微波ecr磁控溅射制备超薄a-sin-%2cx-薄膜及其特性的研究

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1、大连理工大学博士学位论文摘要自1956年IBM向世人展示了世界上第一台商用磁盘至今，已有五十余年。其间，磁盘虽没有象CPU那样经历了飞速发展，但其存储密度在不断增加。尤其在近年来，随着巨磁阻磁头(GMR)、磁阻磁头(MR)等技术的应用，磁盘存储密度迅速提高(年增长100％)。同时，由于人们对计算机的依赖程度越来越高，“磁盘有价，数据无价”，因此人们在对磁盘存储密度提出更高要求的同时，对其使用寿命以及可靠性也提出了更高的要求，即对磁头磁盘保护膜的性能提出更高要求。提高磁存储密度要求必须减小磁头和磁盘间隙，即减小磁头磁盘保护膜厚度。未来，在磁存储密度达到1Tbitfm2时，磁头，磁i盘保护膜在具有

2、必要的抗腐蚀、抗磨损性能同时，要求其厚度降至2．5ran以下。本论文围绕微波电子回旋共振等离子体性质，采用非平衡磁控溅射技术，开展一系列研究工作，制备出满足磁刿磁盘保护膜使用要求的超薄a-SNx薄膜。主要研究内容如下：(1)在微波电子回旋共振等离子体对Si原子璃子、N离币恬性基团密度的影响研究中发现：si靶的溅射产额并不受微波功率变化的影响，而只与其射频溅射功率有关；然而，在N2流量不变的情况下，等离子体密度、以及等离子体中N离子／话性基团的相对含量却随着微波功率的增加而增加。在空问等离子体中si原币离子含量不变(恒定si靶溅射功率)、以及N2流量不变的情况下，N离子，活性基团密度，是影响a-

3、SNx薄膜结构、性质的主要因素。因此，必须调节微波功率至较高值，以使N离子／活性基团密度保持一合适值，这样才能使Si原子璃子与其充分反应，生长出高性能的a-SiNx薄膜。(2)在最优化实验参数过程中发现：在各实验参数中，N2流量、si靶溅射功率为最重要参数。Si靶溅射功率直接影响si原予璃子的溅射产额，在恒定微波功率和N2流量的条WF，增加Si靶溅射功率，Si原子腐子的溅射产额随之增加，在高功茸g-(350W)下制备的薄膜，由于到达基片的Si原子，离子束流较高，因此薄膜显示较好的化学结构，以及较好的机械性能。在si靶溅射功率恒定的情况下，N2流量为2scem时所制备的a-SiN，薄膜中Si-N

4、键含量最高，可达94．8％，此时薄膜中N／Si原子比例为1．33，满足Si3N4的化学配比；同时，薄膜显示出最佳的机械性能，硬度值达到23GPa，RMS为0．19mn，摩擦系数为O．1，且薄膜表现出优良的抗腐蚀、抗磨损性能。过量增加N2流量，由于靶中毒以及N元素存在方式变化，导致沉积的薄膜转向富N结构，并且薄膜表现出较差的机械性能，以及较差的抗腐蚀、抗磨损性能。(3)在研究a-SiN，薄膜膜厚极限过程中发现：在最优化参数下，即Si靶溅射功率为350W，Ar、N2流量分别为20sccm和2sccm时，薄膜厚度与沉积时间呈线性关系，薄微波ECR磁控溅射制备超薄a-SiN。薄膜及其特性研究膜沉积速率

5、为4．7rim／rain。所制备的厚度为5rim的a-SiN，薄膜，其FT-IR光谱显示结构以SiN键为主。此时，薄膜硬度较si基片增加1GPa有余，同时，薄膜显示出优良的抗腐蚀、抗磨损性能。以a-A1203／Si多层结构为基片，模仿磁头真实结构制备a-SiNJa-A1203／Si多层膜，并模仿磁头生产厂真实测试条件，研究a．s蝇薄膜膜厚极限。实验结果表明，2mn的a-SiN，薄膜可以为基底材料提供充分的抗腐蚀、抗磨损保护，a-SiN，薄膜的膜厚极限心地圳氐于DLC薄膜和CNx薄膜(4nm)。(4)在a．s吼薄膜沉积过程中，在恒定微波功率和Ar流量的条件下，虽然等离子体电位、电子温度等参数随N

6、2流量的增加单调下降，但是适当增加N2流量，由于Ar．的过量，因此MW-ECR等离子体中矿、N糟度、以及等离子体密度都不断增加，在N2流量为5sccm时，等离子体密度达到最高值。同时，随着N2流量的增加，由于si靶表面中毒现象加剧导致Si原子的溅射产额不断减少。综合这两方面的原因，在N2为2sccm时制备的薄膜，显示出最佳的结构、最佳的机械性能，以及最佳的抗腐蚀、抗磨损性能。在高N2流量情况下，由于矗的减少而导致MW-ECR等离子体中衲我少，N元素主要以N，形式存在；同时，由于Si靶中毒加剧导致Si原子的溅射产额严重下降，因此所制备薄膜显示为富N态结构，相应薄膜的各方面性能都严重下降。因此，在

7、薄膜沉积过程中，等离子体中si原子的密度，以及N元素的存在状态，是决定薄膜结构、性能的主要因素。关键词：微波EcR等离子体；非平衡磁控溅射；氮化硅薄膜；发射光谱．Ⅱ-大翘工大学博士学位论文ThepropertiesofUltra-thina-SiNjFilmsPreparedbyMicrowaveECRMagneticSputteringSystemIthasbeenmorethan50years