淺析退火溫度對金屬薄膜殘余應(yīng)力的影響

石 斌

（惠州市華陽光學(xué)技術(shù)有限公司，廣東 惠州 516005）

1 研究研究對象的制備

1.1 多功能離子輔助沉積設(shè)備

此次實(shí)驗(yàn)擇取輔助沉積設(shè)備，見圖1。

圖1 輔助沉積設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

該輔助沉積設(shè)備核心部件的工作原理及作用如下所述:

（1）真空機(jī)組：真空機(jī)組通過兩級構(gòu)成，第一級即前置機(jī)械泵，第二極則是分子泵，其作用是把濺射腔中的真空度抽至4×10-4兆帕。

（2）旋轉(zhuǎn)水冷樣品臺：樣品臺的作用主要用于承載研究對象，同時(shí)使其在制Thin-film（下述均以TF予以表述）時(shí)旋轉(zhuǎn)，以使鍍出的TF厚度相對勻稱，并可以進(jìn)行水冷，進(jìn)而控制制TF時(shí)試樣的溫度，可以從根本弱化應(yīng)力，加強(qiáng)TF質(zhì)量。

（3）濺射離子源：離子束輔助沉積系統(tǒng)輔助沉積系統(tǒng)的主要部件是Kaufman-Ion源，Kaufman-Ion源能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的寬束Ion-Beam，穿透至上面的靶材，因此濺射出靶材原子，這些原子會沉積于研究對象臺的試樣上。

（4）中能穿透離子源：中能離子源于Ar-Ion，可以直接穿透基體外層。這樣所濺射出的Ion會逐漸沉積至基體外層，受到中能Ion源產(chǎn)生載能Ar-Ion的穿透，即可獲取額外的動量，進(jìn)而沉積，這從根本提升了濺射Ion進(jìn)入基體晶格的概率。

（5）強(qiáng)流金屬離子源：強(qiáng)流金屬離子源能夠生成所需沉積的離子，同時(shí)加速其生成過程，使其以較高的動能入射至基體外層，進(jìn)而注入至基體外層，此濺射沉積設(shè)備的核心部分即為Kaufman源。

1.2 制備工藝

此次研究擇取Ion-Beam輔助沉積的方法，在單晶硅元素基體外層濺射沉積一層鈦元素TF。所擇取硅元素片為N型(400)單晶硅元素片，硅元素片直徑長0.3毫米，電阻率為六厘米，厚度0.5毫米，在實(shí)驗(yàn)前把單晶硅元素劃為邊長一厘米的正方形小片，在此基礎(chǔ)上分別在丙酮、酒精中予以超聲洗滌。

Ion-Beam濺射沉積是在Ion-Beam穿透下，靶材的原子及原子團(tuán)逃逸外層，同時(shí)以一定能量沉積于基體上的一種鍍TF技術(shù)。此次研究先通過中能Ion源穿透硅元素基體外層實(shí)施外層清洗，同時(shí)通過強(qiáng)流金屬源對硅元素片外層予以鈦元素Ion的注入，最后通過中能Ion源進(jìn)行反沖注入混合，在原位經(jīng)Ion-Beam濺射沉積制備金屬鈦元素TF。

1.3 強(qiáng)流金屬Ion注入技術(shù)

首先通過單靶以每平方厘米1.8毫安的Ion流密度濺射沉積鈦元素十二分鐘，在此基礎(chǔ)上通過強(qiáng)流金屬源以每平方厘米0.012毫安的Ion流密度注入鈦元素Ion一千平方米，由于鈦元素Ion的平均有效電荷為2.10，因此注入電壓為四十千瓦，基于此鈦元素Ion能量為82千電子伏特，注入的劑量為每平方厘米5×106。此過程需進(jìn)行兩次。

1.4 反沖注入界面混合技術(shù)

通過單靶以每平方厘米2.0毫安的Ion流密度濺射沉積鈦元素兩分鐘，在此基礎(chǔ)上經(jīng)中能Ion源以每平方厘米0.02毫安的Ion流密度用Ar-Ion穿透研究對象外層兩分鐘，在此過程中把單靶濺射Ion流密度調(diào)至每平地方厘米0.4毫安。如上述四分鐘一個(gè)循環(huán)，此循環(huán)需進(jìn)行四次。

