ECR等离子体

研究快讯用微波ECR 等离子体溅射法在蓝宝石(0112)晶面上生长Z nO 薄膜的研究Ξ汪建华　袁润章(武汉工业大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉　430070)邬钦崇　任兆杏(中国科学院等离子体物理研究所,合肥　230031)(1998年6月12日收到;1998年11月27日收到修改稿)Ξ国家自然科学基金(批准号:19175046)资助的课题. 蓝宝石上外延生长ZnO 薄膜在表面波和声光器件中有重要的应用.用微波电子回旋共振(ECR )等离子体溅射法在蓝宝石(0112)晶面上外延生长了ZnO 薄膜,膜无色透明,并且表面光滑,基片温度为380℃,为探索沉积工艺参数对薄膜结构的影响,用XRD 对不同基片温度和沉积速率生长的ZnO 薄膜进行了研究.PACC :04841　引言随着声表面波(SAW )技术的发展,对更高频的SAW 器件的需求日益增加,因而希望有高声速的基片材料,在蓝宝石基片上溅射沉积ZnO 薄膜格外引人注目.如:当膜厚相当于SAW 波长时,则SAW 速率约为6000m/s ,高次模SAW 传播的速度则高达7000m/s 以上[1].这比LiNO 3或石英的SAW 速度大得多.众所周知,用溅射法能在玻璃衬底上生长c 轴取向的ZnO 薄膜,这种膜与衬底构成的层状结构可用于较低频段的SAW 器件.当用于几百MHz 以上的高频波段的薄膜SAW 器件时,若构成器件的压电ZnO 薄膜是多晶结构,则由于传播损耗大,而降低器件性能.这时就要使用单晶ZnO 薄膜[2].用化学气相沉积法生长的薄膜,沉积温度高,膜表面粗糙,用于SAW 器件时需要抛光.将薄膜抛光到有确定的SAW 相速度的一定厚度是很困难的.有文献报道,用射频溅射外延生长ZnO 薄膜,不用抛光工序即可获得光滑的薄膜.但这时使用了掺Li 2CO 3氧化锌陶瓷靶,溅射沉积时,获得的薄膜晶粒大,工艺稳定性和重复性差,制作的薄膜器件传输损耗大,尤其是当Li +离子吸收了空气中的水分时,在薄膜的表面会产生LiOH ,并降低器件的稳定性和可靠性[1,3—5].第48卷第5期1999年5月100023290/1999/48(05)/0955206物　理　学　报ACTA PHYSICA SIN ICA Vol.48,No.5,May ,1999ν1999Chin.Phys.S oc.微波ECR等离子体有许多优异的特性.人们已将这种等离子体用于了薄膜的沉积、刻蚀、氧化、掺杂和外延.利用ECR等离子体激发金属有机化合物的气相外延(MOV PE) G aN单晶膜[6],沉积温度只有300—400℃,而常规的金属有机化合物气相外延生长G aN 单晶膜则需要900—950℃,离子能量高会使沉积膜变成多晶,生长基片温度高,会造成薄膜中可能出现较多的缺陷.ECR等离子体离子能量较低,能在较低温度下成膜[7],在200℃时沉积的SiO2膜的性质与热氧化的SiO2膜的性质相当[8],在400—800℃时用SiH4能使Si同质外延生长[9].我们用ECR等离子体溅射法在蓝宝石(0112)晶面上制备出表面光滑、平整、致密和透光性好,晶粒细小,高度c轴取向多晶ZnO膜[10].研究了不同基片温度和沉积速率对ZnO薄膜结构的影响.2　外延生长ZnO膜的实验过程图1　ECR溅射装置　11石英窗口,21磁场线图,31共振腔,41靶座,51探针,61基片架,71波导(真空),81气体输入口薄膜生长装置如图1所示,用提拉法生长的(0112)取向单晶蓝宝石(α2Al2O3)经抛光后作为基片,基片尺寸18mm×12mm,沉积温度由紧贴在基片架上的镍铬2镍铝热电偶测定.将蓝宝石基片放入三氯乙烯溶液中煮沸清洗,然后依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗,用红外灯烘烤后立即放入沉积真空室抽真空至113×10-4Pa.引入Ar 气,开微波源,产生ECR等离子体,加基片压对基片轰击5—10min,放下基片挡板,加靶负偏压,预溅射10—15min,然后移开挡板,引入氧气,开始沉积ZnO薄膜.表1给出制备外延ZnO薄膜的工艺条件,薄膜沉积速率依赖于微波功率,薄膜厚度由沉积时间确定.表1　外延生长ZnO薄膜的溅射条件基片温度330—430℃磁场电流135A靶2基间距90—130mm微波功率300—500W溅射气压011—013Pa靶压-500—-1000V 用Tely2Step2Hobbso轮廓仪测定膜厚,用XRD测定ZnO薄膜的结构.3　结果和讨论311　外延生长Z nO薄膜和衬底取向匹配选择众所周知,生长单晶薄膜,则其膜和衬底之间要有密切关系,它们需要构成一个可能659物 理 学 报48卷生长单晶薄膜的组合系统,这个组合系统的首先条件是晶格匹配.对外延生长单晶ZnO 膜来说,一般采用的是取向为(0001)和(0112)取向蓝宝石单晶作为衬底材料.在我们的实验中,采用了提拉法生长(0112)晶面的蓝宝石,能够在该衬底上生长出(1120)晶面的ZnO 薄膜.在(0112)晶面蓝宝石上用溅射法和PCVD 法外延生长(1120)ZnO 薄膜已有报道[1,11].312　外延生长Z nO 薄膜的X 射线衍射结构分析图2(a )给出取向为(0112)蓝宝石基片的X 射线衍射图.由图可见,出现2个衍射峰:2θ=25°36′为Al 2O 3(0112)峰,2θ=52°32′为Al 2O 3(0224)峰,并且衍射峰非常强,这表明衬底为取向(0112)晶面的蓝宝石.图2(b )给出了蓝宝石基片上ZnO 膜混合取向生长的X 射线衍射图,沉积条件:微波功率P w =500W ,衬底温度T =407°,Ar/O 2流量比515/218,靶2基间距d =9cm ,由图可见,除了衬底峰外,ZnO 膜的衍射峰出现了7个,这表明,在该条件下,蓝宝石上生长的ZnO 膜为混合取向多晶膜.为能在蓝宝石上生长单一取向(1120)晶面的ZnO 薄膜,进行了大量实验,不断调整工艺参数,得到了如图3所示的X 射线衍射谱.沉积条件:气体流量比O 2/Ar =15/3,T =380℃,P w =350W.由图可见,除了蓝宝石(0112),(0224)衍射峰,仅出现了ZnO (1120)的晶面衍射峰,并且(1120)晶面峰也很强.这表明,薄膜的晶格排列相对于基底有择优的生长方向.由此可以确定,在单晶蓝宝石基底上生长ZnO 薄膜之间的外延关系为(1120)ZnO//(0112)Al 2O 3,这种薄膜外观上看是无色、透明的,表面很光滑.图2　(a )蓝宝石基片的X 射线衍射线,(b )在(0112)蓝宝石基片上ZnO 膜的X 射线衍射图　图3　取向为(0112)蓝宝石基片上处理外延生长的ZnO 薄膜的典型XRD 图谱313　外延生长Z nO 薄膜的工艺参数对膜结构的影响单晶衬底上外延单晶薄膜,要求衬底与薄膜具有相近的晶格常数.当衬底的取向晶面7595期汪建华等:用微波ECR 等离子体溅射法在蓝宝石(0112)晶面上生长ZnO 薄膜的研究确定后,要得到外延单晶膜必须在薄膜的制备过程中严格控制成核和生长条件,如:基片温度、气体压强、沉积速率等,某一环节出现偏差,就容易生长出多晶结构的薄膜.用ECR溅射法外延生长ZnO薄膜,控制基片温度和膜的沉积速率尤为重要.图4示出不同基片温度下,蓝宝石(0112)晶面生长的ZnO膜的X射线衍射谱.沉积条件:气体流量比O2/Ar=15/3,靶基间距d=11cm,由图4(a)可知,当基片温度很低时,除了蓝宝石(0112)和(0224)峰外,ZnO膜只出现了(0002)峰,并且强度很弱.当基片温度升高,由图4(b),ZnO出现了4个峰(1000),(0002),(1120),(1013),其中(0002)峰要强些,(1120)峰最弱.继续升高基片温度,由图4(c)可知,ZnO膜出现5个峰(1000), (0002),(1011),(1120),(1013),其中(1120)峰较其他峰要强.与图4(b)比较,(0002)衍射峰强度减弱,当基片温度达到407℃时,由图4(b)可以看到,在蓝宝石(0112)晶面的基片上,ZnO膜的(1120)峰以高的衍射强度出现,并且可以与衬底峰(0112)相比拟,而其他衍射峰(1011),(0002),(1000)要弱的多.