（凝聚态物理专业论文）fecosimnir铁磁反铁磁纳米多层膜的制备及性能研究.pdf

摘要 随着半导体元件大规模集成化，电子元器件趋于微型化，电子设备趋于小型化，需 要磁性器件向小型、薄膜方向发展，具有高饱和磁化强度、高电阻率、高磁导率和低矫 顽力的软磁薄膜成为磁性材料发展的必然方向。铁磁反铁磁纳米多层膜是利用铁磁层 与反铁磁层之间产生的交换偏置场，通过改变交换偏置场的大小，增加材料的有效各向 异性场，使材料同时具有适当的各向异性场和高的共振频率，这类薄膜材料成为软磁材 料研究中的一个亮点。 本论文中，我们利用射频磁控溅射方法制备了f e c o s i m n l r f c c o s i 系列纳米多层 膜。用x 射线衍射研究了样品的基本结构；用振动样品磁强计( v s m ) 研究了样品的 室温磁性；用带线法测量了样品的高频磁谱，主要得到了以下结论： 1 成功制备了以c u 为种子层的f e c o s i m i l i n 下e c o s i 系列铁磁反铁磁纳米多层膜， 薄膜的x 射线衍射谱显示该薄膜中f e c o s i 为b c c 结构，并且有明显的择优取向。 2 通过实验得到选择不同种子层对薄膜样品的软磁性能性有较大的影响，c u 做为 种子层可以得到较好的软磁性能易轴矫顽力为2 4 0 e ，难轴矫顽力为9 0 c ，薄膜样 品有明显的面内各向异性h k = 7 0 0 e 。 3 通过对f e c o s i ( t ) m i l i r ( 1 0 n m ) f e c o s i ( t ) 薄膜样品的宏观磁性测量发现，磁 滞回线出现了两个不同交换偏置场，主要是由于薄膜样品的结构中有两层不同的 铁磁反铁磁界面，两层f 脚m 之间的交换耦合不同所造成。对于铁磁层厚度 t ( f e c o s i ) = 6 n m 的样品，样品呈现很好的面内各向异性，交换场可达 h e x t 0 1 ) = 2 0 6 0 e ，h e x - b o t t o m = 1 3 5 0 e 。另一方面，随着铁磁层厚度的增加，样品 的交换场随之减小，且h e x 正比于l t f m 。 4 对f e c o s i ( t ) m n i r ( 1 0 n m ) f e c o s i ( t ) 系列多层膜的高频磁谱测量发现， t ( f e c o s i ) = 5 0 h m 的磁谱，自然共振频率在4 7 g h z ，实部在2 g h z 以下保持在1 6 7 ， 虚部在1 8 左右，t ( f e c o s i ) = 1 2 5 r i m 的磁谱自然共振频率为6 5 g i - ! z ，而单层 t ( f e c o s i ) 样品的共振频率为3 4g h z ，说明可以通过调整薄膜中铁磁层的厚度， 改变f m a f m 层之间的交换偏置场和各向异性场，进而调控样品的共振频率。 兰州大学硕士学位论文 a b s t r a t i i w i t ht h ei n t e g r a t i o na n dm i n i a t u r i z a t i o no f e l e c t r o - m a g n e t i cd e v i c e s ，t h es o f tm a g n e t i c f i l m s 、i mm g hs a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n4 r i m s ，h i 曲e l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yp ，l o wc o e r c i v e f o r c eh e ( t h e r e f o r e ，h i 【g hp e r m e a b i l i t yp ) ，h a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a tp r e s e n t , f m a f mm u l t i l a y e r sh a v el a r g ee f f e c t i v ea n i s o t r o p yf i e l dd u et oe x c h a n g eb i a sf i e l db e t w e e n f e r r o m a g n e t i cl a y e r sa n da n t i f e r r o m a g n e t i cl a y e r s s o ，t h em u l t i l a y e rs y s t e mc a no b t a i nl a r g e i n - p l a n ea n i s o t r o p yf i l e dh ka n dh i g l lf