本文是博士论文，主要研究不同溅射方法薄膜制备的理论计算及特性

第一章 直流磁控溅射薄膜沉积模型的研究

为了提高磁控溅射镀膜系统所制备薄膜的膜厚分布均匀性，相关领域研究人员开展了大量的工作。实验方面主要包括改变靶基距、溅射功率以及工作气压等方面；理论方面通过提出不同的膜厚分布的算法，讨论改变靶与基片位置关系[104]、靶材的形状[111-116]、基片的运动方式[105-108]等方面因素对膜厚均匀性的影响。近年来，公自转磁控溅射镀膜系统可以调节自转与公转的角速度比、制得的薄膜均匀性更好、溅射效率高等优点，逐渐受到学者们的重视[141-142]。本章建立了公自转系统薄膜厚度分布的理论模型，讨论了转速比对薄膜厚度均匀性的影响。同时建立传统单工位自转系统的膜厚分布模型，将理论结果与实验中所测量的结果进行了比较和分析。

1.1 薄膜厚度分布的理论模型

本文的理论模型建立在以下四点假设的基础之上：

（1）磁控溅射中的离子在电场力的作用下轰击靶面，因此多数情况下可以假定溅射离子是垂直入射靶面的，即离子入射角为 0。

（2）根据以往研究人员对被溅射粒子出射角的研究，同时为了简化模型，可以认为粒子离开靶面的角度分布为简单的余弦分布。

1.2 公自转磁控溅射镀膜系统沉积模型

公自转磁控溅射镀膜系统可以装载多个工件夹，如图 2-2 所示，以公转圆心为坐标原点，横坐标穿过靶心和自转中心。其中，s 是矩形靶的宽度，l 是矩形靶的长度，a 为基片圆心与原点的距离，d 为基片的直径。选取设备中的参数：基片半径 75mm，靶长 244mm，宽为 54mm，公转中心到靶左边界的距离为 100mm。由于该系统的平面磁控溅射系统的几个工件位是关于原点对称的，所以只需要对其中一个进行讨论。荷能粒子轰击固体表面，将固体原子（或分子）从表面射出的现象我们称为“溅射”，溅射镀膜是利用溅射现象沉积薄膜的一种方法。其工作原理为：气体放电过程产生等离子体，等离子体中的离子在电场的作用下飞向阴极并高速的轰击靶面，使得靶材中的原子或分子被溅射出，沉积到衬底（基片）上形成所需要制备的薄膜[4]。在真空放电室中安置两个电极，通入氩气，当外加直流电压大于着火电压 Vs时，气体就由绝缘体变成了良好的导体，电流突然增加，两极间的电压降突然下降，该物理现象即为气体放电。当等离子体轰击阴极靶时，靶面会发射出次级电子，电子在等离子体鞘层电场的作用下加速飞行并与气体原子发生碰撞，使其离化后再被加速，继续溅射阴极靶，不断重复这个过程。在放电过程中，当电子和离子结合或者处于被激发状态中的气体原子恢复到原态时都会发光[5,6]，所以称为辉光放电，气体辉光放电是整个溅射过程的基础。直流磁控溅射技术的工作原理如图 1-1 所示[8-14]，电子受到电场力的作用加速飞向基片，飞行过程中可能与 Ar 原子发生碰撞，如果电子携带的能量足够高，则会电离出 Ar 离子并产生二次电子。Ar 离子受到电场力的作用会加速溅射靶面，被溅射粒子中的中性原子（或分子）将沉积在衬底（基片）上形成薄膜。二次电子在电场力作用下向基片方向运动，但其同时受到磁场   的洛伦兹力作用，在电磁场中进行   ×   方向的漂移运动[15]，因此磁场能够有效的约束电子的运动轨迹，将电子束缚在靶材表面磁场平行分量达到最大的“跑道”内，溅射后的靶材表面会出现该跑道的痕迹，被称为刻蚀跑道。