这个结果表明,基片温度对取向为(0112)蓝宝石上,外延生长ZnO薄膜有明显的影响.较高的基片温度有利于薄膜的外延生长.图5给出不同沉积速率时,蓝宝石(0112)晶面上ZnO膜的X射线衍射图.沉积条件: T=330℃,气体流量比为Ar/O2=3/15,图5(a),(b),(c)膜的沉积速率分别是R=0136μm/h,0124μm/h,0115μm/h.　图4　示出不同基片温度时,蓝宝石(0112)面上外延ZnO(1120)的X射线衍射图　图5　不同沉积速率时,蓝宝石(0112)面上的ZnO的XRD衍射图当ZnO膜以较高的沉积速率在蓝宝石(0112)晶面上生长时,由图5(a)可见,除了蓝宝石衬底峰(0112),(0224)外,ZnO膜出现了(0002),(1013),(0004),并且(0002)衍射峰859物 理 学 报48卷很强,这表明ZnO 膜是高度c 轴取向的.若降低膜生长的沉积速率由图5(b )可见,除了蓝宝石衬底峰外,ZnO 膜出现了5个峰,其中(1120)峰最强.继续降低膜的沉积速率,则由图5(c )可见,ZnO 膜出现5个衍射峰(1000),(0002),(1011),(1120),(1013),与图5(b )相比较,(1120)衍射峰要强得多.以上结果表明,在蓝宝石上外延生长ZnO 薄膜,在一定温度下沉积速率低有利于膜的外延生长,若沉积速率过高,易形成混合取向或择优c 轴取向薄膜.综上所述,在蓝宝石(0112)晶面外延生长氧化锌膜时,较高的温度和较低的沉积速率有利于膜的生长,当基片温度过低,不利于外延膜的生长.膜的沉积速率过高,可能形成择优取向的多晶薄膜或形成混合取向的薄膜.引起以上结果的原因,可以从以下几点来考虑[12]:(1)在蓝宝石单晶衬底上生长取向的ZnO 薄膜,它的晶格相对于基底有限定的生长方向,而在这两个晶体界面,原子排列是不完全相同的,在垂直界面方向上是不连续的,这样在界面区域形成“界面位错”,它非常像固体中的位错缺陷,由于生长薄膜与基底晶格间距的失配,在外延生长的单晶中将发生扭曲(平行于界面方向薄膜晶格压缩或伸长)以便减少与基底晶格之间的差别.但当晶格错配量大时,则不能保证外延膜的生长,即易形成多晶膜.(2)要产生外延生长,重要的是要求特殊取向具有较低的界面自由度和任何其他取向都要高得多的成核速率.因为在外延生长的晶格匹配的相干界面的相干成核只可能发生在较高的过饱和度时,但有时尽管发生了相干成核,位错仍然可以在膜的生长初期进入界面,使其成为半相干成核的情况.在足够高的过饱和度下,很多取向可能出现可观的成核速率,因此会破坏单晶膜的外延生长.在更高的过饱和度下,很多取向同时迅速生长,导致多种取向的晶核的形成.(3)温度会影响基片表面吸附原子的迁移率和再蒸发.外延生长的基片温度的确定要考虑到与扩散能及沉积原子与基底结合能的数值.因为沉积原子,应该移动到适当的位置,因此存在着基底温度的下限,低于此温度时,外来原子不能移到成核生长晶体的位置.这个下限就是有利于外延生长的转变温度,若低于转变温度时,就不能建立有利于外延单晶膜生长的取向.这个转变温度将随着沉积速率的增加而增加.4　结论(1)用微波ECR 等离子体溅射法在取向为(0112)蓝宝石基片上外延生长了(1120)晶面的ZnO 薄膜.膜外观上看无色、透明,并且表面很光滑.外延膜沉积温度为380℃.(2)用XRD 对不同基片温度和沉积速率下生长的ZnO 膜进行了研究,结果表明,膜的结构与基片温度和沉积速率有关,当基片温度过低,不利于外延膜的生长,膜的沉积速率过高,有可能形成择优取向的多晶薄膜或形成混合取向的薄膜.较高的基片温度并同时控制膜以较低的沉积速率生长则有利于外延ZnO 薄膜.[1]　T.Mitsuyu ,S.One and K.Wesa.J.A ppl.Phys.,51(1980),2464.9595期汪建华等:用微波ECR 等离子体溅射法在蓝宝石(0112)晶面上生长ZnO 薄膜的研究069物 理 学 报48卷[2]　T.Mitsuyu,Y amazakz and K.Wesa,I EEE Ult rasonics S y m posi um Proceedi ngs,1981,74.[3]　钱振型,压电与声光,1(1982),1.[4]　盛敏华、钱振型,压电与声光,6(1982),26.[5]　盛敏华、蔡起善,压电与声光,4(1985),43.[6]　S.Zembutsu and T.Sosaki,A ppl.Phys.Let.,48(1986),870.[7]　Morito Matsoka and K enichi One,J.A ppl.Phy.,64(1988),　.[8]　O.A.PoPo.V and H.Wasdran,J.V ac.Sci.Technol.,A7(1989),914.[9]　R.Burke,J.Pelletier,C.Pomot and L.Vallier,J.V ac.Sci.Technol.,A8(1990),2931.[10]　汪建华、任兆杏、邬钦崇,武汉化工学院学报,2(1997),84.[11]　T.Shiosaki,M.Shimizu,T.Y amamoto,M.Y agi,I EEE Ult ransonics S y m posi um,1981,498.[12]　薛增泉、吴全德编著,薄膜物理(电子工业出版社,北京,1989年),第14章.THE STU DY OF EPITAXIAL GROWTH ZnO THINFILM ON A(0112)SAPPHIRE SUBSTRATEUSING ECR PLASMA SPUTTERING METH ODΞW AN G J IAN2HUA　Y UAN R UN2ZHAN(State Key L aboratory of A dvanced Technology f or M aterials Synthesis and Processing,W uhan U niversity of Technology,W uhan　430070)W U Q IN2CHON G　R EN Z HAO2XIN G(Instit ute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences,Hef ei　230031)(Received12J une1998;revised manuscript received27November1998)A BSTRACTEpitaxial growth of ZnO film on sapphire substrate has important applications in surface acoustic wave and acousto2optical transducers.An epitaxial ZnO film has been grown on a(0112)sapphire substrate using ECR plasma sputtering method at a substrate temperature of380℃.The film is colourless,transparent and surface smooth.In order to explore the relationship between the deposition parameter and crystal structure of ZnO film,it have been studied that epitaxied growth of ZnO film in different substrate temperatures and deposition rates by XRD method.PACC:0484ΞProject supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.19175046).。

