濺射鋁膜的結構與表面形態分析
濺射鋁膜的結構分析
用X-PertProMPP型X射線粉末衍射儀對制備的AL膜微結構進行測試分析。X光管為Cu靶,CuKa射線波長為0.154056 nm,管壓為40kV,管流為40mA,采用連續掃描方式,掃描范圍2θ為5°～90°。
圖3 是AL膜的X射線衍射圖譜。沉積參數為:濺射功率為2600W,濺射氣壓為0.5Pa,靶基距80mm,Ar氣流量為170sccm, 基片溫度為130℃。由圖3 可以看出: 磁控濺射制備的AL 膜呈多晶狀態, 在5°～90°范圍內AL 膜出現四個特征峰, 峰位分別位于2θ=38.51°、44.75°、65.11°、78.29°。其衍射指數分別為(111)、(002)、(022)、(113 ) 。
圖3 Al膜的X射線衍射圖譜
測量衍射峰的半高寬, 根據Scherrer公式可計算出晶粒尺寸
其中k取0.9, λ=0.154056nm, θ是衍射角,B是修正后的衍射峰半高寬(弧度)。由圖3和Scherrer 公式計算得Al膜的晶粒尺寸為22.3nm。濺射鋁膜的晶粒比較大有一個好處,即減小了晶界面積,從而減少了電遷移短路通道的數目,有利于增強Al膜的抗電遷移能力,延長Al膜的平均壽命。但晶粒尺寸不可太大,否則會影響Al膜細線條圖形的光刻質量。因此,濺射的Al膜晶粒雖大,但可通過后面的熱處理使之細化并使性能更加優越。
濺射鋁膜的表面形貌分析
濺射功率為2600W,不同Ar氣壓下鋁膜表面的SEM形貌(見圖4)對比表明:Ar氣壓力為0.5Pa時沉積的Al膜較粗糙,顆粒間隙較大; Ar氣壓力為0.3和0.4Pa時膜面較光滑,顆粒排列得較致密。這是由于氬氣壓力較高時,輸送過程中濺射原子與Ar氣原子的碰撞概率增大,不僅濺射原子的平均動能減少,而且使其速度的水平分量增大; 沉積原子水平速度的增大,導致其填充到表面低谷處的概率減小;平均動能的降低使濺射原子在膜表面的遷移能力降低, 因此在高Ar氣壓強條件下沉積的膜較粗糙,顆粒間隙增大。
a) 濺射氣壓0.3Pa (b)濺射氣壓0.4Pa (c)濺射氣壓0.5Pa
圖4 不同Ar氣壓下Al膜的SEM表面形貌
濺射氣壓為0.4Pa,不同濺射功率下鋁膜表面的SEM形貌(見圖5)對比表明: 濺射功率小時沉積的Al膜的表面形貌較粗糙;功率2600W較2300W沉積的Al膜表面光滑平坦,濺射功率增大,Ar氣的電離率增加,濺射速率提高,使膜和基底的附著性及膜層致密性都有所提高,提高了膜的質量;但是,功率為2800W時濺射的Al膜
(a) 濺射功率2300W (b) 濺射功率2600W (c) 濺射功率2800W
圖5 不同濺射功率下Al膜的SEM 表面形貌
反而變得粗糙(見圖c),這是沉積過程中鋁原子的遷移能力有限,大量粒子競爭沉積的結果,這時鋁原子入射到薄膜表面之后,未經表面遷移就被后來沉積的原子掩埋了,造成鋁膜質量的降低。
從以上分析可看出濺射氣壓為0.4 Pa, 濺射功率為2600 W 時可制備出致密性和均勻性較好的薄膜。
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