e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c ef r e q u e n c yf r ，s i m u l t a n e o u s l y c o n s e q u e n t l y ，t h i s 虹n do fm u l t i l a y e rf i l m sh a v e b e e no n eo ft h ec u r r e n th o tt o p i c s i nt h i ss t u d y ，as e r i e so ff e c o s 蚴r ：f e c o s im u l t i l a y e rf i l m sw e r ed e p o s i t e db yr f m a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h es t r u c t u r e w a sc h a r a c t e r i z e db yx r a yd i f f r a c t i o n 、析t l lc u - k a r a d i a t i o n m a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r em e a s u r e db yav i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) t h ep e r m e a b i l i t y s p e c t r ao ft h es a m p l e s w e r eo b t a i n e d b y as h o r t e d m i c r o s t r i p t r a n s m i s s i o n l i n ep e r t u r b a t i o nm e t h o d t h em a i nc o n t e n t sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e da sf o l l o w s ： 1 ) as e r i e so ff e c o s i m n l r f e c o s im u l t i l a y e rf i l m s 诵t l lc us e e dl a y e rw e r ef a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l yb yi m p r o v i n ge x p e r i m e n tc o n d i t i o n sa n de q u i p m e n t s t h ex r ds p e c t r af o r a l ls a m p l e ss h o w st h a tf e c o s ip a r t i c l e sa r eb e cs t r u c t u r e 、i t i l ( 1 10 ) e v i d e n tp r e f e r e n t i a l o r i e n t a t i o n 2 ) i ti ss e e nt h a tt h ei n f l u e n c eo fs e e d l a y e r sf o rt h es o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e so fm u l t i l a y e r f i l m si ss i g n i f i c a n t i nt e r m so fe x p e r i m e n t s ，c us e e d l a y e ri sab e t t e rc a n d i d a t ef o rt h i s m u l t i l a y e rs y s t e m t h ef i l m s 、j i ，i lc us e e d l a y e r sc a nr e d u c et h eh cf r o m14 0 0 et o2 4 0 e ， a n dc a no b t a i nl a r g ee f f e c t i v ea n i s o t r o p yf i e l dh k = 7 4 0 e 3 ) i ti s s e e nt h a tt h eh y s t e r e s i sl o o p so ff e c o s i ( t ) m n r f e c o s i ( t ) s a m p l e sh a v et w o d i f f e r e n te x c h a n g e - b i a sf