磁场闭合状态对磁控溅射沉积纯Cr镀层生长程的影响研究

摘要

本论文通过调整置多个磁控管极性于真空腔体周边均布条件下磁控管集合体所体现的磁场闭合状态，在不同沉积阶段于单晶硅基体上制备了纯金属Cr镀层。通过对不同沉积阶段镀层组织结构和性能的检测分析，研究不同磁场闭合状态对纯Cr镀层生长过程(形梭、晶粒合并、连续膜生成和厚膜生长)的影响及机理。本次研究为磁场闭合状态对镀层生长和磁控溅射机理影响的深入研究有重要的意义，并且对选择合透的磁场闭合状态优化镀层结构和磁控溅射设备改进起到一定的指导作用。
　　研究结果表明：随着磁场闭合程度的增加，镀层沉积速率减小，基体偏流增大，离子轰击对基体表面及镀层结构的轰击效应和改善作用增强，致使纯Cr镀层形核速率减小，镀层晶粒尺寸增大，镀层组织结构和择优生长趋势发生明显变化。
　　在三种磁场闭合状态下，镀层生长均经历表面粗化和晶粒长大的过程，但随着磁场闭合程度的增加，沉积纯Cr镀层由稀疏粗大的柱状晶组织转变为较致密的柱状晶组织，进丽转化为致密的无明显柱状晶体组织，镀层中空隙和缺陷减少，表面粗糙度减小，方块电阻减小，致密度升高。在[100]晶向单晶硅抛光片上，磁场不闭合状态各个沉积阶段，镀层沿Cr(110)面择优生长趋势明显；磁场半闭合状态各个沉积阶段，镀层沿Cr(11O)面或Cr(200)面择优生长趋势明显；磁场完全闭合状态各个沉积阶段，镀层沿Cr(200)面择优生长趋势明显，即随着磁场闭合程度的增加，镀层择优生长趋势由低晶面能(110)品面生长向高晶面能()200)晶面生长转化。

目录

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1 绪论

1.1 概述

1.2 溅射技术与等离子体

1.2.1 溅射技术理论基础

1.2.2 气体放电

1.2.3 等离子体

1.3 非平衡闭合场磁控溅射离子镀

1.3.1 磁控溅射离子镀

1.3.2 非平衡磁控溅射离子镀

1.3.3 非平衡闭合场磁控溅射离子镀

1.4 薄膜生长和薄膜结构

1.4.1 薄膜生长

1.4.2 薄膜结构

1.5 带电粒子在电磁场中的运动方式

1.6 课题研究

1.6.1 课题目的及意义

1.6.2 课题研究内容

1.6.3 技术路线

2 实验方案

2.1 实验基体材料及其预处理

2.1.1 实验基体材料

2.1.2 基体预处理

2.2 实验参数设计

2.2.1 不同磁场闭合状态选择

2.2.2 实验主要工艺参数设计

2.3 制备镀层

2.3.1 实验设备

2.3.2 实验中基体放置位置

2.3.3 镀膜过程

2.4 镀层检测

2.4.1 镀层性能检测

2.4.2 镀层组织结构检测

3 不同磁场闭合状态磁场分布模拟和电参数分析

3.1 单个磁控管靶表面磁场分布测量与模拟

3.2 不同磁场闭合状态磁场分布模拟

3.3 不同磁场闭合状态靶材电压、溅射功率和基体偏流分析

3.4 不同磁场闭合状态镀层沉积速率分析

3.5 本章小结

4 磁场闭合状态对磁控溅射沉积纯Cr镀层生长过程的影响

4.1 不同磁场闭合状态沉积纯Cr镀层生长过程SEM分析

4.1.1 单晶硅基体表面形貌

4.1.2 离子清洗20min纯Cr镀层表面形貌

4.1.3 沉积过镀层4min纯Cr镀层表面形貌和截面组织

4.1.4 沉积镀层15min纯Cr镀层表面形貌和截面组织

4.1.5 沉积镀层60min纯Cr镀层表面形貌和截面组织

4.1.6 沉积镀层180min纯Cr镀层表面形貌和截面组织

4.2 不同磁场闭合状态沉积纯Cr镀层生长过程XRD分析

4.2.1 不同磁场闭合状态沉积纯Cr镀层生长过程中晶体类型和应力分析

4.2.2 不同磁场闭合状态沉积纯Cr镀层生长过程中晶体择优生长趋势分析

4.3 不同磁场闭合状态沉积纯Cr镀层生长过程中表面粗糙度分析

4.4 不同磁场闭合状态沉积纯Cr镀层生长过程中方块电阻分析

4.5 本章小结

5 磁场闭合状态对磁控溅射沉积纯Cr镀层生长过程的影响机理

5.1 镀层生长过程描述

5.1.1 镀层形核理论及其影响因素

5.1.2 连续膜的形成和厚膜生长

5.2 金属Cr结晶学特征

5.3 磁场闭合状态对磁控溅射沉积纯Cr镀层生长过程的影响机理

5.3.1 磁场闭合状态对磁控溅射沉积纯Cr镀层形核过程的影响机理

5.3.2 磁场闭合状态对磁控溅射沉积纯Cr镀层晶粒长大模式的影响机理

5.3.3 磁场闭合状态对磁控溅射沉积纯Cr镀层三维生长模式的影响机理

5.3.4 磁场闭合状态对磁控溅射沉积纯Cr镀层择优生长趋势和组织的影响机理

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文