实验名称磁控溅射制备金属薄膜

实验名称：磁控溅射制备金属薄膜锰铜合金作为压阻计材料，具有较高的压阻灵敏度，较好的线性度和电阻温度系数小、压阻特性好的特点，因而被广泛地应用于动态高压(冲击波)的测试中。而薄膜式锰铜合金能够实现传感器的超薄化，采用陶瓷或玻璃类材料作为封装层在高压下仍然保持良好的绝缘性，因此两者的有效结合可以大大提高锰铜传感器的高压测试极限。Bosca等采用真空蒸发法在二氧化硅上沉积了锰铜膜，结果发现锰铜膜的成分与原材料的成分偏差较大，结果压阻系数具有较大的离散性。苏贵桥等研究发现成分能够影响Mn-Cu合金的阻尼性能。磁控溅射技术广泛应用于薄膜制备领域，其主要涉及溅射功率、气压、偏压、基体温度等参数，每种参数都会对所制备的薄膜具有一定的影响。中频磁控溅射技术具有较高的沉积速率，能够制备出较小的缺陷密度和较好的致密性的薄膜，溅射沉积过程具有良好的稳定性。因此本文采用中频脉冲磁控溅射技术制备了锰铜合金薄膜，重点研究溅射功率参数对薄膜沉积速率、形貌的影响，以及热处理对薄膜的微观结构的影响，以期对锰铜合金薄膜制备有一定的指导意义。1实验

研究中使用多离子源镀膜机的中频脉冲磁控溅射源沉积薄膜样品，溅射电源是频率为40kHz的中频电源，其电压最大值是1000V，中频脉冲磁控溅射的电源一端接真空室，另一端接直径为10cm溅射靶，溅射靶材为锰铜合金靶，其成分(原子分数)为Cu85.0%，Mn11.8%，Ni3.2%。圆形真空室连接分子泵，极限真空约为3×10-3Pa;工作气体是纯度为99.999%的Ar;本底真空为5×10-3Pa，工作气压保持在0.7Pa左右;基片SiO2正对溅射靶放置，且两者相距为20cm;基片在酒精中浸泡，并用超声波清洗10min，再用洁净的酒精冲洗后用热风吹干备用。在溅射沉积前用辉光清洗10min除去锰铜合金靶表面的氧化层。由于锰铜薄膜沉积对高温很敏感，因此为防止样品温度过高，基片SiO2悬浮放置，沉积过程没有对基片加热。本实验重点研究了溅射功率对薄膜的沉积速率、微观结构、表面形貌的影响，并分析了热处理对薄膜微观结构的影响。实验参数参见表1。采用AgilentOlympusIx7原子力显微镜研究薄膜表面形貌，并用原子力显微镜数据处理软件计算表面均方根粗糙度;采用ＲigakuD/max2400型X射线衍射仪分析薄膜结构，采用CuKαⅠ射线测量，加速电压为45kV，工作电流40mA，射线的掠入射角度为3°，2θ扫描范围在5°-80°之间;采用PDA-5500直读光谱仪测量薄膜的成分;采用Talysurecli2000型三维形貌仪测薄膜的厚度。2结果与讨论2.1薄膜的沉积速率与溅射功率之间的关系Mn-Cu合金薄膜的厚度测试在Talysurecli2000型的三维形貌仪上完成，样品1的薄膜厚度为1.9μm，样品2至样品5的薄膜厚度均为2μm左右，可见在其他沉积参数相同条件下，Mn-Cu合金薄膜的厚度随溅射功率的变化不大。图1所示为Mn-Cu合金薄膜的沉积速率与溅射功率之间的关系，随着溅射功率的增加，薄膜的沉积速率由98增加到100nm·min，随后趋于平稳，可见随溅射功率的增加，Mn-Cu合金薄膜的沉积速率没有明显的变化，但其沉积速率可达到100nm·min，所以采用中频磁控溅射技术能够在较短的时间内制备出较厚的Mn-Cu合金薄膜。依据材料溅射和薄膜生长的相关理论，溅射功率越大，入射磁控靶的Ar+能量和溅射产额都增加，相应提高沉积速率，但也可能出现功率增加到一定数值后，沉积速率的相应变化不明显，一方面是由于入射溅射靶表面的离子能量超过一定阈值后，发生注入效应，从而降低溅射产额，不利于提高沉积速率;另一方面，功率增加时，离子之间的碰撞加热磁控靶表面的气体，降低离子密度和导致稀释效应，同样减小溅射产额，因此从图1看到功率大于1kW时，薄膜的沉积速率不再随功率的增加而增加。溅射放电非常稳定，功率的改变并没有引起放电的不稳现象。沉积速率不仅是衡量镀膜设备性能的一项重要指标，而且还对薄膜的特性，如牢固度、薄膜应力、电阻率等有着很大的影响。所以在溅射沉积过程中，固定适当的溅射功率进行后续的研究，从而控制薄膜的生长。