i e l dw h i c hi sc a u s e db yt h ee x c h a n g ec o u p l i n gf r o mt w ok i n d so f f m a f mi n t e r f a c e f o rt h es a m p l e 、杭廿1t h ef e c o s il a y e rt h i c k n e s s to f6 n m , i ts h o w s g o o di n - p l a n ea n i s o t r o p ya n dt h ee x c h a n g ef i e l dh e x t o p 2 2 0 6 0 e ，h e x b o t t o m = 13 5 0 e o n t h eo t h e rh a n d ，e x c h a n g ef i e l dh e xl i n e a r l yd e c r e a s e s 诵t l l1 t ( f e c o s i ) 4 ) t h er e s u l t so ft h ep e r m e a b i l i t ys p e c t r ao fas e r i e so ff e c o s i m n l r f e c o s im u l t i l a y e r f i l m sa r ef o l l o w e d ：f o rt h es a m p l e 、析t ht ( f e c o s i ) = 5 0 n m , t h ef e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c e f r e q u e n c yf ri sa sh i g ha s4 7g h z , i sk e e p16 7a n dt h ei m a g i n a r yc o m p o n e n tp i sl e s s t h a n18a l m o s tt o2g h z ；f o rt h es a m p l e 、析lt ( f e c o s i ) = 12 5n m , t h ef e r r o m a g n e t i c r e s o n a n c ef r e q u e n c yf ri sm o r et h a n6 5g h z b u tt h ef i l m 诵t l ls i n g l ef e c o s il a y e rh a s r e s o n a n c ef r e q u e n c y 台i s3 4g h z t h e s er e s u l t si m p l yt h a tt h ei n c r e a s eo fe x c h a n g ef i e l d b e t w e e nf ma n da f mi sb e n e f i tt oi m p r o v et h ef e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c ef r e q u e n c yf r 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数 据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：交迫奎 日 期：塑蝉 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同 意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学 位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：塞：l 五导师签名：毖垒 日期：坐墨：! ： 论文作者签名：墨：l 丑导师签名：孕2 日期：坐蔓：! ： 兰州大学硕士学位论文 第一章引言 人类的发展和进步与新兴材料的发现和发展密不可分。纳米材料被称为面向2 l 世 纪的新型材料，也是“2 l 世纪最有前途 的材料。而纳米软磁材料由于其在工业、信 息产业等领域广泛的应用前景，从而使得该类材料受到了普遍的关注。 1 1 研究背景 所谓磁性纳米材料是指铁磁性材料( 如，f e 、c o 、n i 等) 在三维空间尺度中至少 有一维处于纳米量级的材料，量级为l 一1 0 0 r i m 1 ，通常有磁性纳米薄膜，磁性纳米线， 以及由磁性纳米颗粒所构成的纳米固体、颗粒膜、纳米轻烧结体等。 磁性材料主要分为三种：软磁材料、硬磁材料和半硬磁材料。本文中我们主要讨 论软磁材料。 在现代的电子器件中，软磁材料是其基本组成之- - 3 7 】。对软磁材料持续不断的 研究以及越来越多高性能软磁材料的出现极大地提高了现代电子器件的性能。