1.5 退火過程

把全部研究對象放在真空腔內(nèi)，以每分鐘四攝氏度的速率均勻加熱，A1，B1，C1作為對比研究對象，不予加熱處理；A2，B2，C2加熱至一百攝氏度；A3，B3，C3研究對象加熱至二百攝氏度；A4，B4，C4加熱至三百攝氏度；A5，B5，C5加熱至四百攝氏度;A6，B6，C6加熱至五百攝氏度。

2 性能測試

由于研究要最大限度的精確TF里面的interior-stress與附著力實(shí)驗(yàn)參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，所以對interior-stress測量精確性有一定的要求?，F(xiàn)階段國內(nèi)外測量TFteriorstress的方法相對多元化，基本可以分呈兩大類:①機(jī)械法;②衍射法。機(jī)械法測量基片受應(yīng)力作用后彎曲的程度，Diffraction法則測量TF晶格常數(shù)的畸變梯度遞進(jìn)系數(shù)。

此次研究擇取了X射線衍射方法。XRD在測定應(yīng)力的過程中，所測量的是以面間距變化系數(shù)來度量的應(yīng)變。而且，以布拉格定律為基礎(chǔ)，面間距的變化系數(shù)以下述公式予以表述：

依附于應(yīng)變間的關(guān)系式，有：

上述公式即通過衍射法測應(yīng)力時(shí)的基本計(jì)算公式。通過XRD測定應(yīng)力的方法有很多，其中包括照相法、平行光束法以及邊傾斜法等。在通用Diffraction設(shè)備上測應(yīng)力時(shí)多用定法，又稱半聚焦法，也就是在測試過程中Diffraction設(shè)備為θ和2θ聯(lián)動。在此狀態(tài)下入射線方向，有別于系數(shù)時(shí)試樣的取向，Diffraction面的方向及所測應(yīng)力的方向間的關(guān)系，見圖2。依附于上述公式，在計(jì)算出2θ隨的變化率即可獲取TF內(nèi)應(yīng)力。

圖2 晶面方位、應(yīng)力方向與φ角之間的關(guān)系

XRD測定應(yīng)力的特性即為峰背相對較高，分辨率優(yōu)異，密集的衍射線也容易分開。但其缺點(diǎn)是他需要試樣外層和聚焦面相切，試樣外層的前后移動會導(dǎo)致衍射角的變更，因此造成應(yīng)力系數(shù)發(fā)生偏差，基于此，X射線衍射僅適用于平板試樣。

3 結(jié)果及討論

3.1 TF厚度的控制及測量

在此次研究中，經(jīng)控制TF的沉積吋間達(dá)到對TF厚度的控制。影響TF厚度的四個(gè)最重要參數(shù)是束流大小，離子束流能量，研究對象與Ion-Beam、靶材的幾何位置關(guān)系，與真空室的真空系數(shù)。Kaufman---Ion源濺射沉積時(shí)Ion-Beam能量與束流大小相對恒定。盡管靶材原子在氬Ion-Beam穿透下會從不同角度濺射出來，不過在此次研究中研究對象臺的范圍尺寸較小，同時(shí)與靶材成六十度角，相距三百毫米，在這種客觀環(huán)境下，靶材原子出射的角度分布對研究對象TF厚度均勻性不會產(chǎn)生過大的影響。

三組研究對象TF厚度數(shù)據(jù)見表1。

表1 研究對象的TF厚度

3.2 TF外層與斷裂面形貌

一般TF研究對象的外層粗糙系數(shù)會因襯底、鍍TF材料、沉積形式及參數(shù)等多方面影響。此次研究所有研究對象的SEM外層形貌如圖3所示。

圖3 掃描電子顯微鏡外層形貌

經(jīng)直觀的對比不難發(fā)現(xiàn)，圖3中的四個(gè)研究對象，予以退火處理的研究對象外層粗糙系數(shù)間無顯著差異，較之對比研究對象的外層粗糙系數(shù)大幅度降低。同時(shí)通過離子注入與反沖混合的B組研究對象的外層形貌和粗糙系數(shù)也和以上四圖板接近。因此，在此次研究中，退火后TF研究對象的外層粗糙系數(shù)主要會受到退火溫度的影響，與TF厚度無顯著的相關(guān)性。

