楊曉玲-基底溫度對磁控濺射制備鉭膜的影響究.doc.lnk

1、本科畢業(yè)論文（設計） 基底溫度對磁控濺射制備鉭薄膜的影響 學 院： 大數據與信息工程學院 專 業(yè)： 電子科學與技術 班 級： 電技10-1 學 號： 1007010043 學生姓名： 楊曉玲 指導教師： 周章渝 2014年6月8日貴州大學本科畢業(yè)論文（設計）貴州大學本科畢業(yè)論文（設計）誠信責任書本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文（設計），是在導師的指導下獨立進行研究所完成。畢業(yè)論文（設計）中凡引用他人已經發(fā)表或未發(fā)表的成果、數據、觀點等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設計）作者簽名： 日 期： 目錄摘要1Abstract2第一章 引言4參考文獻4第二章 金屬薄膜制備技術62.1 金屬薄膜制

2、備技術的分類62.1.1 電鍍和化學鍍62.1.2 真空蒸發(fā)鍍膜法72.1.3 溶膠-凝膠法82.1.4 離子鍍膜法92.1.5 化學氣相沉積102.1.6 磁控濺射技術11參考文獻14第三章 鉭的性質與特點153.1 鉭及鉭特性153.2鉭薄膜研究進展16參考文獻17第四章 采用磁控濺射技術制備鉭薄膜19前言194.1實驗過程194.2實驗結果與討論214.2.1不同基底溫度對鉭膜的AFM表征214.2.2 不同的基底溫度對鉭膜的XRD表征23第五章 總結與展望245.1 總結245.1 展望24致 謝2627貴州大學本科畢業(yè)論文（設計）基底溫度對磁控濺射制備鉭薄膜的影響摘要鉭(Ta)具有穩(wěn)

3、定化學性質、正溫度系數和極高的抗腐蝕性及富有延展性的金屬。因此Ta在電子學、X射線、光學以及半導體介質材料薄膜方面有重要的應用價值1。目前國內外鉭薄膜的制備方法有蒸發(fā)法、反應濺射法、圓柱形陰極磁控法、磁控濺射法等。磁控濺射可鍍材料為金屬、合金、化合物、陶瓷、聚合物等，鍍膜速率快，可在大面積基片上獲得的純度高、厚度均勻致密薄膜，同時工藝可重復性好，薄膜能與基片很好的結合。本文采用射頻磁控濺射技術在Al2O3基片上制備Ta薄膜，系統(tǒng)研究基底溫度對薄膜厚度、薄膜微結構和表面形貌的影響規(guī)律，獲得高純度，表面粗糙度小純金屬Ta薄膜材料，為Ta薄膜制備及其應用提供支撐。本課題的主要研究內容： 1、在常溫至

4、500的基底溫度工藝條件下采用射頻濺射技術制備金屬Ta薄膜，可獲得純度高、厚度均勻致密的Ta薄膜。 2、利用原子力顯微鏡(AFM)測量薄膜的粗糙程度，結果顯示基底溫度對鉭膜的制備有顯著的影響，隨著基底溫度的升高，薄膜表面的粗糙程度減小，致密性變好，顆粒尺寸變大。 3、采用X射線衍射(XRD)分析薄膜的微觀結構，發(fā)現在，均出現了相Ta(110)、相Ta(411)及相Ta(211)晶面衍射峰，相Ta(211)晶面為Ta薄膜的擇優(yōu)取向面。隨著基底溫度的升高，相Ta薄膜的擇優(yōu)取向明顯增強，而相Ta薄膜的擇優(yōu)取向沒有明顯變化。 4、通過上述的測量結果進行對基底溫度對薄膜制備影響的研究，優(yōu)化出制備Ta薄膜

5、的最佳工藝參數，在本研究溫度范圍內，最佳基底溫度參數為500。關鍵詞：基底溫度，鉭膜，射頻磁控濺射The effect of substrate temperature on the Ta film making by magnetron sputteringAbstract Ta has stable chemical property, positive temperature coefficient and good corrosion resistance. And Ta also is a kind of metal of good ductility. So Ta is of gr

6、eat value in the field of electronics, X-ray, optics and semiconductor film. Now the methods of making tantalum film include evaporation, reactive sputtering, cylindrical magnetron cathode, magnetron sputtering. The material that can be plated by magnetron sputtering include metal, alloy, compound,

7、ceramics, polymer. So the film has high purity and symmetrical thickness, the repeatability is good, and the film can be combined with the substrate well. This article employs radio frequency magnetron sputtering technology to make Ta film in the substrate of Al2O3, systematically researches the eff

8、ect of substrate temperature on its thickness, microstructural and surface topography, and provides theoretical support for making Ta film and its application by making film with high purity and low surface roughness. The main researches include:1. Ta film with high purity and symmetrical thickness

9、can be made by radio frequency magnetron sputtering technology in the condition of normal temperature to 500. 2. The AFM can measure the roughness of film, and the result shows the significant effect of substrate temperature on the making of Ta film. The roughness of film surface gets lower, compact

10、ness becomes better, and particle size gets bigger with the increase of substrate temperature. 3. The microstructure of film can be analysed by XRD. It shows that -phase Ta(110), -phase Ta(411) and -phase Ta(211) lattice plane diffraction peak appear when , and the -phase Ta(211) lattice plane is th

