磁控溅射制备铝薄膜.doc

苏州科技学院本科生毕业设计（论文）磁控溅射制备铝薄膜摘 要铝金属具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性、吸引性及耐核辐射性等优良性质，并且具有良好的光电性能等优良性质。其优异的光学性质和电学性质，使得铝薄膜在微电子电路、薄膜电路和光学薄膜中被广泛应用。目前，铝薄膜的研究主要有两个方面：一方面研究超薄铝薄膜的光学特性和电性能；另一方面研究铝薄膜在制备多层薄膜中的作用。本设计利用磁控溅射法来制备铝薄膜，并通过对工作气压以及溅射温度的控制来研究这些参数条件对铝薄膜折射率以及其微观结构的影响。利用椭圆偏振测厚仪来测量薄膜折射率，用原子力显微镜以及金相显微镜来观测铝薄膜的表面形貌以及颗粒大小等。从数据的分析中得到工作气压以及基片温度与铝薄膜的复折射率和表面形貌的关系。实验结果表明：随着工作气压的增大，薄膜沉积速率先变大后减小；随着基片温度升高，薄膜粗糙度上升，颗粒变大。关键词：磁控溅射；铝薄膜；微结构；表面形貌Magnetron sputtering thin film of aluminumAbstractAluminum metal has good electrical conductivity, thermal conductivity, corrosion resistance, draw resistance and radiation resistance and other excellent properties, and has good optical properties such as excellent properties. Its excellent optical properties and electrical properties, making aluminum films in microelectronic circuits, a thin film circuit and the optical thin film is widely used in. At present, the Al thin film research mainly has two aspects: on the one hand ultrathin aluminum films optical and electrical properties; on the other hand the aluminum thin films in the fabrication of multilayer film in rats. This design uses a magnetron sputtering method to prepare the Aluminum film, and through the work pressure and sputtering temperature control to study the influence of the refractive index of Aluminum, as well as the microstructure of these parametric conditions. Ellipsometry Thickness Gauge to measure the refractive index, using atomic force microscopy and metallographic microscope to observe the surface morphology and particle size of the Aluminum film. From the data analysis of the relationship between working pressure and substrate temperature and the complex refractive index and surface morphology of the Aluminum film. The experimental results show that: with the increase of working pressure, deposition rate first larger decreases; film roughness increased with increasing substrate temperature, the particles become larger.Keywords: Magnetron sputtering; thin film of aluminum; Micro structure; Surface morphology目录第1章 绪论11.1引言11.1.2薄膜研究的发展概况11.1.3薄膜的制备方法41.1.4薄膜的特征51.1.5薄膜的应用7第2章 射频反应磁控溅射制备方法机理分析82.1射频反应磁控溅射法原理82.1.1直流辉光放电82.1.2射频辉光放电92.1.3射频原理92.1.4磁控原理112.1.5反应原理122.2.