基片偏压对磁控溅射放电特性及离子性能的影响

论文摘要

磁控溅射是一种重要的薄膜沉积方法,在微电子器件的金属膜、碳氮硬质涂层、纳米复合薄膜等多种薄膜材料的制备中具有广泛的应用。为了控制薄膜生长与结构、提高薄膜性能,人们采用多种技术作为磁控溅射技术的辅助手段来调控薄膜生长过程,其中在基片上施加偏压,控制离子对生长表面的轰击,是重要的技术手段之一。在人们利用基片偏压调控薄膜生长、结构和性能时,对于基片偏压的作用具有不同的观点。一种是基片施加偏压功率后产生了负的自偏压,在负的自偏压作用下离子能量增加,荷能离子对基片的轰击作用改善了薄膜的生长和性质。另一种观点是薄膜生长和性能的改善与基片偏压下适度能量离子的作用、以及离子能量分布有关,不完全是高基片偏压作用下的高能量离子轰击效应。鉴于人们在基片偏压作用机制方面存在的认识差异,需要对基片偏压对离子行为的影响开展深入的研究。因此,本论文采用2MHz射频功率源驱动磁控溅射、采用13.56MHz和27.12MHz射频功率源施加基片偏压,研究了 2MHz磁控溅射下基片偏压频率、放电气压对基片偏压放电特性、基片表面离子能量分布特性的影响。研究结果表明:（1）对于单纯的2MHz溅射,实际溅射功率与入射功率呈线性增大关系,实际溅射功率与入射功率比达到77%-82%（放电气压5Pa）、70%-76%（放电气压1Pa）,射频源输入功率的利用率较高。功率耗散与放电气压有关,在放电气压5Pa时,功率耗散随着溅射功率增加从体等离子体中电子消耗转变为射频鞘层中的离子消耗;在放电气压1Pa时,功率耗散基本为射频鞘层中的离子消耗。2MHz溅射放电的电压与电流（I-V特性）满足I=kVn关系,n=3.50（放电气压5Pa）、n=2.75（放电气压1Pa）,这里获得的n值与常用的13.56MHz射频磁控溅射相符,表明2MHz溅射具有较高的电子约束效率,Ag靶的溅射性能较好。2MHz溅射放电阻抗虚部呈现容性阻抗特性,根据鞘电容估算的靶面附近离子鞘层厚度随着溅射功率的增加而减小,鞘层厚度的降低有利于缩短离子渡越鞘层所需的时间,增大到达靶面的离子能量和离子通量,有利于提高溅射产额。2MHz溅射放电产生的离子,其速度分布函数呈双模结构,溅射气压的降低导致离子速度分布函数发生展宽,离子通量密度均随着溅射功率的增加而增加。（2）对于基片施加13.56MHz、27.12MHz射频偏压的放电,放电电压、放电电流均随着偏压功率的增加而增大,这意味着鞘电位、达到基片的离子密度随偏压功率的增大而增大。基片施加偏压时放电阻抗实部与放电电流符合R∞I-1关系,等离子体对放电电阻起决定作用。施加13.56MHz射频偏压时,阻抗虚部呈容性阻抗特性。在较高的气压下,基片电压的增加导致鞘层厚度的减小,在较低的气压下,鞘层厚度的略微增加,可能与离子密度增加有关。基片表面鞘层厚度变化在7-1μm之间（5Pa）、4-14μm之间（1Pa）,与鞘层厚度相比,厚度变化小于12%。基片施加27.12MHz射频偏压时,阻抗虚部呈感性阻抗特性,与电子惯性作用或位移电流的增加有关。（3）基片施加偏压对Ag靶的磁控放电特性具有影响,导致靶放电的溅射功率（P）、放电电压（V）和放电电流（I）下降。基片施加13.56MHz射频偏压时,P、V、I下降比例分别约6.2%、7.4%、5.0%（5Pa）和 1.8%、1.7%、7.5%（1Pa）。基片施加27.12MHz射频偏压时,P、V、I下降比例分别约2.9%、4.0%、7.3%（5Pa）和 1.4%、2.7%、7.5%（1Pa）。放电气压的降低可以减轻这种影响。（4）当在基片上施加偏压时,到达基片表面的离子性能（离子能量分布特性、离子通量密度）将受到影响。基片施加13.56MHz偏压时,IVDF从单峰形状演变为展宽的单峰和多峰的形状,向高能量区域和低能量区域扩展,导致低能和高能离子的增加;离子通量密度随基片偏压的增加而增加。基片施加27.12MHz偏压时,IVDF随着偏压功率增加从单峰、双峰结构向单峰、多峰结构演变,主峰向低能侧移动,最可几离子能量降低,离子能量的发散得到抑制。离子通量密度随基片偏压增加而增大。与施加13.56MHz基片偏压时的离子通量密度相比较,增加了大约一倍。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   §1.1 研究背景
•   §1.2 基片偏压对薄膜沉积及离子性能影响的研究进展
•   §1.3 本文研究内容
• 第二章 实验方法
•   §2.1 磁控溅射实验装置与实验条件
•   §2.2 测量分析方法
•     2.2.1 射频放电电性能的V-I探针测量
•     2.2.2 拒斥场能量分析仪（RFEA）测量溅射离子能量
• 第三章 Ag靶2MHz溅射的放电特性
•   §3.1 Ag靶2MHz溅射的功率耗散特性
•     3.1.1 源输入功率与放电功率
•     3.1.2 放电功率的耗散
•   §3.2 Ag靶2MHz溅射的I-V特性
•   §3.3 Ag靶2MHz溅射的靶阻抗特性
• 第四章 射频基片偏压的放电特性
•   §4.1 偏压放电的电压、电流特性
•   §4.2 基片偏压放电对2 MHz磁控溅射放电特性的影响
• 第五章 射频基片偏压对离子性能的影响
•   §5.1 2 MHz磁控溅射放电的离子性能
•   §5.2 13.56MHz基片偏压对离子性能的影响
•   §5.3 27.12MHz基片偏压对离子性能的影响
• 第六章 结论
•   §6.1 本文的主要研究结果
•   §6.2 存在的问题和进一步研究方向
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 朱敏

导师: 叶超

关键词: 射频磁控溅射,射频基片偏压,离子特性,放电特性

来源: 苏州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,工业通用技术及设备

单位: 苏州大学

基金: 国家自然科学基金(项目批准号:11675118,11275136)

分类号: O484

DOI: 10.27351/d.cnki.gszhu.2019.001401

总页数: 63

文件大小: 5606K

下载量: 22