中北大学2005届本科毕业设计说明书过滤阴极真空电弧镀膜技术所制得氧化铝薄膜的结构和特性摘要：通过过滤阴极真空电弧镀膜技术制备氧化铝薄膜时，其内部结构、组成、形态、光学和机械性能被详尽的描述，这些都与制备时氧气的流量有关。薄膜结构、组成、形态和性能都是很重要的，随着氧气流量的 增加，薄膜的结构也由非晶体经过一系列变化到单晶体，随着O/Zr原子比率的增加和Z离子由低氧化作用的状态转化为Zr4+ 再一次形成非晶体。形成这样的结构是由于其内部结构的变化而引起的，并且影响其形态和机械性能，以致这种非晶体薄膜表面有一些小簇，其光滑程度就像低硬度的多晶体薄膜。当反射指数和系数相对接近最大值时，在发射率和光学带宽随着O/Zr比增加时，薄膜的组成来决其光学性能而非其密度。1.说明在大气压力下由于三种不同温度有多种不同靶形态结构，单晶体时低于1170OC，四面体时为1170-2370OC，2370OC为立方体，知道2680OC时形成金属。Zr有很高的反射指数，大光学带宽间距，和很低的光损失及在0.3-8范围内高透明度,所以被广泛的应用于光学领域。此外，Zr具有很高的电介质，低泄露量等特点，最有可能代替做电解质的晶体管。进而，由于Zr很低的传热性，它成为了装置中隔热层的首选。Z其他的特性如：高硬度、高抗氧性也使其成为机械材料中的热门。至今为止，已经有很多制备Z的方法，例如反应磁控溅射，离子辅助反应溅射，化学气相沉积等。薄膜特性的优劣取决于制备过程及其参数。 过滤阴极真空电子弧镀膜技术，在低电压和高电流状态下工作。通过磁性机械过滤器来防止微粒从阴极发射。它提供了一种具有很高能量的沉积离子源，远大于相应的热蒸发和磁控溅射。能有效去处宏观无用微粒，很明显能提高薄膜质量并拓展其应用。固有的高能量提高薄膜的附着性和密度。由于能力是离子辅助沉积中最重要的参数，这种制备的方法已经有了一些应用，已经应用于在高热平衡和高SP3状态下碳薄膜的制备，还合成了一些金属氧化物的薄膜。然而对我们最有利的是，很少有关过滤阴极真空电子弧镀膜技术制备ZrO2薄膜的知识。 我们现在的工作是系统研究在不同O2流量与ZrO2 薄膜的结构、组成、表面形态和性质之间的关系。我们的结论表明薄膜的结构、组成特性都与O2流量有关系。 过滤阴极真空电子弧镀膜技术所制的薄膜特性与其他方法相比，更说明了该方法的优越性。2.实验图1为制备设备。该图已经详细反应了这个系统，各个部分都表现了出来。该系统有一个双倍滤光器，可以使弧自身发射出微粒。阴极Zr原子在120A电流下，阴、阳极瞬间接触点燃喷出的浆体，该浆体是从一个400mT的磁场放射出来并压缩的。一个旋转泵和一个冷凝泵可使这个系统的压力达到410-6T。O2通过一个有很多小孔的铜管进入Zr靶附近区域。这种发射O2的方式可使O2电离到最大程度，因此增加了与浆体的接触使得Zr与O2之间发生充分的反应。O2流量可选择10-98sccm,在制备过程中，随着O2流量的增加，靶的氧化更加充分。O2增加使得靶材充分氧化，并且损失了冷凝粒子，使得制备的速率 75nm/s降至35nm/s。在室温下薄膜生长在n-si和石英表面。基片被放在制备室之中，按顺序被丙酮、酒精和未电离的水清洗。所制得的薄膜厚度大约在200 nm。通过由CUK做源的XRD法可得出薄膜所处阶段和晶体结构。光谱计记录下反射率等参数，光学特性也被软件检测。主要特征和组成分析被XPS通过ALK辐射测得到。不可使用没有清洗过的样品溅射，以免所溅射得到的薄膜化学组成发生变化。 图13.结果3.1结构图2表明在不同O2流量ZrO2薄膜由XRD测得的结构，在10sccm时，在曲线中对应着边缘处，而系统峰值在32.4oC附近，为标准的结构。这个高峰来自于没有完全氧化的ZrO固体。由于类似现象可看出峰值点又是不对称的和急剧变化处。当O2流量增加至20sccm，一个最高峰是当晶体阶段，相对弱的高峰是多晶体阶段。氧气流量决定峰值。我们可以检测出它是怎么影响薄膜结构的。在35sccm时，出现了更多的弱高峰，在 m(200)处峰值变得很弱，在m（-202m）变得很强。然而当氧气的流量增加至65sccm时，薄膜由多晶体变为无定形，在弯曲处出现更宽的高峰。结构的不同反应出02流量在薄膜结构形成中扮演了很重要的角色。正在一定流量范围内（20-50sccm）薄膜保持在多晶体状态，而在纯单晶体阶段在不同的范围内。3.2化学组成和化学状态通过典型的XPS光谱测量可以得到由光电离子及Zr和O转变达到高峰，在与空气接触后的抽样中经过观察C1S是主要表面组成部分。在Zr3d和O1S处出现两个高峰。图4中可看到常态的元素和由XPS测得的局部光谱。频谱非常接近标准单晶体的 ZrO2。两个高峰，Zr3d5/2和Zr3d3/2时的能量分别为181.8ev和184.2ev，非常接近在中标准ZrO2，并且是对称的，在氧化状态的薄膜中只有它。他们的强度比率和导致旋转轨道在1.5ev和2.4ev的能量间隔和其他研究是一致的。一个不对称的高峰能分解为的529.6evLBE能量和531ev的HBE，与报告中的那些类似。相比之下，薄膜沉积速率很低时，例如35sccm，Zr3d光谱是以某种方式不同的而O1S频率是十分类似的。出现较低能量接近其边缘，有形式为Zr,Zrn+,(n=1,2,3)氧化物存在。可得出随着O2流量的不同可转变为使得和发生充分的反应。氧化程度的不同也被表明，薄膜中O和Zr的原子比率可由它们在峰值区域的灵敏度算出。O1S的HBE是一个小片段所以高峰不能被确定。正如预料，O/Zr比增加可导致更多氧化。可看到在薄膜沉积速率为时，O/Zr比为1.98：1接近原子比为2：1，在65sccm及起以上，薄膜3.3表面形态五表现了在65sccm时典型的薄膜。在薄膜表面，小簇由相同的冷凝的原子成。