基体偏压对直流非平衡磁控溅射氮化硅薄膜生长特性的影响

? 570 ? DOI: 10.19289/j.1004-227x.2018.13.003 基体偏压对直流非平衡磁控溅射氮化硅薄膜生长特性的影响

石志锋1, 2, *，郑志雯2，宁成云2，王迎军2

（1.华南理工大学医疗器械研究检验中心，广东 广州 510006；2.华南理工大学材料学院，广东 广州 510641）

摘要：采用高纯硅靶和氮气，以直流非平衡磁控溅射技术在单晶硅表面制备氮化硅薄膜。借助台阶仪、原子力显微镜、红外光谱

和X 射线光电子能谱考察了基体偏压(?50 ~ ?200 V )对氮化硅薄膜沉积速率、表面形貌及元素化学态的影响。结果表明：所得

氮化硅薄膜表面光滑，连续致密，均匀。随着样品负偏压的提高，薄膜的生长速率逐渐降低，但当偏压超过?150 V 时，薄膜的

沉积速率又升高。当基体偏压从?50 V 提高到?200 V 时，薄膜中Si 2p 的峰位向高能端移动了0.41 eV 。基片偏压为?150 V 时，

薄膜生长较为缓慢，但致密，Si ─N 键含量高。

关键词：单晶硅；氮化硅薄膜；非平衡磁控溅射；基体偏压；沉积速率；表面形貌；化学态

中图分类号：TB43; TG174.444 文献标志码：A 文章编号：1004 – 227X (2018) 13 – 0570 – 06

Effect of substrate bias voltage on growth characteristics of silicon nitride thin film by DC unbalanced

magnetron sputtering // SHI Zhi-feng*, ZHENG Zhi-weng, NING Cheng-yun, WANG Ying-jun

Abstract: Silicon nitride (Si–N) thin films were prepared on monocrystalline silicon surface by direct current (DC)

unbalanced magnetron sputtering technique with highly pure silicon target and nitrogen gas. The effect of substrate bias

voltage ranging from -50 V to -200 V on deposition rate and surface morphology of Si–N thin film as well as chemical states

of the elements in it was examined using profilometer, atomic force microscope, infrared spectroscope, Raman spectroscope,

and X-ray photoelectron spectroscope. It was found that the Si–N thin films are continuous and compact with smooth

surfaces. The deposition rate is decreased initially with the increasing of substrate bias voltage, and then increased after -150 V.

The Si 2p peak from the thin film prepared at a substrate bias voltage of -200 V shifts towards higher binding energy side by

0.41 eV as compared with that prepared at -50 V. The thin film grows slowly at a substrate bias voltage of -150 V, but features

a compact surface with high content of Si ─N bonds.

Keywords: monocrystalline silicon; silicon nitride thin film; unbalanced magnetron sputtering; substrate bias voltage;

deposition rate; surface morphology; chemical state

First-author’s address: Medical Device Research and Testing Center, South China University of Technology,