溅射机理132.2.1基本原理132.2.2基本装置132.3溅射的特点和应用152.3.1溅射的特点152.3.2溅射的应用16第3章 实验173.1课题的研究线路173.2实验材料以及设备173.3实验仪器的原理183.3.1磁控溅射镀膜仪的原理183.3.2椭圆偏振测厚仪的原理193.3.3原子力显微镜的原理233.3.4表面预处理273.3.5薄膜制备28第4章 实验结果及数据分析304.1薄膜测试与分析304.1.1衬底温度对于铝薄膜属性的影响304.1.2衬底温度对于铝薄膜生长的影响314.1.3不同的气压对于铝薄膜生长的影响34结 论40致 谢41参 考 文 献42附录X 译文43利用CO/SiC衬底上制备单层石墨薄膜43附录Y 外文原文4854苏州科技学院本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 薄膜概述111 引言人工薄膜的出现是20世纪材料科学发展的重要标志。自70年代以来，薄膜材料、薄膜科学、与薄膜技术一直是高新技术研究中最活跃的研究领域之一，并已取得了突飞猛进的发展。薄膜材料与薄膜技术属于交叉学科，其发展几乎涉及所有的前沿学科，其应用与推广渗透到了各相关技术领域。正是由于薄膜材料和薄膜技术的发展才极大地促进了微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息技术、传感器技术、航空航天技术和激光技术的发展，也为能源、机械、交通等工业部门和现代军事国防部门提供了一大批高新技术材料和器件。薄膜是不同于其它物质(气态、液态、固态和等离子态)的一种新的凝聚态，有人称之为物质的第五态。顾名思义，薄膜就是薄层材料。它可以理解为气体薄膜，如吸附在固体表面的气体薄层；也可理解为液态薄膜，如附着在液体和固体表面的油膜。我们这里所指的薄膜是固体薄膜，即使是固体薄膜，也可分为薄膜单体和附着在某种基体上的另一种材料的固体薄膜，这里所指的薄膜属于后者1。薄膜的基底材料有绝缘体，如玻璃、陶瓷等；也有半导体，如硅、锗等；也各种金属材料。薄膜材料也可以是各种各样的，如从导电性来分，可以是金属、半导体、绝缘体或超导体。从结构上来分，它可以是单晶、多晶、非晶(无定形)、微晶或超晶格的。从化学组成上来看，它可以是单质，也可以是化合物，它可阻是无机材料，也可以是有机材料。112 薄膜研究的发展概况薄膜科学是由多个学科交叉、综合、以系统为特色，逐步发展起来的新兴学科，以“表面”及“界面”为研究核心，在有关学科的基础上，应用表面技术及其复合表面技术为特点，逐步形成了与其他学科密切相关的薄膜科学。 60年代初以来，伴随着超高真空技术及各种复杂的表面分析技术的发展，薄膜科学的研究内容得到了极大的丰富，并逐步发展成为多学科相互交叉、理论与实验相结合的一门新学科。 表面原子无论在原子运动、原子结构、表面缺陷以及其他物理化学过程都与体内原子有不同的变化规律和特点。尽管作为凝聚态物理的一个重要分支和多种科密切联系的交叉学科，薄膜科学在很大程度受固体物理的影响，并与材料科学、化学、微电子学等多种学科互相渗透，密切联系。固体物理中的声子色散、电子能带和输运机制都与界面现象有关，为获取材料表面信息而出现的多种粒子探测技术正是依赖各种粒子(如低能电子、离子、原子、分子等)与材料表面相互作用，而这些粒子束探测技术反过来又极大地推动了现代薄膜科学的迅速发展。在表面吸附以及薄膜生长机制研究中，分子物理和分子化学知识则是必不可少和非常重要的。 伴随着薄膜科学在基础研究方面的不断深入，各种表面分析技术也日渐成熟，使人们逐渐可以在微观的尺度上对材料的结构、形貌、成分和化学状态等进行直接的观察、分析。一批新的表面微区结构与成分分析方法以及一些新的表面加工技术应运而生。首先使用与纳米加工和微区成分分析的各种扫描探针技，用于描述薄膜生长和原子迁移动力学过程的实时监测技术以及从一般尺度到原子尺度进行表面研究的综合系统。许多表面分析技术已经在工业界得到广泛应用，这包括：x射线衍射仪(XRD)、Auger电子能谱(AES)、x光电子谱(XPS)、低能电子衍射(LEED)、热能原子散射(TEAS)、扫描隧道显微镜(STM)、和椭偏仪(ellipsometry)等分析技术的出现，不仅为表面科学和薄膜科学提供了利的研究手段，而且极大的推动了表面科学和薄膜科学的飞速发展。另一些表面分析技术，如二次离子质谱(SIMS)以及配有电子能量损失谱(EELS)的原子分析透射电镜(TEM)和反射高能电子衍射谱(RHEED)也在被工业界接受。 在薄膜材料制备方面，由表面技术发展起来的各种现代手段，如以蒸发沉积为基础发展出了真空蒸发沉积、分子束外延薄膜生长、加速分子束外延生长；以载能束与固体相互作用为基础，先后出现了离子柬溅射沉积、电子束蒸发沉积、脉冲激光溅射沉积、强流离子束蒸发沉积；以等离子体技术为基础出现了化学气相沉积、物理气相沉积、磁控溅射镀膜；同时，人们将载能束与薄膜生长相结合发展了离子束辅助沉积、低能离子束沉积、离子束混合等。