11、e preferred orientation plane. With the increase of substrate temperature, the preferred orientation of -phase Ta film is enhanced significantly, while the preferred orientation of -phase Ta film doesnt change much. 4. Optimum technology parameter of Ta film can be optimized though the research of t

12、he effect of substrate temperature on the Ta film making according to the above results. Optimum substrate temperature parameter is 500 in the temperature range of this research.Keywords: substrate temperature, Ta film, radio frequency magnetron sputtering第一章 引言Ta是一種稀有金屬，主要存在于鉭鐵礦中，質地十分堅硬、富有延展性、硬度大、熔

13、點高等特點，其熱膨脹系數很小。Ta及Ta的化合物可以做成切削工具和耐高溫的結構材料2，也可以用來制造抗熱震。除此之外，Ta具有穩(wěn)定的化學性質及極高的抗腐蝕性，Ta不與除氫氟酸以外的一切無機酸的侵蝕，甚至不與王水發(fā)生反應，鉭受到氫氟酸的腐蝕也很緩慢，是一種耐腐蝕的金屬。因此，Ta可以用來制造多種很好的耐酸儀器，用來制造耐熱的熱交換器、加熱器等設備3。Ta主要用于電子原器件及合金的生產，做精密薄膜電阻的原材料。它的韌性比銅還要優(yōu)異，雖導電性不及Cu的好，但是Ta的結構性能表現得十分穩(wěn)定。Ta是電子工業(yè)和空間技術發(fā)展并不可少的原料。隨著我國國民生產總值的迅速提高，越來越多的工業(yè)對鉭的需求量急劇升高，

14、從而使得鉭資源出現短缺。鉭及鉭合金冶煉比較工藝復雜，對環(huán)境的污染也較為嚴重，導致Ta及鉭合金的生產成本高，影響工業(yè)的快速發(fā)展。 納米材料具有獨特的物理化學性質，在微電子、半導體工業(yè)方面具有廣泛的應用。目前，國內外也曾有人采用各種方法制備Ta膜。夏金豐4選用金屬鉭為原材料，利用直流磁控濺射的方法在陶瓷基底上制備鉭薄膜電阻，實驗結果表明：在相同的濺射時間內，濺射功率越高薄膜表面的空洞越少，薄膜越致密。單玉橋等人5采用直流濺射技術在鋁基底、玻璃基底上制備鉭薄膜，研究了各種工藝參數對鉭薄膜性能及厚度的影響，并對鉭薄膜的物理性能和鉭薄膜的電學性能進行了詳細的研究，并取得了很好的結果。竇瑞芬6以鋼鐵為基底

15、，采用磁控濺射制備出致密均勻、粗糙程度小、能與基體的很好結合的薄膜。Lee7等人也研究了鉭薄膜的成分、結構、耐蝕性等方面，并得出了很多有意義的結果。本課題采用磁控濺射技術制備納米級Ta膜，研究了基底溫度對鉭薄膜的密度、表面粗糙度和晶體結構的影響。磁控濺射技術是目前應用最為廣泛的薄膜制備技術之一，與其他鍍膜技術相比，具有低溫高速、工藝環(huán)保8，操作易控沉積速率高，基板低溫性，膜的牢固性好成膜致密、均勻，濺射的薄膜均具有優(yōu)異的性能，易于組織大批量生產，高產量、高成品率已成為事實等優(yōu)點。金屬半導體、鐵磁材料、陶瓷、絕緣氧化物、聚合物物質都可以作為薄膜材料，總之，可制備成靶材的材料都可以用來作為薄膜材料

16、。濺射技術的發(fā)展是十分迅速的，20世紀40年代濺射技術開始得到應用和發(fā)展。60年代后，微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，磁控濺射工藝在集成電路生產中得到廣泛的應用。參考文獻1Hoogeveen R,Moske N,Geisler H,et al.Texture andphase transformation of sputter-deposited metastable Tafilms and Ta/CU multilayersJ.Thin Solid Films,1996,275:203-206.2Youngkwon K,Chongmu L.Effects of pro-cessing variable

17、s on the mechanical properties of Ta/TaNmultiplayer coatingsJ.Materials Science and Engineer-ing,2000,B(75):17-23.3屈乃琴.鉭鈮及其合金的應用J.稀有金屬與硬質合金,1998,2(133):48-52.4夏金豐.鉭薄膜電阻的制備及性能研究.D.湖南大學,2009,11. 5單玉橋,于曉中,李力等.磁控濺射鍍鉭及其性能的研究D.沈陽東北大學材料與冶金學院,2004.6竇瑞芬.網狀陰極法在碳鋼表面沉積鉭薄膜J.中國有色金屬學報,2001,12.7Lee S L,Windover D.P

18、hase,residual stress,and tex-ture in triode-sputtered tantalum coatings on steelJ.Surface and Coatings Technology,1998,108-109:65-72.8陳國平.我國真空與薄膜產業(yè)的發(fā)展機遇J.真空,1998,6. 第二章 金屬薄膜制備技術 2.1 金屬薄膜制備技術的分類金屬薄膜材料的制備方法有很多種，大體可分成物理氣相沉積方法和化學氣相沉積。真空蒸發(fā)鍍膜技術、濺射工藝和離子鍍技術屬于物理方法，電鍍技術、化學鍍技術及化學氣相沉積法屬于化學方法。下面來介紹其中的一些方法。2.1.1