Guangzhou 510006, China

氮化硅薄膜是一种重要的精细陶瓷薄膜材料，由于硬度高、抗腐蚀、耐高温，阻挡杂质粒子扩散和

水汽渗透的能力强，而且具有优良的抗弹性形变能力和自润滑特性，因此倍受科学研究和工业应用的

关注[1-3]。薄膜的性能是由其微观结构和化学组分决定的，除了与薄膜材料本身性质有关外，还与薄膜的

制备技术密切相关。不同的制备方法有各自的优缺点[4-8]，所得到的薄膜在组织结构和机械性能上会有所

不同。

射频反应磁控溅射是其中一种常用的方法[9-10]，通过溅射不同的靶材(Si 或Si 3N 4)以及利用不同的

反应气体(N 2或NH 3)来沉积薄膜。磁控溅射技术成膜效率高，但是制备的薄膜与工件之间往往结合强度

较弱，影响其寿命[10]。常见的改进方法是对工件加以几十伏至几百伏的负偏压，从而达到在磁控溅射

沉积的同时轰击膜层的目的。荷能离子对薄膜表面的轰击混合将引起许多物理化学效应，如轰击导致的

喷丸碎化作用及热效应会引起晶粒长大，对薄膜的组织、结构等生长特性产生决定性的影响[11-13]。

薄膜中的化学键结构决定了薄膜的性能，而薄膜沉积过程中轰击薄膜表面的离子能量是决定薄膜

结构的重要因素。离子能量主要由沉积过程中施加在基体材料上的负偏压所决定。本文采用脉冲反应闭合

非平衡磁控溅射技术在单晶硅片基体表面沉积氮化硅薄膜，通过调整基体偏压来分析离子轰击能量对

薄膜的生长特性和元素化学态的影响。

收稿日期：2018–06–01 修回日期：2018–06–17

基金项目：国家重点研发计划“华南生物医用材料与植入器械创新示范基地”（2017YFC1105000）。

作者简介：石志锋（1981–），男，山东淄博人，博士，工程师，研究方向为生物材料表面工程和医疗器械研究检验。

作者联系方式：(E-mail) zhfs@https://www.wendangku.net/doc/181416566.html, 。

万方数据

关于磁控溅射发展历程的综述

磁控溅射 1852年，格洛夫（grove）发现阴极溅射现象，自此以后溅射技术就开始建立起来了！磁控溅射沉积技术制取薄膜是上世纪三四十年代发展起来的，由于当时的溅射技术刚刚起步，其溅射的沉积率很低，而且溅射的压强基本上在1pa以上，因此溅射镀膜技术一度在产业话的竞争中处于劣势。1963年，美国贝尔实验室和西屋电气公司采用长度为10米的连续溅射镀膜装置。1974年，j.chapin发现了平衡磁控溅射。这些新兴发展起来的技术使得高速、低温溅射成为现实，磁控溅射更加快速地发展起来了，如今它已经成为在工业上进行广泛的沉积覆层的重要技术，磁控技术在许多应用领域包括制造硬的、抗磨损的、低摩擦的、抗腐蚀的、装潢的以及光电学薄膜等方面具有重要的影响。 磁控溅射的发展历程： 溅射沉积是在真空环境下，利用等离子体中的荷能离子轰击靶材表面，使靶材上的原子或离子被轰击出来，被轰击出的粒子沉积在基体表面生长成薄膜。 溅射沉积技术的发展历程中有几个具有重要意义的技术创新应用，现在归结如下： （1）二级溅射： 二级溅射是所有溅射沉积技术的基础，它结构简单、便于控制、工艺重复性好主要应用于沉积原理的研究，由于该方法要求工作气压高（>1pa）、基体温升高和沉积速率低等缺点限制了它在生产中的应用。 （2）传统磁控溅射（也叫平衡磁控溅射）： 平衡磁控溅射技术克服了二级溅射沉积速率低的缺点，使溅射镀膜技术在工业应用上具有了与蒸发镀膜相抗衡的能力。但是平衡磁控溅射镀膜同样也有缺点，它的缺点在于其对二次电子的控制过于严密，使等离子体被限制在阴极靶附近，不利于大面积镀膜。 （3）非平衡磁控溅射： B.Window在1985年开发出了“非平衡磁控溅射技术”，它克服了平衡磁控溅射技术的缺陷，适用于大面积镀膜。并且在上世纪90年代前期，在非平衡磁控溅射的基础上发展出了闭合非平衡系统（CFUBMS），采用多个靶以及非平衡结构构成的闭合磁场可以对电子进行有效地约束，使整个真空室的等离子体密度得以提高。这样可以使磁控溅射技术更适合工业生产。 （4）脉冲磁控溅射： 由于在通过直流反应溅射来制得高密、无缺陷的绝缘膜（尤其是氧化物薄膜）时，经常存在不少的问题。其结果会严重的影响膜的结构和性能。但是通过脉冲磁控溅射可以与制得金属薄膜同样的效率来制得高质量的绝缘体薄膜。近年来，随着脉冲中频电源的研发成功，使镀膜工艺技术又上了一个新的台阶；利用中频电源，采用中频对靶或者孪生靶，进行中频磁控溅射，有效地解决了靶中毒严重的现象，特别是在溅射绝缘材料的靶时，克服了溅射过程中，阳极消失的现象。 （5）磁控溅射技术新型应用： 磁控溅射技术的新型应用是指在以上基础上，再根据应用的需要，对磁控溅射系统进行改进而衍生出的多种多样的设备和装置。这些改进主要是在系统内磁力线的分布上以及磁控溅射靶的设置和分布上。

氮化硅薄膜的沉积速率和表面形貌

收稿日期:2008-09-12.　 基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(200611AA03).材料、结构及工艺 氮化硅薄膜的沉积速率和表面形貌 张广英1,吴爱民1,秦福文1,公发全2,姜　辛1,3 (1.大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,辽宁大连116024; 2.大连化学物理研究所,辽宁大连116023; 3.德国锡根大学材料工程学院,德国锡根57056) 摘　要:　采用电子回旋共振2等离子体增强化学气相沉积(ECR 2PECVD )技术,以氮气为等离子体气源,5%硅烷(Ar 稀释)为前驱气体,在玻璃衬底上低温制备了氮化硅薄膜。利用偏振光椭圆率测量仪、原子力显微镜(A FM )等测试技术分析探讨了硅烷流量(5～50cm 3)、沉积温度(150～ 350℃ )以及微波功率(500～650W )等对SiN 薄膜沉积速率及表面形貌的影响。结果表明:沉积速率随着硅烷流量和微波功率的增加而增加(最高达到11.07nm/min ),随着衬底温度的增加而降低,在温度为350℃时降低到2.44nm/min 。薄膜的粗糙度随着衬底温度和微波功率的增加而降低,粗糙度最低为0.89nm ,说明薄膜的表面质量较高。 关键词:　ECR 2PECVD ;氮化硅薄膜;沉积速率;表面形貌中图分类号:TN304.054　文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)04-0558-04 Deposition R ate and Surface Topography of SiN Films ZHAN G Guang 2ying 1,WU Ai 2min 1,Q IN Fu 2wen 1,GON G Fa 2quan 2,J IAN G Xin 1,3 (1.State K ey Lab.of Materials Modif ication by Laser ,Ion and E lectron B eams ,Dalian U niversity of T echnology ,Dalian 116024,CHN;2.Dalian I nstitute of Chemical Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Dalian 116023,CHN; 3.Institute of Materials E ngineering ,Siegen U niversity ,Siegen 57076,GER ) Abstract :　The silicon nit ride films were deposited at low deposition temperat ure by electron cyclotron reso nance 2plasma enhanced chemical vapor deposition (ECR 2PECVD )technique on glass subst rate by applying p ure nit rogen as t he plasma gas source and 5%silane (Ar dilute )as t he precursor gas.The deposition rate ,refractive index and surface topograp hy of SiN films were st udied by ellip somet ry and A FM.Result s show t hat t he depo sition rate increases wit h t he silicon gas flow and microwave power increasing ,and decreases wit h t he subst rate temperat ure increasing.The maximal depo sitio n rate is 11.07nm/min.The minimal depo sition rate of 2.44nm/min is achieved at t he subst rate temperate of 350℃.Wit h t he deposition temperat ure and microwave power increasing ,t he roughness of silicon nit ride films decreases wit h t he minimal value is 0.89nm. K ey w ords :　ECR 2PECVD ;SiN films ;depo sition rate ;surface topograp hy 0　引言 近年来,用PECVD 技术制备氮化硅薄膜并应用于太阳电池的课题越来越引起人们的关注[122]。 作为一种重要的新型功能材料,氮化硅薄膜具有优良的光学性能、电学性能和化学稳定性能[3]。在太阳电池中,氮化硅薄膜由于它的优良的光学性能,可以作为一种很好的减反射材料,以减少入射太阳光的损失,提高电池的效率。同时,氮化硅薄膜也可以对太阳电池起到表面和体内的钝化作用,提高电池 ? 855?

