崔严匀1，黎磊2，李金华2
(1 无锡华润华晶微电子有限公司二分厂，江苏无锡214061;
2 江苏工业学院电子科学与工程系，江苏常州213164)
摘要：用磁控溅射方法沉积制备的Ag/Ti W/Ni Cr三层复合电极薄膜上的Ag膜在工艺中容易脱落，而SiO2衬底上的Ag膜则具有良好的粘附性能。X射线衍射方法常用来检测薄膜中的应力，用X射线衍射技术(XRD)衍射峰位置的移动可判断膜中出现的是压应力还是张应力。实验中，用XRD对三层复合薄膜作了薄膜的应力分析，确定在160 溅射沉积后,Ag膜中存在压应力，该应力使Ag膜(111)晶面间距(d)比SiO2衬底上的Ag膜晶面间距小约0 35%。采用500 ,15min N2热退火的方法，可使三层复合膜中Ag膜的XRD峰位回复到与SiO2衬底上Ag 膜相同的谱峰位置，说明采用热退火的方法可有效消除复合膜的应力，防止Ag膜的脱落。 关键词：多层金属复合电极薄膜；磁控溅射沉积;X射线衍射；应力分析
中图分类号:TN305 29 文献标识码:A 文章编号:1003 353X(2010)07 0687 04黑发液
XRD Stress Analysis on Three Layer Metal(Alloy)Films
Formed by Magnetic Sputtering
Cui Yanyun1,Li Lei2,Li Jinhua2
(1 Wuxi China Resources Huajing Micro Electr onics Co ,Ltd.,Wuxi214061,China;
2 Dept o f Electr onic Science and Engineering,Jian gsu Polytechnic University,Changzhou213164,China)
Abstract:The Ag film on Ag/Ti W/Ni Cr three layer electrode films deposited by magnetic sputtering c ould desqua mate from the substrate easily during process,but Ag films on SiO2substrate has good adhesive property.Usually X ray diffraction(XRD)is used to check the stress in the films.By diffraction spectrum shift,it can be judged if it is compressive stress or tension stress in the film.In the e xperiments,the film stress analysis was carried out on the Ti W/Ni Cr substrate.It is confirmed that the Ag film deposited by magnetic sputtering me thod at160 exists compressive stress,it makes the c rystal c onstant d along the(111) orientation reduced about0 35%compared with the Ag films deposited on SiO2substra te at the sa me conditions. The re sult indicated that the Ag XRD spectra of the three layer metal(alloy)films can move back to the same position with Ag film on SiO2substrate annealed at500 for15min in N2.It means that the annealing is an effective method to r
em ove the stress in the multi layer films prepared by ma gnetic sputtering method.
Key words:multi metal composite film elec trode;magnetron sputtering deposition;X ray diffraction; stress analysis
EEAC C:2550B
0 引言
在一般Si平面晶体管和集成电路生产中，普遍采用Al作为电极。对于高频大功率晶体管、微波低噪声晶体管及微波器件，由于电迁移效应[1]，随着电流密度的增大和温度的上升，采用Al电极将导致器件失效。即：由于传导电子与Al原子碰撞产生的动量交换，产生一个净的向着阳极端的质
工艺技术与材料
Process Technique and Materials
doi:10 3969/j issn 1003 353x 2010 07 019
量迁移，随着时间的推移，在负极端形成空隙，最终导致电极开路，器件失效。另外，在大电流密度
