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本论文以304不锈钢和载玻片为基材,采用磁过滤电弧离子镀技术沉积了AlN薄膜,分析了磁过滤电弧离子镀沉积过程中阴极靶材“中毒”现象的本质,研究了不同的工艺参数,特别是工作气体压强和基体脉冲负偏压对薄膜沉积过程以及膜-基结合性能和薄膜光学透过性能的影响,分析了薄膜的显微结构。
磁过滤电弧离子镀沉积过程中阴极靶材“中毒”现象不仅与反应气体有关,还跟沉积工艺参数有关。通过改变工作气体进气口位置,并研究磁过滤管电流、管电压,工作气体压强、N2百分比,弧电流、弧电压,基体脉冲负偏压、占空比和沉积温度等沉积工艺参数在薄膜沉积过程中对阴极靶材的影响,成功的解决了磁过滤电弧离子镀AlN薄膜过程中阴极靶材“中毒”的问题,实现了薄膜的厚度可控沉积。
脉冲偏压对薄膜沉积过程、膜-基结合强度和薄膜光学透过率有着显著的影响。随着脉冲偏压的升高,薄膜的表面形貌和成分没有明显变化;薄膜的结晶度逐渐变好;薄膜的沉积速率从29nm/min降低到16nm/min;膜-基结合强度增加,从20N增大到45N;薄膜的光学透过率提高,在脉冲偏压为-600V时,薄膜在可见光区的透过率在80%以上。
气体压强对薄膜沉积过程、膜-基结合强度和薄膜光学透过率同样有着显著影响。随着气体压强的增大,薄膜的表面形貌和成分基本保持不变;薄膜的沉积速率增加,从17nm/min增大到25nm/min;膜-基结合强度降低,气体压强为0.5Pa时膜-基结合强度为31N,而气体压强升高到1.1Pa时降低到19N;薄膜的光学透过率随着气体压强的增大而先提高后降低,与气体压强对薄膜的结晶度的影响一致。
磁过滤电弧离子镀技术沉积的AlN薄膜在生长中有着较强的(110)择优取向。薄膜生长过程中的宏观压应力和晶粒细化导致了XRD图谱中(110)衍射峰向低角度偏移和宽化。通过高分辨电镜观察发现,AlN薄膜的晶粒生长较均匀,晶粒尺寸较小,大约在8~15nm范围内。AFM图像可以看出沉积的AlN薄膜具有很好的表面粗糙度值,为2.13nm。XPS结果表明薄膜中的Al元素绝大部分是以Al-N形式存在的,但是有少量的Al是和O元素以Al-O的形式存在,约为6%。这可能是由于薄膜沉积过程中炉壁上吸附的空气或水蒸气造成的。