工作气压对射频磁控溅射HfO2薄膜工艺影响的研究

工作气压对射频磁控溅射HfO2薄膜工艺影响的研究 发表时间：2019-03-14T15:24:43.167Z 来源：《知识-力量》2019年6月中作者：刘汉伟 [导读] 二氧化铪可以用来作为取代传统二氧化硅的一种很好的高介电常数。由于然而，在制备薄膜方法中，氧化铪层的结构和性质强烈依赖于沉积条件和后退火处理的技术。 （大连东软信息学院） 摘要：二氧化铪可以用来作为取代传统二氧化硅的一种很好的高介电常数。由于然而，在制备薄膜方法中，氧化铪层的结构和性质强烈依赖于沉积条件和后退火处理的技术。本文应用磁控溅射法来制备二氧化铪薄膜，采用扫描电子显微镜（SEM）分析其薄膜表面形貌及粗糙程度和组织组成。为射频磁控溅射制备HfO2工艺条件的研究提供了借鉴。 关键词：二氧化铪；工作气压；射频磁控溅射；退火 1 引言 在集成电路的飞速发展中，产业存着一则由Gordon Moore先生提出的摩尔定律，提出内容为每隔的摩尔定律，提出内容为每隔18至24个月集成电路芯片上所有的数目翻一番。在摩尔定律下，集成电路的度随着时间不断上升特征尺寸减小。在人们持续不断的研究中，发现一系列可以作为氧化硅替代者的高介电常数材料，其中氧化铪材料备受关注，基于热力学研究和带隙测量，氧化铪被认为是高K电介质中替代二氧化硅材料的最佳候选。氧化铪薄膜具有较高的硬度、高的化学稳定性和优良的介电性能。氧化铪具有合适的介电常数、禁带宽度较大、与硅基CMOS集成电路有着优异的兼容性，因此，氧化铪可以用来作为取代传统二氧化硅的一种很好的高介电常数。由于然而，在制备薄膜方法中，氧化铪层的结构和性质强烈依赖于沉积条件和后退火处理的技术。 本文应用磁控溅射法来制备二氧化铪薄膜，采用扫描电子显微镜（SEM）分析其薄膜表面形貌及粗糙程度和组织组成。 2 实验 实验应用射频磁控溅射法制备HfO2薄膜，通过确定基本工艺参数，控制变量参数，对制备完成的HfO2薄膜进行表征分析，分析其晶体结构、表面形貌。 实验镀膜设备是中国科学院沈阳科学仪器股份有限公司所生产的TRP-450高真空三靶磁控溅射镀膜系统和北京世纪久泰真空技术有限公司生产的高真空热蒸发薄膜沉积系统。其主要由真空溅射室、电气控制柜、循环水冷系统组成；真空溅射室采用卧式圆筒型结构，尺寸为450×400mm，前开门结构，选用不锈钢材料制造，氩弧焊接，表面进行化学抛光处理，接口采用金属垫圈密封或氟橡胶圈密封。实验制备应用的靶材为纯金属Hf（99.99%）靶材，石英玻璃作为衬底片。溅射功率400W，氩氧比列2/9，本地真空度为3×10-4Pa，工作气压分别为0.2Pa，0.25Pa，0.3Pa，0.35Pa，0.4Pa，0.45Pa和0.5Pa。 3.结果与讨论 图1 工作气压与薄膜溅射速率之间的关系 由图1中可以明显看出,在实验中选取的工作气压范围内,工作气压对沉积速率的影响趋势是明显的。随工作气压升高,沉积速度呈上升趋势,而当工作气压达到0.3Pa以后沉积速度基本上维持不变。之所以出现这样的现象是由于随着工作气压的增高,带来两方面的作用效果。一方面工作气压的升高使得真空室内粒子数量的增加,对靶材的轰击溅射作用增强,其溅射产额增加,为薄膜合成所提供的金属源产量增加,必然提高薄膜的合成速度;另一方面工作气压的升高增加了各种粒子在向基片运动过程中碰撞几率,能够减少到达基片合成薄膜的粒子数量。两方面因素的综合作用,使得在一定的工作气压范围内表现出沉积速度的增加趋势。而当工作气压升高到一定程度后,沉积速度会显示降低的趋势。在本实验中,气压在0.3～0.4Pa之间是沉积速度达到最大,在0.5Pa附近已经有下降趋势。 图2为HfO2薄膜在制备得到薄膜退火后的SEM图。从图中可以得到，退火可以使薄膜表面的增强迁移能力，容易获得致密程度高的薄膜。