微波ECR 等离子体增强磁控溅射制备SiN x 薄膜及其性能分析3丁万昱　徐　军　李艳琴　朴　勇　高　鹏　邓新绿　董　闯(大连理工大学三束材料表面改性国家重点实验室,大连　116024)(2005年5月24日收到;2005年9月12日收到修改稿) 利用微波ECR 磁控反应溅射法在室温下制备无氢S iN x 薄膜.通过傅里叶红外光谱、X 射线电子谱、膜厚仪、纳米硬度仪、原子力显微镜等分析手段,分析了N 2流量、S i 靶溅射功率等实验参数对S iN x 薄膜结构、化学配比以及机械性质的影响.结果表明,S iN x 薄膜中S i 2N 结构、化学配比及机械性质与等离子体中的S i 元素含量关系密切,随着N 2流量的增加或者S i 靶溅射功率的降低,等离子体中的S i 元素含量降低,S iN x 薄膜结构、化学配比及硬度发生变化,红外光谱发生偏移,硬度下降,沉积速率降低.关键词:SiN x ,磁控溅射,傅里叶变换红外吸收光谱,X 射线电子谱PACC :6855,6860,7830L3国家自然科学基金重大项目(批准号:50390060)资助的课题. E -mail :xujun @11引言SiN x ,由于它具有硬度高、抗腐蚀、耐高温、导热性与绝缘性好、光电性能优良等优点,因而在微电子领域、微机械系统、材料表面改性等诸多领域都得到广泛的应用[1—5].最近,Y en 等人发现SiN x 薄膜的膜厚极限非常低,达到115nm 厚度时仍能形成连续的薄膜,非常适用于计算机高密度磁盘保护膜[6],因此,对SiN x 薄膜的研究再一次在国内外引起重视.由于薄膜中成分配比将直接影响到SiN x 薄膜的性能,所以研究影响SiN x 薄膜成分配比的工艺参数也就具有重要意义.SiN x 薄膜的制备方法有多种,其中最常用的有物理气相沉积(PVD )法、离子束增强沉积(I BE D )法[7]和化学气相沉积(C VD )法[8—10]等.本实验利用微波ECR 等离子体增强磁控反应溅射法制备SiN x 薄膜[11].微波ECR 磁控反应溅射法是PVD 方法中的一种,它兼备了磁控溅射和反应溅射的优点,与C VD 方法相比较,可以在低温环境下(室温)制备SiN x 薄膜,解决了反应温度过高限制SiN x 薄膜应用问题,如SiN x 薄膜作为计算机磁盘保护膜[12,13];并且大大降低薄膜中的H 含量,提高薄膜机械性质,如硬度[12,13].此外,本方法在制备SiN x 薄膜过程中易于控制薄膜结构和成分,薄膜的许多性能可以与用C VD 方法、I BE D 方法制得的薄膜相媲美.21实　验本实验制备SiN x 薄膜设备采用自行研制的微波ECR 磁控溅射系统,关于该系统的详细描述请参阅相关文献[11,14,15].基片材料采用经过抛光处理的(100)取向单晶硅片,依次经过丙酮、酒精、去离子水超声清洗,然后吹干,最后固定在加射频偏压(RF )的载物台上.沉积前先对基片进行溅射清洗(Ar =20sccm ,-400V RF ,10min ),以去除单晶硅基片表面的氧化层,溅射靶材选取纯度为99199%的单晶硅靶,溅射硅靶同样加射频偏压.工作气体为高纯N 2(991999%)和高纯Ar (991999%);在实验过程中,真空室的本底真空抽至510×10-3Pa ;反应气压为012Pa 左右;微波功率为850W.本实验通过改变参数制备出不同的SiN x 薄膜.利用美国尼高利(Nicolet )仪器公司生产的智能型AVAT AR360傅里叶变换红外光谱仪(FT 2IR )(该仪器扫描范围在400—4000cm-1之间,扫描步长为第55卷第3期2006年3月100023290Π2006Π55(03)Π1363206物　理　学　报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.55,N o.3,March ,2006ν2006Chin.Phys.S oc.2cm -1)、美国Acton 公司的SP 2305型单色仪、英国VG 公司MKII 型X 射线光电子能谱仪等设备分析薄膜的结构及成分,通过MTS XP 纳米硬度仪、Surfcorder ET 4000M 型膜厚仪、NanoScope Ⅲ原子力显微镜(AFM )等仪器分析薄膜的机械性质和表面形貌.实验参数如下表1所示,通过改变N 2流量或者Si 靶溅射功率,制备出不同成分、结构及化学配比的SiN x 薄膜.在改变N 2流量或者Si 靶溅射功率时,薄膜的沉积时间皆为120min ,载物台加的沉积偏压皆为-100V (RF ).表1　实验参数表样品N 2流量ΠsccmAr 流量ΠsccmS i 靶溅射功率ΠW111220350222035034203504820350515203506301035074203008420250942020010420150114205031结果与讨论3111红外光谱图1为在不同N 2流量下沉积的SiN x 薄膜的傅里叶变换红外光谱,图中各条谱线旁边的数字为样品编号.1号谱线为N 2流量为112sccm 时沉积的SiN x 薄膜的傅里叶红外变换光谱(FT 2IR ),从光谱中可以看到,谱线在611135cm -1,896178cm -1,110311cm -1处出现吸收峰,它们分别对应的是,Si 基底、Si 2N 伸缩振动峰、Si 2O 伸缩振动峰[16—18].其中Si 2O 伸缩振动峰主要是由于背底真空中或者样品在空气中吸附的O 2或者H 2O.从谱线中可以发现,与其他方法制备SiN x 薄膜的红外光谱相比较[16—18],本实验的光谱在2200cm -1和3400cm -1处并不存在明显的Si 2H 和N 2H 的伸缩振动峰[16,17],这表明利用本系统制备的SiN x 薄膜中H 杂质含量很低,同时也显示本方法对比PEC VD 方法的优势.从图1还可以发现,随着N 2流量的增加,在870cm -1处的Si -N 伸缩振动峰强度逐渐减弱,但是在1080cm -1处的Si 2O 伸缩振动峰强度逐渐增强,主图1　不同N 2流量下制备的S iN x 薄膜傅里叶变换红外光谱峰逐渐由870cm -1处转移至1080cm -1处,这说明随着N 2气流量的增加,薄膜中的O 含量逐渐增加,当N 2气流量超过15sccm 时,Si 2O 伸缩振动峰变为主峰,即此时薄膜以Si 2O 结构为主[11].这种现象可以解释为如下原因:首先,由于背底真空中有少量的O 2分子,并且O 元素活泼性要远高于N 元素,因此,被溅射出来的Si 原子在沉积过程中首先与O 元素结合,形成SiO 2结构;其次,等离子体中引入N 元素会在Si 靶表面形成氮硅化合物,导致靶中毒现象.随着N 2流量的增加,靶中毒现象加剧,导致Si 靶溅射率降低.综合这两个原因,随着N 2流量增加,到达基片的Si 原子数量在减小,并且到达基片的Si 原子,首先与背底真空中残余的O 2反应形成SiO 2,这样就间接导致薄膜中的Si 2O 键含量增加而Si 2N 键含量减少,从而导致薄膜红外光谱主峰位置由870cm -1向1080cm -1处转移.同时,这种现象也说明利用本系统可以在N 2流量很小的情况下制备出优异的SiN x 薄膜,大大的提高了N 2的利用率,仅2sccm N 2流量就可以在红外光谱上产生强烈的Si 2N 伸缩振动峰.图2为在不同溅射功率下制备的SiN x 薄膜红外光谱,图中各条谱线旁边的数字为样品编号.从光谱中依然可以得出相同规律,即随着Si 靶溅射功率的降低,在SiN x 薄膜的红外光谱中,870cm -1处的Si 2N 伸缩振动峰强度逐渐减弱,但1080cm -1处的Si 2O伸缩振动峰强度逐渐增强.这种现象验证了由上文所提到的那两个原因,随Si 靶溅射功率的降低,Si 靶的溅射速率降低,即到达薄膜生长表面的溅射Si 原子密度减少,其效果等同于靶中毒.上述结果说明4631物 理 学 报55卷等离子体中Si 元素的密度是影响SiN x 薄膜成分和结构的重要条件.图2　不同溅射偏压下制备的S iN x 薄膜傅里叶变换红外光谱为了进一步验证等离子体中Si 元素密度的变化对薄膜成分和结构的影响,利用美国Acton 公司的SP 2305型单色仪发射光谱法(OES )对等离子体中Si 元素密度进行定性测量,结果如图3所示.图3中63312nm ,63417nm 处谱峰分别对应Si ,Si +的发射光谱谱峰[19],从图3中可以看出,随着Si 靶溅射功率的降低,等离子体中Si 元素的发射光谱谱峰强度单调降低,说明随着Si 靶溅射功率的降低,等离子体中Si 元素的密度单调降低,这与FT 2IR 结果中关于等离子体中Si 元素密度的推测很好地符合.同样,在图3中可以看出,随着N 2流量的增加,等离子体中Si 元素发射光谱谱峰强度单调降低,即等离子体中Si 元素的密度也相应降低,这也与FT 2IR 结果中关于等离子体中Si元素密度的推测很好地符合.通过这两个发射光谱检测结果,可以很好地验证FT 2IR 的结论,也与随后的XPS 结论相符合,从而直接验证了等离子体中Si 元素的密度是影响SiN x 薄膜成分和结构的重要条件.3121X 射线电子能谱为了进一步了解SiN x 薄膜的结构与成分,我们对薄膜进行了X 射线电子能谱(XPS )检测.通过对Si 2p 的高分辨XPS 谱进行解谱,可以发现三个高斯峰,结合能分别为9915eV ,10119eV 和10314eV ,这三个高斯峰分别对应Si 2Si 键结构、Si 2N 键结构、Si 2O 键结构[20—23],如图4所示.通过对不同N 2流量下制备的SiN x 薄膜的Si 2p 高分辨XPS 谱解谱比较(图4),可以发现,在N 2流图3　等离子体中S i 元素发射光谱谱峰强度随S i 靶溅射功率、N 2流量的变化图4　不同N 2流量下制备的S iN x 薄膜中S i 2p 的高分辨XPS 谱及其解谱量较小时(112sccm ),SiN x 薄膜中Si 2Si 键结构含量较高,并且Si 2N 键结构中N ΠSi 比值偏小,见表2,薄膜呈现富Si 态.随着N 2流量的增加,SiN x 薄膜中的Si 2Si 键结构在减少,间接导致薄膜中的Si 2N 键结构相对含量增加,在N 2流量为4sccm 时,薄膜中的Si 2N 键结构相对含量达到最大值,此时通过对Si 2p 和N 1s 的高分辨XPS 谱面积计算并用灵敏度因子校56313期丁万昱等:微波ECR 等离子体增强磁控溅射制备S iN x 薄膜及其性能分析正,计算得出此时薄膜的Si 2N 键中N ΠSi 值为1133,与Si 3N 4的化学配比相符合,如表2所示,此时的薄膜也显示出了最好的红外光谱图像以及最好的机械性质.继续增加N 2流量,薄膜中Si 2O 结构相对增加.当N 2流量超过15sccm 时,薄膜由以SiN x 结构为主转变为以SiO 2结构为主,薄膜的红外光谱及机械性质也相应地逐渐向SiO 2结构转变.XPS 结果与FT 2IR 结果很好地符合,进一步证明了在SiN x 薄膜的沉积过程中,等离子体中Si 元素的密度直接影响薄膜的化学配比和机械性质.表2　在不同N 2流量下制备的S iN x 薄膜中S i 2p 的不同结构含量及S i 2N 结构中的N ΠS i 比值S i 2S iS i 2N S i 2O N ΠS i N 11220951692317900187N 44771675015431133N 858818651242111383131生长速率利用Surfcorder ET 4000M 型膜厚仪采用台阶法测得薄膜厚度,经计算可得到薄膜的生长速率.