脉冲二极溅射铜薄膜沉积技术研究

摘要

本文为解决磁控溅射技术靶材利用率低及结构灵活性不足的缺点,参考近年来高功率脉冲磁控溅射技术的发展及所取得的成果,提出并研究了脉冲二极溅射薄膜沉积技术。
　　通过对靶电流曲线的测量和分析研究了脉冲辉光放电的发展过程及各电源脉冲参数、气压、靶基距等参数对放电过程的影响;利用朗缪尔探针测得了脉冲过程中不同时刻等离子体密度,并研究了不同气压及不同位置条件下的等离子体密度的变化过程;利用扫描电镜观察并测量了沉积铜薄膜的表面形貌和沉积速率,并利用纳米压痕仪测量了沉积薄膜的硬度和结合力,研究了各试验参数对沉积速率及薄膜质量的影响机制。
　　对靶电流曲线的研究表明,脉冲辉光放电是由启动阶段和后续的稳定阶段组成的,放电的启动速度随靶电压和气压的升高而加快,在电压和气压都很高的情况下,会由于金属离子自溅射放电的启动而使电流在稳定前出现小幅的下降。电压和气压对靶电流有很大的影响,靶基距和几何结构几乎不影响放电电流的大小。
　　等离子体密度在脉冲上升阶段相比靶电流有明显的滞后现象,脉冲结束后,等离子体密度也不会立刻下降,而是会在原水平维持一段时间再下降,维持时间还会随气压的升高而延长。对比距靶不同位置测得的等离子体密度曲线,没有发现明显的不同步现象。
　　对薄膜沉积速率和表面形貌的研究表明,沉积速率主要受到被溅射原子总量、原子初始能量及迁移至基片前的平均碰撞次数控制,而薄膜表面质量则主要受基片温度、沉积原子残余能量及沉积速率的影响。
　　脉冲二极溅射技术的峰值靶电流密度可高达102mA/cm2,等离子体密度则高达1012cm-3量级,用两种靶基结构沉积的薄膜厚度都具有很好的均匀性,在适当的参数下,都能得到表面光滑的致密的优质薄膜。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2物理气相沉积技术的发展及应用

1.3普通直流二极溅射及磁控溅射技术的特点

1.4脉冲溅射技术研究现状

1.5仿形技术在表面工程领域的运用

1.6本论文研究的主要内容

第2章 试验方案及设备

2.1试验设备及工装

2.2靶材与基片结构

2.3试验方案

2.4测试分析方法

第3章 脉冲二极溅射辉光放电特性研究

3.1脉冲放电靶电流曲线基本特征

3.2电源脉宽和频率及靶基距对放电电流的影响

3.4靶电压对脉冲辉光放电的影响

3.5基片电流曲线分析

3.6本章小结

第4章 等离子体密度测量及其随时间和空间位置的变化规律

4.1普通直流二极辉光放电等离子体密度测量

4.2脉冲放电等离子体密度的测量

4.3不同气压下等离子体的产生和衰减过程

4.4不同空间位置等离子体密度分布

4.5本章小结

第5章 脉冲二极溅射沉积规律及薄膜性能研究

5.1薄膜均匀性及气压和电压等参数对薄膜沉积速率的影响

5.2各参数对薄膜表面质量的影响

5.3靶基结构对薄膜沉积的影响

5.4薄膜力学性能测试

5.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