19、電鍍和化學鍍 電鍍技術歷史悠久，開始于1840年，直到1924年才開始成熟。電鍍的基本工作原理是：在外加電場的作用下鍍液中的金屬離子經過電極反應還原成金屬原子，還原后的原子逐漸沉積在陰極上形成金屬薄膜。這層薄膜能夠提高材料的耐磨性和防腐性，增強材料的導電性及反光性。常被用來作為電鍍金屬的有鋅、鎘、銅、銅-錫、銅-鋅、鉛-錫等1。電鍍技術發(fā)展迅速，品種由單一金屬發(fā)展到二元合金、三元合金，最后發(fā)展到了復合材料組成的鍍層，基體材料由金屬發(fā)展到非金屬材料，電鍍介質由水溶液發(fā)展到非水電解質。Katayama Y等人2采用電鍍方法在Pt電極上鍍上一層金屬銀。Abbott小組3采用電鍍方法研究了添加劑乙二醇

20、對鋅及鋅錫合金在液體中的電化學電沉積行為的影響。Yang HY等4在銅電極上采用尿素-氯化膽堿離子液體成功的沉積了鋅鎳合金。電鍍的特點如下：1 設備簡單、容易控制。2 節(jié)約貴重金屬等優(yōu)點。3 消耗電能、環(huán)境污染嚴重。電鍍是鍍液在外電源的作用下將金屬離子在陰極還原成金屬，化學鍍與電鍍不同，化學渡是在金屬表面的催化作用下還原金屬的過程?；瘜W鍍隨著高科技的進步得到快速發(fā)展，化學鍍最先用于鍍鎳，隨之鍍銅、鍍貴金屬Ag、Au、Pd、Pt和復合化學材料。在1944年，ABrenner和GRiddell是在Wurtz發(fā)現次磷酸鹽具有還原性的基礎上對化學鍍鎳開始進行研究5。隨后，陳步明等6人采用活化劑AgN0

21、3溶液對玻璃纖維進行化學鍍銀，制備出低密度的鍍銀玻璃纖維，并能在電磁屏蔽中取得良好的成果；黃英等人7用化學渡方法將Ni-Co-P合金沉積在玻璃纖維表面時發(fā)現鍍層合金為軟磁性材料；熊文剛8等通過化學鍍得到Ni-Mo-P合金，研究發(fā)現P元素對渡層的耐腐燭性比Mo元素大。這些人都能通過化學鍍鍍膜實驗中得到重要的研究成果。與電鍍相比，化學鍍技術不僅具制備工藝簡單、節(jié)能環(huán)保等特點，而且能制備厚度均勻、外觀平滑的薄膜。除此之外，化學鍍層還能增強工件的抗腐蝕性和電學性能，提高服役壽命和潤滑性能。目前，化學鍍技術被廣泛應用于電子、汽車、航空航天等領域。但化學鍍也存在自身的不足，鍍液不穩(wěn)定，鍍層表面容易起皮、起

22、泡，除此之外，化學鍍液對環(huán)境的污染仍然存在。電化學技術不能用來制備Ta薄膜，其原因是該技術不能在絕緣性基底上制備薄膜，Al2O3是一種絕緣性物質，所以限制了該的應用范圍。2.1.2 真空蒸發(fā)鍍膜法 真空蒸發(fā)鍍膜技術的基本工作過程為原材料在加熱器的作用下被加熱氣化，汽化的粒子輸運向基底表面，蒸發(fā)的粒子在基底表面被吸附成核，逐漸形成薄膜9。真空蒸發(fā)鍍膜技術的基本工作原理圖如圖2.1所示：圖2.1 真空蒸發(fā)法鍍膜的工作原理該方法是一種蒸發(fā)凝結成膜的辦法，包括提供蒸發(fā)環(huán)境的真空室，放置蒸發(fā)材料并提供加熱的蒸發(fā)源，還有接收蒸發(fā)物質形成薄膜的襯底。該方法運用真空蒸發(fā)法制備薄膜已經有十幾年的歷史，是一種已經

23、很成熟的鍍膜方法。MgFe，GaZTe3，NdZO3，Si等薄膜材料的制備都是采用真空蒸發(fā)鍍膜法。Azoulay曾報道：采用SrTiO3為基底材料制備出致密均勻的Y-Ba-Cu-O薄膜。真空蒸發(fā)鍍膜法的優(yōu)點如下：1 設備簡單、制膜操作簡單易行。2 成膜效率高、速度快。3 此法不管是金屬、金屬合金、無機化合物還是有機物質等都可以蒸渡，且還可以同時蒸鍍不同物，從而得到多層膜。同時這種工藝方法也存在一些缺陷，加熱器加熱后固體或液體轉變?yōu)闅怏w，其中有一部分物質以氣態(tài)形式進入蒸發(fā)空間，在飛行的過程中，這些粒子與真空室內殘余氣體碰撞，如果真空要求沒有達到要求很有可能會使蒸發(fā)材料與大氣分子碰撞，使制備出的薄