例如，应用离子镀膜、射镀膜、化学气相沉积、离子束辅助沉积等方法制备的TiN、这些薄膜制备方法已经可以通过控制应力、成分和掺杂条件来获取各式各样的人造多层膜结构。这些具有特殊功能和目的的新材料己被制作成各种器件，如高电子迁移晶体管、激光器、异质结双极晶体管(HBT)、巨磁电阻、x射线光学器件等，并广泛应用于电子、磁光和通信等领域。而在材料研究方面，尤其以SiC薄膜、一V族氮化物薄膜、硅化物薄膜、纳米粉材料最引人注意。利用先进的超高真空生长技和原位观测手段以及对生长机理的深入研究，有可能使性质差异更大的材料以薄膜的形式结合起来，从而提高器件的工作效率，扩大器件的功能。 在理论研究方面，人们越来越感兴趣在一些小尺寸或与之相关的材料系统中发现新的物理和化学现象。例如，表面对量子点或原子团簇中杂质和缺陷的影响。可以说计算机的发展对薄膜科学做出了重要贡献。与此同时先进的计算机与现代算方法结合，可以用来研究各种复杂的表面系统，从而提供了检验和比较各种似理论的标准。同时，通过计算机模拟可以沟通理论和实验，实现在实验上很难或者根本无法完成的某些物理过程和极限情况的研究。 对于薄膜形成机理的研究起始于二十世纪二十年代，1924年，Frenkel提出了描述成核过程的原子模型2。1958年，人们提出薄膜生长的外延模型3，建了薄膜生长的三种模式：即层状生长模式，层状+三维岛状生长模式和三维岛生长模式。同时，基于统计物理学的原子成核和生长模型及相关理论丌始逐渐形成4，5，如：描述表面原子成核和生长的速率方程和关于表面原子扩散的点阵气体模型等。这些理论的出现不仅解释了薄膜生长初期的一些物理现象，促进了薄膜生长研究的发展，而且激励着人们在原子、分子的水平上进一步探讨薄膜的生长行为。1985年，Rahman等人报道了Lennard。Jones体系的薄膜生长的分子动力学模拟6。1986年，Voter在点阵气体模型的基础上提出了表述表面原予运动的Monte Carlo方法7。随着一些有效的原子间相互作用势的出现，计算机模拟方法开始逐渐成为研究原子水平上的薄膜生长机制的主要手段之一。113 薄膜的制备方法薄膜制备方法很多，并可将它们分类，如分为化学法、物理法或化学物理法。现我们按气相、液相法分类，如表11。气相法是利用各种材料在气相间、气相和固体基体表面间所产生的物理、化过程而沉积薄膜的一种方法。它又可以分为化学气相沉积(Chemical Vapour Deposition，简称CVD)和物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，简称PVD)。根据促使化学反应的能量可以来自加热、光照和等离子体，因此CVD又可分为热CVD、光CVD和等离子CVD。物理气相沉积也可分为利用加热材料而产生的热蒸发沉淀、利用气体放电产生的正离子轰击阴极(靶材)所产生的溅射沉积、把蒸发和溅射结合起来的离子镀以及分子束外延。 应该指出的是CVD中不是单一的只存在着化学过程，它同时也存在着物理过程，如原子或分子的激发、电离，各种粒子的扩散和在固体表面的吸附等。反之，PVD中也可能产生化学过程，如在蒸发和溅射过程中充入活性气体(02、N2等)，则它们可和蒸发和溅剩出来的粒子产生化学反应而生成不同于靶材的薄膜，即所谓反应镀膜。液相法又可分为化学镀、电镀和浸渍镀。本论文将会主要介绍溅射镀膜法。114 薄膜的特征 薄膜与大块材料相比，它具有某些特有的性能8。(1)结构特征：由于薄膜有很大的表面积，很容易受环境气氛和基片状况的影响，所以除分子束外延法外，一般镀膜方法制成的薄膜的有序化程度较大块材料差，杂质浓度和缺陷都高于大块材料。(2)金属薄膜的电导：薄膜的电子性质与大块材料的电子性质的差异非常明显，某些在薄膜上见到的物理效应，在大块材料上根本不存在。对大块金属来说，其电阻因温度降低而减小，在高温区，电阻随温度的一次方减小，而在低温区，电阻随温度的五次方减小。但薄膜的电阻率要比大块金属的电阻率大，温度降低后薄膜的电阻率不如大块样品下降得那样快。因为在薄膜的情况下，表面散射对电阻的贡献很大。一般厚度小于30nm的薄膜，即使在300K的温度，表面散射对电阻的贡献也已经表现出来。 薄膜电导异常的另一表现是磁场对薄膜电阻的影响。处于外磁场中的薄膜的电阻要比大块样品的电阻大一些，这是因为在这种情况下，电子在薄膜中沿螺旋形路线前进。只要螺旋线的半径大于薄膜的厚度，电子在运动过程中在表面处的散射就会产生附加电阻；使得薄膜在磁场中的电阻大于块材料的电阻，也大于薄膜在零磁场中的电阻。这种薄膜电阻对磁场的依赖关系叫磁阻效应。(3)通过绝缘薄膜层的电导：当夹在两块金属电极之间的绝缘层变得很薄时，它的导电性会发生很大变化。因为在这种情况下，绝缘薄膜的导电性能不再由绝缘体的固定性质所决定，而主要由金属与绝缘体接触界面的特性来决定。金属与绝缘体问一个合适的欧姆接触，可以向绝缘薄膜中注入附加载流子，改变了绝缘体的电子态结构。加到薄膜绝缘层上的一个不大的电压也可以在靠近界面处的绝缘体内产生很强的电场。