图5为SiN x 薄膜生长速率随N 2流量、溅射功率变化曲线.由图中可以得出,随着N 2流量的增加,SiN x 薄膜的生长速率单调降低;并且,随着Si 靶溅射偏压的降低,SiN x 薄膜的生长速率也单调降低.这种现象同样可以解释为随着N 2流量的增加,或者随着Si 靶溅射功率的降低,都会直接导致Si 靶表面溅射率降低,从而导致等离子体中Si 元素的含量降低,最终导致SiN x 薄膜沉积速率降低.综合薄膜的红外光谱和生长速率这两个结果,我们可以得出,Si 靶单位面积的溅射率,也就是等离子体中Si 元素的密度,在SiN x 薄膜沉积过程起着重要作用.314　薄膜硬度图6为SiN x 薄膜硬度随N 2流量、Si靶溅射功率变化曲线.从图中可以看出,随着Si 靶溅射功率的降低,SiN x 薄膜的硬度单调降低.这种现象同SiN x 薄膜的红外光谱相结合,可以解释为,当Si 靶溅射功率降低时,间接导致到达基片的Si 原子数量降低,薄膜SiN x 结构含量减少,薄膜的主要成分变为SiO 2结构.因此,薄膜硬度会降低,由SiN x 结构硬度转变为SiO 2结构硬度.随着N 2流量的增加,SiN x 薄膜硬度先增加后减小,在N 2流量为4sccm 时,图5　S iN x 薄膜生长速率随N 2流量、S i 靶溅射功率变化曲线图6　S iN x 薄膜硬度随N 2流量、S i 靶溅射功率变化曲线SiN x 薄膜得到最大硬度,为2219G Pa ,这一值与其他研究小组所得结果一致[6,12,13].结合SiN x 薄膜的XPS 及FT 2IR 结果,这种现象可以解释为,在N 2流量很小时,SiN x 薄膜呈现富Si 态,此时薄膜硬度是SiN x ,SiO 2,非晶硅三者的混合硬度,因此硬度值介于较软的SiO 2、非晶硅和较硬的SiN x 之间.随着N 2流量的增加,薄膜中的SiN x 含量逐渐增加,当N 流量为4sccm 时,薄膜中的N ΠSi 比例达到最佳的1133,因此薄膜硬度达到最大值,2219G Pa.继续增加N 2流量,由于靶中毒现象增加导致薄膜中SiN x 含量降低,薄膜由以SiN x 结构为主逐渐向以SiO 2结构为主转变,因此薄膜硬度随之向SiO 2硬度转变.当N 2流量增加至35sccm 时,薄膜中SiO 2含量较高,同时Si 2N 键结构中的N ΠSi 比值偏离标准值1133,薄膜的硬度也降低至11G Pa 左右,接近于SiO 2的硬度[24].6631物 理 学 报55卷图7　不同N 2流量下制备的S iN x 薄膜表面形貌3151薄膜表面形貌由AFM 观测得到SiN x 薄膜的表面形貌及表面粗糙度.图7为在不同N 2流量下制备的SiN x 薄膜表面形貌,从图中可以看出薄膜表面光滑,没有明显的岛状生长模式.但是随着N 2流量的增加,薄膜的表面粗糙度程度增大.图8为由以上各图片得到的SiN x 薄膜表面粗糙度随N 2流量变化曲线.从图中可以看出,随着N 2流量的增加,薄膜的表面粗糙度略有增加,但总体保持在012nm 以下,这说明利用本技术制备的SiN x 薄膜可以达到在原子尺度上平滑.由本系统沉积的SiN x 薄膜的表面粗糙度低于由电弧离子镀、LPC VD 或者PEC VD 等其他方法制备的SiN x 薄膜的表面粗糙度1—2个数量级[21].这种现象是由于利用本系统沉积的SiN x 薄膜具有较低的生长速率(与电弧离子镀或者C VD 相比较),因此薄膜具有较低的表面粗糙度.图8　S iN x 薄膜表面粗糙度随N 2流量变化曲线41结　论由微波ECR 磁控溅射系统在室温下制备出具有较好结构及性能的无氢SiN x 薄膜.利用FT 2IR ,76313期丁万昱等:微波ECR 等离子体增强磁控溅射制备S iN x 薄膜及其性能分析XPS,纳米硬度仪,AFM,轮廓仪等设备对薄膜进行了结构和性能分析,结果表明,SiNx薄膜的结构和性能强烈依赖于等离子体中Si元素的含量.增加N2流量或者降低Si靶溅射功率,都会导致等离子体中Si元素含量减少,并最终改变SiN x薄膜的结构及化学配比,降低薄膜的机械性质.在N2流量为4sccm,溅射功率为350W时,等离子体中Si元素含量达到最大值,此时,SiNx薄膜的化学配比达到最佳,x值为1133,薄膜硬度亦达到最高值2219G Pa,同时薄膜显示出了最好的红外吸收光谱以及较低的表面粗糙度.[1]Skordas S,S irinakis G,Y u W et al2000Mater.Res.Soc.Symp.Proc109606[2]M orosanu C E1980Thin.Solid.Films17165[3]French P J,Sarro P M,M alle′e R et al1997Sens.Actuator s A14958[4]Bustillo J M,H owe R T1998Muller.R.S.Proc.IEEE861552[5]Eaton W P,Sm ith J H1997Smart.Mater.Struct6530[6]Y en B K,White R L,W altman R J et al2003J.App.Phys.938704[7]Xu D,Zhu H,T ang L J et al1995Acta.Meta.Sin.431(inChinese)[徐　东、朱　宏、汤丽娟等1995金属学报431] [8]Chen J F,Wu X Q,W ang D Q et al1999Acta.Phys.Sin.481310(in Chinese)[陈俊芳、吴先球、王德秋等1999物理学报481310][9]Zhang G W,Long F2001Semi.Opt.22201(in Chinese)[张顾万、龙　飞2001半导体光电22201][10]Y u W,Liu L H,H ou H H et al2003Acta.Phys.Sin.52687(inChinese)[于　威、刘丽辉、侯海虹等2003物理学报52687][11]Ding W Y,Xu J,Piao Y et al2005Chin.Phys.Lett.222332[12]Vila M,Ca′ceres D,Prieto C et al2003J.App.Phys.947868[13]Savall C,Bruyera J C,S toquert J P et al1995Thin.Solid.Films260174[14]Li X,T ang Z A,M a GJ et al2003Chin.Phys.Lett.20692[15]Xu J,M a T C,Lu W Q et al2000Chin.Phys.Lett.17586[16]Y ota J,Hander J,Saleh A A2000J.Vac.Sci.T echnol A18(2)372[17]Vargheese J K D,Rao G M2001J.Vac.Sci.Technol.A191336[18]Lu Z,Santos2Filho P,S tevens G et al2001J.Vac.Sci.Technol.A191336[19]NIST Atom ic S pectrum Database,ver.310,http:ΠΠphysics.nist.g ov[20]M oulder J F,S tickle W F,S obol P E et al1995Handbook o f X2rayPhotoelectron Spectroscopy,Physical Electronics Inc,page57and253[21]Y ang G R,Zhao Y P,Hu Y Z et al1998Thin.Solid.Films333219[22]Bustarret E,Bens ouda M,Habrard M C et al1988Phys.Revi.B388171[23]Xu S H,X in Y,Ning Z Y et al2003Acta.Phys.Sin.521287[24]Scanlon M R,Cammarata R C1994J.Appl.Phys.763387Characterization of silicon nitride films prepared byMW2ECR magnetron sputtering3Ding W an2Y u　Xu Jun Li Y an2Qin　Piao Y ong　G ao Peng　Deng X in2Lü　D ong Chuang (State K ey Laboratory o f Material Modification by Laser,Ion and Electron Beams,Dalian Univer sity o f Technology Dalian　116024,China)(Received24M ay2005;revised manuscript received12September2005)AbstractHydrogen2free silicon nitride films were deposited at room tem perature by m icrowave electron cyclotron resonance(ECR) plasma source enhanced unbalanced magnetron sputtering system.F ourier2trans form in frared spectroscopy and X2ray photoelectron spectroscopy were used to study the bond type,the change of bond structures,and the stoichiometry of the silicon nitride films.Atom ic2force m icroscopy and nano2indentation were used to study the m orphological features and mechanical characteristics of the films.The results indicate that the structure and characteristics of the films deposited by this technique depend strongly on the density of sputtered S i in plasma and the films deposited at4sccm N2flow show excellent stoichiometry and properties.K eyw ords:silicon nitride,W M2ECR plasma sputtering,FT2IR,XPSPACC:6855,6860,7830L3Project supported by the National Natural Science F oundation of China(G rant N o.50390060).E-mail:xujun@8631物 理 学 报55卷。