24、膜受到污染，甚至形成不了連續(xù)薄膜。真空環(huán)境越好，制備出的薄膜質量就越好，真空環(huán)境的好壞影響真空蒸發(fā)鍍膜技術成膜質量的好壞。除此之外，用真空蒸發(fā)鍍膜法很難制備出結晶結構的薄膜，制備出的薄膜與襯底之間的附著能力較弱，重復性較差，熱蒸發(fā)工藝的膜厚控制比較困難。通常在生長室內除了放置需要的襯底外，還要放置一塊陪片，并對陪片上沉積的薄膜厚度進行實時測量，達到預定厚度時通過信號反饋控制蒸發(fā)源擋板關閉，終止鍍膜的控制方法。使用單個源時可以這樣實現，但多個源時就有很大的問題10。而且采用真空蒸發(fā)鍍膜法制備薄膜被鍍材料需要被熔化。由以上的特點可知，采用熱蒸發(fā)鍍膜法制備Ta薄膜將是非常困難的，因為Ta的熔點非常高

25、，具有極高的熱穩(wěn)定性。要制備納米級Ta膜，且致密性好、均勻也好，這就需要一種工藝重復性好的薄膜制備方法。2.1.3 溶膠-凝膠法 溶膠凝膠法是一種運用提拉、甩膠等手段將膠體溶液涂抹在基材表面簡單的制膜方法。按照其工藝的不同可以分為兩種方法，分別是旋涂法、浸涂法。浸涂法的基本原理是將基材浸入金屬離子溶液之中勻速拉起，經過熱處理后成膜。旋涂法是運用旋轉將膠體溶液均勻的涂抹在基材表面，不需要需熱處理即成膜。溶膠-凝膠法在20世紀60年就被人們所用，主要制備對象是玻璃以及陶瓷等無機材料，也是制備氧化物透明導電薄膜的方法。溶膠-凝膠法的特點如下： 1設備簡單，制備方法簡單且操作過程容易控制。 2制備出的

26、薄膜均勻性好，結晶性好，可達分子、原子尺度。 3采用高純度的原料一般能制備出純度同樣很高薄膜。 4采取不同制備工藝條件可以得到不同成品薄膜。 5基材的選取不受任何限制，所以可以在粉體材料上面制備薄膜。 但溶膠凝膠法不適合用來制備納米級Ta薄膜，該方法制備的原材料多為有機化合物，主要用來制備玻璃以及陶瓷。所制備薄膜易脫落、開裂，不利于長期保存，而且該技術不能與平面IC工藝兼容，該方法不能制備納米級Ta薄膜。2.1.4 離子鍍膜法 離子鍍膜技術的基本工作原理是原材料受熱蒸發(fā)進入等離子體區(qū)與惰性氣體、正離子及電子相互碰撞電離生成正離子，正離子受到負高壓的作用沉積到基底表面逐漸形成薄膜。離子鍍法不僅僅

27、靠加熱的方式就能形成薄膜，還需要離子加速來實現成膜，只有電離的離子和氣體離子受到電場的作用，受到轟擊沉積到襯底表面才能形成所需要的薄膜。離子鍍原理圖如2.2所示。 離子鍍技術的應用廣泛，可用于沉積金屬、合金和化合物，金屬、絕緣體和有機物，尺寸和形狀沒有統(tǒng)一的要求。Mattox采用離子鍍技術制備了TiN(0.5um)，PTi(CN)(0.5um)，PTiN(0.5um)多層涂層，表征了涂層的微結構和力學性能，結果表明，TiNPTi (CN)多層涂層表面平整、厚度均勻、與基底結合良好，硬度為28.5GPa。 離子鍍鍍膜有如下幾個主要特點： 1成膜效率高、速率快。 2薄膜與基底的附著性比較好。由于在

28、離子鍍鍍膜過程中，大量高能粒子濺射到襯底表面，附著在襯底表面上的污染物得到清洗，從而襯底得到凈化。圖2.2 離子鍍原理 3薄膜的密度高。在鍍膜過程中，高能中性原子和高能膜材料離子濺射到達襯底表面，在襯底上面擴散，同時，團狀薄膜材料在飛行過程中與其他粒子發(fā)生碰撞，碎化后形成細小核心，沉積在襯底上面形成致密的等軸晶體。 4利于形成化合物薄膜?？梢韵蛘婵帐覂韧ㄈ敕磻獨怏w，使蒸發(fā)材料與通入的氣體發(fā)生反應生成化合物。 離子鍍與前幾種技術比較，其優(yōu)點是改善了薄膜與基片的結合，增強了抗腐蝕和電接觸等方面。2.1.5 化學氣相沉積圖2.3 化學氣相沉積鍍膜裝置 CVD的基本工作原理即將幾種氣態(tài)原材料按所需要的