在这种情况下，由于场发射，可从阴极向绝缘体的导带中注入大量电流。实验表明，加到两个金属电极之间的绝缘薄层上的电压比较低时，它的电导表现为欧姆型，但当电场加大，则其伏一安特性就要偏离线性，而且电场愈强，偏离线性愈严重。 缘薄膜层表现出来的这种反常电导行为，它的部分原因来自其非晶特性。在非晶态绝缘层的情况下，原来意义上的禁带已不存在，导带和禁带的界面变得模糊不清，再加上蒸发的绝缘层中往往还含有杂质和缺陷。甚至还有化学成份比的偏离，这些也会导致附加电导。当夹在两金属电极之间的绝缘层变得很薄，如5nm时，通过绝缘层出现隧道电导，即使加到电极之间的电压低于界面势垒高度，导电电子也能通过这层绝缘薄膜。(4) 超导薄膜：超导薄膜的性质与大块超导体有明显差异。虽然薄膜的临界温度与大块超导体一般无多大差别，但如果某些超导薄膜与大块超导体结构明显不同，则薄膜超导体的临界温度可能变化很大。另个对薄膜的性质有明显影响的因素是所谓邻近效应，当在一超导薄膜上再叠加另一层异质薄膜时，超导薄膜的临界温度会明显变化，尤其当超导膜的厚度很小时，这种影响就更显著。超导薄膜的临界磁场与大块超导体有明显差别。理论计算表明，薄膜厚度愈小，它的临界磁场比大块超导样品的临界磁场愈高。 (5)薄膜的磁学性质：铁磁薄膜对信号的存贮很有用，可制成各种磁盘、磁带和薄膜存贮器。现已知道，不但用Fe、Ni、Co、Gd等金属可以制成铁磁薄膜，用非金属的铁氧体，石榴石及硫族化合物也可以制出铁磁薄膜。这种铁磁薄膜的特点是磁化强度向量M在薄膜平面内，且处于平面内的这个易极化轴可以处于平面内任意方位角；外加一个小磁场还可使磁化强度矢量反转。FeNi薄膜很强的磁各向异性主要来源于薄膜的特殊几何状况。外加一个磁场使铁磁薄膜磁化强度M的方位角发生改变的快慢，是这种薄膜的重要参量。研究结果表明，M在异磁化轴方向的反转时间为l ns，因而用这种铁磁薄膜可制成快速存贮元件，如磁膜存贮器。115 薄膜的应用薄膜的应用非常广泛，有以下一些主要用途。薄膜用于大规模集成电路以增加器件的物理化学特性，用作合金涂层以提高合金的耐磨性和抗腐蚀性，用作光学涂层以增加或减少光线的反射和透射，按要求使得光线吸收和通过。光学薄膜还可以对色彩进行合成和还原，近代的彩色摄影、彩色电视、激光、太阳能电池、集成光学等都离不开薄膜技术。高质量的超导薄膜的临界电流密度超过块状材料几个数量级，能满足制各电子器件的需要。铁电材料除具有铁电性以外，还具有电性、热释宅性、线性电光效应、非线性光学效应等，在现代电子技术和光电子技术中具有重要的应用。过去利用铁电材料制作相关器件，大多采用体材料。随着电子器件和光电子器件微型化与集成化，铁电薄膜材料的应用越来越广泛。硅基铁电薄膜材料还可以用于研制神经网络元器件。第二章 射频反应磁控溅射制备方法机理分析所谓“溅射”是指荷能粒子(如正离子)轰击靶材，使靶材表面原子或原子团逸出的现象，射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。溅射镀膜是指利用高能粒子(大多数是被电场加速的正离子)轰击固体靶材表面，在与固体表面的原子或分子进行能量或动量交换后，从固体表面飞出原子或分子并沉积在衬底上的镀膜方法。溅射现象在1842年由英国人Grove发现，从1870年开始将溅射现象用于薄膜的制备，真正达到实用是在1930年以后，特别是进入70年代，半导体制造工艺的发展促进了溅射镀膜的广泛应用。溅射可以用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质薄膜，也可以用于制备化合物半导体薄膜、碳化物及氮化物薄膜。现在溅射已经发展成为薄膜技术中重要的一种镀膜方式，本实验采用的是射频反应磁控溅射镀膜法。2.1 射频反应磁控溅射法原理溅射技术都要建立在气体辉光放电的基础上，溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用的辉光放电方式有所不同：直流二极溅射利用的是直流辉光放电：三极溅射是利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射是利用射频辉光放电；磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。而射频磁控溅射是两种技术的结合，以获得更好的溅射镀膜效果9-14。2.1.1 直流辉光放电溅射是在辉光放电中产生的，因此辉光放电是溅射的基础。辉光放电是发生在卜10Pa的稀薄气体中，两个电极之f目J3n上电压时产生的一种气体放电现象。对于溅射经常用到直流辉光放电和射频辉光放电。当两电极之间加上直流电压时所发生的放电现象为直流辉光放电。气体放电时，两电极间的电压和电流的关系不能用简单的欧姆定律来描述，因为二者之间不是简单的直线关系。根据电压和电流密度的大小以及二者之间变化规律的不同，可以将直流放电分成不同的放电区，即无光放电区、汤森放电区、正常辉光放电区、非正常辉光放电区和弧光放电区。在正常辉光放电区，维持辉光放电的电压较低且不变。