磁控溅射法制备薄膜材料综述

磁控溅射法制备薄膜材料综述 摘要薄膜材料的厚度是从纳米级到微米级，具有尺寸效应，在国防、通讯、航空、航天、电子工业等领域有着广泛应用，其有多种制造方法，目前使用较多的是溅射法，其中磁控溅射的应用较为广泛。本文主要介绍了磁控溅射法的原理、特点，以及制备过程中基片温度、溅射功率、溅射气压和溅射时间等工艺条件对所制备薄膜性能的影响。 关键字磁控溅射；原理；工艺条件；影响 Brief Introduction to Thin Films by Magnetron Sputtering Abstract: The thickness of thin films is from the nano to the micron level.With its size effect, the films are widely used in the defense, telecommunication, aviation, aerospace, electronics and other fields.It can be prepared by many ways,of which the sputtering is used mostly.And magnetron sputtering is popular.The principle and characteristics of magnetron sputtering, and how substrate temperature, sputtering power, sputtering pressure and sputtering time influence the the properties of the films during the preparing process are introduced in this paper. Key Words: magnetron sputtering; principles; conditions; lnfluence 1 引言 薄膜是指尺度在某个一维方向远远小于其他二维方向，厚度可从纳米级到微 米级的材料，由于薄膜的尺度效应，它表现出与块体材料不同的物理性质，有广 泛应用。薄膜的制备大致可分为物理方法和化学方法两大类[1]。物理方法主要包 括各种不同加热方式的蒸发，溅射法等，化学方法则包括各种化学气相沉积 （CVD）、溶胶-凝胶法（sol-gel）等。 溅射沉积法由于速率快、均一性好、与基片附着力强、比较容易控制化学剂 量比及膜厚等优点，成为制备薄膜的重要手段。溅射法根据激发溅射离子和沉积 薄膜方式的不同又分直流溅射、离子溅射、射频溅射和磁控溅射，目前多用后两 种。本文主要介绍磁控溅射制备薄膜材料的原理及影响因素。 2 磁控溅射法 2.1磁控溅射基本原理

