多层膜中得到了非晶合金层，对应其扩散退火参数为260℃、8h，并通过固态非晶化反应实验对非晶合金的连接进行了探索。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1溅射镀膜技术的发展

1.2溅射镀膜技术的基本原理

1.3溅射镀膜的基本类型

1.4溅射膜的沉积过程

1.5磁控溅射镀膜工艺的研究状况

1.6非晶合金的研究及发展

1.7非晶形成机制

1.8非晶合金薄膜的制备

1.9本文的选题意义及研究的主要内容

第2章实验方法

2.1实验方法及技术路线

2.2主要实验设备

2.3主要测试分析仪器及方法

2.4样品的制备

第3章直流磁控溅射沉积工艺的研究

3.1直流磁控溅射工艺基本步骤及参数

3.2工作气体压强对膜层沉积量的影响

3.3溅射功率对膜层沉积量的影响

3.4溅射方式(共溅、分层溅射)对膜层沉积量的影响

3.5反溅射和负偏压对膜基结合力的影响

3.6负偏压对膜层生长方式的影响

3.7本章小结

第4章Zr-Ni、Zr-Cu非晶合金膜的制备及结构研究

4.1 Zr-Ni、Zr-Cu二元共溅合金膜的制备

4.2薄膜成分的测定

4.3 Zr-Ni、Zr-Cu二元共溅合金膜的结构研究

4.4 Zr-Ni二元共溅非晶合金膜的成分范围

4.5 Cu(Ni)的添加或取代对共溅非晶合金膜形成能力的影响

4.6 Zr-Cu二元共溅非晶合金膜的热稳定性研究

4.7本章小结

第5章多层金属溅射膜的固态非晶化反应

5.1固态非晶化反应试样的制备、退火温度及浸蚀剂的选择

5.2 Zr／Ni／Zr／Ni多层膜的扩散退火

5.3 Zr／Cu／Zr／Cu多层膜的扩散退火

5.4固态非晶化连接试验探索

5.5本章小结

第6章结论

6.1主要结论

6.2有待进一步解决的问题

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况