實(shí)驗(yàn)名稱磁控濺射制備金屬薄膜

實(shí)驗(yàn)名稱：磁控濺射制備金屬薄膜錳銅合金作為壓阻計(jì)材料，具有較高的壓阻靈敏度，較好的線性度和電阻溫度系數(shù)小、壓阻特性好的特點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用于動(dòng)態(tài)高壓(沖擊波)的測(cè)試中。而薄膜式錳銅合金能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的超薄化，采用陶瓷或玻璃類材料作為封裝層在高壓下仍然保持良好的絕緣性，因此兩者的有效結(jié)合可以大大提高錳銅傳感器的高壓測(cè)試極限。Bosca等采用真空蒸發(fā)法在二氧化硅上沉積了錳銅膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)錳銅膜的成分與原材料的成分偏差較大，結(jié)果壓阻系數(shù)具有較大的離散性。蘇貴橋等研究發(fā)現(xiàn)成分能夠影響Mn-Cu合金的阻尼性能。磁控濺射技術(shù)廣泛應(yīng)用于薄膜制備領(lǐng)域，其主要涉及濺射功率、氣壓、偏壓、基體溫度等參數(shù)，每種參數(shù)都會(huì)對(duì)所制備的薄膜具有一定的影響。中頻磁控濺射技術(shù)具有較高的沉積速率，能夠制備出較小的缺陷密度和較好的致密性的薄膜，濺射沉積過程具有良好的穩(wěn)定性。因此本文采用中頻脈沖磁控濺射技術(shù)制備了錳銅合金薄膜，重點(diǎn)研究濺射功率參數(shù)對(duì)薄膜沉積速率、形貌的影響，以及熱處理對(duì)薄膜的微觀結(jié)構(gòu)的影響，以期對(duì)錳銅合金薄膜制備有一定的指導(dǎo)意義。1實(shí)驗(yàn)

研究中使用多離子源鍍膜機(jī)的中頻脈沖磁控濺射源沉積薄膜樣品，濺射電源是頻率為40kHz的中頻電源，其電壓最大值是1000V，中頻脈沖磁控濺射的電源一端接真空室，另一端接直徑為10cm濺射靶，濺射靶材為錳銅合金靶，其成分(原子分?jǐn)?shù))為Cu85.0%，Mn11.8%，Ni3.2%。圓形真空室連接分子泵，極限真空約為3×10-3Pa;工作氣體是純度為99.999%的Ar;本底真空為5×10-3Pa，工作氣壓保持在0.7Pa左右;基片SiO2正對(duì)濺射靶放置，且兩者相距為20cm;基片在酒精中浸泡，并用超聲波清洗10min，再用潔凈的酒精沖洗后用熱風(fēng)吹干備用。在濺射沉積前用輝光清洗10min除去錳銅合金靶表面的氧化層。由于錳銅薄膜沉積對(duì)高溫很敏感，因此為防止樣品溫度過高，基片SiO2懸浮放置，沉積過程沒有對(duì)基片加熱。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了濺射功率對(duì)薄膜的沉積速率、微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌的影響，并分析了熱處理對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)參數(shù)參見表1。采用AgilentOlympusIx7原子力顯微鏡研究薄膜表面形貌，并用原子力顯微鏡數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算表面均方根粗糙度;采用ＲigakuD/max2400型X射線衍射儀分析薄膜結(jié)構(gòu)，采用CuKαⅠ射線測(cè)量，加速電壓為45kV，工作電流40mA，射線的掠入射角度為3°，2θ掃描范圍在5°-80°之間;采用PDA-5500直讀光譜儀測(cè)量薄膜的成分;采用Talysurecli2000型三維形貌儀測(cè)薄膜的厚度。2結(jié)果與討論2.1薄膜的沉積速率與濺射功率之間的關(guān)系Mn-Cu合金薄膜的厚度測(cè)試在Talysurecli2000型的三維形貌儀上完成，樣品1的薄膜厚度為1.9μm，樣品2至樣品5的薄膜厚度均為2μm左右，可見在其他沉積參數(shù)相同條件下，Mn-Cu合金薄膜的厚度隨濺射功率的變化不大。圖1所示為Mn-Cu合金薄膜的沉積速率與濺射功率之間的關(guān)系，隨著濺射功率的增加，薄膜的沉積速率由98增加到100nm·min，隨后趨于平穩(wěn)，可見隨濺射功率的增加，Mn-Cu合金薄膜的沉積速率沒有明顯的變化，但其沉積速率可達(dá)到100nm·min，所以采用中頻磁控濺射技術(shù)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)制備出較厚的Mn-Cu合金薄膜。依據(jù)材料濺射和薄膜生長的相關(guān)理論，濺射功率越大，入射磁控靶的Ar+能量和濺射產(chǎn)額都增加，相應(yīng)提高沉積速率，但也可能出現(xiàn)功率增加到一定數(shù)值后，沉積速率的相應(yīng)變化不明顯，一方面是由于入射濺射靶表面的離子能量超過一定閾值后，發(fā)生注入效應(yīng)，從而降低濺射產(chǎn)額，不利于提高沉積速率;另一方面，功率增加時(shí)，離子之間的碰撞加熱磁控靶表面的氣體，降低離子密度和導(dǎo)致稀釋效應(yīng)，同樣減小濺射產(chǎn)額，因此從圖1看到功率大于1kW時(shí)，薄膜的沉積速率不再隨功率的增加而增加。濺射放電非常穩(wěn)定，功率的改變并沒有引起放電的不穩(wěn)現(xiàn)象。沉積速率不僅是衡量鍍膜設(shè)備性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而且還對(duì)薄膜的特性，如牢固度、薄膜應(yīng)力、電阻率等有著很大的影響。所以在濺射沉積過程中，固定適當(dāng)?shù)臑R射功率進(jìn)行后續(xù)的研究，從而控制薄膜的生長。

