脈沖偏壓電弧離子鍍沉積TiO-,2-與AlN介電薄膜.pdf

1、介電薄膜是應用最廣泛的一類功能薄膜，在機械、電子、信息、航天等領域起著越來越重要的作用。但由于其導電性能不好，給它們的沉積制備帶來了難度。比如采用最為常用的PVD技術之一即離子鍍方法來制備這類薄膜時，由于薄膜表面的電荷累積會引發(fā)微弧放電效應，一方面會給薄膜帶來災難性的破壞，另一方面還給控制系統(tǒng)的電器元件帶來安全隱患，所以普通的離子鍍技術，包括應用最為廣泛的電弧離子鍍技術一直被認為不能用來制備這類介電功能薄膜。脈沖偏壓電弧離子鍍是近年來涌

2、現(xiàn)出來的一種先進的薄膜制備技術，它繼承了電弧離子鍍的高離化率、高沉積速率等優(yōu)點，還獨具沉積溫度低、內應力小、晶粒細化及顆粒凈化等技術優(yōu)勢，為沉積精細功能薄膜提供了潛在條件。但實際上是否能夠用脈沖偏壓電弧離子鍍來制備介電功能薄膜，卻從未有過系統(tǒng)的研究來提供充分的證據(jù)來證實，這一問題的明確對于發(fā)展電弧離子鍍技術和開發(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、電荷累積所導致的微弧放電效應，在玻璃、單晶硅和不銹鋼等三種具有不同導電性能的基片上，成功地制備出致密平整的TiO2、TiO2-XNX和A1N等介電薄膜，充分證實了脈沖偏壓電弧離子鍍制備介電功能薄膜的可行性。同時在0-900V范圍內改變脈沖偏壓的幅值，考察了脈沖偏壓對TiO2、TiO2-xNX和AIN薄膜的生長形態(tài)、微觀結構及其宏觀性能的影響，結果表明，無論是在導電基片、半導體基片還是絕緣基片上，脈沖偏壓對薄膜的色澤、沉積速率、硬度和彈性

4、模量、膜基結合力、表面微結構和粗糙度以及光學性能等均有明顯的調控能力，進一步深層次證實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算結果對實驗現(xiàn)象給出了合理解釋。具體研究結果如下： (1)脈沖偏壓電弧離子鍍TiO2薄膜研究在很寬的范圍內(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，薄膜表面質量好。

5、-300V偏壓時玻璃基片上沉積態(tài)TiO2薄膜表面達原子級平滑，Rms約為0.1nm，薄膜的折射率nγ=550nm最大，約為2.51，達到已有報道非晶TiO2薄膜的最高折射率。也是在偏壓為-300V時，不銹鋼基片上的TiO2薄膜的膜基結合力可高達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結果表明，玻璃基片上薄膜中鈦氧化學計量比約為1:2；增加基片負偏壓有利于Ti-O成鍵。隨著負偏壓的

6、增大，玻璃基片上薄膜的吸收邊先紅移后藍移，沉積速率先增大后減小，薄膜的硬度先增大后減小，-100V和-300V負偏壓時薄膜硬度較高，達到11GPa以上：光學帶隙基本不變，約為3.27eV。硅基片上沉積態(tài)TiO2薄膜以金紅石相為主，-900V時，薄膜在(220)方向擇優(yōu)生長。經過空氣中600℃保溫1h退火處理后，薄膜的相結構隨制備偏壓各有不同。AFM結果表明，無偏壓時薄膜平整，表面島尺寸小且密度高，-900V時薄膜表面起伏較大，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偏壓對薄膜微結構和成鍵有明顯的影響。 不銹鋼基片上僅-500V時所得沉積態(tài)薄膜為銳鈦礦相，其余偏壓時為非晶態(tài)。隨負偏壓的增加，沉積速率先增大后減小。不同負偏壓下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多元氣體混合法實現(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。摻雜N元素后，薄膜吸收響應起始波長藍移至400nm。在偏壓為-300V時玻璃基片上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，當負偏壓由0V增大至-300V，薄膜的膜基結合力由45N增大至65N，提高了40％以上。 (3)脈沖偏壓電弧離子鍍AIN薄膜研究同樣通過改變脈沖偏壓幅值進行制備A1N薄膜的對比實驗，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的熔點很低致使薄膜表面存在較多的“針狀”大顆粒。無偏壓時Si基片上AIN薄膜無明顯的擇優(yōu)取向，-50V時表現(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)取向重新轉變?yōu)榱窍郃IN(110)。無偏壓、-1OOV和-300V時硅基片上AIN薄膜為面心立方相和六角相混晶結構，-50V和-500V偏壓時為六方相結構，此時

10、AIN薄膜的硬度高達33GPa。由于形成了六方相結構，-100V和-300V時316L不銹鋼基片上AIN薄膜的硬度也高于30GPa。 最后，本文結合脈沖偏壓等離子體鞘層的物理特性對實驗結果進行討論分析，可知本實驗有效避免微弧效應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生動態(tài)的脈沖振蕩，使積累的正電荷能及時被中和；二是通過合理調整脈沖偏壓頻率、占空比和幅值，使電荷累積達不到微弧擊穿的強度。此外更為重要的是，脈沖