微波ECR等离子体化学气相沉积GaN薄膜的特性研究1陈俊芳，符斯列，吴先球，何琴玉，叶穗红，张茂平，胡社军华南师范大学物理与电信工程学院 广州石牌 510631摘要：首先使用朗缪尔单静电探针测量并分析了轴对称发散磁场型ECR-PECVD装置反应室内ECR氮等离子体的空间分布,获得优化的等离子体工艺条件。

然后采用ECR等离子体增强有机金属化学气相沉积法在T=450℃条件下在α-Al2O3（0001）面上低温生长了GaN薄膜，XRD显示GaN薄膜 的（0002）峰位置为2θ=34.75°，半峰宽为18'。

说明了微波ECR-MOPECVD法具有在低温下生长GaN薄膜的优势。

关键词：ECR等离子体；ECR-PEMOCVD；GaN薄膜1．实验设备和薄膜生长过程作为第三代半导体材料的GaN基蓝光薄膜材料，由于其宽禁带、高亮度、低能耗，并因其和红光、绿光一起构成白光的三基色，在平板显示、光存储、蓝光激光器和功率晶体管等光电子领域将发挥广泛的应用[1~3]。

预计到2006年将达到30亿美元的产值，占化合物半导体市场总额的20％，成为半导体光电材料工业的主流材料。

根据电子回旋共振吸收微波原理产生的微波电子回旋共振等离子体增强有机金属化学气相沉积（ECR-MOPECVD）技术具有等离子体密度高、电离度高、无内电极放电、无高能离子、易于大面积均匀沉积等优点。

可在低温乃至室温下制备优质、均匀、结构致密的薄膜材料[4~5]。

ECR-MOPECVD法能够在400~600℃的低温下生长GaN薄膜，因此减少了晶格缺陷的产生。

电子回旋共振是指在磁场中受洛伦兹力作用作回旋运动的电子，在磁场强度为875Gauss 处它的回旋频率和沿磁场方向传播的右旋极化微波频率2450MHz相等，电子在微波电场中将被不断同步、无碰撞加速而获得的能量大于离子获得的能量，使得既使在接近常温下，如果在两次碰撞之间电子共振吸收微波的能量大于气体粒子的电离能、分子离解能或某一状态的激发能，那么将产生碰撞电离、分子离解和粒子激活，从而实现等离子体放电和获得活性反应粒子，形成高密度的ECR低温等离子体。

收稿日期:1998210211.汪建华,男,1955年生,副教授;武汉,武汉工业大学材料复合新技术国家重点实验室(430070).3国家自然科学基金资助项目(19175046).微波ECR 等离子体高速溅射装置的研制3汪建华　袁润章武汉工业大学材料复合新技术国家重点实验室邬钦崇　任兆杏中科院等离子体物理研究所摘　要　研制了一台高速率溅射的ECR 等离子体沉积装置.采用微波真空波导及反常模式或输入技术,利用腔内双靶构成的电场镜,使高能Χ电子在电场镜中振荡,从而获得高密度的等离子体.并且,导电膜能连续高速沉积,在2.7×10-2Pa 的低气压下,铜膜的沉积速率可达120nm m in .关键词　ECR 等离子体;高速溅率;电场镜分类号　TN 304.05 用微波ECR 溅射技术已成功地制备出高质量的ZnO ,A l N ,A l 2O 3和T i N 薄膜[1,2],然而,采用常规的ECR 溅射法在溅射过程中,金属粒子会覆盖微波输入窗口,影响装置的正常工作,必须要定时更换石英窗口.另一方面,由外磁场在腔内产生的磁通会穿过圆筒靶表面,绕着磁力线作圆周或螺旋运动的电子,很容易撞在腔壁被复合消耗,使靶的溅射速率低,影响薄膜的沉积速率.为此,研制了一台新型的ECR 溅射装置.本文介绍该装置的原理、结构和性能,研究了装置的溅射放电特性及在薄膜制备中的初步应用.1　实验装置及靶的结构特点1.1　实验装置由图1可见,频率为2.45GH z 的微波,经过图1　双靶结构的ECR 溅射装置垂直连接在共振腔壁上的真空波导,以反常波模式耦合进入腔内,共振腔长290mm ,直径为<150mm ,共振腔外绕有冷却腔体的通水铜管,在共振腔与沉积腔之间设置一平面靶<120mm ,圆筒靶<70mm (圆筒靶长60mm ),两靶之间的距离可以调节,靶基座和圆筒靶之间放有软铁环和不锈钢环,工作气体为A r ,靶材为Cu ,共振腔内产生的等离子体由发散场引入沉积室,等离体诊断使用单探针.1.2　磁控方式溅射用的圆筒靶结构将筒状靶设计成磁控溅射的方式,即利用磁场来改变电子的运动轨道将它较长时间地约束在靶表面附近,这样不但可以减少电子的散失和消耗,而且还可以增加它在靶上的运动路程,使电子与等离子体的碰撞几率和离化效率增加,从而提高气体的离化率.圆筒状溅射靶结构示如图2,靶与一个接地直流电源的靶基座相接,并且用水冷却靶基座,靶由5个支持环支撑,四个用软铁制作,中间的用不锈钢制作.图2　圆筒靶的结构和磁场的示意图1—圆筒靶;2—铁环;3—不锈钢环;4—磁力线;5—局部磁场;6—磁控管放电区域;7—发散磁场由图2可见,由于利用了4个软铁支撑环,发第27卷第2期 华　中　理　工　大　学　学　报 V o l .27　N o.21999年　2月 J.H uazhong U n iv .of Sci .&T ech . Feb .　1999散磁场在靶表面上容易形成局部磁场,此局部磁场有效地产生磁控放电(E ×B ).为了形成等离子体流仍维持发散磁场,局部磁场从靶表面扩张很小,实验观察到放电时,圆筒靶表面有2个界限分明的明亮光环,每条光环长度对应着铁环的长度.这表明:靶表面形成的局部磁场产生了磁控放电,在靶表面上形成了高密度的等离子体.1.3　电场镜2双靶溅射结构微波从侧面输入进入共振腔,对解决微波窗口的污染是行之有效的[3].因为微波输入窗口置于靶的死角,能避免金属粒子对窗口的污染.但该法的微波以X 模式耦合进入共振腔,产生的等离子体密度N e 受截止区的影响,不可能像R 模式波耦合到共振腔所产生的等离子体密度那样高,因而会使靶的溅射速率受到影响,为提高共振腔内的等离子体密度和靶的溅射速率,在新型ECR 溅射装置中,采用了双靶结构,即圆筒状靶和一平面靶.当两靶有负电压时,则构成一电场镜,如图3所示,由图可见,从靶表面发出的Χ电子被加速到相对面的靶上,到达对面靶的电子由于受靶的图3　有电场镜的ECR 溅射装置中的电子运动图负电压作用而被反射,因此,高能Χ电子在靶的电位势阱中振荡,加速了两靶之间的中性气体的电离,在有电场镜的ECR 等离子体中,电子与微波等离子体有直接的相互作用[4,5].两靶之间振荡的电子形成的电子束和等离子体之间的相互作用相同于空间电荷(Ξb +ΒV b )与等离子体波(Ξ),或相同于减慢回旋波(Slow Cyclo tron W ave )(Ξc +ΒV b )与等离子体波(Ξ)的作用.这里Ξb 为Χ电子的等离子体电子频率;Ξc 为Χ电子的回旋频率;Β为电子束的波数;V b 为Χ电子的初速度;当等离子体波频率与空间电荷波或减慢回旋波相等时,即Ξ=Ξb +ΒV b 或Ξc +ΒV b 时,相互作用增加.由于Χ电子在两个靶之间振荡,Β=n Π z ,z 为靶距.当不连续的n 为整数满足此方程时,电子束和等离子体之间的相互作用交替增长,在这里等离子体波的频率Ξ近似为磁场中上混杂波频率(Ξ2P +Ξ2c ),ΞP 为等离子体电子频率.因此,在电镜场中,不仅有电子和等离子体中的中性粒子之间的直接碰撞电离,还有电子束和等离子体之间的非线性相互作用[6],从而得到高密度的等离子体.这种双靶结构对产生高速溅射起到重要作用.2　实验结果与讨论2.1　溅射放电特性图4给出电场镜型ECR 溅射装置放电的伏安特性曲线,放电条件:气体压强P =1.3×10-2Pa ,微波功率保持在360W ,磁场电流I m =(a )当V c =-640V 时,筒靶　(b )当V p =-420V 时,流I c (圆圈)和平面靶流I c (圆圈)和I p (圆I p (圆点)与平面靶压之点)与筒状靶压之间的关系间的关系图4　电场镜型ECR 溅射装置放电的伏安特性曲线210A .平面靶压V p 与平面靶流(I p ),平面靶压V p 与筒状靶流(I c )之间的关系由图4(a )给出,这里筒状靶的电压V c =-640V .当V p =-420V 时,平面靶靶流I p ,筒状靶靶流与筒状靶靶压之间的关系由图4(b )给出.由前所述,该溅射放电是微波ECR 等离子体和有电场镜的等离子体的混合产生的.由图4(a )可见,I c 和I p 随着V p 的增加而增加;当V p 为400V 时,I c 和I p 达到峰值,随着V p 的继续增加,I c 和I p 呈下降趋势,V p 再增加至600V 以后,I c 和I p 又将增加.图4(a )中,靶电流的峰值的出现,可能意味着两个靶之间形成的电子束在产生高密度的等离子体中起主要作用,即放电曲线的起伏表明放电效率随靶压(即Χ电子的速率)起伏变化.由图4(b )可见,筒状靶靶压较低时,靶流(I p 和I c )较小,当靶压高于450V 时,靶电流急剧增大,对沉积腔的等离子体参数,用单探针进行了测量,在气压1.3×10-2Pa 范围,P w =400W ,典型的等离子体参数为:等离子体密度N e =2.6×1010c m -3,电子温度为21eV ,等离子体悬浮电位V f 为-64V .2.2　薄膜的沉积用该装置作了金属Cu 薄膜的沉积实验,结果表明:在低气压2.7×10-2,微波功率为17第2期 汪建华等:微波ECR 等离子体高速溅射装置的研制 400W时,薄膜的沉积速率可达120nm m in.如果继续提高微波功率则可获得更高的速率.2.3　讨论所研制的高速率溅射的ECR等离子体装置,具有以下的特点.a.微波从侧面经过一段真空波导管,进入共振腔,从而避免了金属粒子对石英窗口的污染.b.腔内的发散形磁场仍由腔外线圈产生,但在圆筒靶后面加了铁环,从而在靶表面形成了局部磁场,能有效产生磁控放电,提高了靶的溅射速率.c.腔内的双靶构成一电场镜,通过高能Χ电子在电位势阱中的振荡能形成电子与微波等离子体之间相互作用,从而获得高密度的等离子体,它对产生高速溅射起了重要作用.利用该装置溅射制备的Cu膜沉积速率可达120nm m in,实现了膜的快速沉积,可望为高质量薄膜的制备提供一种实用的新手段.参考文献1　汪建华,邬钦崇,任兆杏.微波电子回旋共振等离子体溅射法沉积ZnO薄膜.武汉化工学院学报,1997,19(1):84～872　汪建华,邬钦崇,任兆杏.微波ECR等离子体反应溅射沉积T i N薄膜的研究.武汉化工学院学报,1997, 19(1):239～2433　汪建华,袁润章,邬钦崇等.X模耦合微波的ECR溅射装置的放电特性.华中理工大学学报,1998,26(8): 53～554　M atsuoka M,O ne K.A N ew Spu ttering2T ypeE lectron Cyclo tron R esonance M icrow are P las m aU sing an E lectric M irro r and H igh2R ate D epo siti on.J.A pp l.Phys.,1989,65(11):4403～44095　M atsuoka M,O ne K.I on Ex trocti on from M icow ave P las m a Excited by A rdinary and Ex traodinang W aves and A pp licati on s to the Spu ttering D epo siti on.J.V ac.Sci.T echno l.,1991,A9(3):691～6956　M atsuoka M,O ne K.D en se P las m a P roduceti on fo rH igh R ate Spu ttering byM ean s of an E lectricM irro r.A pp l,Phys,L ett,1988,53(21):2025～2028A Study of the H igh Ra te Sputter i ng-Type ECRM icrowave Pla s ma Appara tusW ang J ianhua　Y uan R unz hang　W u Q inchong　R en Z haox ingAbstract　A h igh rate sp u ttering2typ e ECR m icrow ave p las m a app aratu s has been studied.T he app aratu s is characterized by u tilizing a techn ique vacuum w avegu ide and an ex trao rdinary w ave m ode coup ling u sing an electric m irro r by m ean of the tw o targets in the cavity.T he h igh energyΧelectron o scillating betw een the tw o targets p lay a m aj o r ro le in generati on the den se p las m a.T he conducto r fil m can be con tinuou sly depo sited by th is sp u ttering m ethod at h igh rate.Cu fil m is depo sited at rates above120nm m in under low gas p ressu res of2.7×10-2Pa.Keywords　ECR p las m a;h igh rate sp u ttering;electric m irro rW ang J i anhua　A ssoc.P rof.;State Key L abo rato ry of A dvanced T echno logy fo rM aterials Syn thesis and P rocessing,W U T,W uhan430070,Ch ina.27 华　中　理　工　大　学　学　报 1999年。