由于正常辉光放电的电流密度比较小，所以溅射选择在电流密度比较大的非正常辉光放电区。非正常辉光放电的特点是：电流增大时，两放电极板间电压升高，并且阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关。因为此时辉光己布满整个阴极，再增加电流时离子层己无法向四周扩散，这样，正离子层便向阴极靠拢，使正离子层与阴极间的距离缩短，这时若想要提高电流密度，则必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子才_彳亍。在气体成分和电极材料一定的条件下，起辉电压V只与气体压强P和电极距离d的乘积有关，起辉电压有一最小值。若气体压强太低或电极间距离太小，二次电子在到达阳极前不能使足够的气体分子被碰撞电离，形成一定数量的离子和二次电子，会使辉光放电熄灭。气压太高或电极间距离太大，二次电子因多次碰撞而得不到加速，也不能产生辉光。在大多数辉光放电溅射过程中要求气体压强低，需要相当高的起辉电压。在极间距小的电极结构中，经常需要瞬时地增加气体压强以启动放电。异常辉光放电时，在某些因素的影响下，常有转变为弧光放电的危险。此时，电极间电压陡降，电流突然增大，相当于电极间短路。且放电集中在阴极的局部地区，致使电流密度过大而将阴极烧毁。同时，骤然增的电流有损坏电源的危险。因此，在溅射过程中，要避免弧光放电发生15。2.1.2 射频辉光放电在一定的气压下，当阴极和阳极间所加交流电压的频率增至射频频率时，即可产生稳定的射频辉光放电，射频频率一般为5-30MHz。射频辉光放电有两个重要特征：第一，在辉光放电空间产生的电子，获得了足够的能量，足以产生碰撞电离，因而减少了放电对二次电子的依赖，并且降低了击穿电压。第二，射频电压能通过任何一种类型的阻抗耦合进去，所以电极并不需要导体，因而可以溅射包括介质材料在内的任何材料。因此射频辉光放电在溅射技术中的应用十分广泛。当阴极和阳极间加以射频信号时，外加电压的变化周期小于电离和消电离所需时间(一般在104秒左右)，等离子体浓度来不及变化。由于电子质量小，很容易跟随外电场从射频场中吸收能量并在场内作振荡运动。但是，电子在放电空间的运动不是简单的由一个电极到另一个电极，而是在放电空间不断来回运动，经过很长的路程。因此，增加了与气体分子的碰撞几率并使电离能力显著提高，从而使击穿电压和维持放电的工作电压均降低(其工作电压只有直流辉光放电的1/10)。所以射频自持放电要比直流放电容易得多。通常，射频辉光放电可以在较低的气压下进行。例如，直流辉光放电常在10-1-1Pa运行，射频辉光放电可以在10-2-10-1Pa运行。另外由于正离子质量大，运动速度低，跟不上电源极性的改变，所以可以近似认为正离子在空间不动，并形成更强的正空间电荷，对放电起增强作用。2.1.3 射频原理射频溅射的基本原理如图2.1所示，它是利用射频电磁辐射来维持低气压(10-2Pa)的辉光放电。阴极安装在紧贴介质靶材的后面，把射频电压加在靶子上，这样在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶材，从而实现溅射介质靶材的目的。当靶材电极为射频电压的负半周时，正离子对靶材进行轰击引起溅射，如图21(a)所示。与此同时靶材表面有正电荷积累，如图21(b)所示。当靶材处于射频电压的正半周时，由于电子对靶材的轰击中和了积累在靶材上的正电荷(如图21(c)所示)，就为下一周期的溅射创造了条件。由于在一个周期内既有溅射又有中和，故能使溅射持续进行，这就是射频溅射能够溅射介质薄膜的原因11。图2.1 溅射原理示意图然而，对于一个具有两个面积相等的金属电极的溅射系统束浣，当加上射频电压使它产生辉光放电时，两个电极上会形成两个厚度和电压降相等的暗区。在一个周期内，由于每个电极交替为阴极和阳极，于是受到等量离子流和电子流的轰击，即在一个周期内两个电极都有一半的时间受到相同能量的离子流的轰击，显然这种结构的溅射系统难以沉积薄膜。因此，实用的溅射系统中，采用面积大小不等的金属电极，即构成非对称平板型结构。把射频电源接在小的电极上，而大电极和屏蔽罩连接后接地作为另一电极。两个电极之间的电压降有以下关系：（2.1）其中A为电极的面积。实际的射频溅射系统中接地极的面积比溅射靶的面积大得多。如果大电极的面积大到足以使流向它的离子的能量小于溅射阈值，则大电极上就不会发生溅射。因而只要用小电极作为溅射靶，而把衬底放在大电极上，就可以进行溅射镀膜了。2.1.4 磁控原理磁控溅射是70年代在阴极溅射的基础上加以改进而发展的一种新型溅射镀膜法。由于它有效地克服了阴极溅射速率低和电子使基片温度升高的致命弱点，因此，它一问世便获得快速的发展和广泛的应用。磁控溅射是在射频溅射系统中引入正交电磁场，电场和磁场方向垂直。从物理学中可知，处在电场E和磁场B正交的电子，其运动方程为： (2.2)式中e和m分别是电子的电量和质量，电子的运动轨迹是以轮摆线的形式沿着靶子表面向垂直于E、B平面的方向前进，电子运动被束缚在一定空间内，从而大大减少了电子在容器壁上的复合损耗。