29、比列放到同一個反應室，發(fā)生化學反應生成新的材料沉積到基底表面上形成薄膜，如圖2.3所示。采用該技術可以沉積多種不同的材料，如：金屬材料、絕緣材料、化合物材料等，被廣泛應用于半導體工業(yè)中。CVD的工作原理雖然簡單，但反應環(huán)境中是很復雜的。運用CVD技術制備薄膜，分為幾個階段:1)反應氣體向襯底表面逐漸擴散，附著在襯底表面；2)在襯底表面發(fā)生化學反應；3)襯底表面產生的副產物剝離表面，擴散或者被抽走，襯底表面留下固體薄膜。反應室內的氣壓、基底的溫度、氣體的化學成份及流量等都會影響成膜質量。運用 CVD方法，可制備多種類型的薄膜，如電路板表面的絕緣涂層、增強軸承耐磨性的涂層、保護發(fā)動機的熱障涂層等1

30、1?；瘜W氣相沉積的特點有： 1成膜范圍廣，效率高。可以沉積金屬膜、合金膜、非金屬膜等，每分鐘薄膜生長厚度最高可達幾百微米，同時薄膜均勻性較好。 2所成薄膜純度高、致密性高。 3可生成半導體薄膜，所沉積薄膜表面平滑。 4成膜輻射損傷極低，這有利于半導體器件的制備。CVD也有自身的缺陷，一般的原料反應之后尾氣有毒，因此需要專門設備裝置處理。同時，CVD的裝備要求裝置需要高溫度、高真空，以及高溫，所以對基體退火溫度的要求使其使用受到限制。2.1.6 磁控濺射技術 1磁控濺射原理由于CVD工藝需要高溫退火，使得膜表面都會有較多的大尺寸顆粒而變得粗糙，同時高溫使得薄膜中的原子擴散加強，這些因素非常不利于

31、制作器件等應用。磁控濺射技術制備薄膜的基本原理：在電場的作用下被加速的高能粒子轟擊靶材表面發(fā)生能量交換，靶材表面的原子獲得能量脫離原晶格而逸出，同時在磁場的的作用下，濺射粒子在固定的軌道上運動沉積到基體表面形成薄膜。電場的作用是加速Ar+，磁場的作用是改變電子的運動方向。磁控濺射技術的工作原理圖如圖2.4所示12-13。圖2.4 磁控濺射原理圖常用的磁控濺射技術有直流磁控濺技術和射頻磁控濺射技術，這兩種方法都屬于磁控濺射，但它們之間也存在不同點。下面對這兩種方法分別介紹 :2直流磁控濺射直流濺射的基本工作原理：電子受到直流電場力的作用后加速向基底表面運動,在運動過程中與Ar原子發(fā)生碰撞，如果電

32、子的能量足夠高，就會電離出Ar+同時產生二次電子。一Ar+受到電場力的作用就立即被加速濺射靶材表面,被濺射粒子中的中性原子將沉積在基表面形成薄膜。二次電子又會在直流電場力作用下被加速向基底方向運動，磁場的作用能夠很好的控制電子的運動軌跡，將電子束縛在刻蝕跑道上，刻蝕跑道是靶材表面磁場平行分量達到最大的“跑道”，濺射后的靶材表面會出現該跑道的痕跡磁控濺射沉積方法主要具有以下特點： (1)沉積速率較高。磁控濺射濺技術制備薄膜可以獲得具有較高的濺射速率以及薄膜沉積速率，具有生產效率高、產量高等特點。 (2)基片上的溫度較低。電子在漂移運動中可能與其它粒子發(fā)生多次碰撞，逐漸逃離陰極靶附近的等離子體區(qū)域

33、，最終在電場力的作用下沉積基片上，在此過程中電子能量會逐漸耗盡，從而傳遞到襯底(基片)上的能量也不大，因此基片上的溫升不大。 (3)靶材刻蝕不均勻，利用率低。如上所述，電子會被牢牢的束縛在刻蝕跑道上。由于磁場分布不均勻，所以靶材刻蝕不均勻利用率也低。 3射頻磁控濺射 直流濺射只能采用直流電源構成直流濺射系統(tǒng)，是一種針對金屬、半導體靶材制備薄膜的有效方法。但使用該方法的前提是靶材應具有良好的導電性，若靶材是源緣體，靶面不斷受到離子的撞擊，電荷積累使得電位上升，最終會導致離子停止對靶材進行轟擊，不能形成薄膜。除此之外，由于不同的濺射速率需要不同的工作電流，因此直流濺射方法制備導電性不好的非金屬薄膜

34、，需要很高的工作電壓，彌補靶材導電性不足引起的電壓降。因此不能采用直流濺射方法制備導電性很差的金屬材料。20世紀60代，Anderson14-15和 Davidse16-17提出采用射頻濺射技術制備薄膜，射頻濺射采用交流電源構成交流濺射系統(tǒng)。此方法不僅可以濺射靶材為金屬、合金、化合物、陶瓷、聚合物，還適用于濺射絕緣體靶材。目前，射頻磁控濺射技術的應用很廣泛，在大規(guī)模集成電路絕緣薄膜、高溫超導薄膜以及化合物半導體薄膜等方面有著非常重要的應用。 4磁控濺射的優(yōu)點 采用磁控濺射技術制備薄膜比其他技術具有更多的優(yōu)點，歸納為如下： (1)操作易控、可重復性好。工作壓強、基底溫度、濺射功率等參數可認為控制