2.45GHz ECR强流等离子体源核心部件设计与实验研究李钢;陈根;段文学;彭标;尉传颂
【期刊名称】《原子与分子物理学报》
【年(卷),期】2024(41)5
【摘要】电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)等离子体源能产生高电荷态离子、高流强的单电荷态离子,提供稳定的束流和良好的重复性.核心部件的设计对ECR等离子体源是至关重要的,磁场对等离子体的生成和分布有直接影响,良好的磁场可以提高等离子体的性能和效率.采用有限元分析方法对ECR等离子体源磁场进行分析与设计,得到了满足设计需求与目标的磁场位形,通过高斯计对设计的永磁环轴向磁场精确测量,发现磁场仿真结果与实验结果吻合比较好,只是轴向磁场最大值及对应位置上有点偏差.通过集成实验,研究核心部件对离子源引出束流强度的影响,引出束流稳定且强度达到7 mA.
【总页数】7页(P94-100)
【作者】李钢;陈根;段文学;彭标;尉传颂
【作者单位】安徽建筑大学电子与信息工程学院;中国科学院合肥物质研究院等离子体物理研究所;安徽大学物质科学与信息技术研究院;合肥中科离子医学技术装备有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】O65
【相关文献】
1.强流中子管微波离子源微波吸收效率的实验研究
2.强流四脉冲电子束源实验研究
3.强流中子管微波离子源不同等离子体离子腔的对比研究
4.2.45GHz ECR等离子体源引出系统初步设计
5.紧凑型微波ECR等离子体源的设计及其特性研究
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微波ECR等离子体探针检测的研究与设计的开题报告一、研究背景等离子体技术在现代物理学中有着广泛的应用，其在纳米技术、核能、光电技术等领域均有重要作用。