这样的正交电磁场可以有效地将电子的运动路程限制在靶面附近，从而显著地延长了电子的运动路程，增加了同工作气体分子(本论文中实验所用的工作气体为氩气和氮气的混合气体)的碰撞几率，提高了电子的电离效率，因而使等离子体的密度加大，致使磁控溅射速率数量级的提高。由于电子每经过一次碰撞损失一部分能量，经过多次碰撞后，雀失了能量成为“最终电子”进入距阴极靶面较远的弱电场区，最后达到阳极时已经是能量消耗殆尽的低能电子，也就不再会使基片过热，因此基片温度可大大降低。同时高密度等离子体被磁场束缚在靶面附近，又不与基底接触，这样电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，而基底又可免受等离子体的轰击，因而基底温度又可降低。此外，由于工作气压降低到零点几帕，减少了对溅射出来的原子或分子的碰撞，故提高了沉积速率11,15,16,17。2.1.5 反应原理反应溅射法是在阴极溅射的惰性气体中，人为地引入某些活性反应气体，来改变或控制沉积特性，可获得不同于靶材的新物质薄膜。目前，通入氧、氮、甲烷或一氧化氮、硫化氢等反应气体，可用来制各氧化物膜、氮化物膜、碳化物膜和硫化物膜。反应溅射的成膜过程中，化合物在靶上合成，或者在气相状态下合成，或者在基底表面上合成。气相状态下，离子不平衡，化学反应过程中产生的热量无法消耗在两个物体的碰撞过程中，反应往往比较困难。动量和能量同时保持守恒需要反应发生在靶或基底表面上。如果参加反应的气体分压强很低，或者靶的溅射率很高时，实际化合物的合成全部发生在基底上，膜的化合物成分也取决于溅射粒子与反应气体到达基底的相对速度。这时靶表面化合物的分解速度比它在靶上形成的速度快。随着反应气体气压的增高或靶溅射率的下降，在靶上形成化合物的速度将达到某一个值。当此值达到后，靶上化合物形成的速度超过化合物逸出的速度。对于金属靶，达到此值后，将伴随溅射率的下降9-11。一般反应溅射时，反应气体的气压很低，气相反应不显著。但是等离子体中流通电流很高，在反应气体分子的分解、激发和电离等过程中，其电流起着重要的作用。因此，反应溅射中产生一股强大的由载能游离原子团组成的粒子流伴随着溅射出来的靶原子从阴极靶流向基底，在基底上克服阻止薄膜生长有关的激活能，从而形成化合物18-20。通常反应溅射分为三部分：(1)基底表面反应 基底表面反应形成的所需化合物的条件比较复杂，至少必须满足：到达基底表面时的金属原子(溅射原子)与反应气体分子的比例维持在一个合适的数值，以保证形成一定化学配比的化合物分子的需要；保持合适的基底温度，为使金属原子与反应气体分子必须首先在基底上有足够大的粘附系数，而粘附系数与基底的温度关系很大。(2)靶表面反应 靶表面金属原子与反应气体的反应取决于靶的溅射率Rm与靶面上化合物的生长速率Re，靶面上化合物膜厚度的变化速率可表示为： (2.3)只有在0的情况下，靶面才能始终处于金属状态，射频磁控溅射的Rm有可能满足这个条件。 (3)气相反应 在通常溅射所用的气压和靶与基底的距离的条件下，逸出靶面的原子在到达基底之前将与反应气体分子及由等离子体放电形成的活性基团发生多次碰撞，再加上溅射粒子具有较高的能量，因而有可能与反应气体在空间就生成化合物分子。同时，气态化合物分子的数目正比于化合物本身的稳定性。当金属与活性气体的结合能较强时，气态化合物分子的数目也大。2.2 溅射机理磁控溅射技术在薄膜制备领域的应用十分广泛，可以制备工业上所需要的各种薄膜，如超硬薄膜、耐腐蚀薄膜耐摩擦薄膜、超导薄膜、磁性薄膜、光学薄膜，以及各种具有特殊电学性能的薄膜等。但基本的磁控溅射处理技术有很多的局限性，而现在的磁控溅射技术之所以有这样的广泛应用，是与近几十年来人们对其进行深入研究、不断引入的新技术分不开的，如改变磁场的分布，采用脉冲式溅射电源以及与其他成膜技术的相结合等。2.2.1 基本原理磁控溅射技术是在普通直流（射频）溅射技术的基础上发展起来的。早期的直流（射频）技术是利用辉光放电产生的离子轰击靶材来实现薄膜沉积的。但这种溅射技术的成膜速率较低，工作气压高（2-10Pa）。为了提高成膜速率和减低工作气压，在靶材的背面加上了磁场，这就是最初的磁控溅射技术。磁控溅射法在阴极位降区加上与电场垂直的磁场后，电子在既与电场垂直又与磁场垂直的方向上做回旋运动，其轨道是一圆滚线，这样增加了电子和带电粒子以及气体分子相撞的几率，提高了其他的离化能，降低了工作气压，同时，电子又被束缚在靶表面附近，不会到达阴极，从而减小了电子对基片的轰击，降低了由于电子轰击而引起基片温度的升高。2.2.2 基本装置磁控溅射技术的原理简单，但是在实际工作中，由于被溅射技术的性能不同，需要进行多方面的探索。一、 电源采用直流磁控溅射时，对于制备金属薄膜没有多大的问题，但对于绝缘材料，会出现电弧放电和“微液滴溅射”现象，严重影响了系统的稳定性和膜层质量。为了解决这一问题，人们采用了射频磁控溅射技术，这样靶材和基底在射频磁控过程中相当于一个电容的充放电过程，从而克服了由于电荷积累而引起的电弧放电和“微液滴溅射”现象的发生。二、 靶的冷却在磁控溅射过程中，靶不断地受到带电粒子的轰击，温度较高，其冷却是一个很重要的问题，一般采用水冷管间接冷却的方法。