这表面相当干净和光滑，RMS粗燥率小于0.1nm在1um1um区域内。上面提到的高能量轰击微粒使得形成干净、光滑的表面 ，这些微粒运动时损失粒子，或者促进原子和提供足够能量运动到生长表面相结合，再一次建议 流量的边界值不影响原子的运动，与XRD测量结果一致。有趣的是，薄膜的形态似乎也被O2流动速率XRD分析出的薄膜结构的改变有关。在10sccm时，薄膜表面的簇会很大。这种簇的变化可以反映出薄膜表面粗糙。XRD分析出的薄膜结构的改变说明薄膜表面结构与O2的流量有关。 换句话说，与无定型薄膜相比较，这种多晶体薄膜在20-50sccm速率下在表面形成巨大的簇并且看起来很粗糙。 3.4机械性能 薄膜的硬度是测量抵制塑性变形和确定载荷符合凹行区域的峰值。实际上，硬度通过卸载数据所构成能量方程来表现。薄膜的机械性能作为流量方程显示在图9，其值平均至少出现了3次，微硬度和是依赖于氧气流量。当流量由10sccm增加到20sccm，硬度几乎维持为13.6GP,再增加流量会导致硬度急速提高。在35。50，硬度仍然在增加，超出50sccm后，薄膜开始变软，并且在65sccm会降至13.4GPA。显然，硬度的改变非常接近在XRD式样中观察的。这表明硬度是由薄膜的结构确定而非特性确定其硬度，这与KAO的报告结果不一致。4.结论通过过滤阴极真空电弧镀膜技术制备薄膜，研究了在不同氧气流量时，薄膜的结构、组成、形态、光学性能和机械性能，最终的流量达到了98sccm。经研究发现O2的流量是薄膜结构、组成、特性的重要参数。随着O2流量的增加，薄膜的结构由无定型到不同氧化率的单晶体再到无定型；随着0/Zr原子比的增加，Zr原子由低氧化率到Zr。这种与氧气流量有关的结构趋势会导致薄膜组成的改变并且决定表面形态和薄膜的机械性能。第1页共3页g.q. yub.k. tay_z.w. zhaoStructure and propertiesof zirconium oxide thin filmsprepared by filtered cathodic vacuum arcSchool of Electrical and Electronic Engineering, Nanyang Technological University,Singapore, 639798, SingapoReceived: 19 September 2003/Accepted: 17 January 2004Published online: 1 April 2004 Springer-Verlag 2004ABSTRACT Zirconium oxide (ZrO2) thin films deposited atroom temperature by the filtered cathodic vacuum arc (FCVA) technique are detailed in terms of the film structure, composition, morphology, and optical and mechanical properties, which are tailored by the oxygen (O2) flow rate during deposition. The relationships between the film structure, composition, morphology,and properties are emphasized. With an increasing flow rate, the film evolves in structure from amorphous, through a pure monoclinic phase with varying preferential orientation, to amorphous again, accompanied by an increase in the O/Zr atomic ratio and a conversion of Zr ions from low oxidation states into Zr4+. Such a structural trend arises from the change in composition, and influences the film morphology and mechanical properties so that the amorphous films exhibit small clusters on the surface and smoother morphology as well as lower hardness compared with the polycrystalline films. Thefilm composition rather than the density dominates the optical properties, where the transmittance and the optical band gap increase with increasing O/Zr values, while the refractive index and extinction coefficients behave conversely with the lowest refractive index (2.16 at 550 nm) approaching the bulk value (2.2).PACS 68.55.Jk; 78.66.Nk; 68.37.Ps1