第二章 反应溅射理论模型的研究

Berg 的模型被人们进行了深入的研究和发展，这些修正后的模型中，主要包括两种反应气体共溅射[126,134]、脉冲反应溅射[129]、多靶共溅射[131]、不均匀靶电流分布[132]等方面。然而，这些模型没有考虑生成物为多组分薄膜的情况，如非制冷红外探测器的敏感材料氧化钒（VOx）。本章针对氧化钒薄膜，建立了反应溅射多价态薄膜的物理模型，并基于该模型对反应溅射氧化钒的实验参数进行控制和优化。

2.1 氧化钒(VOx)薄膜

作为过渡金属元素，钒原子可以和氧原子结合形成 VxOy多种价态氧化物，不同价态的氧化钒相的晶格结构和空间排列各不相同，在材料性能上的差异也很大，研究表明至少有 8 种氧化钒材料具有从高温金属相到低温半导体相的转化特性，转换温度一般在－147°C～68°C[146-147]。每种相都存在着一个特定的相变转变温度 Tc，伴随着相变的发生，材料的晶体结构[148-149]、电阻率[150-151]、光学参数[152-153]（折射率、反射率）等都会发生显著的变化。反应环境中的氧含量、温度和氧化钒自身所处气压的不同都会造成氧化钒薄膜在价态和晶相上的差异。鉴于氧化钒的多价态共存的薄膜形态，从而增加了研究氧化钒反应溅射过程的复杂性和难度。为了在反应溅射过程中获得薄膜的成分、沉积速率与工艺参数之间的关系，本文针对于这种多价态共存的情况，对原有的“Berg”模型进行了修改。薄膜的结构和性质与制备工艺的关系非常密切，现有的溅射工艺在制备薄膜时，由于对设备的工艺参数控制的不足，造成了薄膜性能较差，工艺稳定性不好等问题，从而直接影响了薄膜器件的性能。本文的工作目的是针对实验中存在的各种问题，建立理论模型，得到相应的最优工艺参数，并在理论模型的指导下进行实验研究，分析讨论不同工艺参数对薄膜性能的影响。本文重点研究了薄膜的成分、均匀性、离化率、缺陷等方面的特性与工艺参数的关系，总结了不同溅射工艺中有价值的规律。理论和实验研究结果的结合有助于制备出特性优良的薄膜。

第三章 反应溅射理论模型的研究....... 35

3.1氧化钒(VOX)薄膜 ......... 35

3.2反应溅射基本模型 ....... 36

3.2.1分子动力学方程 ....... 36

3.2.2靶面情况 ....... 36

3.2.3收集面情况 ......... 37

3.3修正后的氧化钒反应溅射模型 ..... 38

3.4氧化钒的时间响应模型（TIMEDEPENDENT）...... 44

3.5本章小结 ..... 49

第四章 高功率脉冲磁控溅射的理论与实验研究....... 50

4.1COMSOL软件的 3D磁场仿真..... 50

4.2实验装置 ..... 55

4.2.1 高功率脉冲磁控溅射设备......... 55

4.2.2 三探针法测量装置......... 56

4.2.3 粒子离化率测量-栅网式离子分析仪.... 56

4.3实验结果分析与讨论 ......... 57

4.4本章小结 ..... 69

第五章 离子束溅射的实验和理论模型研究......... 71

5.1离子束溅射设备 ..... 72

5.2离子束溅射的实验研究 ..... 73

5.3离子束溅射的理论模型 ..... 78

5.4本章小结 ..... 97

结论

目前薄膜技术已经得到了广泛的应用，但是针对电子器件中的薄膜还存在一些没有解决的问题，无论是工艺的成本还是薄膜的制备过程，都还有很多可以优化的因素。溅射技术是一种重要的薄膜制备技术，本文从理论模型和实验研究两个方面，提出和验证了直流磁控溅射、直流反应溅射、脉冲磁控溅射以及离子束溅射四种溅射工艺中优化薄膜特性的具体方法，进行了一系列的探索性和创新性的工作。总结全文，得到以下结论：