和高温下，作为强还原剂的Al，能与SiO2中的氧化合，从而破坏了氧化层。因此，应选择一种与SiO2没有相互作用的金属，但是要一种完全代替Al的金属材料是相当困难的。例如Au，虽然抗电迁移能力强，传导性良好，但与SiO2粘附不好，且在370 下就与Si形成Au Si合金。另一些高熔点金属，如Mo,Pt等又不容易超声键合。因而，目前通常采用多层金属(合金)电极来代替单一的电极[2 3]，利用几种金属各自的优点，相互取长补短，制造出符合器件要求的电极。要求这种多层金属电极具有电阻率低、抗电迁移能力强、稳定性好、与衬底粘附性好，还要利于压焊引线。本文采用Ag/Ti W/Ni C r合金三层膜作为高频大功率晶体管的电极。
根据生产实际，发现Ag/Ti W/Ni Cr合金三层膜中的Ag膜容易脱落，特别是在用蓝膜保护表面做减薄加工后，在蓝膜撕脱时,Ag膜往往因脱落而粘附在蓝膜上。但在SiO2衬底上沉积的Ag膜与衬底有相当好的粘附能力。X射线衍射是常用的薄膜应力检测方法，可以通过检测衍射峰位置的移动来判断膜中应力的大小和种类。本文主要研究Ag/ Ti W/Ni Cr合金多层膜的粘附问题，通过对多层金属膜的应力分析，寻解决多层金属电极膜与衬底脱落的方法。
1 样品制备
为了研究分析多层金属合金薄膜表层Ag膜容易脱落的问题，本实验用3180磁控溅射台制备了四种样品，即:Ag,Ni Cr,Ti W/Ni Cr,Ag/Ti W/Ni Cr，单层或多层薄膜都沉积在560nm的SiO2衬底上。用纯度为
99 99%的氩气作为溅射的工作气体，三个溅射靶分别是Ni Cr合金靶、Ti W合金靶和Ag靶，溅射时的腔体真空度约1 3Pa，溅射时间:Ni Cr30s;Ti W40s,Ag60s，衬底温度控制在160 。
2 薄膜性能测试
2 1 形貌
用400倍光学显微镜对实验样品作形貌观察，明显可以看到样品表面平整、均匀、无明显的缺损。Ag的表面比Ti W合金和Ni Cr合金表面细腻，薄膜材料的颗粒度小。四种样品中，以Ti W合金的颗粒度最大，表面比较粗糙。在SiO2衬底和Ti W合金衬底沉积的Ag膜，表面没有明显差别。图1
是四种实验样品薄膜的显微镜数码照片。
经编布
图1 溅射薄膜形貌
Fig 1 Surface morphology of the sputtering fil ms
2 2 薄膜厚度和电阻率测量
用FT 6JA干涉显微镜测试了薄膜的厚度，如图2所示。薄膜的厚度可以通过同一级干涉条纹在台阶两边的移动量计算得到：白光时,t=0 27 N( m), N为同级干涉条纹在台阶两边的移动距离。为了清楚地测量条纹移动的距离，实验中把干涉图形先照相，再用计算机打印出放大的图形，仔细测量条纹的移动距离。通过计算，得到了Ni Cr合金薄膜、Ti W合金薄膜和Ag/Ti W/Ni Cr三层薄膜的厚度。用SDY 4型四探针测试仪测量了四种薄膜的薄层电阻率，根据前述厚度的测量结果，得到了它们的电阻率，如表1所示。
表1 实验样品的电阻率
Tab 1 Resisti vi ty of the sampl es
薄膜种类t sub/ d/nm R/(cm)
抛丸处理
Ni Cr160730 7963
Ti W160940 0815
Ag/Ti W/Ni Cr1603970 0014 Ag1602300 0012
崔严匀 等：三层金属磁控溅射复合膜的XRD应力分析
图2 合金膜的干涉条纹
Fig 2 Interference fringes of alloy films
2 3 薄膜的XRD 测试
对在SiO 2衬底上沉积的Ag 膜和对在Ti W/Ni Cr 衬底上的Ag 膜用Rigaku D/MAX 2500VX 衍射仪作了XRD 测试。图3显示了在SiO 2衬底上和在Ti W/Ni Cr 衬底上退火前后Ag 膜的XRD 谱。采用波长为0 15406nm 的Cu 的K !射线作X
射线衍射分析。
图3 SiO 2和Ti W/Ni Cr 衬底上Ag 膜的XRD 谱Fig 3 XRD spectra of Ag films on SiO 2and Ti W/Ni Cr
substrates
从图3可见，在SiO 2衬底和Ti W/Ni Cr 衬底
上溅射沉积的Ag 膜XRD 谱的取向相同，但在Ti W/Ni Cr 衬底上,Ag 膜的各个峰相对于SiO 2衬底上的Ag 膜对应峰都有约2∀=0 1!的右移。这种移动从图4对Ag 膜的<111>的放大图可以更清楚地看出。而且，从图4还可以看出，在三层薄膜经500 ,N 2退火15min 后，三层复合薄膜顶层Ag 膜的各个衍射峰都恢复到与SiO 2衬底上Ag 膜的相
同位置。
图4 退火使XRD 谱峰的位移
Fig 4 XRD spectrume movemen t conduced by annealing
用布拉格公式2d sin ∀=n #(d 为晶面间隔常数,#为X 射线波长)计算了三种样品Ag 薄膜(111)晶面的间距d ，结果列于表2。可见，在相同溅射沉积条件下,Ti W/Ni Cr 衬底上比SiO 2衬底上Ag 膜的(111)晶面间距减小约0 351%。而经550 ,15min 的N 2退火后，两种衬底上Ag 膜的晶面间距一致。变速箱取力器
表2 退火前后d 的改变
Tab 2 Changes of crystal plane spacing before and after anneal ing
薄膜种类和条件<111>峰位2∀/(!)
