會切場約束ICP增強非平衡磁控濺射放電及應(yīng)用研究.pdf

1、本文的研究內(nèi)容分為兩大部分：第一部分研究了一種新型的薄膜制備技術(shù)，即會切場約束ICP(InductiVely Coupled Plasma)增強非平衡磁控濺射沉積薄膜技術(shù)，并應(yīng)用該技術(shù)在合適的參數(shù)條件下沉積了性能良好的銅膜；第二部分用發(fā)射光譜和Langmuir探針研究了該技術(shù)中等離子體參數(shù)隨氣壓、射頻功率、會切磁場及放電室中不同位置處的變化規(guī)律。 ICP增強非平衡磁控濺射技術(shù)使用自制的非平衡磁控濺射裝置，外加以射頻線圈增強等離子

2、體電離，并在基片臺上加脈沖負偏壓，來增加離子到達基片的速率。濺射靶位于真空室內(nèi)上方，和真空室上壁之間采用絕緣的聚乙烯連接。放電室外共有兩組永久磁鐵：真空室外側(cè)環(huán)繞真空室的三匝永久磁鐵環(huán)和濺射靶上面的永久磁鐵。兩組磁鐵產(chǎn)生的磁場在真空室中相互疊加，形成會切場磁場位形。此設(shè)備在實現(xiàn)射頻放電及射頻增強磁控濺射放電過程中，在會切場的約束下，放電室中間區(qū)域等離子體均勻。在調(diào)節(jié)氣壓、功率及考慮到離子流密度不致過大的情況下，選擇了沉積銅膜的最佳沉積參

3、數(shù)。我們在傳統(tǒng)的磁控濺射沉積的基礎(chǔ)上，由柱形真空室外增加的永久磁鐵和靶上面的永久磁鐵疊加形成會切磁場約束作用，增加了電子的自由程，提高了等離子體的電離率。真空室外還加了由柱狀天線傳輸?shù)纳漕l功率，進一步激勵等離子體，增強了等離子體的密度和電子溫度。 實驗過程中，使用純度為99.99％的高純氬氣，純度為99.9％的銅作為濺射靶。用發(fā)射光譜法研究了射頻放電氬等離子體隨射頻功率、氣壓和放電室中位置的變化規(guī)律，選用了兩條特定氬的原子和離子

4、譜線。射頻放電中譜線強度表現(xiàn)出了模式跳變和回滯現(xiàn)象，即射頻功率增加到400 W時，射頻放電從E模式跳變到H模式，Ar原子譜線強度證明了增加的跳變，而Ar+譜線強度只是有小的變化，而從高功率降低時，到300 W時射頻放電從H模式跳變到E模式。還用發(fā)射光譜法研究了放電室在有無會切磁場及射頻情況下，特定的氬和銅的原子和離子譜線的變化情況，從而定性的研究等離子體參數(shù)的變化。用Langmuir探針測量了放電室內(nèi)等離子體參數(shù)。研究了射頻放電時，等離

5、子體參數(shù)如電子溫度、電子密度和離子密度等在軸向和徑向的分布及會切磁場會對等離子體參數(shù)的影響。證實了在有外約束磁場的情況下，ICP增強的非平衡磁控濺射等離子體參數(shù)都有明顯的提高。 用該實驗設(shè)備在硅基片上沉積了銅膜。在如下三種條件下沉積了薄膜：有射頻無會切磁場、無射頻有會切磁場和有射頻有會切磁場。膜的表面形貌和織構(gòu)通過掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)測得。用電子能譜(ES)對薄膜的成分進行了分析。 膜的表面特性

6、由原子力顯微鏡(AFM)和來自原子力顯微鏡數(shù)據(jù)的粗糙度來表征。電陽率通過四探針法測量。通過比較最后的實驗結(jié)果，表明射頻和會切磁場的加入明顯改善了放電室中等離子體參數(shù)如電子溫度、電子密度及離子密度等。因此，在有射頻和會切磁場時，膜的表面光滑致密，晶粒尺度在幾百納米，粗糙度也不大，電阻率最小。原因可能是射頻放電和會切磁場增強等離子體密度，高密度的等離子體在相同的脈沖偏壓下能更好的改善了離子轟擊效應(yīng)。離子轟擊可以明顯地影響著沉積Cu膜的表面生