35、。 (2)沉積速率高。磁控濺射技術制備薄膜具有更高的沉積速率。 (3)基板低溫性。磁控濺射技術與二極濺射和熱蒸發(fā)相比較具有基板低溫性，所以磁控濺射法制備薄膜不需要對基板加高溫。 (4)膜的牢固性好。采用濺射技術制備得到的薄膜與基板有極好的附著力。 (5)成膜致密均勻。采用濺射技術制備得到的薄膜聚集密度比其它技術制得的薄膜聚集密度更致密。 (6)具有優(yōu)異的性能。采用濺射技術制備的金屬薄膜具有良好的電學性能。 (7)易于大批量生產。根據要求可以把磁控源進行擴大，磁控源越大，就能實現大面積鍍膜，從而實現大批量生產。除此之外，濺射是可以不停的工作，鍍膜過程也容易實現全程自動控制，不需要人工操作，這樣就

36、更能實現在工業(yè)上流水線上實現大批量生產。在國外已經實現高產量、高成品率生產。 (8)工藝環(huán)保。在當今社會，環(huán)保是一個很重要的要求，磁控濺射鍍膜法不會對環(huán)境產生污染，非常環(huán)保。表2.1幾種鍍膜工藝的比較鍍膜方法電鍍真空蒸發(fā)離子鍍CVD濺射鍍膜可鍍材料金屬金屬、化合物金屬、合金化合物金屬,化合物金屬、合金、化合物、陶瓷、聚合物鍍膜機理電化學真空蒸發(fā)輝光放電氣相化學反應輝光放電、濺射鍍層附著力一般差很好很好好鍍層質量可能有氣孔可能不均勻致密、針孔小致密、針孔小致密、針孔小鍍層純度易含浴鹽和氣體、雜質取決于原料純度取決于原料純度易含雜質取決于靶材純度鍍層均勻性會有差異會有差異好好較好沉積速率中等較快快

37、較快較快環(huán)境保護廢液、廢氣需處理無無廢氣需處理無 綜合比較以上幾種金屬薄膜制備方法，磁控濺射更適合納米級鉭薄膜的制備。由表2.1可知,磁控濺射可鍍多種材料，鍍膜速率快，基底溫度性，可在大面積基片上獲得的純度高、厚度均勻致密薄膜，薄膜能與基片很好的結合，同時工藝可重復性好?；谏漕l磁控濺射的優(yōu)點，本課題采用該技術在Al2O3基底上制備Ta薄膜。參考文獻1楊志.離子液體中電鍍鋅及電鍍鋁工藝研究D.太原理工大學,2013,05:7.2Katayama Y.Electrochemical Behavior of Silver in1-Ethyl-3-methylimidazolium Tetraflu

38、oroborate Molten SaltJ.Journal of TheElectrochemical Society,2001,148(2):cl02-cl05.3Abbott A.Electrodeposition of zinc-tin alloys from deep eutecticsolvents based on choline chlorideJ.Journal of Electroanalytical Chemistry,2007,599(2):288-294.4Yang H.Y,Guo X.W,Chen X.B,et al.On the electrodeposition

39、 of nickel-zinc alloys froma eutectic-based ionic liquidJ.Electrochimica Acta,63:131-138.5李鵬,黃英,黃濤等.化學鍍鎳技術的發(fā)展趨勢J.電鍍與精飾,2003,25(4):10-13.6陳步明.玻璃纖維化學鍍銀的工藝研究J.電鍍與精飾,2007,29(3):13-17.7黃英.玻璃纖維表面化學鍍鎳-鈷-磷合金J.硅酸鹽學報,2006,34(12):1485-1490.8熊文綱.化學鍍Ni-P與Ni-Mo-P合金鍍層的耐蝕性能J.廣州化工,2005,33(3):42-43.9寧兆元.固體薄膜材料與制備技術M.

40、科學技術出版社,2008.10賀俊博.射頻磁控濺射生長BN薄膜及其接觸特性的研究D.吉林大學,2013,05:5.11唐偉忠.薄膜材料制備原理技術及應用J.冶金工業(yè)出版,2003.12P.J.Kelly,R.D.Arnell.Magnetron sputtering:a review of recent developments and applicationsJ.Vac,2000,56,159-172. 13U.Helmersson,M.Lattemann,Bohlmark,et al.Ionized physics vapor deposition(IPVD):A review of te

41、chnology and applicationsJ.Thin Solid Films,2006,513,1. 14G.S.Anderson,W.N.Mayer,G.K.Wehner.Sputtering of dielectrics by high frequency fieldsJ.J.Appl.Phys,1962,33,2991.15G.S.Anderson.Atom ejection studies for sputtering of semiconductorsJ.J.Appl.Phys,1966,37,3455.16P.D.Davidse.Dielectric thin films

42、 through Rf sputteringJ.J.Appl.Phys,1966,37,574-579.17P.D.Davidse.Theroy and practice of RF sputteringJ.Vac,1967,17,139-145. 第三章 鉭的性質與特點3.1 鉭及鉭特性 Ta是一種稀有金屬，屬于體心立方結構，其晶體結構圖如3.1。Ta金屬主要存在于圖3.1 鉭的體心立方晶體結構鉭鐵礦中，質地十分堅硬、富有延展性，其熱膨脹系數很小。除此之外，Ta還具有穩(wěn)定的化學性質及極高的抗腐蝕性。所以Ta及Ta合金通常被用來制造抗熱震、超硬的切削工具1。無論是在冷的條件下還是在熱的條件下，