这些器件 主要是变压器、电动机、发电机、电感线圈等的磁心以及各种高频传感器等。 衡量软磁材料的一个重要指标是矫顽力。一般将矫顽力低于2 0 0 a m - 1 材料称作软 磁材料，当然不同的应用领域对软磁材料的性能要求不同。但是，通常都希望材料具有 高磁导率，高饱和磁化强度聪，低矫顽力风。当应用到高频段时，还要求材料具有 高的各向异性场和高的电阻率，以提高材料的共振频率和降低涡流损耗。 软磁材料的应用已经有很长的历史。早在2 0 世纪初，对软磁材料的研究主要是为 了提高材料的磁导率和饱和磁感应强度风以及降低材料的矫顽力和磁滞损失。软磁 材料这些性能的改善使得电子器件的体积和重量大大减小，并且极大的提高了其功效。 应用最早的软磁材料是低碳钢。大约到2 0 世纪4 0 年代后，低碳钢被硅钢和n i f e 合金( 例如坡莫合金) 代替。到1 9 5 0 年后，铁氧体的出现拓宽了软磁材料的应用范围。 典型的铁氧体有m n z n 系、n i z n 系和m g z n 系等。尽管铁氧体的饱和磁感应强度很低， 但是却有很高的电阻率，因此在高频下的涡流损失很小，这使得铁氧体可以应用到很多 领域，尤其是在1 m i - - i z 以上的领域 8 9 】。 兰州大学硕士学位论文 2 然而，到2 0 世纪7 0 8 0 年代，由于速凝技术( t h er a p i ds o l i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ， r s t ) 的发现，从而出现了一种新型的性能优异的软磁材料一非晶软磁材料。r s t 是指 将金属从高温以1 0 4 1 0 7 k s 甚至更高的降温速率将到室温，从而得到新的组成和结构 【l o 】。用r s t 技术制备的非晶软磁材料是过去三十年发展起来的一种主要的软磁材料。 非晶软磁材料主要有f e 基和c o 基非晶材料【l l ，1 2 。这类材料料通常具有高强度、高耐 腐蚀性和高电阻率的特性。f e 基非晶态合金通常具有较高的风，f e n i 基非晶态合金通 常具有较高的值，而c o 基非晶态合金通常具有低的饱和磁致伸缩系数k 。非晶软磁 材料所呈现的杰出的软磁特性可以代替应用在几m i - i z 频率范围内的传统的软磁材料。 然而，最激动人心的还是纳米晶软磁材料的发现，使得软磁材料的性能得到了极 大的改善 1 3 1 7 。纳米晶合金指材料中金属颗粒在1 - 5 0 r i m 量级的合金。纳米晶合金可 以通过快速固化、沉积技术以及非晶材料的晶化等方法得n 1 8 。 通常，将纳米晶表示为：1 1 l ( 1 嚷) ( t e ，m ，讧) l ，其中t l 代表前面的( 铁磁性) 过 渡金属元素( 如f e 、c o 、n i 等) ，t e 是前面的( 非磁性) 过渡金属( 如z r 、n b 、砒、 t a 等) ，m 是非金属( 如b 、p 、s i 等) ，n m 是贵金属( 如c u 、a g 、a u 等) 。在这 种组合中，x 一般小于o 2 ，t l 要尽可能多。加入非金属是为了促进前驱物中的玻璃体 形成。而加入贵金属可以形成更好的纳米晶相。由于玻璃体在纳米晶晶化之前形成，从 而限制了纳米晶的成份。这种合金有可能形成单相( i 型) 。但是，通常会形成由纳米 晶铁磁相和颗粒边界处的非晶相组成的两相材料( i i 型) 。i i 型纳米晶合金通常具有如 下性质：( 1 ) 相对高的电阻率( 5 0 8 0 岬o c m ) ( 2 ) 低的磁晶各向异性( 3 ) 强的机械 强度。由此可见，纳米晶合金有很好的应用前景 1 9 2 4 。 主要的高饱和磁化强度材料有体心立方( b c c ) f e 、f e s i 、面心立方( f c c ) a c o 和f e c o 合金等 2 5 ，2 6 。尤其是f e c o 合金，它具有很高的饱和磁化强度。然而与非 晶和纳米晶材料相比，f e c o 合金的磁导率较低。c o 基非晶、f e 基非晶和纳米晶是过 去几十年才发展起来的，其软磁性能要优于f e ( c o ) 基块材合金。 兰州大学硕士学位论文 3 图1 1 已经研究的c o 基非晶、f e 基非晶、f e c o 合金、f e s i 合金、铁氧体以及 纳米晶等软磁性能的比较1 2 7 】 图1 1 是已经研究的c o 基非晶、f e 基非晶、f e c o 合金、f e s i 合金、铁氧体以及 纳米晶等软磁性能的比较。可以看出，从饱和磁感应强度来看，铁氧体的最低，f e s i 合金、非晶和纳米晶较高，而f e c o 合金的最高。从磁导率来看，f e c o 合金的最低， f e 基非晶、f e s i 合金和铁氧体的较高，c o 基非晶和纳米晶的最高高。综合来看，纳 米晶材料的饱和磁感应强度和磁导率都比较高。这说明其综合软磁性能是最好的。 