其中，微波电子回旋共振（ECR）等离子体是目前应用最广泛的等离子体之一。

微波ECR等离子体源被广泛应用于精细加工、表面改性和纳米制造等领域。

然而，在微波ECR等离子体源的设计和制造中，检测等离子体参数的探测器是至关重要的组成部分。

传统的等离子体探测器主要通过观测激发的发光或吸收相应的辐射来间接测量等离子体的参数，但其存在对等离子体造成破坏，并且对参数的探测精度不高的问题。

因此，设计一种直接测量等离子体参数的探测器对于微波ECR等离子体的研究和应用具有重要的意义。

二、研究目的本研究旨在设计一种能够直接测量微波ECR等离子体参数的探测器，通过对其基本原理和研究方法的探究，为微波ECR等离子体的制造和应用提供支持。

三、研究内容与步骤1. 文献调研：搜集有关微波ECR等离子体的基本原理、探测器的种类及其特点等方面的资料，查阅有关文献，深入了解现有研究成果和问题。

2. 探测器设计：根据微波ECR等离子体的参数需要，设计一种能够测量等离子体密度、温度和离子能量分布等参数的探测器。

3. 制造和测试：使用气体放电装置对制造出的探测器进行性能测试，在不同等离子体参数下进行探测器的实际应用测试，验证其可行性和准确性。

四、预期成果和意义本研究预期设计出一种直接测量微波ECR等离子体参数的探测器。

通过探测器的研究和设计，可以提高微波ECR等离子体的制造和应用的精度和可靠性。

同时，这种新型探测器可以为等离子体的研究提供良好的探测工具，对该领域的发展具有重要的意义。

ecr 等离子体解离二氧化碳ECR (电子循环共振) 是一种高频电磁波加热技术，可用于解离二氧化碳 (CO2) 等离子体。

本文将介绍ECR技术的原理、应用和优势。

一、ECR技术原理ECR技术利用高频电磁波与等离子体中的电子发生共振，进而加热等离子体，提高其能量，从而实现解离。

在ECR装置中，等离子体通常由电子、离子和中性粒子组成，其中电子是主要的能量携带者。

ECR技术主要包括以下几个步骤：1. 提供高频电磁波：通过微波源产生高频电磁波，并通过波导传输到ECR装置中。

2. 电磁波与等离子体共振：高频电磁波在ECR装置中形成一个磁场，与等离子体中的电子发生共振，加速电子的运动。

3. 电子加热等离子体：共振加速的电子与等离子体发生碰撞，将能量传递给等离子体，使其温度升高，从而实现解离二氧化碳等反应。

二、ECR技术应用1. 化学合成：ECR技术可用于化学合成过程中的二氧化碳解离，提供反应所需的离子能量，加速反应速率，提高产物纯度。

2. 环境保护：二氧化碳是温室气体的主要成分之一，ECR技术可用于二氧化碳的解离和转化，从而减少温室气体排放，并探索二氧化碳的再利用途径。

3. 能源开发：ECR技术可用于氢能源的生产，通过解离二氧化碳获得氢气，作为清洁能源的替代品，减少对传统化石燃料的依赖。

三、ECR技术的优势1. 高效能量传递：ECR技术通过共振加速电子，实现了高效能量传递给等离子体，提高了解离效率。

2. 温和反应条件：ECR技术在解离过程中对反应体系施加的热量较小，可以避免一些传统热解反应中的副反应和能量损失。

3. 环境友好：ECR技术可利用二氧化碳等废弃气体进行解离，减少了对环境的污染，并有助于实现废物资源化利用。

ECR技术是一种利用高频电磁波加热等离子体的技术，可用于解离二氧化碳等反应。

它具有高效能量传递、温和反应条件和环境友好等优势，适用于化学合成、环境保护和能源开发等领域。

随着对清洁能源和环境保护的需求不断增加，ECR技术有望在未来得到更广泛的应用和发展。

微波ECR 等离子体溅射沉积T iN 薄膜的研究汪建华(武汉化工学院)　邬钦崇　任兆杏(中国科学院等离子体物理研究所)摘　要　用微波电子回旋共振(ECR )等离子体溅射法在常温下制备出优质的T i N 薄膜1采用静电探针技术,对ECR 等离子体进行了诊断,研究了等离子体参数与装置运行参数之间的关系,探讨了等离子体参数对成膜工艺过程的影响1关键词　ECR 等离子体;溅射;氮化钛膜分类号　O 484;O 530　引　言T i N 薄膜具有熔点高,热稳定和抗蚀性很好,并以其较高的硬度和低的电阻率,受到人们日益广泛的关注1在集成电路金属化系统中,T i N 薄膜是一种很好的扩散势垒材料,并得到成功的应用1T i N 膜还可以做成栅材料和互连材料1除此之外,它的优良特性分别在高速工具钢,防腐蚀镀层以及金黄色泽等在装饰膜上得到广泛的应用[1,2]1目前,沉积T i N 主要采用的涂层技术为化学气相沉积和多弧离子物理气相沉积1这些方法把T i N 膜应用到工具表面已经实现了商用1然而,由于基体过高的温度和某些形状物体的不均匀性及分步镀的不良性,使其限制了在其它领域的应用1最近几年,因大规模集成电路的应用而发展起来的微波ECR 等离子体镀膜技术,突出地显示出低温,大面积均匀沉积特性[3,4]1如Si 3N 4、A l 2O 3、Si O 2、ZnO 、A l N 等1但用ECR 溅射法沉积T i N 薄膜的工作还未见报导1本文报道了采用ECR 离子体溅射法在常温下沉积了T i N 薄膜1研究了等离子体参数和装置的运行参数之间的关系1探讨了工艺参数对沉积的T i N 薄膜性质的影响11　实验方法111　装置和原理图1　ECR 等离子体沉积装置ECR 等离子体溅射装置(见图1),频率为2.45GH z 的微波沿矩形波导传输,经石英窗口进入等离子体共振腔.由外磁场提供一发散形磁场1在腔内,微波能被电子在ECR 层无碰撞地强烈吸收.获得能量的电子,通过扩散不断与中性分子,离子碰撞,使它们激发和电离,从而产生高密度的等离子体.与此同时,由电离产生的A r +在发散形磁场作用下向靶区运动,在靶区受T i 靶上的负电位加速而轰击靶,使靶上的T i 粒子溅射出来.在沉积室引入反应气体收稿日期:1995—11—03　3国家自然科学基金赞助项目11997年3月JOU RNAL O F W U HAN I N ST ITU T E O F CH E M I CAL T ECHNOLO GY M ar .1997N 2,N 2和溅射出来的T i 的分子或原子,在等离子体中受到电子和离子的碰撞,也发生一定程度的电离和激发1激发状态的氮和T i 很容易化合反应生成T i N ,沉积于基片表面1112　测　量用自制的静电探针对系统的等离子体参数进行了诊断1用p h ilp s pw 1700型X 射线衍射仪(XRD )和JEN —200CX 透射电镜(T E M )对薄膜进行了结构、形貌观察和电子衍射分析1膜的硬度和粘附力分别用HX —200显微硬度计和划痕仪进行了测定12　实验结果和讨论211　放电特性静电探针测量等离子体的典型参数如下:密度(N e )范围是1010c m -3至1011c m -3,电子温度(T e )为几个至十几个eV ,悬浮电位可达几十伏特1等离子体参数随装置运行参数之间的变化规律是等离子体密度N e 和电离度随着微波功率增加而呈线性的关系,电子温度受微波功率的影响很弱,V f 有类似于T e 的分布1图2显示出气体压强与等离子体参数N e 、T e 、V f 、Κd (等离子体鞘层的厚度)之间的关系曲线1曲线表明:N e 随着气体压强的增加而增大.电子温度T e 随着气体压强的增加而单调减小.鞘层厚度ΚD 随着气压的升高会变薄,它反映了T e 和图2　等离子体N e ,T e ,V f ,ΚD 与气体压强P A r 的关系曲线图3　磁场电流与等离子体密度之间的关系曲线N e 相对压强的敏感程度.在低气压下,T e 更“敏感”,随着气压的升高,电子与中性粒子和其它粒子碰频率增加,其平均自由程会降低,电子在两次碰撞之间所能得到的能量变少.图3显出了装置不同位置处,磁场电流I m 与N e 之间的关系.由图可见,当I m =180A 时,ECR 共振面位于微波输入窗口附近时,腔内能获得高的等离子体密度1这表明,ECR 共振面在腔内的位置以及磁场位形对腔内等离子体密度影响很大1212　等离子体参数与成膜工艺参数之间的关系该装置的工艺参数中,靶流I t 是反映等离子体行为的最直观的量1图4是靶流随微波功率变化的曲线1由图可见,靶流随着微波功率增加而增大,这是因为高的微波功率,产生高的等离子体密度和电离度,使得离子轰击靶的数目增加,从而提高了靶的溅射速率,测量到的靶流增加1图5显示了靶流与气体压强之间的关系,图中的I t 与N e 随气压的变化情况极为相28武汉化工学院学报第19卷图4　靶流随微波功率变化的关系曲线图5　靶流与气体压强之间的关系曲线图6　靶流与氮气流量的关系曲线213　氮分压在沉积T i N 膜中的特殊作用 图6是靶流与氮气流量之间的关系曲线1该图是在条件:P A r =9×10-2Pa ,P w =375W ,基片压V s =-50,靶压V t =-640V ,I m =180A ,由图可见,随着氮气流量的增加,其靶流呈明显的下降趋势1其原因是由于N 2气增多时,钛靶表面吸附了N ,容易生成T i N ,而使靶的溅射速率降低,即靶流减少1氮化钛膜中的N T i 的比值是取决于溅射出来的金属和反应气体N 21由于其N T i 的比值不同如欠量比或过量比,都会使T i N 膜的成份改变1在该实验中,T i N 成份的改变显示在膜的不同颜色中1随着氮气分压强的升高(流量增大)T i N 膜的颜色由浅变深,即银白、浅黄、金黄、红黄、褐色1这情况实际是遵守化合反应化学计量学原则,因为氮分压低时,靶的状态类型为金属状态类型,溅射的钛原子在基板上生成具有密排六方晶格的为ΑT i 相,高纯钛银灰色1随着氮分压的增加,开始生成具有四方结构的ΕT i N 相,颜色为浅黄色,当氮分压增加到饱和值时,生成具有面心立方晶格的∆T i N 相为金黄色[5,6]1214　T i N 膜结构和特性分析21411　透射电镜(T E M )对膜表面形貌和结构分析用T E M 对沉积的T i N 薄膜进行了表面形貌结构分析1如图7所示,T i N 膜非常致密,呈晶粒状,颗粒细小而均匀,晶粒大小为15～30nm .由电子衍射图观察到了(111)、(200)、(220)等明亮衍射环并由这些环可以计算推出膜的结构为面心立方晶体,点阵常数为a =4.229.与块体材料的点阵常数a =4.24相比,T i N 膜层的点阵常数略有偏差1这种偏差在完全符合化学计量的情况下也会发生1这可解释为,由于小晶粒,高缺陷密度以及氩和氮的间隙式混入会产生内应力从而引起点阵常数的偏差[7]1 图7　T E M 形貌和电子衍射图图8　膜的颜色与硬度之间的关系21412　T i N 薄膜的硬度　用HX 200显微硬度计,测量了不锈钢基底上不同颜色的膜,其结果为图81从图可知膜层的硬度有一个峰值,即为2942N mm 2,并且受氮分压强的影响,在N 2分压强的高端和低端膜层硬度会下降138第1期汪建华等:ECR 等微波离子体溅射沉积T i N 薄膜的研究 48武汉化工学院学报第19卷21413　膜层附着力的测定　在不锈钢衬底上得到的T i N膜,当为红黄颜色时,其临界载荷为1.3kg,其摩擦力有突变,其幅度为26g左右;当膜为金黄色时,不锈钢上临界载荷为1.7kg,其摩擦为突变值幅度为102g左右1这表明,金黄颜色的膜附着力优于红黄颜色的膜13　结　论a.微波ECR放电,等离子体密度为1010～1011c m-3,电子温度为几个到十几个eV,等离子体悬浮电位为零到几十伏特,并且等离子体的行为与磁场位形以及ECR层在腔内的位置有关系1N e是随着微波功率的增加呈线性变化,而对电子温度的增长效果很弱1电子能量分布是压强的函数,随着压强的降低,测量到的T e是增加的;b.在微波ECR镀膜装置中,等离子体诊断对确定其最佳工艺参数是极为重要;c.T i N膜的工艺过程表明,氮气分压强是一重要的工艺参数,对其T i N膜的性能影响很大,在其它工艺参数一定时,严格控制氮气分压强,就可稳定地控制膜的成份1随着氮气分压强的不同,其T i N膜的颜色会改变,并且膜的硬度和附着力,是不同的;d.在低气压,基片不加热的情况下沉积的T i N膜,T E M分析表明,结构为面心立方结构(f cc),膜层致密,呈晶粒状,细小而均匀,晶粒大小约15～30nm,点阵常数为a=4. 299.参　考　文　献1　高玉芝,张春利.T i N薄膜特性及其应用,薄膜科学与技术,1989,2(4)2　H atschek R L.Coatings:R evo lu ti on in H SS too ls.Am erican M ach in ist,1983,127,(3):121～1443　Seitaro M atsuo,M ik iho k iuch i.L ow temperatu re Chem ical vapo r depo siti on m ethod u tilizing an electron cyclo tron resonance p las m a.Japanese Jou rnal of A pp lied Physics,1983,A part :210～2124　M o rito M atsuoka,ken’ich i O no.C rystal structu res and op tical p roperties of Zno fil m s p repared by spu ttering-type electron cyclo tron resonance m icrow ave p las m a.U.V ac.Sci.T echno l,1989,A7(5): 2975～29825　闻立时,姜辛,斯重遥.T i N涂层晶体择优取向的电子衍射法研究.无机材料学报,1986,1(4):153～1586　杨树贵,周单.反应磷控溅射离子镀氮化钛薄膜质量与工艺参数的关系1无机材料学报,1989,3(2):155～1607　田成波,刘德令.薄膜科学与技术手册1北京:机械工业出版社1Study of T iN Th i n F il m by M icrowave ECR Pla s maReaction Sputter i ng D epositionW ang J ianhua W u Q inchong R en Zhaox ingAbstract　T h is p ap er repo rts on u sing m icrow are ECR p las m a sp u ttering m ethod p rep ared h igh quality T i N fil m s on low-tem p eratu re sub strates.P las m a diagno tic in ECR p las m a app aratu s has been m ade by longm u ir p robe techn ique.T he relati on sh i p betw een p las m a p arem eters and app aratu s op erati on p arem eters have been studied.T he infuences of p las m a p arem eters to depo siti on th in fil m p rocessed are exp lo rated.Key words　ECR p las m a;Sp u tter;T i N th in fil m。