43、Ta與HCL、濃H2NO3及“王水”都不會產生任何反應。在熱的濃H2SO4中，如果溫度在150以上，Ta會被腐蝕掉，只有在低于此溫度才不會有反應。Ta又常被用來制造耐酸設備、耐腐蝕的熱交換器、加熱器等設備2。 Ta跟Nr共生于自然界的礦物中，物理化學性質很相似。鉭鈮礦中不僅僅含有Ta和Nr，還含有多種其他金屬，Ta冶煉過程較為復雜，主要步驟是先分解精礦，再凈化和分離Ta、Nr，以制取Ta、Nr的純化合物，最后制取Ta金屬。純Ta具有Ta和Ta兩種不同的結構相，用不同的制備條件和不同的后期處理條件Ta會呈現某一種相，或著這兩種相的混合。Nr主要用途是制造鋼及合金鋼，Ta則主要用于生產電子原器件及

44、合金，做精密薄膜電阻的原材料。它的韌性比Cu還要優(yōu)異，雖導電性不及Cu的好，但是Ta的結構性能表現得十分穩(wěn)定。Ta是電子工業(yè)和空間技術發(fā)展并不可少的原料，金屬Ta的薄膜材料通常用做電容器及電子信號的接收器件。 影響Ta金屬膜的導電率因素有很多種，包括薄膜表面粗糙度、薄膜厚度、晶粒直徑、晶體中的織構、雜質、沉積工藝等等。Ta薄膜的電導特性具有金屬薄膜電導通性還具有很多獨特的性質。其中一個獨特的特性就是Ta薄膜與其他含有氧化物的金屬薄膜比較，如果Ta薄膜有氧化的部分那么就具有負溫的度系數，這是因為Ta薄膜表面是顆粒結構，表示著表面部分由晶體顆粒和晶體顆?；旌衔锝M成，有空缺缺陷和具有絕緣性質的五氧化

45、二鉭(Ta2O5)顆粒晶分布在體顆粒之間，屬于具有三維的非連續(xù)性金屬薄膜。3.2鉭薄膜研究進展 Ta熔點高，介電常數大，耐腐蝕能力強，可以用作電解電容器的燒結陽極，制做高溫真空爐的發(fā)熱體和保溫層以及化工防腐蝕材料，也可用于動態(tài)隨機存取記憶的薄膜氧化物鍍層的儲存芯片，是工業(yè)上的重要金屬材料。因此在60年代就開始受到廣泛的關注，近年來發(fā)展了Ta在集成電路中的重要應用。同時，其氧化物Ta2O5具有折射率高(n2.2)、介電常數大(2.5)和穩(wěn)定的化學，是MOS器件電容器的理想材料，用來做電阻器或傳感器件的保護層。Ta是一種金屬，具有優(yōu)良的金屬特性，純金屬Ta膜具有正溫度系數(TCR)。而其氧化物Ta

46、2O5表現出來的卻是優(yōu)良的絕緣特性，Ta2O5薄膜的溫度系數為負值。Ta和Ta2O5相反的電阻、溫度特性是制備寬電阻率范圍、低溫度系數的精密電阻薄膜的首選材料，對Ta電阻薄膜材料的薄膜制備工藝、電學性能等的研究顯得越來越迫切。前人也用過蒸發(fā)法、反應濺射法、RF 濺射法，圓柱形陰極磁控法等多種方法制備Ta膜并且取得很多重大的成果。MZhang 等人為了研究顆粒大小對Ta膜結構和力學特性的影響，利用 RF 濺射技術在玻璃基片上制備了納米級Ta薄膜，得到薄膜顆粒大小為76.5 nm，對硬度的平和作用是最好的，在室溫條件下對電阻測量得到負溫度系數3 。MHCheng 等人用濺射法在硅片上制備Ta薄膜，

47、同時也分析了氧摻雜對薄膜殘余應力的影響，經過退火處理以后，薄膜內結構的Ta含量會明顯降低，說明了退火將直接影響到Ta薄膜的導電性能4。Robert Knepper 等人則表述了相Ta薄膜的熱膨脹系數和彈性模量的變化，同樣也得到在經過適當的加熱后相的Ta將會轉化為相，與MHCheng等人得到的結論相一致5。AijtCN等人利用蒸發(fā)法制備Ta薄膜電容器，并研究分析了其氧化層厚度與絕緣介質之間的關系。但是蒸發(fā)法制備的薄膜阻值較小而且成品率不高，實際上一般用作導電薄膜6在上個世紀七十年代初Ta-N薄膜制備電阻器就得到了廣泛應用，例如用于薄膜集成電路、薄膜混合電路、薄膜電阻網絡、微電子驅動器等7。CLA