圖4顯示了鈦元素硅元素TF研究對象的斷裂面形貌，其中(a)、(b)分別代表研究對象A1和Cl。此圖從根本體現(xiàn)了鈦元素TF與硅元素襯底間界面的形貌。

研究對象C1的鈦元素TF和硅元素襯底的界面相對平滑，而研究對象A1的TF基界面則存在粗糙的問題，這是因?yàn)镮on注入效應(yīng)與輔助沉積時(shí)間所致。此次研究中，在Ion注入過程時(shí)，由強(qiáng)流金屬源形成的鈦元素Ion具有相對平均的能量系數(shù)。

在這些鈦元素Ion穿透到研究對象外層的狀態(tài)下，會導(dǎo)致一部分外層硅元素原子被濺射出研究對象表面。

圖4 鈦元素/硅元素TF的斷裂面形貌

3.3 內(nèi)應(yīng)力的測量

此次研究中，全部研究對象中鈦元素TF的interiorstress都通過XRD予以測定，同時(shí)擇取。為最大限度弱化測量誤差，擇取了高角度的鈦元素(201)的Diffraction峰，2θ=78.10°傾斜角度ψ被設(shè)定為0，10°，20°，30°及35°。

上述，θ即為無應(yīng)力鈦元素TF的Diffraction角，E與ν分別為鈦元素TF的拉伸模量與橫向變形系數(shù)，因?yàn)樗练e的TF中組織構(gòu)架較之常規(guī)塊體材料有所差異，進(jìn)而會造成E的系數(shù)也發(fā)生改變，所以直接套用塊體材料的固定常數(shù)會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。

此次研究中，為從根本深化測量的精確性，我們擇取Hershey-Kroner-Eshelby模型去計(jì)算鈦元素TF的有效拉伸模量E與v，依附于德埃夫倫的相關(guān)研究，E與v帶換成B與G的表達(dá)式如下：

上述式中，G即TF的有效剪切模量，根據(jù)鈦元素TF數(shù)值取G=50.18GPA。B是一個(gè)定向標(biāo)量，能夠直接通過戴維林提供的如下公式計(jì)算獲?。?/p>

上述計(jì)算中，C11與C12即材料的單晶彈性數(shù)值，依附于P.SIsodia提供的鈦元素單晶的系數(shù)，取C1=1665.GPa，C12=1226GPa。這樣把B與G的系數(shù)帶入至

能夠獲取鈦元素TF的有效拉伸模量(E)與Poisson ratio(ν)分別為130.57GPa與0.321。

此次研究可以很清楚的看出TF內(nèi)壓應(yīng)力的大小隨著TF厚度的提高而提高，這是由于此次研究中TF厚度是通過沉積時(shí)間所控制的，由濺射Ion穿透作用在TF內(nèi)產(chǎn)生的缺陷會隨著沉積時(shí)間的增加而提高，所以沉積時(shí)間比較長而制備出的厚度TF的壓應(yīng)力比較大。

TF內(nèi)壓應(yīng)力的大小依附于溫度的增加而降低，同時(shí)分別在五百攝氏度狀態(tài)下已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。殘余應(yīng)力通常被認(rèn)為是在晶體生長時(shí)所產(chǎn)生的。

在我們的研究中，三個(gè)研究對象組的殘余應(yīng)力在退火溫度區(qū)間為四百至五百攝氏度狀態(tài)下，都由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，具體的轉(zhuǎn)變溫度分別為四百零四攝氏度，四百二十六攝氏度與四百二十八攝氏度。研究結(jié)果顯示，應(yīng)力釋放出現(xiàn)于TF加熱的過程中。

退火溫度越高，TF本身的壓應(yīng)力系數(shù)越低。通過研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，B，C組研究對象的應(yīng)力釋放速率較之A組要快一些。由此可證，應(yīng)力釋放也和TF厚度存在內(nèi)質(zhì)關(guān)聯(lián)性。