但对于传热性能较差的材料，则要在靶材与水冷系统的连接上多加考虑，同时需要考虑不同材料的热膨胀系数的差异，这对于复合靶尤为重要。三、 磁短路现象利用磁控溅射技术溅射高导磁率的材料时，磁力线会直接通过靶的内部，发生磁短路现象，从而使磁控放电难以进行，这时需要在装置的某些部分做些改动以产生空间凝结，如让靶材内部的磁场达到饱和；在靶材上留下缝隙，使其产生漏磁现象；使靶材的温度升高而使其磁导率减小等。四、 基底偏压相对于接地的阳极，在基片上施加适当的偏压，使一部分离子流向基片，有利于吸附气体的解吸附，提高膜层的致密性、纯度和表面的光洁度。2.3 溅射的特点和应用2.3.1 溅射的特点 溅射镀膜作为一种传统的薄膜制备技术，它能保持长久生命力的原因在于溅射镀膜与其它真空镀膜技术相比有如下的优点2，1517：(1)任何物质都可以溅射，尤其是高熔点化合物。不论是金属、半导体、绝缘体，也不论是化合物、混合物，只要是固体，不管是块状、粒状，都可以作为靶材，制备其相应的薄膜材料。(2)可以在相对低的温度下合成高温高压下制备的薄膜。(3)溅射膜与基底之间的附着性较好。(4)溅射膜的致密性好，针孔少，且膜层的纯度较高。(5)膜厚可控性和重复性好，且能大面积成膜。(6)在工艺上易于自动化，能够进行大批量的生产，能源消耗和生产成本低，很适合于大规模工业生产。2.3.2 溅射的应用 溅射主要用于沉积和刻蚀。在沉积方面，溅射可以用于制各各种薄膜，如难熔金属薄膜、合金薄膜、化台物薄膜、半导体薄膜、氧化物薄膜、绝缘介质膜，以及碳化物薄膜、氮化物薄膜，乃至高温超导薄膜。在刻蚀方面，溅射可以用来清洗基底表面，去除表面杂质，使表面更具活性，以利于表面沉积薄膜：溅射还可以用来对样品进行逐层剥离，以便对样品进行深度剖面分析。第三章 实验3.1 课题的研究路线本实验采用直流磁控溅射法在硅片表面制备铝薄膜，通过对溅射镀膜工艺过程中的工作气压、溅射功率、溅射时间、基片温度等条件的控制，制备多组不同的铝薄膜；之后对比研究不同参数下的铝薄膜结构与性能的差异，其中包括铝薄膜的表面形貌，复折射率等；最后通过定性分析，得出不同的溅射参数对薄膜生长的影响。3.2 实验材料以及设备本实验采用了沈阳市科友真空技术研究所制造的CJK-500D多靶磁控溅射镀膜实验系统，如图3.1所示。图表 3.1 CJK-500D多靶磁控溅射镀膜仪测试所用的仪器主要有天津市拓普仪器有限公司生产的TPY-2型自动椭圆偏振测厚仪，CMM-40E型金相显微镜，以及上海爱建纳米有限公司生产的AJ-IIIa原子力显微镜。工作气体为氩气，实验用基片为单面抛光高纯度单晶硅，P型，晶向（100），无水乙醇，镊子，玻璃刀，滤纸等。3.3 实验仪器的原理3.3.1 磁控溅射镀膜仪的原理磁控溅射镀膜装置的工作原理如图3.2所示，电子在电场 E 作用下，在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出 Ar+和一个新的电子，电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则淀积在基片上形成薄膜。二次电子 e2 一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。如图3.3，为了便于说明电子的运动情况，可以近似认为：二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。于是，从靶面发出的二次电子，首先在阴极暗区受到电场加速，飞向负辉区。进入负辉区的电子具有一定速度，并且是垂直于磁力线运动的。在这种情况下，电子由于受到磁场 B 洛仑兹力的作用，而绕磁力线旋转。电子旋转半圈之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。当电子接近靶面时，速度即可降到零。以后，电子又在电场的作用下，再次飞离靶面，开始一个新的运动周期。电子就这样周而复始，跳跃式地朝着 E(电场)B(磁场)所指的方向漂移。简称 EB 漂移。图表 3.2 磁控溅射装置工作原理图图3.3 电子的近似运动情况磁场B与电场E垂直，电荷为q、运动速度为的带电粒子，所受的磁场力,即洛伦磁力。当不垂直于磁场B时，带电粒子同时参与磁场以及电场两种运动，将在磁场中作螺旋线运动。如图2.4粒子速度垂直于磁场方向的分量所对应的洛伦兹分力，将使粒子绕磁场作圆周运动，回旋半径为：（3.1），粒子速度平行于磁场方向的分量所对应的洛伦兹分力，将使粒子作匀速直线运动，两个分运动合成为螺旋线运动。图3.4 不垂直于磁场B，带电粒子在磁场中的运动3.3.2 椭圆偏振测厚仪的原理铝薄膜的复折射率采用天津托普仪器公司生产的TPY-2型自动椭圆偏振测厚仪8，如图3.5。图表 3.5椭圆偏振测厚仪实物图椭圆偏振法简称椭偏法，是一种先进的测量薄膜纳米级厚度的方法。椭偏法的基本原理由于数学处理上的困难，直到本世纪40年代计算机出现以后才发展起来。