基体偏压对直流非平衡磁控溅射氮化硅薄膜生长特性的影响

? 570 ? DOI: 10.19289/j.1004-227x.2018.13.003 基体偏压对直流非平衡磁控溅射氮化硅薄膜生长特性的影响 石志锋1, 2, *，郑志雯2，宁成云2，王迎军2 （1.华南理工大学医疗器械研究检验中心，广东 广州 510006；2.华南理工大学材料学院，广东 广州 510641） 摘要：采用高纯硅靶和氮气，以直流非平衡磁控溅射技术在单晶硅表面制备氮化硅薄膜。借助台阶仪、原子力显微镜、红外光谱 和X 射线光电子能谱考察了基体偏压(?50 ~ ?200 V )对氮化硅薄膜沉积速率、表面形貌及元素化学态的影响。结果表明：所得 氮化硅薄膜表面光滑，连续致密，均匀。随着样品负偏压的提高，薄膜的生长速率逐渐降低，但当偏压超过?150 V 时，薄膜的 沉积速率又升高。当基体偏压从?50 V 提高到?200 V 时，薄膜中Si 2p 的峰位向高能端移动了0.41 eV 。基片偏压为?150 V 时， 薄膜生长较为缓慢，但致密，Si ─N 键含量高。 关键词：单晶硅；氮化硅薄膜；非平衡磁控溅射；基体偏压；沉积速率；表面形貌；化学态 中图分类号：TB43; TG174.444 文献标志码：A 文章编号：1004 – 227X (2018) 13 – 0570 – 06 Effect of substrate bias voltage on growth characteristics of silicon nitride thin film by DC unbalanced magnetron sputtering // SHI Zhi-feng*, ZHENG Zhi-weng, NING Cheng-yun, WANG Ying-jun Abstract: Silicon nitride (Si–N) thin films were prepared on monocrystalline silicon surface by direct current (DC) unbalanced magnetron sputtering technique with highly pure silicon target and nitrogen gas. The effect of substrate bias voltage ranging from -50 V to -200 V on deposition rate and surface morphology of Si–N thin film as well as chemical states of the elements in it was examined using profilometer, atomic force microscope, infrared spectroscope, Raman spectroscope, and X-ray photoelectron spectroscope. It was found that the Si–N thin films are continuous and compact with smooth surfaces. The deposition rate is decreased initially with the increasing of substrate bias voltage, and then increased after -150 V. The Si 2p peak from the thin film prepared at a substrate bias voltage of -200 V shifts towards higher binding energy side by 0.41 eV as compared with that prepared at -50 V. The thin film grows slowly at a substrate bias voltage of -150 V, but features a compact surface with high content of Si ─N bonds. Keywords: monocrystalline silicon; silicon nitride thin film; unbalanced magnetron sputtering; substrate bias voltage; deposition rate; surface morphology; chemical state First-author’s address: Medical Device Research and Testing Center, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China 氮化硅薄膜是一种重要的精细陶瓷薄膜材料，由于硬度高、抗腐蚀、耐高温，阻挡杂质粒子扩散和 水汽渗透的能力强，而且具有优良的抗弹性形变能力和自润滑特性，因此倍受科学研究和工业应用的 关注[1-3]。薄膜的性能是由其微观结构和化学组分决定的，除了与薄膜材料本身性质有关外，还与薄膜的 制备技术密切相关。不同的制备方法有各自的优缺点[4-8]，所得到的薄膜在组织结构和机械性能上会有所 不同。 射频反应磁控溅射是其中一种常用的方法[9-10]，通过溅射不同的靶材(Si 或Si 3N 4)以及利用不同的 反应气体(N 2或NH 3)来沉积薄膜。磁控溅射技术成膜效率高，但是制备的薄膜与工件之间往往结合强度 较弱，影响其寿命[10]。常见的改进方法是对工件加以几十伏至几百伏的负偏压，从而达到在磁控溅射 沉积的同时轰击膜层的目的。荷能离子对薄膜表面的轰击混合将引起许多物理化学效应，如轰击导致的 喷丸碎化作用及热效应会引起晶粒长大，对薄膜的组织、结构等生长特性产生决定性的影响[11-13]。 薄膜中的化学键结构决定了薄膜的性能，而薄膜沉积过程中轰击薄膜表面的离子能量是决定薄膜 结构的重要因素。离子能量主要由沉积过程中施加在基体材料上的负偏压所决定。本文采用脉冲反应闭合 非平衡磁控溅射技术在单晶硅片基体表面沉积氮化硅薄膜，通过调整基体偏压来分析离子轰击能量对 薄膜的生长特性和元素化学态的影响。 收稿日期：2018–06–01 修回日期：2018–06–17 基金项目：国家重点研发计划“华南生物医用材料与植入器械创新示范基地”（2017YFC1105000）。 作者简介：石志锋（1981–），男，山东淄博人，博士，工程师，研究方向为生物材料表面工程和医疗器械研究检验。 作者联系方式：(E-mail) zhfs@https://www.wendangku.net/doc/181416566.html, 。 万方数据

二氧化硅薄膜制备及检测

二氧化硅的化学性质 二氧化硅的化学性质不活泼，不与水反应，也不与酸（氢氟酸除外）反应，但能与碱性氧化物或碱反应生成盐。例如：高温 2NaOH+SiO2===Na2SiO3+H2O CaO+SiO2===CaSiO3 二氧化硅的化学性质特点：SiO2是酸性氧化物，是硅酸的酸酐。然而SiO2与其它的酸性氧化物相比却有一些特殊的性质。 （1）酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但SiO2却不能直接跟水化合。它所对应的水化物——硅酸，只能用相应的可溶性硅酸盐跟酸反应制得（硅酸不溶于水，是一种弱酸，它的酸性比碳酸还要弱（2）酸性氧化物一般不跟酸作用，但SiO2却能跟氢氟酸起反应，生成气态的四氟化硅。SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O 普通玻璃、石英玻璃的主要成分是二氧化硅。因而可用氢氟酸来腐蚀玻璃。用氢氟酸在玻璃上雕花刻字，实验室里氢氟酸不能用含二氧化硅的玻璃、陶瓷、瓷器、陶器盛放，一般可用塑料瓶。 （3）SiO2与强碱溶液反应可生成水玻璃，它是一种矿物胶，常用作粘合剂。所以实验室盛放碱溶液的试剂瓶不用玻璃塞，而用橡胶塞。 二氧化硅在IC中的用途 二氧化硅薄膜最重要的应用是作为杂质选择扩散的掩蔽膜，因此需要一定的厚度来阻挡杂质扩散到硅中。二氧化硅还有一个作用是对器件表面保护和钝化。二氧化硅薄膜还可作为某些器件的组成部分： （1）用作器件的电绝缘和隔离。 （2）用作电容器的介质材料。 （3）用作MOS晶体管的绝缘栅介质。 1 二氧化硅（SiO2）薄膜的制备 针对不同的用途和要求,很多SiO2薄膜的制备方法得到了发展与应用,主要有化学气相淀积，物理气相淀积，热氧化法，溶胶凝胶法和液相沉积法等。 1.1化学气相淀积（CVD） 1969年，科莱特（Collett）首次利用光化学反应淀积了Si3N4薄膜，从此开辟了光化 学气相淀积法在微电子方面的应用。 化学气相淀积是利用化学反应的方式，在反应室内，将反应物（通常是气体）生成固态生成物，并淀积在硅片表面是的一种薄膜淀积技术。因为它涉及化学反应，所以又称CVD （Chemical Vapour Deposition）。 CVD法又分为常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)和光化学气相沉积等。此外CVD法制备SiO2可用以下几种反应体系:SiH4-O2、SiH4-N2O、SiH2Cl2-N2O、Si(OC2H5)4等。各种不同的制备方法和不同的反应体系生长SiO2所要求的设备和工艺条件都不相同,且各自拥有不同的用途和优缺点。目前最常用的是等离子体增强化学气相沉积法。 1.1.1等离子体增强化学气相沉积法 这种技术利用辉光放电,在高频电场下使稀薄气体电离产生等离子体,这些离子在电场中被加速而获得能量,可在较低温度下实现SiO2薄膜的沉积。这种方法的特点是沉积温度可以降低,一般可从LPCVD中的700℃下降至200℃,且生长速率快,可准确控制沉积速率(约1nm樸s),生成的薄膜结构致密;缺点是真空度低,从而使薄膜中的杂质含量(Cl、O)较高,薄膜硬度低,沉积速率过快而导致薄膜内柱状晶严重,并存在空洞等。

