磁控溅射多元层状结构的形成条件及计算机模拟

摘要

多层膜材料是近年来发展起来的一种在力学、磁学、光学、电学等方面均表现出诸多特殊物理现象和优异性能的新型材料，而多层膜的这些不同于一般材料的特殊性能都与调制周期调(∧)和调制比(R)密切相关。研究显示，靶材间的组合选择及组元间的扩散化合等因素强烈影响着多层结构的形成过程。所以在利用磁控溅射技术制备多层膜时有必要澄清多层膜的形成条件以及基片运动模式、参数及各组元靶电流与多层膜调制尺度之间的关系，进而实现对各种多层膜调制尺度的控制以及设备的优化设计。
　　 本文通过对Al、Cu、Cr三种典型的不同熔点材料在不同靶电流下的空间沉积速率、基片的运动形式和靶基相对夹角进行量化分析，再根据SZM模型，判断单靶沉积试验中薄膜的生长方式，进而推断形成多层结构的条件。在上述基础上，基于各靶溅射互不影响、组元间无扩散化合的假设，建立多靶磁控溅射形成多层结构的堆叠沉积模型，并根据所建立的模型编写用于模拟溅射沉积形成多层结构过程的计算机程序。综合单靶溅射沉积试验的分析结果和多层结构沉积堆叠模型，提出了小电流、短时间以合适的转速来制备多层膜的原则，分别模拟计算了不同工艺参数下溅射形成Cu/Cr系列复合膜和Al/Cu系列复合膜的沉积过程和特征参数，通过试验制备上述复合膜，来验证模拟计算的可靠性。
　　 研究结果表明：基片在不同工件架上的运动模式和基片在运动过程中靶-基夹角的变化致使有效沉积时段内沉积速率发生变化，即有效沉积时段内的组元材料在基片上的沉积量发生变化，从而改变了多元复合膜的沉积过程和结构。通过对单靶沉积试验结果分析可知，当基片偏压为-65V时，在试验范围内，随着靶电流的增大，Al靶(0.5A～2A)沉积速率变化范围由3nm/min～20nm/min增大到10nm/min～120nm/min，Cu靶(0.5A～3.5A)沉积速率变化范围由5nm/min～37nm/min增大到80nm/min～420nm/min，Cr靶(0.5A々1.5A)沉积速率变化范围由5nm/min～25nm/min增大到20nm/min～120nm/min；可以看出同种组元靶电流越大沉积速率越大；溅射形成多元层状结构的安全靶电流随组元材料熔点的升高而增大，若各组元以低温抑制型方式沉积生长，则相对应的安全靶电流分别为：IAl≤0.5A，Icu≤2A，ICr≤3A。试验分别制备了调制周期为38.1nm、50.7nm的不互溶型Cu/Cr系列纳米多层膜和调制周期为32nm、37.9nm互溶型Al/Cu系列纳米多层膜。相同工艺参数下的模拟计算值分别为：37.8nm、52.5nm、32.3nm、41.8nm，经对比发现两者符合的较好，误差约为5％左右。
　　 以上结果表明：文中所建立的模型、编写的程序和提出的制备多层膜的原则正确可靠、可广泛应用于工程实践中。