椭偏法的测量经过几十年来的不断改进，已从手动进入到全自动、变入射角、变波长和实时监测，极大地促进了纳米技术的发展。椭偏法的测量精度很高（比一般的干涉法高一至二个数量级），测量灵敏度也很高(可探测生长中的薄膜小于0.1nm的厚度变化)。利用椭偏法可以测量薄膜的厚度和折射率，也可以测定材料的吸收系数或金属的复折射率等光学参数。因此，椭偏法在半导体材料、光学、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。TPY-2型自动椭圆偏振测厚仪由光源机构、起偏机构、检偏机构、接收机构、主机机构以及装机机构共六部分组成，结构如图3.6所示。图表 3.6椭偏仪实验装置示意图光是一种电磁波，且是横波，电场强度E、磁场强度H和光的传播方向构成一个右旋正交三矢族。光矢量存在各种方位值，因此，与光的强度、频率、位相等参数一样，偏振态也是光的基本量之一。偏振态可以作为一种光学探针，如果已知入射光的偏振态，一旦测得通过光学系统后出射光偏振态，就能将影响光学性能的某些物理量(n，d)确定下来6。椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光。根据偏振光在反射前后的偏振状态变化（包括振幅和相位的变化），便可以确定样品表面的许多光学特性。用椭偏法可以测量金属的复折射率，金属复射率n2可分解为实部和虚部，即： 。 (3.2)再设光束从具有实折射率n1的物质中以入射角入射复折射率为n2的金属表面，在金属中的复折射角为根据折射定律有 (3.3) 且光束在反射前后的偏振状态的变化可以用总反射系数比（RP/RS）来表征。在椭偏法中，用椭偏参量和来描述反射系数比，其定义为 (3.4) 据式(3.3)和式(3.4)以及关于复振幅反射率，总反射系数和位相差的各表达式可得 (3.5)以及 (3.6)另一方面，直接使分母实数化并利用三角公式又会得到 (3.7)比较上面二式便得到(3.8)设 (3.9)则由式（3.2）和式（3.9），有 (3.10)此外，据式（3.8）和式（3.9），又有 (3.11)可见，只要在n1和确定的条件下测量出椭偏参量，便可依次利用式(3.9)、(3.10)、(3.11)以及(3.2)算出金属的复折射率n2。特别当的实部时，。 (3.12)比较式（3.2）和(3.9）即可知道 (3.13)这样，便从式(3.11)得到了N，K与椭偏参量的近似关系式： （3.14）可见，测量出与待测金属样品总反射系数比对应的椭偏参量和D，便可以求出其复折射率n2的近似值。3.3.3 原子力显微镜的原理薄膜表面形态主要利用上海爱建纳米有限公司生产的AJ-IIIa型原子力显微镜9进行测量，实物如图3.7。其分析项目主要包括三维视图的观测、剖面分析以及颗粒分析。图表 3.7 AJ-IIIa型原子力显微镜原子力显微镜是一种不需要导电试样的扫描探针型显微镜。这种显微镜通过其粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表面的情况，便可以分辨出其他显微镜无法分辨的极小尺度上的表面细节与特征。由于它的出现，直接观测微观世界的大门被打开了。这种显微镜能以空前的高分辨率探测原子和分子的形状，确定物体的电、磁与机械特性，甚至能确定温度变化的情况。使用这种显微镜时无需使试样发生变化，也无需使试样受破坏性的高能辐射作用。原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一个弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形，这样，微悬臂的轻微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统，如图3.8。图表 3.8 原子力显微镜结构示意图(1) 力检测部分在原子力显微镜的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100500m长和大约500nm5m厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。如图2.9，它是一种典型的AFM悬臂和针尖。图表 3.9 AFM悬臂与针尖(2) 位置检测部分在原子力显微镜的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生，起工作情况如图2.10所示。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。图3.10 AFM工作原理图图2.11是激光位置检测器的示意图。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。图3.11 激光位置检测器的示意图(3) 反馈系统在原子力显微镜的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力，其原子间作用力关系如图3.12所示。图3.12 原子间作用力关系示意图3.3.4 表面预处理由于基片表