脈沖偏壓電弧離子鍍沉積TiO-,2-與AlN介電薄膜.pdf

1、介電薄膜是應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)功能薄膜，在機(jī)械、電子、信息、航天等領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用。但由于其導(dǎo)電性能不好，給它們的沉積制備帶來(lái)了難度。比如采用最為常用的PVD技術(shù)之一即離子鍍方法來(lái)制備這類(lèi)薄膜時(shí)，由于薄膜表面的電荷累積會(huì)引發(fā)微弧放電效應(yīng)，一方面會(huì)給薄膜帶來(lái)災(zāi)難性的破壞，另一方面還給控制系統(tǒng)的電器元件帶來(lái)安全隱患，所以普通的離子鍍技術(shù)，包括應(yīng)用最為廣泛的電弧離子鍍技術(shù)一直被認(rèn)為不能用來(lái)制備這類(lèi)介電功能薄膜。脈沖偏壓電弧離子鍍是近年來(lái)涌

2、現(xiàn)出來(lái)的一種先進(jìn)的薄膜制備技術(shù)，它繼承了電弧離子鍍的高離化率、高沉積速率等優(yōu)點(diǎn)，還獨(dú)具沉積溫度低、內(nèi)應(yīng)力小、晶粒細(xì)化及顆粒凈化等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為沉積精細(xì)功能薄膜提供了潛在條件。但實(shí)際上是否能夠用脈沖偏壓電弧離子鍍來(lái)制備介電功能薄膜，卻從未有過(guò)系統(tǒng)的研究來(lái)提供充分的證據(jù)來(lái)證實(shí)，這一問(wèn)題的明確對(duì)于發(fā)展電弧離子鍍技術(shù)和開(kāi)發(fā)薄膜新材料都具有重要意義。 本文采用脈沖偏壓電弧離子鍍，通過(guò)合理匹配脈沖偏壓的頻率、占空比和幅值等參數(shù)，有效地抑制了由

3、電荷累積所導(dǎo)致的微弧放電效應(yīng)，在玻璃、單晶硅和不銹鋼等三種具有不同導(dǎo)電性能的基片上，成功地制備出致密平整的TiO2、TiO2-XNX和A1N等介電薄膜，充分證實(shí)了脈沖偏壓電弧離子鍍制備介電功能薄膜的可行性。同時(shí)在0-900V范圍內(nèi)改變脈沖偏壓的幅值，考察了脈沖偏壓對(duì)TiO2、TiO2-xNX和AIN薄膜的生長(zhǎng)形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)及其宏觀性能的影響，結(jié)果表明，無(wú)論是在導(dǎo)電基片、半導(dǎo)體基片還是絕緣基片上，脈沖偏壓對(duì)薄膜的色澤、沉積速率、硬度和彈性

4、模量、膜基結(jié)合力、表面微結(jié)構(gòu)和粗糙度以及光學(xué)性能等均有明顯的調(diào)控能力，進(jìn)一步深層次證實(shí)了用脈沖偏壓電弧離子鍍制各介電功能薄膜的有效性。最后利用等離子體鞘層理論模型和模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給出了合理解釋。具體研究結(jié)果如下： (1)脈沖偏壓電弧離子鍍TiO2薄膜研究在很寬的范圍內(nèi)(0-900V)改變脈沖偏壓的幅值，在玻璃、硅片及不銹鋼三種基片上均獲得均勻透明的TiO2薄膜。薄膜表面均平整光滑，大顆粒的數(shù)量少且尺寸小，薄膜表面質(zhì)量好。

5、-300V偏壓時(shí)玻璃基片上沉積態(tài)TiO2薄膜表面達(dá)原子級(jí)平滑，Rms約為0.1nm，薄膜的折射率nγ=550nm最大，約為2.51，達(dá)到已有報(bào)道非晶TiO2薄膜的最高折射率。也是在偏壓為-300V時(shí)，不銹鋼基片上的TiO2薄膜的膜基結(jié)合力可高達(dá)82N。 玻璃基片上沉積態(tài)TiO2薄膜主要呈非晶態(tài)，薄膜顏色均勻但各偏壓下各不相同。XPS結(jié)果表明，玻璃基片上薄膜中鈦氧化學(xué)計(jì)量比約為1:2；增加基片負(fù)偏壓有利于Ti-O成鍵。隨著負(fù)偏壓的

