微波ECR磁控濺射制備超薄a-SiN-,x-薄膜及其特性研究.pdf

1、自1956年IBM向世人展示了世界上第一臺(tái)商用磁盤至今，已有五十余年。其間，磁盤雖沒有象CPIJ那樣經(jīng)歷了飛速發(fā)展，但其存儲(chǔ)密度在不斷增加。尤其在近年來，隨著巨磁阻磁頭(GMR)、磁阻磁頭(MR)等技術(shù)的應(yīng)用，磁盤存儲(chǔ)密度迅速提高(年增長100％)。同時(shí)，由于人們對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴程度越來越高，“磁盤有價(jià)，數(shù)據(jù)無價(jià)”，因此人們?cè)趯?duì)磁盤存儲(chǔ)密度提出更高要求的同時(shí)，對(duì)其使用壽命以及可靠性也提出了更高的要求，即對(duì)磁頭/磁盤保護(hù)膜的性能提出更高要求

2、。提高磁存儲(chǔ)密度要求必須減小磁頭和磁盤間隙，即減小磁頭/磁盤保護(hù)膜厚度。未來，在磁存儲(chǔ)密度達(dá)到1T bit/in<'2>時(shí)，磁頭/磁盤保護(hù)膜在具有必要的抗腐蝕、抗磨損性能同時(shí)，要求其厚度降至2.5nm以下。 本論文圍繞微波電子回旋共振等離子體性質(zhì)，采用非平衡磁控濺射技術(shù)，開展一系列研究工作，制備出滿足磁頭/磁盤保護(hù)膜使用要求的超薄a-SiN<,x>薄膜。主要研究內(nèi)容如下： (1)在微波電子回旋共振等離子體對(duì)Si原子/離子

3、、N離子/活性基團(tuán)密度的影響研究中發(fā)現(xiàn)：Si靶的濺射產(chǎn)額并不受微波功率變化的影響，而只與其射頻濺射功率有關(guān)；然而，在N<,2>流量不變的情況下，等離子體密度、以及等離子體中N離予/活性基團(tuán)的相對(duì)含量卻隨著微波功率的增加而增加。在空間等離子體中Si原子腐子含量不變(恒定Si靶濺射功率)、以及N<,2>流量不變的情況下，N離子/活性基團(tuán)密度，是影響a-SiN<,x>薄膜結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的主要因素。因此，必須調(diào)節(jié)微波功率至較高值，以使N離子/活性基

4、團(tuán)密度保持一合適值，這樣才能使Si原子/離子與其充分反應(yīng)，生長出高性能的a-SiN<,x>薄膜。 (2)在最優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)過程中發(fā)現(xiàn)：在各實(shí)驗(yàn)參數(shù)中，N<,2>流量、Si靶濺射功率為最重要參數(shù)。Si靶濺射功率直接影響Si原子腐子的濺射產(chǎn)額，在恒定微波功率和N<,2>流量的條件下，增加Si靶濺射功率，Si原子/離子的濺射產(chǎn)額隨之增加，在高功率(350W)下制備的薄膜，由于到達(dá)基片的Si原子/離子束流較高，因此薄膜顯示較好的化學(xué)結(jié)構(gòu)，

5、以及較好的機(jī)械性能。在Si靶濺射功率恒定的情況下，N<,2>流量為2sccm時(shí)所制備的a-SiN<,x>薄膜中Si-N鍵含量最高，可達(dá)94.8％，此時(shí)薄膜中N/Si原子比例為1.33，滿足Si<,3>N<,4>的化學(xué)配比；同時(shí)，薄膜顯示出最佳的機(jī)械性能，硬度值達(dá)到23GPa，RMS為0.18nm，摩擦系數(shù)為0.1，且薄膜表現(xiàn)出優(yōu)良的抗腐蝕、抗磨損性能。過量增加N<,2>流量，由于靶中毒以及N元素存在方式變化，導(dǎo)致沉積的薄膜轉(zhuǎn)向富N結(jié)構(gòu)，

6、并且薄膜表現(xiàn)出較差的機(jī)械性能，以及較差的抗腐蝕、抗磨損性能。 (3)在研究a-SiN<,x>薄膜膜厚極限過程中發(fā)現(xiàn)：在最優(yōu)化參數(shù)下，即Si靶濺射功率為350W，Ar、N<,2>流量分別為20sccm和2sccm時(shí)，薄膜厚度與沉積時(shí)間呈線性關(guān)系，薄膜沉積速率為4.7nm/min。所制備的厚度為5nm的a-SiN<,x>薄膜，其FT-IR光譜顯示結(jié)構(gòu)以Si-N鍵為主。此時(shí)，薄膜硬度較Si基片增加1GPa有余，同時(shí)，薄膜顯示出優(yōu)良的抗

7、腐蝕、抗磨損性能。以a-Al<,2>O<,3>/Si多層結(jié)構(gòu)為基片，模仿磁頭真實(shí)結(jié)構(gòu)制備a-SiN<,x>/a-Al<,2>O<,3>/Si多層膜，并模仿磁頭生產(chǎn)廠真實(shí)測試條件，研究a-SiN<,x>薄膜膜厚極限。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2nm的a-SiN<,x>薄膜可以為基底材料提供充分的抗腐蝕、抗磨損保護(hù)，a-SiN<,x>薄膜的膜厚極限(<2nm)低于DLC薄膜和CN<,x>薄膜(4nm)。 (4)在a-SiN<,x>薄膜沉積過程中

8、，在恒定微波功率和Ar流量的條件下，雖然等離子體電位、電子溫度等參數(shù)隨N<,2>流量的增加單調(diào)下降，但是適當(dāng)增加N<,2>流量，由于Ar<'*>的過量，因此MW-ECR等離子體中N<'+>、N<,2><'+>密度、以及等離子體密度都不斷增加，在N<,2>流量為5sccm時(shí)，等離子體密度達(dá)到最高值。同時(shí)，隨著N<,2>流量的增加，由于Si靶表面中毒現(xiàn)象加劇導(dǎo)致Si原子的濺射產(chǎn)額不斷減少。綜合這兩方面的原因，在N<,2>為2sccm時(shí)制備的