射频磁控溅射是一种物理气相沉积技术,已被广泛地用于各种薄膜的制备。目前大多数研究是用实验方法来摸索制备不同材料薄膜的工艺参数及其对薄膜性质的影响,以选择最佳工艺参数,因此耗费大、周期长。计算机模拟作为一种新的研究手段,对实验和理论起到了强大的补充作用,被广泛应用在各个领域。 本论文对射频溅射中入射离子的产生和输运、离子对靶材的溅射、溅射原子的输运过程进行了综合考虑,根据射频辉光放电的阴极壳层理论、粒子的输运理论、离子对靶材的溅射理论,利用蒙特卡罗法建立模型,自行编写了SFD(Simulate Film Deposited)软件,进行了计算机模拟。模拟可对各个过程分别进行,也可把前一过程的结果作为后一过程的输入进行全过程模拟。模拟的最终结果包括粒子的能量、运动方向和位置,以及在鞘层区不同距离的粒子能量角度分布。本论文取得的主要工作成果如下: 1) 编写了射频磁控溅射镀膜中鞘层离子的输运模拟程序,并提出了一种简单的决定离子初始状态(位置、速度)的方法。 2) 使用SRIM 2003(the Stopping and Rang of Ions in Matter)程序模拟了不同角度、能量和位置的离子轰击靶材的物理现象,得出了它们与溅射产额和溅射粒子状态的下列关系: ⅰ) 在低压下离子到达靶面的能量主要是由鞘层电压来决定,大部分离子能量的获得集中在鞘层电压附近。离子能量也受鞘层内碰撞的影响,因此离子在低能区域也出现,但很少。另外,随着气压的升高离子在高能量区域的比例降低。 ⅱ) 在相同的压强和相同的鞘层参数下,离子几乎垂直于靶面方向入射,而且以高能离子为主。 ⅲ) 压强的变化对镀膜过程的贡献是双方面的。压强增大一方面增加了离子密度,溅射产额增大,因此,沉积速率提高;另一方面由于碰撞几率的增大使得到达阴极的有效离子数减少,沉积速率降低。西北工业大学工学硕士学位论文 iv)溅射原子的输运主要受到了真空室气压P和靶基距d的影响,PXd的值 愈大输运到衬底的溅射原子愈少;溅射原子到达衬底后的能量主要集中 在几个电子伏特的范围内,且在能量很低的区域也有分布峰,这主要是 由于碰撞使一些原子能量降低、达到了背景气体温度;溅射原子在衬底 平面上的位置分布有所扩张,趋于均匀化,但其径向范围主要在靶的直 径范围附近。 (3)运用模拟程序模拟了惰性气体(Ar)离子对金属靶(Cu)溅射成膜过程,对模拟结果进行实验验证。结果表明模拟结果符合实验结果及其规律。关键词:射频磁控溅射;等离子体;计算机模拟;鞘层