ecr工艺技术ECR（Electron Cyclotron Resonance）工艺技术是一种用于薄膜的等离子体反应装置，可以用于制备各种材料的薄膜。

ECR 工艺技术的主要特点是在较低的压力和较高的离子能量下工作，可以制备高质量的薄膜，并且具有较好的化学均匀性和析出速率控制能力。

ECR工艺技术的核心是磁场加热，通过在强磁场中加热，使气体分子的速度变得更快，进而增加碰撞频率，激发更多的电子与离子发生碰撞。

当电子的运动与磁场频率的一半相匹配时，会发生电子回旋共振现象，产生高能量的电子和离子。

这些高能量的粒子可以提供足够的活化能量，使得反应发生在较低的压力下，并且薄膜生长速率较快。

在ECR工艺技术中，通常使用微波功率来激励等离子体反应，通过调节微波功率的大小和频率，可以控制反应的浓度和速率。

此外，还可以通过改变工作气体的种类和流量来控制反应的化学成分。

ECR工艺技术可以广泛应用于各种材料的薄膜制备，如金属薄膜、半导体薄膜、氧化物薄膜等。

以金属薄膜为例，ECR工艺技术可以制备出具有高致密性、较低的残余应力和较好的粘附性的金属薄膜。

这是因为在ECR工艺技术中，高能量的离子可以提供足够的动能，使金属原子到达衬底表面时具有较高的动能，从而能够更好地扩散和冷却，形成致密性更好的薄膜。

此外，ECR工艺技术还具有一些其他优点。

首先，ECR工艺技术能够在较低的温度下进行制备，减少了材料的热影响区域，有利于保持材料的原有性能。

其次，ECR工艺技术可以在各种基片上进行薄膜制备，如陶瓷、玻璃、聚合物等，具有较好的适应性。

此外，ECR工艺技术的设备相对较小，不需要复杂的设备和环境，操作相对简单。

综上所述，ECR工艺技术是一种用于薄膜制备的重要工艺技术，具有很高的应用价值。

它通过磁场加热和微波功率激励等方式，可以在较低的压力和较高的离子能量下制备高质量的薄膜。

它的广泛应用可以满足各种材料的薄膜制备需求，并且具有较好的化学均匀性和极高的析出速率控制能力。

电子回旋共振等离子体(Electron CyclotronResonance,ECR)z ECR等离子体源发展历史：（1）微波电源的发展1921： 磁控管 1939：速调管（2）二战中微波技术的迅速发展雷达（3）微波灶的普及 1960-1970微波电源价格大幅度下降（4）1970年代前期：高温核聚变等离子体微波加热后期：日本，捷克 低温等离子体应用（5）1980 集成电路芯片刻蚀加工：低气压高密度等离子体源竞争ECR,ICP.Helicon.Hitachi, Astex.z ECR等离子体源结构:z 微波电子回旋共振加热原理（a）微波ECR 等离子体内的有效电场B 0 0≠()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+−+++=2222222112~c c c c ceffv v v E E ωωωω [对比] B 0=022222~cc effv v EE +=ω特性电子回旋频率附近，击穿电场显著降低。

实验结果：回旋运动角频率ωce= eB0/m e =ωwave(b)ECRplasma 中微波传输及吸收的主要特性---微波ECR 等离子体为各向异性介质,沿磁场方向传播的TE 波将分为右旋偏振波和左旋偏振波,色散关系为：n2R=1-(ω2pe/ (ω - ωce)ω)n2L=1-(ω2pe/ (ω + ωce)ω)右旋波的共振和截止条件为:ωce/ω =1 (共振条件: n R =∞)ω2pe/ω2=1-ωce/ ω(截止条件: n R =0)----微波不同馈入模式的结果低场馈入：图中路径a-----> 右旋波在低密度区截止（对应的临界密度n crit= n c (1 - ωce/ω)----->低密度高场输入：图中路径b,没有高密度截止------>高密度运行条件-------共振区中右旋波的共振吸收功率P abs (r,z) = P input(r,z)[1-exp(-πη)]η = ω2pe/ ωcα , c 为光速, α =1/B0(r,z )dB(r ,z )/dz .------〉共振吸收功率,不仅与微波场分布,而且还与磁场位形有关。

非对称磁镜场ecr氧等离子体刻蚀cvd金刚
石膜
1非对称磁镜场ECR氧等离子体刻蚀CVD金刚石膜非对称磁镜场ECR氧等离子体刻蚀CVD金刚石膜（异步电子捕获反应氧等离子体化学气相沉积）是一种利用电磁场对氧等离子体进行加速，以便刻蚀并形成金刚石纳米膜的先进方法。

它使得在较低电压或低电流下实现快速的膜厚增加，具有良好的改变结构的灵活性。

1.1工作原理
由于在低能量下，氧分子大多数不会受到电场的影响，因此，将一个强磁铁放置在电极中间，利用它产生的一个偏对称的磁场，经过电场加速后，氧等离子体就能自由穿过电极，优于非磁镜场等离子体。

ECR氧等离子体刻蚀CVD的工作原理是通过磁场和电场共同作用使C2H4或CH4诱导分子被电子衰减为CH3和H*团簇分子，然后在金属基体上形成初始发展的贴合结构，以及形成纳米金刚石带的结构。

1.2优势
非对称磁镜场ECR氧等离子体刻蚀CVD金刚石膜具有良好的灵活性，可以在低电压/电流下较快地增加膜厚。

它还可以准确地控制纳米
晶体的结构，例如结构形状、平整度、粗糙度和孔隙率。

此外，还可以在表面施加离子层，使对刻蚀的细微加工更加精确。

1.3应用
非对称磁镜场ECR氧等离子体刻蚀CVD金刚石膜广泛应用于半导体装置、硬度钢化、探针门电极、锂离子电池电极和电子器件等。

随着CVD化学气相沉积技术在半导体领域的不断改进，应用空间将越来越广阔。

2总结
非对称磁镜场ECR氧等离子体刻蚀CVD金刚石膜具有快速膜厚增加、改变结构的灵活性、准确控制纳米晶体结构的优势，为半导体集成电路的制造提供了新的选择，并可广泛应用在硬度钢化、探针门电极、锂离子电池电极、电子器件等领域。

ecrh方法
ECRH（Electron Cyclotron Resonance Heating）方法是一种用于等离子体加热的技术。

它利用电子在磁场中的回旋运动和电子与高频电磁波之间的相互作用来实现能量传递。

在ECRH方法中，高频电磁波以特定的频率与等离子体中的自由电子发生共振，从而将能量转移到等离子体中，提高其温度。

ECRH方法主要依赖于等离子体中的自由电子，在强磁场中受到洛伦兹力的影响，沿磁力线做螺旋运动。

当高频电磁波的频率与电子的回旋频率相匹配时，电子会吸收电磁波的能量，并通过碰撞将能量转移到其他粒子上，从而使整个等离子体的温度升高。

ECRH方法具有一些优点。

首先，它可以实现非常高的等离子体温度，达到数百万摄氏度，这对于核聚变等应用非常重要。

其次，ECRH 方法可以实现局部加热，将能量集中在需要加热的区域，避免了过多的能量损失。

此外，ECRH方法还可以实现可控的能量输入，能够根据需要调整加热功率和位置。

ECRH方法在等离子体物理研究、核聚变实验和等离子体设备中得到了广泛应用。

它对于提高等离子体温度、激发等离子体中的电磁波和研究等离子体物理性质都具有重要意义。