d /nm 减小值(以SiO 2为准)
A g(Si O 2衬底)
38 0400 236350A g(/Ti W/Ni Cr)(退火前)38 1800 235520 351%A g(/Ti W/Ni Cr)(500 ,15min 退火)
38 040
0 23635
3 三层复合薄膜的应力分析
利用X 射线衍射方法可以比较直观地分析薄
膜中的应力[4]
。实验证明，应力的来源之一是薄膜与衬底的热膨胀不匹配，薄膜的淀积只要是不在室温下进行就会有应力。如果是薄膜材料的杨氏弹性模量,V 是泊松比,!为热胀系数。假设E 和V 与温度无关，应力(1)
∃th =
E film
钢锭模1-V fil m
T
dep
T
(!fil m -!sub )d T
(1)
膜的应力对其性能有重要影响，应力造成的薄
膜应变状态成为晶粒边界扩散的驱动力[5]
。当薄膜中存在张应力时，晶面间距d 增大；存在压应力时晶面间距d 减小。本实验中,Ti W/Ni Cr 衬底上的Ag 膜，相对于SiO 2衬底上的Ag 膜，存在压应力。由于缺乏多元合金衬底的热膨胀系数资料，本实验的三层复合膜的应力不能从上述公式直接计算。但不管薄膜受到的是压应力还是张应力，薄膜与衬底的结合就不会牢固，只有用某种方法消除了这种应力，薄膜才不容易从衬底脱落。在本文的实验中，由于Ti W/Ni Cr 衬底上的Ag 膜比SiO 2衬底上Ag 膜的d 小，再结合Ag 膜与蓝膜的撕脱试验,SiO 2衬底上Ag 膜不易脱落，未退火的Ti W/Ni Cr 衬底上的Ag 膜容易脱落。可以说，在Ti W/Ni Cr 衬底上的Ag 膜中存在压应力。这种压应力的出现，应该与溅射沉积时衬底温度较高有关(溅射薄膜与衬底的粘附性能，除了应力匹配问题外，衬底表面通常有水汽等吸附。因此，为了提高薄膜的粘附性能，通常采用150~200 的加热溅射沉积)。而薄膜与不同衬底的热胀系数不同，会产生不同的应
崔严匀 等：三层金属磁控溅射复合膜的XRD 应力分析
力，热退火是消除应力的常用方法。结合器件允许的工艺温度，本文采用不同的退火条件，结合蓝膜撕脱试验，确定了500 ,15min的N2退火是消除三层复合电极薄膜应力、防止Ag膜脱落的有效退火条件。表3显示了薄膜退火温度与退火时间对Ag膜脱落的影响。生产中，在满足工艺要求的前提下，可
以适当调节上述退火条件。一般加长退火时间和升高退火温度有利于应力的消除。
表3 Ag/Ti W/Ni C r合金三层结构的退火条件和粘附情况
Tab 3 Annealing condi tions and adh ensive of the
Ag/Ti W/Ni Cr films
t/ ∀/mi n撕脱情况
40010容易
45010容易
5005不容易15不脱落
结合XRD分析,500 ,15min的N2退火后, Ti W/Ni Cr衬底上的Ag膜的衍射峰位移动到与SiO2衬底上Ag膜的衍射峰位基本一致，即晶面间距相同，也直接证明了退火是消除三层复合电极薄膜应力的有效手段。
4 结论
用磁控溅射方法在SiO2衬底上沉积了Ag,Ni Cr Ti W/Ni Cr,Ag/Ti W/Ni Cr以及单层或多层薄膜。对它们与衬底的粘附性能做了撕脱实验，用XRD 检测了薄膜的应力。实验证明在Ti W/Ni Cr衬底上溅射沉积的Ag膜中存在有压应力，这种应力使Ag膜不能与衬底牢固结合，造成器件工艺中Ag膜随蓝膜撕脱的现象。实验指出,500 ,15min的N2退火是消除三层复合电极薄膜应力、防止Ag膜脱落的有效退火条件。
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(收稿日期:2010 01
05)
作者简介:
崔严匀(1984∀)，女，江西南昌人，本科，助
理工程师，研究方向为电子器件工艺。
(上接第653页)
影视创意制作5 结语
基于本文思想已制作出样机，操作界面友好，使用方便。测试高压大信号参数时，把元件插入高压插座，按下测试键,2s以内显示正、反向阻断电压，测试结束自动关闭高压以保证安全；测试低压参数将元件插入低压插座，按测试键,3s以内自动测量出可控硅的小信号参数。仪器将大信号与小信号分开测试，自动反转高压机型无需手动调转元件，便于实现流水作业。与同类模拟仪器相比，本仪器具有测量速度快、智能测量、效率高等特点。
参考文献:
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(收稿日期:2009 12
23)
作者简介:
詹训进(1972∀)，男，福建福清人，硕士，主
要从事控制系统教学及研究工作。
崔严匀 等：三层金属磁控溅射复合膜的XRD应力分析
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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