1 2 研究现状和目的 磁性薄膜是当今高新材料研发中最活跃的领域之一，也是功能材料从三维向低维 发展的必然趋势。随着电子元器件向微型化、集成化、高频化方向发展，迫切要求开发 出能在微波频率下仍具有高品质因数的磁性薄膜。电子工业和通讯技术的迅速发展也带 来了严重的电磁干扰和电磁污染，对抗电磁干扰材料和吸波材料提出了更高要求；随着 微波吸波材料研究、应用的发展，对吸波材料的要求越来越高，而磁性薄膜吸波材料有 望能满足这些要求。通常，铁氧体薄膜由于较高的电阻率而广泛应用于高频领域，但在 微波波段，由于其低饱和磁化强度而受s n o e k 关系的限制，其微波磁导率实部和虚部通 常都低于5 兰州大学硕士学位论文 4 此外，由于铁氧体薄膜制备需要很高的温度，且铁氧体晶体结构复杂，使得铁氧体薄膜 制备和应用受到限制。 近1 0 年来，以c o 基、f e 基为主体的铁磁性薄膜的微波电磁特性研究受到关注， 研究涵盖铁磁性单层膜、多层膜、颗粒膜( 非晶薄膜纳米晶薄膜) 。理论和实验表明， c o f f e ) 基软磁性薄膜在获得高微波磁导率方面优于其它磁性薄膜，因此在集成化微磁器 件、磁头材料、抗电磁干扰材料、微波吸波材料研究和应用中受到越来越多的重视。 本论文的主要研究目的：在研究种子层对提高铁磁材料的软磁性能的基础上，进一 步对铁磁反铁磁多层膜体系进行研究，采用铁磁纳米层一反铁磁纳米层一铁磁纳米层相 耦合的多层膜结构，以期找到利用铁磁反铁磁耦合产生的交换偏置场，通过改变交换偏 置场，调整面内各向异性场，进而实现对纳米薄膜的微波磁导率和共振频率的调控，为进 一步研究如何使其能够应用在更高更宽的微波频段奠定基础。 兰州大学硕士学位论文 参考文献 5 【1 】j a c o w e n ，b a r r ys t o l z m a n ，r s a v e r b a e ka n dh h a n , j a p p l p h y s6 1 ( 19 8 7 ) 2 】j od eb o e c k ，s c i e n c e2 8 1 ( 19 9 8 ) 3 5 7 【3 】g o r d o ne f i s h , p r o c e e d i n g so ft h ei e e e v 0 1 7 8 ，n o 6j u n e19 9 0 【4 】b o z o r t hr a m f e r r o m a g n e t i s m n e wy o r k ：v a nn o s t r a n d ，19 51 5 】c h e nc w m a g n e t i s ma n dm e t a l l u r g yo fs o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s n e wy o r k ： d o v e r p u b l i c a t i o n s ，19 8 6 【6 】c h i k a z u m is p h y s i c so fm a g n e t i s m m a l a b a r , f l ：k r e i g e r ，19 7 8 7 】c u l l i t yb d i n t r o d u c t i o nt om a g n e t i cm a t e r i a l s r e a d i n g ，m a ：a d d i s o n w e s l e y 【8 】t h ec l a s s i cf e r r o m a g n e t i s m , r b o z o t h ，d v a nn o s t r a n d ，n e wy o r k , 19 51 9 】9p h y s i c so fm a g n e t i s m ，k r i e g e rr e p r i n t ，h u n t i n g t o n , n y ，19 8 9 【1 0 】m a t e r s c i e n g ，v 0 1 9 8 ，( 1 9 8 8 ) 【1 l 】i n o u ea ，g o o kj s m a tt r a n sj i m1 9 9 6 ；3 7 ：3 2 【1 2 】m e m h a r u y a m ao ，a s a h in m a ts c if o r u m1 9 9 2 ；8 8 9 0 ：3 3 3 【13 】s c o t tj h ，t u r g u tz ，c h o w d a r ym c h e n r ym e ，m a j e t i c hs a m r ss y m p o s i u m p r o c e e d i n g s l 9 9 9 ；1 2 1 ：4 1 2 1 4 】z h a n gj ，w ub ，w ux ，w a n gg ，z h a oj ja p p lp h y s1 9 9 6 ；7 9 ：5 4 7 3 【1 5 】l a n o t t el ，i a n n o t t iv ja p p lp h y s1 9 9 5 ；7 8 ：3 5 3 1 【1 6 】k i mc s ，k i l ns b ，l e eh m ，u h my r , k i mk y ，n o ht h ，o kh n i e e et r a mm a g 19 9 7 ；3 3 ：3 7 9 0 【1 7 】k i mk s ，y us c ，r a ok v ja p p lp h y s1 9 9 7 ；8 1 ：4 6 4 9 【18 】c h e n r ye t a 1 p r o g r e s si nm a t e r i a l ss c i e n c e4 4 ( 19 9 9 ) 2 914 3 3 【19 】y o s h i z a w ay ，o g u m as ，y a m a u c h ik ja p p lp h y s19 8 8 ；6 4 ：6 0 4 4 2 0 】y o s h i z a w ay ，y a m a u c h ik ，y a m a n et ，s u g i h a r ah ja p p lp h y s19 8 8 ；6 4 ：6 0 4 7 【2 1 】k o j i m aa ，h o r i k i r ih ，k a m a m u r ay ，m a k i n oa ，i n o u ea ，m a t s u m o t ot m a ts c i e n g 1 9 9 4 ；a 17 9 a 18 0 ：51 1 【2 2 】1 w a n a b eh ，l ub ，m c h e n r ym e ，l a u g h l i nd e ja p p lp h y s19 9 9 ；8 5 b ：4 4 2 4 2 3 】w i l l a r dm a ，l a u g h l i nd e ，m c h e r t r ym e ，t h o m ad ，s i c k a f u skc r o s sj o ，e ta 1 j a p p lp h y s1 9 9 8 ；8 4 ：6 7 7 3 2 4 】w i l l a r dm a ，h u a n gm - q ，l a u g h l i n , d e ，m c h e n r y ，m e ，c r o s sj o ，h a r r i s ，v g ， f r a s c e t t i ，c ，ja p p lp h y s19 9 9 ；8 5 ( 8 ) ：4 4 21 【2 5 】p f e i f e rf ，r a d e l o c jm a g m a gm a t1 9 8 0 ；1 9 ：1 9 0 2 6 】r a j k o v i cm ，b u c k l e yr a m e t a ls c i1 9 8 1 ；1 5 ：2 1 【2 7 】m a k i n oa ，i n o u ca ，m a s u r n o t ot m a tt r a n sj i m19 9 5 ；3 6 ：9 2 4 兰州大学硕士学位论文 第二章理论基础 6 2 1 交换偏置的基本定义 在1 9 5 6 年，m e i k l e i j o h n 和b e a n 在c o o 外壳覆盖的c o 颗粒中首先发现了交换偏置现象 【1 ，2 】。铁磁( f m ) 反铁磁( a f m ) 体系在外磁场中从高于反铁磁奈尔温度冷却到低 温后，铁磁层的磁滞回线将沿磁场方向偏离原点，或者铁磁( f m ) 反铁磁( a f m ) 的 双层膜在外加磁场中生长，就会在铁磁材料中产生一个单方向的各向异性，现象表现为其 磁滞回线中心在外加磁场的方向偏离零磁场，其偏离量被称为交换偏置场，其大小等于 磁滞回线中心的偏移量。如下图2 1 所示。 0 一 i 一孑n 2：二：。3日p j ， 3 0玩 ( 2 i 茂 ，- - i o - 5 ， 1 086 s 2 4 k 0 6 。) 8 1 缝 【b ) 爹 么 1 0 图2 1 交换偏置系统的( a ) 转矩曲线和( b ) 磁滞回线 交换偏置现象广泛存在于铁磁反铁磁双层膜体系中，其基本特性与铁磁层和反 铁磁层的材料，厚度以及结构取向，生长顺序及工艺条件密切相关。随着交换偏置在自 旋阀中的应用【3 】，交换偏置在基础研究和应用两方面都得到了人们极大的重视。 2 2 交换偏置的理论模型 2 2 im e i k l e j o h n - - b e a n 模型 为了解释交换偏置m e i k l e j o h n 和b e a n 1 ，2 】假设在铁磁一反铁磁界面上存在交换耦 合作用。