氧化铪薄膜制备工艺及其性能研究

发布时间：2017-10-25 14:42

  本文关键词：氧化铪薄膜制备工艺及其性能研究

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【摘要】：氧化铪(HfO2)薄膜因具有近紫外-红外光谱范围内优良的光学透过性,高抗激光损伤阈值,高介电常数,以及良好的热力学稳定性和化学稳定性等,被广泛应用在光学系统、集成电路和保护涂层等领域。同时,因为磁控溅射法具有在薄膜制备过程中控制薄膜结构和组分的优点,现已成为制备HfO2薄膜的主流方法之一。采用磁控溅射法如何制备出高纯度、低缺陷密度、低应力,稳定性良好的HfO2薄膜仍然是当前研究的热点问题。本文采用直流、射频两种反应磁控溅射法制备HfO2薄膜。通过正交实验分析了靶功率、靶基距和氩氧比对薄膜性能的影响程度,主要研究了影响最大的因素氩氧比对薄膜结构、光学性能及力学性能的影响规律,分析并总结了HfO2薄膜微观结构和性能之间的密切联系。针对HfO2薄膜制备过程中金属Hf溅射速率高,而气氛中Hf、O元素反应速率相对低的特点,研究确定了在制备过程中提升薄膜性能的衬底温度和负偏压的最优参数。通过对上述所有制备过程中工艺参数的研究,最终得出薄膜制备过程的最佳工艺参数。为进一步提升薄膜的性能,对上述最佳工艺参数条件下制备的Hf02薄膜进行退火和离子束处理。分别在退火温度、离子能量、束流密度和离子束处理时间上进行参数控制,研究了HfO2薄膜厚度、结晶行为、透射率、硬度、弹性模量和激光损伤阈值的变化规律。结果表明：当退火温度为900℃时,薄膜在可见光谱范围内峰值透射率、硬度和弹性模量值分别为93.11%、10.61GPa和183.99GPa。当离子源屏栅电压为400V,处理时间为20min时,薄膜的激光损伤阈值为15.32J/cm2。表明可利用反应磁控溅射以及相应的后处理方法制备高质量的HfO2薄膜。
【关键词】：氧化铪 薄膜 磁控溅射 退火处理 离子束处理 结构 性能
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ134.13;TB383.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 氧化铪(HfO_2)薄膜性能及应用概述9-10
• 1.2 HfO_2薄膜制备方法概述10-12
• 1.2.1 溶液法10
• 1.2.2 物理气相沉积10-11
• 1.2.3 化学气相沉积11-12
• 1.3 HfO_2薄膜制备及后处理研究现状12-13
• 1.3.1 磁控溅射HfO_2薄膜研究现状12
• 1.3.2 HfO_2薄膜退火处理研究现状12-13
• 1.3.3 HfO_2薄膜离子束处理研究现状13
• 1.4 本课题的研究意义及内容13-15
• 1.4.1 本课题研究意义13-14
• 1.4.2 本课题研究内容14-15
• 2 实验原理与方法15-30
• 2.1 实验研究路线15
• 2.2 HfO_2薄膜制备原理及流程15-21
• 2.2.1 气体放电理论15-16
• 2.2.2 直流和射频反应磁控溅射原理及异同16-18
• 2.2.3 溅射反应成膜过程18-20
• 2.2.4 HfO_2薄膜制备装置20-21
• 2.2.5 HfO_2薄膜制备所需材料及流程21
• 2.3 HfO_2薄膜后处理原理及流程21-23
• 2.3.1 HfO_2薄膜退火处理21-22
• 2.3.2 HfO_2薄膜离子束处理22-23
• 2.4 HfO_2薄膜结构及性能表征23-28
• 2.4.1 HfO_2薄膜微观结构表征23-24
• 2.4.2 HfO_2薄膜力学性能表征24-26
• 2.4.3 HfO_2薄膜光学性能表征26-28
• 2.4.4 HfO_2薄膜激光损伤阈值表征28
• 2.5 本章小结28-30
• 3 反应磁控溅射制备氧化铪薄膜30-51
• 3.1 直流反应磁控溅射制备HfO_2薄膜30-35
• 3.1.1 正交实验30-31
• 3.1.2 氩氧比对HfO_2薄膜沉积速率的影响31-32
• 3.1.3 氩氧比对HfO_2薄膜组分的影响32-34
• 3.1.4 氩氧比对HfO_2薄膜硬度、弹性模量的影响34
• 3.1.5 氩氧比对HfO_2薄膜透射率的影响34-35