6、增大，玻璃基片上薄膜的吸收邊先紅移后藍(lán)移，沉積速率先增大后減小，薄膜的硬度先增大后減小，-100V和-300V負(fù)偏壓時(shí)薄膜硬度較高，達(dá)到11GPa以上：光學(xué)帶隙基本不變，約為3.27eV。硅基片上沉積態(tài)TiO2薄膜以金紅石相為主，-900V時(shí)，薄膜在(220)方向擇優(yōu)生長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)空氣中600℃保溫1h退火處理后，薄膜的相結(jié)構(gòu)隨制備偏壓各有不同。AFM結(jié)果表明，無(wú)偏壓時(shí)薄膜平整，表面島尺寸小且密度高，-900V時(shí)薄膜表面起伏較大，表面島尺寸

7、大且密度小。傅立葉紅外光譜和拉曼光譜也表明負(fù)偏壓對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)和成鍵有明顯的影響。 不銹鋼基片上僅-500V時(shí)所得沉積態(tài)薄膜為銳鈦礦相，其余偏壓時(shí)為非晶態(tài)。隨負(fù)偏壓的增加，沉積速率先增大后減小。不同負(fù)偏壓下TiO2薄膜的硬度均高于不銹鋼基體的硬度，彈性模量與之相近，后者有利于提高膜基結(jié)合力。 (2)脈沖偏壓電弧離子鍍TiO2-xNx薄膜研究利用脈沖偏壓電弧離子鍍通過(guò)多元?dú)怏w混合法實(shí)現(xiàn)了N元素的置換式摻雜，N離子置換TiO2

8、中部分O離子，形成了N-Ti-O網(wǎng)絡(luò)。摻雜N元素后，薄膜吸收響應(yīng)起始波長(zhǎng)藍(lán)移至400nm。在偏壓為-300V時(shí)玻璃基片上TiO2-xNx薄膜表面大顆粒較少，薄膜摩擦系數(shù)最小，約為0.13。不銹鋼基片上，當(dāng)負(fù)偏壓由0V增大至-300V，薄膜的膜基結(jié)合力由45N增大至65N，提高了40％以上。 (3)脈沖偏壓電弧離子鍍AIN薄膜研究同樣通過(guò)改變脈沖偏壓幅值進(jìn)行制備A1N薄膜的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在玻璃、316L不銹鋼和硅基片上也成功地獲得了A

9、IN薄膜，但由于Al的熔點(diǎn)很低致使薄膜表面存在較多的“針狀”大顆粒。無(wú)偏壓時(shí)Si基片上AIN薄膜無(wú)明顯的擇優(yōu)取向，-50V時(shí)表現(xiàn)為六角相AIN(110)面擇優(yōu)取向，偏壓升高至-100V和-300V，薄膜擇優(yōu)取向轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎较郃1N(200)，偏壓繼續(xù)升高至-500V，薄膜擇優(yōu)取向重新轉(zhuǎn)變?yōu)榱窍郃IN(110)。無(wú)偏壓、-1OOV和-300V時(shí)硅基片上AIN薄膜為面心立方相和六角相混晶結(jié)構(gòu)，-50V和-500V偏壓時(shí)為六方相結(jié)構(gòu)，此時(shí)

10、AIN薄膜的硬度高達(dá)33GPa。由于形成了六方相結(jié)構(gòu)，-100V和-300V時(shí)316L不銹鋼基片上AIN薄膜的硬度也高于30GPa。 最后，本文結(jié)合脈沖偏壓等離子體鞘層的物理特性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論分析，可知本實(shí)驗(yàn)有效避免微弧效應(yīng)的根本原因源于兩方面，一是等離子體鞘層厚度隨脈沖偏壓變化而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的脈沖振蕩，使積累的正電荷能及時(shí)被中和；二是通過(guò)合理調(diào)整脈沖偏壓頻率、占空比和幅值，使電荷累積達(dá)不到微弧擊穿的強(qiáng)度。此外更為重要的是，脈沖