如图2 2 所示，当体系温度处于反铁磁材料的奈尔温度t n 和铁磁材料的居里温 度t c ( t n ，杨啸林 1 9 第三章样品的制备与测量方法 用磁控溅射方法制备了一系列磁性纳米铁磁反铁磁纳米多层膜软磁材料。利用x 射线衍射仪( x r d ) 和原子力显微镜( a f m ) 研究了样品的结构和微结构；利用振动样品 磁强计( v s m ) 测量了样品室温下的宏观磁性；利用网络分析仪使用微带传输线法测 量了样品的高频特性。 3 1 样品的制备 薄膜的制备方法有多种，如分子束外延、真空蒸发、溅射等方法。磁控溅射是一 种低温高速沉积技术，用其制备的薄膜膜层致密、针孔少、纯度高、膜的附着力强、厚 度均匀，因此在制备薄膜时被广泛采用。磁控溅射包括射频磁控溅射和直流磁控溅。 3 1 1 磁控溅射的基本原理 用几十电子伏或更高动能的荷能粒子( 大多数是由电场加速的正离子) 轰击材料 表面，使其原子或分子获得足够的能量而溅出进入气相，这种溅出的、复杂的粒子散射 过程称为溅射【l 】。按照溅射理论的级联碰撞模型【2 】，如图3 1 所示，当入射离子与靶原 子发生碰撞时把能量交给靶原子，在准弹性碰撞中，通过动量转移导致晶格原子的撞出， 形成级联碰撞。当级联碰撞延伸到靶表面，使表面粒子的能量足以克服结合能时，表面 粒子逸出成为溅射粒子。溅射粒子淀积到基底或工件表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜 法。溅射镀膜是基于荷能粒子轰击靶材时的溅射效应，整个过程都是建立在真空和辉光 放电的基础上。 兰州大学硕士学位论文 离子 图3 1 溅射的级联碰撞模型 靶表面 2 0 对于直流溅射，在靶和基底之间加上电压，因某些原因存在于气体中的少量电子 在电场力的作用下被逐渐加速，加速的电子与氩气原子相碰撞，使其电离形成正离子和 电子。这些电离出来的电子又被加速而使更多的氩气原子电离，电离出的正离子被加速 后轰击靶材，与靶原子发生级联碰撞而使靶表面粒子逸出，沉积在基底上便形成薄膜。 图3 2 射频溅射原理图 直流溅射只能沉积金属膜，而不能沉积绝缘介质膜。其原因是由于，当溅射绝缘 介质靶材是，轰击绝缘介质靶材表面的正离子和电荷无法中和，于是靶面电位升高，外 加电压几乎都加在靶( 绝缘介质) 上，极间的粒子加速与电离就会变小，以至于溅射不 能维持。如果在靶和基底之间加一射频电压，那么溅射将可以维持。这是因为在溅射靶 处于射频场的负半周时，由于电子的质量比离子的质量小得多，故其迁移率很高，仅用 很短的时间就能飞向靶面，中和其表面积累的正电荷，与此同时，在靶表面积累了大量 的正电荷，这样，当处于射频场的正半周时也吸引离子轰击靶材。这样，在一个周期内 正离子和电子可以交替地轰击靶子，从而实现溅射绝缘介质材料的目的。射频( 1 强) 2 1 溅射的原理如图3 2 。一般溅射镀膜的最大缺点是溅射速率较低，与蒸发速率相比要低 一个数量级。而磁控溅射正好弥补了这一缺点。磁控溅射的工作原理【3 】如图3 3 所示。 i 基体 鱼及 一， 、， 缓n 鏊s ln ， 缓缓貔缓蝴笏煳 兰州大学硕士学位论文 3 1 2 高真空旋转基底六靶磁控溅射系统的调试 图3 4 超高真空多功能磁控溅射仪示意图 图3 4 给出了我们所用射频磁控溅射设备的示意图。 整个系统分为四个部分：进给系统，予处理系统，溅射系统和电控机架系统。 1 进样系统 进样系统主要实现样品的进出样品库，进出清洗台，进出溅射台。样品手动放 置到样品库中后，可以通过该进样系统在真空状态迅速装片，实验后取片。为提高 实验效率，增加实验可信度提供有力保证。 该进样系统为电动系统，没有手动机构，进给过程由p l c 触摸屏或上 位p c 机执行。 2 预处理系统 预处理系统装有样品库一台，清洗台一套，1 1 0 分子泵真空机组一套，真空测 量系统一套，清洗靶一台，烘烤照明系统一套，手动拨又两套。 样品库是存放样品的位置。采用全金属密封结构。每次最多可以装卸六只3 英 寸样品托。清洗台可提供8 0 0 的环境温度，与其下正对的清洗靶同时使用，共同 完成反溅清洗过程。 手动拨叉是在设备使用过程中，用来轻微调整样品托与样品库，样品托与清洗台， 样品托与溅射台间的位置，可以在不停止实验过程的情况下处理意外事件。 2 3 3 溅射系统 溅射系统由低温溅射台，6 2 0 分子泵机组，盖升降系统，六只磁控溅射靶，真空测 量系统组成。溅射系统是该设备的重要工作部分，各种镀膜实验工作都是在这里进行的。 样品托旋转速度2 - - 一6 0 转分可调，配有电动溅射挡板，升降行程+ 2 0 m m 。盖升降 系统主要在维修溅射真空室时或更换靶材时使用。 六只磁控靶中有：两只直径为2 英寸靶， 两只直径为3 英寸磁性材料与非磁性材料兼容靶， 两只直径为3 英寸靶。 所有靶枪都为波纹管运动形式，配有0 5 秒电动挡板，靶面可在轴向上运动+ 5 0 m m ， 并配有水冷系统。 