48、u 等人采用反應濺射法制作而成Ta-N，該薄膜是具有電阻溫度系數小且穩(wěn)定性高薄膜，且實驗結果表明該膜的導電膜式為基底輔助隧穿導電膜式8。為薄膜材料的電阻電容特性更好，則尋找一種方法能使得薄膜電阻的可調范圍更寬和穩(wěn)定性更好，PKReddy 等人在真空中充氮氣條件下制備了鉭鋁合金混合電阻膜，該膜具有較高的熱穩(wěn)定性和方阻值9 。得到的材料同樣是 TaAlN 陶瓷薄膜，但經過陽極極化后的多層結構薄膜的介質特性更好，因為在高頻條件下得到的介質相損失少，這一特性對制做電容器十分有利，而且TaAlN薄膜通常還可用于溫度補償 R-C網絡電路10。如果摻入其它的一些金屬或非金屬會使Ta膜電阻的特性得到一些改善，

49、如Ti、Nb、Si 等11。此外，還有很多科研小組對純Ta薄膜的制備和物理特性做出了深入的研究，并得到了許多相關結論。 參考文獻1Youngkwon K.Chongmu L.Effects of processing variables on the mechanical properties of Ta/TaN multiplaer coatingsJ.Materials Science and Engineering,2000,B(75):17-23.2屈乃琴.鉭鈮及其合金的應用J.稀有金屬與硬質合金,1998,2(133):48-52.3Zhang M,Zhang Y F,Rack P

50、D,et al.Nanocrystalline tetragonal tantalum thin filmsJ.Scripta Materialia,2007,57(11):1032-1035.4Cheng M H,Cheng T H,Huang W J,et al.Infulence of oxygen diffusion on residual stress for tantalum thin filmsJ.J.Vac.Sci,2007,25(1):147-151.5Robert Knepper,Shefford P B.Coefficient of thermal expansion a

51、nd biaxial elastic modulus of phase tantalum thin filmsJ.Appl.Phys.Lett,2007,90(18):1908-1911. 6Jawalekar S R.Thin film Al2O3 capacitorsJ.Thin Solid Films,1976,37(1):85-89. 7Langley R A,Sharp D J.Ion backscattering study of tantalum nitride thin film resistorsJ.Journal of Vacuum Science and Technolo

52、gy,1974,12(1):155-159.8C.L.Au,Anderson W A.Stability of tantalum nitride thin film resistorsJ.J.Mater.Res,1990,5(6):1224-1232.9Reddy P K,BhaGavat G K.Properties of thin film capacitors made with reactively sputtered Ta-AlJ.Thin Solid Films,1980,72(3):443-448.10Nunomura K,Koyama N.Ta-SiC thin resisto

53、rs for highly reliable thermal printing headsJ.Proceedings-33rd Electronic Components Conference,1983,6(4):260-263. 11Hardy W.Effects of deposition temperatures on Ta thin film resistors reactively sputtered in oxygenJ.Journal of Vacuum Science and Technology,1973,10(1):303-306.第四章 采用磁控濺射技術制備鉭薄膜前言Ta

54、是一種稀有金屬，主要存在于鉭鐵礦中，質地十分堅硬、富有延展性，其熱膨脹系數很小。除此之外，Ta具有穩(wěn)定的化學性質及極高的抗腐蝕性。Ta主要用于電子原器件及合金的生產，做精密薄膜電阻的原材料。它的韌性比銅還要優(yōu)異，雖導電性不及Cu的好，但是Ta的結構性能表現得十分穩(wěn)定。Ta是電子工業(yè)和空間技術發(fā)展并不可少的原料。隨著我國國民生產總值的迅速提高，越來越多的工業(yè)對鉭的需求量急劇升高，從而使得鉭資源出現短缺。鉭及鉭合金冶煉比較工藝復雜，對環(huán)境的污染也較為嚴重，導致Ta及鉭合金的生產成本高，影響工業(yè)的快速發(fā)展。本課題采用射頻磁控濺射技術在Al2O3基底上制備納米級厚度純Ta薄膜，系統(tǒng)研究基底溫度對薄膜厚

55、度、薄膜微結構和表面形貌的影響規(guī)律，以獲得高純度，薄膜厚度可低至幾個納米，表面粗糙度小純金屬Ta薄膜材料，為Ta薄膜制備及其應用提供支撐。 主要研究內容： 1、在系列的基底溫度工藝條件下采用射頻濺射技術制備納米級厚度的純金屬Ta薄膜。 2、利用原子力顯微鏡(AFM)測量薄膜的粗糙程度；采用X射線衍射(XRD)分析薄膜的微觀結構。 3、通過上述的測量結果進行對基底溫度對薄膜制備影響的研究，優(yōu)化出制備納米級鉭薄膜的最佳工藝參數。 4.1實驗過程本課題采用JGP280型高真空雙靶磁控濺射鍍膜系統(tǒng)在晶向為(0001)單晶Al2O3上制備Ta膜。濺射過程不用人為操作，均由微機系統(tǒng)全程控制工藝參數，能很好的制備不同的薄膜。鍍膜過程不會被外部因素所干擾，方便可靠，可重復性好。實驗設備見圖4.1所示。（a）(b)圖 4.1 Al2O3表面鍍Ta設備(圖a為實驗設備，圖b為工作原理圖) 本課題采用射頻磁控濺射技術在基底為Al2O3薄膜上制備Ta膜。濺射的靶材為9999%的Ta靶。將先驅單晶Al2O3膜裝入系統(tǒng)沉積室內