表1

中頻脈沖磁控濺射

Mn-Cu

合金薄膜的實(shí)驗(yàn)條件2.2薄膜的表面形貌與濺射功率之間的關(guān)系三維原子力顯微形貌可以直觀地反映薄膜的表面形態(tài)，來自錳銅合金薄膜樣品1和樣品5的典型原子力顯微形貌如圖2所示，其掃描范圍為10μm×10μm。圖2(a)為樣品1的原子力表面形貌，從圖2(a)中可以看出樣品1有明顯的峰和溝谷分布，薄膜由球狀的晶粒組成，且粒徑的差別不大，分布比較均勻，但表面粗糙度較大，其值為37.6nm;圖2(b)為樣品5的原子力表面形貌，可以看出，相對(duì)樣品1而言，樣品5表面平整細(xì)膩，薄膜表面沒有峰和溝谷分布，且表面粗糙度較小，其值僅有2.6nm。圖3所示為錳銅合金薄膜的表面粗糙度與濺射功率之間的關(guān)系，可以看到薄膜的表面粗糙度隨濺射功率的增加而顯著減小，表明濺射功率對(duì)錳銅合金薄膜的表面形貌影響較大。濺射功率從0.8kW增加到1.45kW，薄膜的表面粗糙度相應(yīng)的從37.6nm減小到2.6nm。所以在采用中頻濺射制備錳銅合金薄膜時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加濺射功率，從而可以降低薄膜的表面粗糙度，改善薄膜的致密性，這樣可以提高薄膜式錳銅傳感器壓阻系數(shù)低的缺陷。圖1

沉積速率與濺射功率之間的關(guān)系2.3薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與濺射功率和熱處理的關(guān)系在分析XＲD圖譜時(shí)發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)雖采用不同的濺射功率參數(shù)，但制備出的錳銅合金薄膜樣品在微觀結(jié)構(gòu)上并沒有明顯差異，均出現(xiàn)了MnCu(111)，MnCu(200)和MnCu(220)3種微觀結(jié)構(gòu)，均為面心立方結(jié)構(gòu)，因此本文中僅給出了樣品3的X射線衍射圖，但對(duì)樣品3進(jìn)行退火處理后發(fā)現(xiàn)，分別在2θ為35.35°，58.89°和59.84°處出現(xiàn)微弱的衍射峰值，分析認(rèn)為其分別為體心結(jié)構(gòu)的Mn(222)，Mn(440)和Mn(433)相，高溫退火處理?xiàng)l件使薄膜的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，Mn由面心結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心結(jié)構(gòu)。

圖3Mn-Cu合金薄膜表面均方根粗糙度與濺射功率之間的關(guān)系其退火條件是:真空度為5×10-3Pa、退火溫度為450℃、退火時(shí)間為60min。在采用PDA-5500直讀光譜儀測(cè)量薄膜成分時(shí)發(fā)現(xiàn)，濺射功率對(duì)薄膜成分的影響較小，濺射功率與膜層成分的關(guān)系。相對(duì)于靶材成分，不同濺射功率下膜層的成分均呈現(xiàn)同樣趨勢(shì)，其中Cu，Ni元素的含量偏大于靶材的成分，而Mn元素含量偏小，與薄膜中的Mn原子相比，Cu原子表現(xiàn)為擇優(yōu)濺射原子，因此在設(shè)計(jì)濺射靶成分時(shí)需要考慮合金靶材中不同成分存在的擇優(yōu)濺射現(xiàn)象。圖

4

樣品

3

退火前后的

XＲD

圖3

結(jié)論本文采用中頻磁控濺射技術(shù)制備了錳銅合金薄膜，并重點(diǎn)研究了濺射功率對(duì)薄膜的沉積速率、表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)的影響。分析發(fā)現(xiàn):濺射功率對(duì)沉積速率、微觀結(jié)構(gòu)的影響不大，采用中頻磁控濺射技術(shù)制備的錳銅合金薄膜的沉積速率較大，其值可達(dá)100nm·min，可以在較短的時(shí)間內(nèi)制備出較厚的薄膜;濺射功率對(duì)薄膜的成分影響較小，但濺射功率能夠