图3 5 磁控溅射靶示意图 如图3 5 ：5 撑，6 拌为强磁靶1 7 0 0 g s 1 萍，2 撑，3 j 6 ，4 群为弱磁靶5 7 0 g s 其中：1 群，4 撑靶为2 英寸靶 2 撑，3 撑，5 j | j ，6 撑靶为3 英寸靶 真空测量系统由规管和真空计组成，用来测量真空度的准确数值。该溅射室配有两 套测量系统，一套为5 2 2 7 真空计显示普通抽真空状态，一套为5 3 1 0 真空计显示溅射镀 膜时的真空状态。 4 电控机架系统 电控机架系统由工作台，电源转换板，射频电源及电源匹配器组成。工作台是该设 备的骨架，安装着支撑部件。 兰州大学硕士学位论文 电源转换板上有三个转换开关，可以通过该板直接调节电源与溅射靶的对应情况。 可以根据实际使用情况，合理更换板后接线，配成符合要求的转换形式。 3 1 3 溅射工艺参数的选择 溅射的工艺条件与薄膜的结构和性能密切相关。影响薄膜性能的主要因素有靶与 基片之间的距离d 、溅射功率w 、溅射气压p 、衬底温度t s 等。 靶与基片之间的距离影响膜的均匀性和沉积速率。为了产生辉光放电，两极间必 须保持足够的距离。但是，由于从靶表面溅射出的粒子在空间有一立体角分布，如果靶 与衬底的距离较远，则在对准靶中心的衬底中心部位单位时间到达的溅射粒子数大于到 达衬底边缘部位的粒子数，导致衬底中心膜较厚而边缘薄。另外，两极间的距离也与放 电气体的压力有关。在本工作中，对于斜入射溅射，基片会以一定的速度匀速旋转，靶 与基片之间的距离为1 5 c m ，另外靶与基片之间的角度为1 2 。左右，可以保证膜的均匀 性。 溅射功率影响影响溅射粒子的能量，从而影响溅射速率，当然也影响沉积速率。 定性地说，溅射功率p 存在某个阀值p o ，当p p o 时，溅射速率随着p 的增高而增大，然而，当功率非常高时，因被加速 的正离子能量很大，深深打入阴极靶内部的几率增加，使得它的能量在大范围的原子之 中散失了。导致溅射速率减小。 溅射气压影响薄膜的沉积速率和膜的纯度。一般p 增大，沉积速率将降低。这是因 为p 的增大使得溅射出来的原子或分子的平均自由程减小，因而到达衬底的粒子数目减 小。另外，随着p 的增大，进入生长着的薄膜中的气体粒子也将增多，导致薄膜的纯净 度下降【3 】。因此，在维持稳定溅射的前提下，应设法尽量降低溅射气压。 衬底温度是影响薄膜生长的一个重要参量。一般说来，衬底温度会影响沉积原子 在膜面的迁移率。通常，衬底温度越高，沉积在膜上的原子能量也越高，越容易移动， 使得颗粒长大，结晶完整。而当衬底温度低时，颗粒尺寸较小，甚至可生成非晶或呈现 一定程度的亚稳态固溶体。因此，溅射中衬底温度最好可调，以利于控制颗粒膜的微结 构。 3 1 4 样品的制备及处理过程 本论文中采用的是高纯度的f e c o s i ，t a , c u 以及m l l i r 的复合靶作为溅射靶材，衬底为 s i ( 1 0 0 ) 单晶硅片，在沉积薄膜之前首先对衬底进行以下处理：首先在丙酮中超声清 理十分钟、而后在无水乙醇中超声清洗十分钟，最后在去离子水中清洗十分钟，用吹风 机吹干露出清洁的抛光面，固定于样品托上，放入样品室，待系统达到真空要求，送入 溅射室备用。 实验中采用的溅射设备为高真空六靶磁控溅射设备，本底真空优于 2 1 0 p a ，衬底的旋转速度为3 0 转分钟，溅射时采用的工作气体为a r ( 9 9 9 9 9 ) ， 溅射过程中的溅射气压通过闸板阀开启的大小来控制。 我们选择射频源进行实验，各靶射频溅射功率分别如下表3 1 ： 溅射气压溅射功率 c u0 2 7 p a5 0 w f e c o s i0 2 0 p a1 0 0 w m _ n i ro 4 0 p a1 0 0 w t a0 4 0 p a1 0 0 w 表3 1 实验中对薄膜厚度以及各物质沉积速率的测量：首先在设计的溅射条件下制备一层 厚膜，然后再厚膜的表面上制作出一个明显的台阶，通过表面轮廓分析仪测定厚膜的厚 度，我们通常是测量膜表面多个采集点的数据，进行平均，得到厚膜得厚度。 溅射气压溅射功率流量速率 c u0 2 7 p a5 0 w 1 5 s c c m15 2 9 a m i n f e c o s i0 2 0 p a1 0 0 w1 0 s c c m2 2 8 5 a m i n m n l r 0 4 0 p a1 0 0 w1 5 s c c m3 2 6 a m i n t a0 4 0 p al o o w 1 5 s c c m1 1 4 a m i n 表3 2 如上表3 2 所示：我们在实验过程中认为各物质的溅射沉积率不随时间而改变即溅 射过程是匀速的，已知一定的溅射时间，这样我们就可以求出各个物质的沉积率。 同时我们采用的是高真空磁场热处理炉，对典型样品进行热处理，热处理中首先 对石英管进行抽真空，管内真空度为7 1 0 一p a 。然后升温，升温速度大约为3 0 0