表1

中频脉冲磁控溅射

Mn-Cu

合金薄膜的实验条件2.2薄膜的表面形貌与溅射功率之间的关系三维原子力显微形貌可以直观地反映薄膜的表面形态，来自锰铜合金薄膜样品1和样品5的典型原子力显微形貌如图2所示，其扫描范围为10μm×10μm。图2(a)为样品1的原子力表面形貌，从图2(a)中可以看出样品1有明显的峰和沟谷分布，薄膜由球状的晶粒组成，且粒径的差别不大，分布比较均匀，但表面粗糙度较大，其值为37.6nm;图2(b)为样品5的原子力表面形貌，可以看出，相对样品1而言，样品5表面平整细腻，薄膜表面没有峰和沟谷分布，且表面粗糙度较小，其值仅有2.6nm。图3所示为锰铜合金薄膜的表面粗糙度与溅射功率之间的关系，可以看到薄膜的表面粗糙度随溅射功率的增加而显著减小，表明溅射功率对锰铜合金薄膜的表面形貌影响较大。溅射功率从0.8kW增加到1.45kW，薄膜的表面粗糙度相应的从37.6nm减小到2.6nm。所以在采用中频溅射制备锰铜合金薄膜时应适当增加溅射功率，从而可以降低薄膜的表面粗糙度，改善薄膜的致密性，这样可以提高薄膜式锰铜传感器压阻系数低的缺陷。图1

沉积速率与溅射功率之间的关系2.3薄膜的微观结构与溅射功率和热处理的关系在分析XＲD图谱时发现，本实验虽采用不同的溅射功率参数，但制备出的锰铜合金薄膜样品在微观结构上并没有明显差异，均出现了MnCu(111)，MnCu(200)和MnCu(220)3种微观结构，均为面心立方结构，因此本文中仅给出了样品3的X射线衍射图，但对样品3进行退火处理后发现，分别在2θ为35.35°，58.89°和59.84°处出现微弱的衍射峰值，分析认为其分别为体心结构的Mn(222)，Mn(440)和Mn(433)相，高温退火处理条件使薄膜的晶格结构发生了变化，Mn由面心结构转变为体心结构。

图3Mn-Cu合金薄膜表面均方根粗糙度与溅射功率之间的关系其退火条件是:真空度为5×10-3Pa、退火温度为450℃、退火时间为60min。在采用PDA-5500直读光谱仪测量薄膜成分时发现，溅射功率对薄膜成分的影响较小，溅射功率与膜层成分的关系。相对于靶材成分，不同溅射功率下膜层的成分均呈现同样趋势，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，与薄膜中的Mn原子相比，Cu原子表现为择优溅射原子，因此在设计溅射靶成分时需要考虑合金靶材中不同成分存在的择优溅射现象。图

4

样品

3

退火前后的

XＲD

图3

结论本文采用中频磁控溅射技术制备了锰铜合金薄膜，并重点研究了溅射功率对薄膜的沉积速率、表面形貌和微观结构的影响。分析发现:溅射功率对沉积速率、微观结构的影响不大，采用中频磁控溅射技术制备的锰铜合金薄膜的沉积速率较大，其值可达100nm·min，可以在较短的时间内制备出较厚的薄膜;溅射功率对薄膜的成分影响较小，但溅射功率能够