用磁控溅射制备薄膜材料的概述

用磁控溅射制备薄膜材料的概述 1.引言 溅射技术属于PVD（物理气相沉积）技术的一种，是一种重要的薄膜材料制备的方法。它是利用带电荷的粒子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的物质制成的靶电极（阴极），并将靶材原子溅射出来使其沿着一定的方向运动到衬底并最终在衬底上沉积成膜的方法。磁控溅射是把磁控原理与普通溅射技术相结合利用磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，以此改进溅射的工艺。磁控溅射技术已经成为沉积耐磨、耐蚀、装饰、光学及其他各种功能薄膜的重要手段。 2.溅射技术的发展 1852年，格洛夫(Grove)发现阴极溅射现象，从而为溅射技术的发展开创了先河。采用磁控溅射沉积技术制取薄膜是在上世纪三四十年代开始的，但在上世纪70年代中期以前，采蒸镀的方法制取薄膜要比采用磁控溅射方法更加广泛。这是凶为当时的溅射技术140刚起步，其溅射的沉积率很低，而且溅射的压强基本上在lpa以上但是与溅射同时发展的蒸镀技术由于其镀膜速率比溅射镀膜高一个数量级，使得溅射镀膜技术一度在产业化的竞争中处于劣势溅射镀膜产业化是在1963年，美国贝尔实验室和西屋电气公司采用长度为10米的连续溅射镀膜装置，镀制集成电路中的钽膜时首次实现的。在1974年，由J．Chapin发现了平衡磁控溅射后，使高速、低温溅射成为现

实，磁控溅射更加快速地发展起来。 溅射技术先后经历了二级、三级和高频溅射。二极溅射是最早采用，并且是目前最简单的基本溅射方法。二极溅射方法虽然简单，但放电不稳定，而且沉积速率低。为了提高溅射速率以及改善膜层质量，人们在二极溅射装置的基础上附加热阴极，制作出三极溅射装置。 然而像这种传统的溅射技术都有明显的缺点： 1）．溅射压强高、污染严重、薄膜纯度差 2）．不能抑制由靶产生的高速电子对基板的轰击，基片温升高、淀积速率低 3）．灯丝寿命低，也存在灯丝对薄膜的污染问题 3.磁控溅射的原理： 磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。具有低温、高速两大特点。 电子在加速的过程中受到磁场洛仑兹力的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内： F=－q(E+v×B) 电子的运动的轨迹将是沿电场方向加速，同时绕磁场方向螺旋前进的复杂曲线。即磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高了它参与原子碰撞和电离过程的几率，因而在同样的电流和气压下可以显著地提高溅射的效率和沉积的速率。 具体地说来磁控溅射系统在真空室充入0.1～1OPa压力的惰性气

翻译(非平衡磁控溅射阴极的优化研究)

Studies on the optimisation of unbalanced magnetron sputtering cathodes Abstract The optimisation is reported on the design of unbalanced magnetron (UBM) sputtering cathodes. For the study, a planar circular cathode backed by a double-coil electromagnet (compatible for a 100mm diameter target) was developed. The variation of the structure and strength of the magnetic field in front of the target was investigated for different current combinations in the electromagnetic coils, and its effect on the sputtering process was analysed. The observations on the magnetic field geometry revealed some interesting features, such as the balancing point of the fields along the axis (null-point), and the zero axial region over the target surface (Bz=0 ring). The positions of both could be controlled by adjusting the ratio of the electric current in the coils. The magnetic field null-point could be used as a reference for the region of homogeneous film growth. The Bz=0 ring was the location where the glow discharge concentrated (or where the maximum target erosion occurred). The diameter of the ring determined the area covered by the discharge and thus the sputtering e|ciency. The optimum substrate position can be Txed according to the position of the null-point and optimisation of sputtering can be achieved by adjusting the diameter of the Bz=0 ring. The results of this study should be helpful in the designing of an ideal UBM using permanent magnets as well as electromagnets. 1. Introduction The unbalanced magnetron (UBM) has been the focus of interest for the PVDcommunity for over a decade [1]. While the conventional magnetron sputtering has already made its impact on the thin-film coating industry, the” unbalanced” version proves more advantageous because it combines high deposition rates and low-energy ion bombardment at the substrate. The ion bombardment is achieved by modifying the conventional magnetron (CM) with an additional magnetic field, which deviates the trajectories of secondary electrons from the glow discharge region concentrated near the target, towards the substrate. This would create an ionised region near the substrate and hence causes ion bombardment on the growing film, thereby modifying the properties of the coating [1D4]. The first ever detailed study of the UBM, is due to Window and Savvides [5]. They analysed dfferent modes of unbalancing the magnetron using permanent magnets and electromagnets, and proved that a magnetic field which converges towards the substrate (Type II, as they designated) gives the desired unbalancing effect. This field distribution was found to maintain considerable ion bombardment over the substrate at low energies, with a high ratio of ion-to-deposited atom.