• 3.1.6 氩氧比对HfO_2薄膜激光损伤阈值影响35
• 3.2 射频反应磁控溅射制备HfO_2薄膜35-39
• 3.2.1 正交实验35-37
• 3.2.2 氩氧比对HfO_2薄膜沉积速率的影响37
• 3.2.3 氩氧比对HfO_2薄膜硬度、弹性模量的影响37-38
• 3.2.4 氩氧比对HfO_2薄膜透射率的影响38
• 3.2.5 氩氧比对HfO_2薄膜激光损伤阈值的影响38-39
• 3.3 直流、射频磁控溅射制备HfO_2薄膜典型样品对比39
• 3.4 衬底温度对HfO_2薄膜结构和性能的影响39-46
• 3.4.1 衬底温度对HfO_2薄膜组分的影响40-42
• 3.4.2 衬底温度对HfO_2薄膜结晶行为的影响42-43
• 3.4.3 衬底温度对HfO_2薄膜表面粗糙度的影响43-44
• 3.4.4 衬底温度对HfO_2薄膜硬度、弹性模量的影响44-45
• 3.4.5 衬底温度对HfO_2薄膜透射率的影响45
• 3.4.6 衬底温度对HfO_2薄膜激光损伤阈值的影响45-46
• 3.5 负偏压对HfO_2薄膜结构和性能的影响46-49
• 3.5.1 负偏压对HfO_2薄膜结晶行为的影响46-47
• 3.5.2 负偏压对HfO_2薄膜表面粗糙度的影响47-48
• 3.5.3 负偏压对HfO_2薄膜硬度、弹性模量的影响48
• 3.5.4 负偏压对HfO_2薄膜透射率的影响48-49
• 3.5.5 负偏压对HfO_2薄膜激光损伤阈值的影响49
• 3.6 本章小结49-51
• 4 氧化铪薄膜退火处理51-59
• 4.1 HfO_2薄膜制备重复性研究51-52
• 4.2 退火温度对HfO_2薄膜的影响52-58
• 4.2.1 退火温度对HfO_2薄膜组分的影响52-54
• 4.2.2 退火温度对HfO_2薄膜结晶行为的影响54-55
• 4.2.3 退火温度对HfO_2薄膜表面粗糙度的影响55-56
• 4.2.4 退火温度对HfO_2薄膜硬度、弹性模量的影响56-57
• 4.2.5 退火温度对HfO_2薄膜透射率的影响57
• 4.2.6 退火温度对HfO_2薄膜激光损伤阈值的影响57-58
• 4.3 本章小结58-59
• 5 氧化铪薄膜离子束处理59-73
• 5.1 离子能量对HfO_2薄膜的影响59-64
• 5.1.1 离子能量对HfO_2薄膜厚度的影响59-60
• 5.1.2 离子能量对HfO_2薄膜结晶行为的影响60-61
• 5.1.3 离子能量对HfO_2薄膜表面粗糙度的影响61-62
• 5.1.4 离子能量对HfO_2薄膜硬度、弹性模量的影响62-63
• 5.1.5 离子能量对HfO_2薄膜透射率的影响63
• 5.1.6 离子能量对HfO_2薄膜激光损伤阈值的影响63-64
• 5.2 束流密度对HfO_2薄膜的影响64-68
• 5.2.1 束流密度对HfO_2薄膜厚度的影响64
• 5.2.2 束流密度对HfO_2薄膜结晶行为的影响64-65
• 5.2.3 束流密度对HfO_2薄膜表面粗糙度的影响65-66
• 5.2.4 束流密度对HfO_2薄膜硬度、弹性模量的影响66-67
• 5.2.5 束流密度对HfO_2薄膜透射率的影响67
• 5.2.6 束流密度对HfO_2薄膜激光损伤阈值的影响67-68
• 5.3 离子束处理时间对HfO_2薄膜的影响68-72
• 5.3.1 离子束处理时间对HfO_2薄膜厚度的影响68
• 5.3.2 离子束处理时间对HfO_2薄膜结晶行为的影响68-69
• 5.3.3 离子束处理时间对HfO_2薄膜表面粗糙度的影响69-70
• 5.3.4 离子束处理时间对HfO_2薄膜硬度、弹性模量的影响70-71
• 5.3.5 离子束处理时间对HfO_2薄膜透射率的影响71
• 5.3.6 离子束处理时间对HfO_2薄膜激光损伤阈值的影响71-72
• 5.4 本章小结72-73
• 6 总结与展望73-75
• 6.1 总结73
• 6.2 展望73-75
• 参考文献75-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文80-81
• 致谢81-83

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本文编号：1094202