溅射铝膜的结构与表面形态分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)福州大学物理与信息工程学院 作者:陈国良

溅射铝膜的结构分析

       用X-PertProMPP型X射线粉末衍射仪对制备的AL膜微结构进行测试分析。X光管为Cu靶,CuKa射线波长为0.154056 nm,管压为40kV,管流为40mA,采用连续扫描方式,扫描范围2θ为5°~90°。

      图3 是AL膜的X射线衍射图谱。沉积参数为:溅射功率为2600W,溅射气压为0.5Pa,靶基距80mm,Ar气流量为170sccm, 基片温度为130℃。由图3 可以看出: 磁控溅射制备的AL 膜呈多晶状态, 在5°~90°范围内AL 膜出现四个特征峰, 峰位分别位于2θ=38.51°、44.75°、65.11°、78.29°。其衍射指数分别为(111)、(002)、(022)、(113 ) 。

Al膜的X射线衍射图谱 

图3 Al膜的X射线衍射图谱

       测量衍射峰的半高宽, 根据Scherrer公式可计算出晶粒尺寸

       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宽(弧度)。由图3和Scherrer 公式计算得Al膜的晶粒尺寸为22.3nm。溅射铝膜的晶粒比较大有一个好处,即减小了晶界面积,从而减少了电迁移短路通道的数目,有利于增强Al膜的抗电迁移能力,延长Al膜的平均寿命。但晶粒尺寸不可太大,否则会影响Al膜细线条图形的光刻质量。因此,溅射的Al膜晶粒虽大,但可通过后面的热处理使之细化并使性能更加优越。

溅射铝膜的表面形貌分析

       溅射功率为2600W,不同Ar气压下铝膜表面的SEM形貌(见图4)对比表明:Ar气压力为0.5Pa时沉积的Al膜较粗糙,颗粒间隙较大; Ar气压力为0.3和0.4Pa时膜面较光滑,颗粒排列得较致密。这是由于氩气压力较高时,输送过程中溅射原子与Ar气原子的碰撞概率增大,不仅溅射原子的平均动能减少,而且使其速度的水平分量增大; 沉积原子水平速度的增大,导致其填充到表面低谷处的概率减小;平均动能的降低使溅射原子在膜表面的迁移能力降低, 因此在高Ar气压强条件下沉积的膜较粗糙,颗粒间隙增大。

 不同Ar气压下Al 膜的SEM表面形貌

a) 溅射气压0.3Pa (b)溅射气压0.4Pa (c)溅射气压0.5Pa

       图4 不同Ar气压下Al膜的SEM表面形貌

       溅射气压为0.4Pa,不同溅射功率下铝膜表面的SEM形貌(见图5)对比表明: 溅射功率小时沉积的Al膜的表面形貌较粗糙;功率2600W较2300W沉积的Al膜表面光滑平坦,溅射功率增大,Ar气的电离率增加,溅射速率提高,使膜和基底的附着性及膜层致密性都有所提高,提高了膜的质量;但是,功率为2800W时溅射的Al膜

不同溅射功率下Al膜的SEM 表面形貌 

(a) 溅射功率2300W (b) 溅射功率2600W (c) 溅射功率2800W

图5 不同溅射功率下Al膜的SEM 表面形貌

        反而变得粗糙(见图c),这是沉积过程中铝原子的迁移能力有限,大量粒子竞争沉积的结果,这时铝原子入射到薄膜表面之后,未经表面迁移就被后来沉积的原子掩埋了,造成铝膜质量的降低。

       从以上分析可看出溅射气压为0.4 Pa, 溅射功率为2600 W 时可制备出致密性和均匀性较好的薄膜。

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