实验磁控溅射法制备薄膜材料

实验磁控溅射法制备薄 膜材料 GE GROUP system office room 【GEIHUA16H-GEIHUA GEIHUA8Q8-

实验4 磁控溅射法制备薄膜材料 一、实验目的 1. 掌握真空的获得 2. 掌握磁控溅射法的基本原理与使用方法 3. 掌握利用磁控溅射法制备薄膜材料的方法 二、实验原理 磁控溅射属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中，氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后，沉积到元件表面形成所需膜层。磁控原理就是采用正交电磁场的特殊分布控制电场中的电子运动轨迹，使得电子在正交电磁场中变成了摆线运动，因而大大增加了与气体分子碰撞的几率。用高能粒子(大多数是由电场加速的气体正离子)撞击固体表面(靶)，使固体原子(分子)从表面射出的现象称为溅射。 1. 辉光放电： 辉光放电是在稀薄气体中，两个电极之间加上电压时产生的一种气体放电现象。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础之上的，即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，磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。 如图1（a）所示为一个直流 气体放电体系，在阴阳两极之间 由电动势为的直流电源提供电压 和电流，并以电阻作为限流电 阻。在电路中，各参数之间应满 足下述关系： V=E-IR 使真空容器中Ar气的压力保持一定，并逐渐提高两个电极之间的电压。在开始时，电极之间几乎没有电流通过，因为这时气体原子大多仍处于中性状态，只有极少量的电离粒子在电场的作用下做定向运动，形成极为微弱的电流，即图(b)中曲线的开始阶段所示的那样。 图1 直流气体放电 随着电压逐渐地升高，电离粒子的运动速度也随之加快，即电流随电压上升而增加。当这部分电离粒子的速度达到饱和时，电流不再随电压升高而增加。此时，电流达到了一个饱和值（对应于图曲线的第一个垂直段）。

磁控溅射仪的缺点调研2

平衡磁控溅射的概念和优缺点 平衡磁控溅射即传统的磁控溅射，是在阴极靶材背后放置芯部与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈，在靶材表面形成与电场方向垂直的磁场。沉积室充入一定量的工作气体，通常为Ar，在高压作用下Ar 原了电离成为Ar+离子和电子，产生辉光放电，Ar+ 离子经电场加速轰击靶材，溅射出靶材原子、离子和二次电子等。 电子在相互垂直的电磁场的作用下，以摆线方式运动，被束缚在靶材表面，延长了其在等离子体中的运动轨迹，增加其参与气体分子碰撞和电离的过程，电离出更多的离子，提高了气体的离化率，在较低的气体压力下也可维持放电，因而磁控溅射既降低溅射过程中的气体压力，也同时提高了溅射的效率和沉积速率。 但平衡磁控溅射也有不足之处，例如：由于磁场作用，辉光放电产生的电子和溅射出的二次电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近，等离子体区被强烈地束缚在靶面大约60 mm 的区域，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低，这时只能把工件安放在磁控靶表面50～100 mm的范围内，以增强离子轰击的效果。这样短的有效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸，不适于较大的工件或装炉量，制约了磁控溅射技术的应用。且在平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，膜基结合强度较差，低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结构薄膜。提高被镀工件的温度固然可以改善膜层的结构和性能，但是在很多的情况下，工件材料本身不能承受所需的高温。 图1 （a) 平衡磁控溅射(b) 非平衡磁控溅射 非平衡磁控溅射的出现部分克服了以上缺点，将阴极靶面的等离子体引到溅射靶前200～300 mm 的范围内，使基体沉浸在等离子体中，如图1 所示。这样，一方面，溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成薄膜，

