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高功率调制脉冲磁控溅射沉积纳米Cu薄膜工艺研究

马永乐  
【摘要】:采用闭合场非平衡高功率调制脉冲磁控溅射装置沉积铜薄膜,研究充电电压、脉冲宽度和频率、开时间(微脉冲宽度,τon)/关时间(两个微脉冲距离,τoff)和工作气压对靶峰值电流、峰值电压、峰值功率和平均功率的影响,利用示波器深入系统的研究高功率调制脉冲的放电特性;在不同平均功率和不同工作气压条件下沉积Cu薄膜,利用X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)分析铜薄膜相结构、表面和横截面形貌;利用台阶仪测量薄膜的厚度以及粗糙度;利用划痕仪测试薄膜的结合力;利用纳米压痕仪测量薄膜的硬度以及弹性模量,研究Cu薄膜结构与力学性能关系。实验结果如下: 充电电压在350V到600V范围变化,靶上峰值电流、峰值电压、峰值功率和平均功率均随着充电电压的增加而增加;而τon从6μm增加到14μm或者τoff从16μm减小到8μm(步长2μm),都使峰值电流、峰值电压、峰值功率和平均功率增加。调节峰值功率和峰值电流的方法可以调改变τon/τoff的大小或者调节充电电压。脉冲宽度从500μm增加到1500μm,平均功率从1.7kW增加到4.9kW;脉冲频率从50Hz增加到150Hz,平均功率从0.8kW增加到2.8kW,均呈线性增长;峰值电流、峰值电压和峰值功率分别为76.8A、514V和3.8kW,脉冲宽度和脉冲频率对其影响不大。 不同功率和气压条件下的高功率调制脉冲沉积Cu薄膜均为层状结构,结构致密,呈现(111)择优取向。随着平均功率从1kW增加到3kW,Cu薄膜的平均晶粒尺寸从的80nm增加到140nm,膜基临界载荷从17.4N增加到20N,粗糙度Ra变化不大,最大Ra为0.012μm。随着气压从0.3Pa增加到0.7Pa,Cu薄膜的平均晶粒尺寸从80nm增大到120nm,薄膜的(111)择优取向增强,粗糙度Ra从0.006μm增加到0.009μm,膜基临界载荷保持不变,在18N左右。 当平均功率在2kW时,气压为0.3Pa时,高功率调制脉冲磁控溅射沉积的Cu薄膜硬度为3.2Gpa,弹性模量为140Gpa,分别比脉冲直流磁控溅射沉积Cu薄膜高出0.4GPa和20GPa,薄膜质量提高。


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