基片运动对多靶磁控溅射镀层纳米多层结构形成的影响

摘要

为澄清多靶磁控溅射纳米多层膜时组元选择及基片运动特征对纳米多层结构的形成及调制周期的影响规律，本文利用几何分析获得了利用拨片式二轴回转样品架溅射沉积多元复合镀层时靶基相对运动规律的数学描述，通过炉内静态沉积试验与回归分析相结合的方法，得到了单靶溅射时Cr、Al、Cu等纯元素空间沉积率的定量描述。在此基础上，基于多靶互不影响及不同组元间互不扩散、化合的简单假设，建立起多靶溅射二元复合镀层时纳米调制结构形成的简单堆叠模型，通过与实测镀层纳米多层结构的调制周期进行比较验证，形成了对不同基片运动特征、组元选择及溅射参数组合下多靶溅射沉积纳米多层膜调制周期的预测模型。
　　结果表明：拨片式二轴样品架对样品的拨动作用延缓了基片通过各靶主沉积区域的速度，使基片在各靶主沉积区域内的有利沉积时间延长。由靶基翻转角度确定的单靶组元的有利沉积周期与主轴转速及拨轮齿数有关：提高主轴转速及增加拨轮齿数均可延长有利沉积周期，但这种作用在主轴转速高于5r/min及拨轮齿数大于9齿后趋缓。由空间沉积率回归分析结果可知：各种元素的单靶空间沉积率均随靶基中心距的增加而降低，但其降低程度以Cr靶最为显著、Al靶次之，Cu靶的降低程度较小。分别采用Cr-C、Cu-Al、Cr-Cu组合制各的二元复合镀层的成分及精细结构分析表明：Cr-C、Cr-Cu复合镀层出现明显纳米多层结构，各层由纯组元物质堆叠而成；而Cu．Al镀层则出现了均一A14Cu9化合物相的高温热激活型生长结构；样品架主轴转速可显著改变Cr-C、Cr-Cu镀层纳米多层结构的调制周期，当转速由2r/min提高到5r/min时，Cr-C镀层的调制周期由8nm降至5nm左右，而Cr-Cu镀层则从85nm降至36nm左右。利用建立的简单堆叠模型预测得到的Cu-Cr复合镀层的调制周期应由73.4nm降至30.4nm，表明该模型对Cr-Cu镀层调制周期的预测误差约为15％。
　　上述结果表明，多靶溅射多元复合镀层时，如能控制基片温升导致的组元扩散、化合过程，则更有利于获得纳米多层堆叠结构，且可用本文建立的简单堆叠模型对其调制周期作出较合理的预测和研究。

目录

独创性声明

学位论文使用授权说明

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 磁控溅射离子镀技术简介

1.3 磁控溅射镀膜技术的发展

1.4 纳米多层结构镀层的发展

1.5 课题的研究目的及意义

1.6 研究内容及技术路线

2 实验内容及实验方法

2.1 镀层沉积设备介绍

2.2 单靶静态沉积实验

2.2.1 单靶静态沉积实验方案设计

2.2.2 单靶静态沉积实验镀层制备

2.3 二元复合镀层制备

2.3.1 组元选择

2.3.2 二元复合镀层的制备

2.4 镀层分析测试设备

2.4.1 镀层厚度测量及形貌分析

2.4.2 镀层物相及精细结构

3 实验结果与分析

3.1 单靶静态纯金属镀层沉积实验结果与分析

3.1.1 单靶静态纯金属镀层沉积实验结果

3.1.2 单靶静态纯金属镀层沉积形貌分析

3.2 二元复合镀层成分及结构特征的表征

3.2.1 镀层物相与成分分析

3.2.2 镀层的精细结构观察

3.2.3 分析讨论

3.3 小结

4 简单堆叠模型的整合及分析、验证

4.1 多组元简单堆叠模型的基本假设及建立前提

4.2 四靶溅射系统中基片随拨轮式两轴样品架旋转运动特征的分析

4.2.1 基片运动的描述

4.2.2 基片运动模型

4.2.3 基片运动规律的分析

4.3 设备参数对基片有利沉积周期的影响

4.3.1 公转速度对基片有利沉积周期的影响

4.3.2 拨轮齿数对基片有利沉积周期的影响

4.4 单靶静态空间沉积速率的拟合分析

4.4.1 拟合方程的确定

4.4.2 单个Cr靶的沉积速率空间分布

4.4.3 单个Al靶的沉积速率空间分布

4.4.4 单个Cu靶的沉积速率空间分布

4.6 小结

5 结论

致谢

参考文献

靶基相对角度计算程序源代码