1、建立公自转磁控溅射系统的沉积模型，得到薄膜厚度分布的计算公式。发现通过改变公-自转转速比，可以调节薄膜的膜厚均匀性。分别使用解析和数值两种算法得到了基片上各点停留在溅射区域的沉积时间。随后，将矩形靶的刻蚀跑道考虑进模型中，计算基片上各点在公-自转运动中沉积的膜厚。最后讨论了转速比对膜厚度均匀性的影响，并找到最佳的转速比。此外，建立（非公转）传统磁控溅射系统沉积模型，计算得到普通自转系统的膜厚均匀性。经比较发现，当 rev/ rot等于 0.6 左右时，膜厚均值相对偏差 Gt可以达到 0.0256；而传统沉积模型所得的膜厚偏差约为 0.1936。实验中使用最佳公-自转转速比以及传统自转模式分别制备 Ni-Cr 金属薄膜。实验中，公自转转速比 rev/ rot=0.6 时，均值相对偏差为0.0224；纯自转系统薄膜厚度的相对偏差为 0.1431。

2、之前的反应溅射模型仅仅适用于生成单一组分薄膜的情况，本文提出一种针对多组分化合物薄膜的反应溅射模型。以氧化钒为例，考虑到反应溅射沉积的氧化钒薄膜中含有 VO 和 V2O5两种成分，仿真了反应气体分压随气体流量的滞回效应。通过该模型还可以得到靶面以及基片上金属、低价氧化物以及高价氧化物含量随气体流量的变化趋势，进而对氧化钒薄膜的不同组分含量比例进行控制。此外，本章还建立反应溅射氧化钒的时间响应模型。该模型中，推导预溅射和溅射两个过程中反应溅射氧化钒的靶电压、靶面化合物含量与反应气体流量、时间分别的函数关系。研究反应溅射氧化钒靶电压的滞回效应，并与实验中监控得到的靶电压变化曲线进行比较。靶电压在预溅射的过程中会逐渐降低，溅射的前 10分钟内，电压随时间急剧增加，10 分钟后，逐渐达到平衡状态，维持稳定。实验结果与理论计算结果相吻合，由此证明理论模型的正确性。3、使用有限元分析软件 COMSOL 对磁场强度和磁场位形进行计算和设计。设计了闭合与非闭合、不同磁场强度（“200G”，“500G”，“800G”）、不同磁场宽度等磁场位形。在实验装置中搭建了上述几种磁场位形，使用铜（Cu）靶，对不同磁场位形下的等离子体分布进行测量，得到电子温度 Te，电子密度 ne以及等离子体悬浮电压 Vf的时间响应曲线。研究表明，磁场位形直接影响了等离子体的密度、扩散方向、扩散速度以及薄膜离化率。“800G”的位形中，等离子更倾向于竖直扩散，而不容易发生平行扩散。与此相反，“200G”强度下的等离子体可以向各个方向扩散。磁场强度相同的条件下（“500G”），宽磁场跑道的位形由于具有更宽阔的刻蚀面积，从而产生更高的放电电流和更密集的等离子体分布。设计了几种不同的非闭合磁场位形，从实验中得到的放电特性曲线来看，我们发现脉冲磁控溅射还是需要闭合的磁场来约束电子在跑道附近的运动轨迹。同时，设计了一种类似“螺旋”结构的磁场位形，实验表明该设计可以在放电电流不变的情况下增加靶材的利用率。随着脉冲电压的增加，高密度的等离子体可以电离更多的金属原子，从而得到更高的金属离化率。磁场从“200G”增加到“800G”，离化率从 60%降到 30%左右。原因在于强磁场位形中，脉冲放电结束后仍然持续的强等离子体鞘层抑制离子向基片方向的扩散。最后比较了 HIPIMS、DC 和 MPP 三种电源所制备薄膜的离化率大小，发现 HIPIMS 所制备薄膜的离化率远远高于后面两种电源。

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