基片温度对磁控溅射沉积二氧化硅的影响

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 基片温度对磁控溅射沉积二氧化硅的影响 本文详细地研究了基片温度对磁控溅射沉积二氧化硅的影响,随着基片 温度的增加,溅射沉积速率下降明显,薄膜的折射率也出现上升趋势,薄膜也由低温时的疏松粗糙发展为致密光滑。250℃时的溅射沉积速率仅为室温时的1/3,由此, 针对间歇式在大面积玻璃上沉积二氧化硅薄膜,我们采取了沉积完 本课题组在开发一 1、实验样品由国产JGP450 型磁控溅射系统制备，溅射时采用射频电源，通过Si 靶与O2 反应溅射制备二氧化硅薄膜。基片为单面抛光的单晶硅片，在溅射之前经过乙醇超声清洗30 min。Ar 和O2 的流量一直保持为60 sccm 和20 sccm。待本底真空达到8 乘以10- 4 Pa 后，通入Ar,调节起辉压强0.3 Pa,待基片温度稳定后，起辉预溅射10 min，功率为100 W，通入O2,开始二氧化硅薄膜的溅射。薄膜的厚度和折射率n 通过Filmetrics 公司的F20- UV 测量，溅射速率则由薄膜的厚度和沉积时间的比值计算得到，并通过Hitachi S- 4800 来观察薄膜的表面情况。 2、结果与讨论如表1 所示，对于不同的基片温度，均为100 W 的溅射功率，为了适应F20- UV 的测量范围，减少测量误差，在样品的制备过程中采用不同的沉积时间，随着基片温度的增加，样品的沉积时间也相应增加。 二氧化硅薄膜的折射率随着基片温度的增加出现线性增加的趋势。室温 下沉积的薄膜的折射率为1.4628，当温度上升到250℃时，折射率达到1.669。 出现上面所述的情况，主要是因为基片温度的增加，基片表面的二氧化 硅分子的能量也增加，在基片表面的迁移能力增加，相对低温时薄膜会变得更

磁控溅射制备铝薄膜毕业论文

磁控溅射制备铝薄膜毕业论文 目录 第1章绪论 (1) 1.1 引言 (1) 1.1.2 薄膜研究的发展概况 (1) 1.1.3 薄膜的制备方法 (4) 1.1.4 薄膜的特征 (5) 1.1.5 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 (8) 2.1 射频反应磁控溅射法原理 (8) 2.1.1 直流辉光放电 (8) 2.1.2 射频辉光放电 (9) 2.1.3 射频原理 (9) 2.1.4 磁控原理 (11) 2.1.5 反应原理 (12) 2.2. 溅射机理 (13) 2.2.1 基本原理 (13) 2.2.2 基本装置 (13) 2.3 溅射的特点和应用 (15) 2.3.1 溅射的特点 (15) 2.3.2 溅射的应用 (16) 第3章实验 (17) 3.1 课题的研究线路 (17) 3.2 实验材料以及设备 (17) 3.3 实验仪器的原理 (18) 3.3.1 磁控溅射镀膜仪的原理 (18) 3.3.2 椭圆偏振测厚仪的原理 (19) 3.3.3 原子力显微镜的原理 (23) 3.3.4 表面预处理 (27) 3.3.5 薄膜制备 (28) 第4章实验结果及数据分析 (30) 4.1 薄膜测试与分析 (30) 4.1.1 衬底温度对于铝薄膜属性的影响 (30) 4.1.2 衬底温度对于铝薄膜生长的影响 (31)

4.1.3 不同的气压对于铝薄膜生长的影响 (34) 结论 (40) 致 (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 (48)

第一章绪论 1.1 薄膜概述 1．1．1 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、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。 1．1．2 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

氮化硅薄膜光学性质的研究

氮化硅薄膜光学性质的研究摘要：氮化硅薄膜具有优良的光学性能，常用作太阳能电池表面的减反射材料。采用传统的退火炉和快速热退火炉进行了不同时间和温度下的退火比较，并研究了退火对薄膜光学性能的影响。研究发现：氮化硅薄膜经热处理后厚度降低，折射率先升高后降低。 关键词：太阳能电池；氮化硅薄膜；热处理 引言 由于有着良好的绝缘性，致密性，稳定性和对杂质离子的掩蔽能力，氮化硅薄膜作为一种高效器件表面的钝化层已被广泛应用在半导体工艺中。人们同时发现，在多晶硅太阳电池表面生长高质量氮化硅薄膜不仅可以十分显著地提高多晶硅太阳电池的转换效率，而且还可以降低生产成本。作为一种减反射膜，氮化硅不仅有着极好的光学性能(λ =6 3 2 ． 8 n m时折射率在 1 . 8 ～2． 5之间，而最理想的封装太阳电池减反射膜折射率在 2 ． 1 ～2． 2 5 之间) 和化学性能，还能对质量较差的硅片起到表面和体内钝化作用，提高电池的短路电流。因此，采用氮化硅薄膜作为晶体硅太阳电池的减反射膜已经成为光伏界的研究热点。 1 . 氮化硅薄膜的光学性质 1 .1实验 本实验采用2cm×2cm×400um的单面抛光的P型<100>Cz硅片，在沈阳科仪中心PECVD400型真空薄膜生长系统中生长氮化硅薄膜。氮化硅薄膜制备过程如下：实验前使用乙醇和丙酮超声清洗样品15min以去除油污，然后用1号液(H20： H202：NH3·H20=5：1：1)和2号液(H 20：H 2 O 2 ：HCl=5：1：1)清洗，最后再使用 5％稀氢氟酸(HF)漂洗5min以去除氧化层，去离子水洗净烘干后放人反应室。采用硅烷(10％氮气稀释)和高纯氨气作为反应气体沉积氮化硅薄膜，其中沉积薄膜的生长参数如下：气体流量为硅烷30sccm、氨气60sccm、工作气压30Pa、射频频率 13．5MHz、沉积时间10min。沉积薄膜后，采用传统的退火炉和新兴的快速热退火炉进行了氩气保护下不同时间和温度下的退火比较，并测试了薄膜退火前后的厚度、折射率。 1.2结果和讨论