鎳薄膜制備與性能研究

1、蘇州科技學院本科生畢業(yè)論文蘇州科技學院本科生畢業(yè)論文課題名稱：鎳薄膜制備與性能研究院系名稱：數(shù)理學院班 級：應物1122班學 號：1120112226學生姓名：齊棟宇指導教師：程新利2015 年 5 月 鎳薄膜制備與性能研究摘 要本文使用磁控濺射設備在n型硅基片上制備鎳薄膜，研究不同工作氣壓（1Pa、1,5Pa、2Pa）對輝光放電、薄膜生長速率以及薄膜表面形貌與粗糙度的影響。結果表明，工作氣壓的變化對鎳薄膜生長速率影響較大，1Pa工作氣壓條件下，鎳薄膜生長速率較快，2Pa次之。使用低壓化學氣相沉積設備對鎳薄膜樣品進行退火處理，分析樣品經(jīng)退火處理后各項特性的改變。實驗結果分析表明，樣品經(jīng)退火后表

2、面形貌改變較大，變得更加粗糙。樣品經(jīng)退火后各項特性的改變不僅與退火溫度有關與薄膜厚度也有關系。關鍵詞 磁控濺射；鎳薄膜；表面形貌；粗糙度；退火IIThe preparation and characterization of nickel thin filmAbstractIn this paper, nickel thin film was produced onto n-type Si substrates by megnetron sputtering device, and the influence on glow discharge, gro

3、wth rate, surface topography and roughness caused by different working air pressure(1Pa, 1,5Pa, 2Pa) has been investigated. The result turns out that the change of working air pressure has a great influence on the growth rate of nickel film. Under the working pressure of 1Pa, the growth rate of Ni f

4、ilm is faster, then 2Pa. Samples were annealed by using LPCVD device, and changes on functional characteristics of samples after annealing have been analyzed. The experimental result shows that the surface topography of samples have been changed significantly and the roughness has become larger afte

5、r annealing. The characteristics of the sample after annealing are not only related to the annealing temperature but also to the thickness of the film. Key words magnetron sputtering; nickel thin film; surface topography; roughness; annealI目錄第1章 緒論11.1 引言11.2 Si的基本性質21.3 Ni的基本性質2第2章 實驗儀器介紹及原理說明32.1

6、磁控濺射設備32.1.1 濺射鍍膜設計原理32.1.2 磁控濺射42.2 LPCVD設備42.3 探針式表面輪廓儀52.4 原子力顯微鏡62.6 半導體分析系統(tǒng)72.7 金相顯微鏡7第3章 金屬與半導體接觸83.1 金半接觸83.2 金屬硅化物8第4章 實驗94.1 實驗目的94.2 實驗設備以及材料94.3 實驗內容94.3.1 基片前處理94.3.2 薄膜的制備104.3.3 退火處理11第5章 實驗結果及分析125.1 不同工作氣壓下輝光的區(qū)別125.2 不同工作氣壓對薄膜生長速率的影響135.3 薄膜表面形貌與粗糙度分析165.3.1 不同工作氣壓下薄膜的表面形貌與粗糙度175.3.1

7、 退火處理對薄膜表面的影響22I5.4 退火處理對樣品U-I特性的影響24結 論26致 謝28參 考 文 獻29附錄A 譯文30附錄B 外文原文36 33第1章 緒論1.1 引言目前，隨著半導體和微電子行業(yè)的蓬勃發(fā)展，薄膜科技與技術愈來愈受到人們的關注。薄膜技術是半導體技術中十分重要的一部分，可以說薄膜技術及工藝的發(fā)展對半導體器件和微電子行業(yè)的發(fā)展起到了極其重要的推動作用。膜最大的特點就是其厚度一維線性尺度遠遠小于其他二維尺度。通常，薄膜（thin film）的厚度小于1m，而厚度大于1m的則為厚膜；因為薄膜在厚度這一特定尺寸上十分微小，只可以通過微觀測量，并且在厚度方向上由于存在界面，從而使

8、得界面處的物質處于非連續(xù)性狀態(tài)，使得薄膜材料擁有塊狀材料所不具有的特殊性能1。薄膜的制備方法很多，如氧化法、電鍍法、化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）等等，而且每一種制備方法又可以分成若干種2。金屬薄膜通常利用物理氣相沉積法（PVD）制備。金屬鎳薄膜具有良好的導電性，耐腐蝕性好、可塑性好，在微電子產業(yè)中有著十分廣泛的應用。金屬鎳薄膜常用于制作MESFET器件的電極（柵極gate為肖特基接觸，源極source和漏極drain為歐姆接觸）3。金屬與半導體直接接觸存在大的接觸電阻率，為了提高器件性能就必須減小接觸電阻率。工業(yè)中，常在重摻雜的硅襯底上生長鎳薄膜，再經(jīng)過退火處理，使形成鎳硅化

9、合物，從而減小接觸電阻率。鎳薄膜主要的制備方法為物理氣相沉積，本文中采用磁控濺射法在硅基底上制備鎳薄膜，研究在不同工作氣壓（1Pa、1.5Pa、2Pa）對鎳薄膜的生長速率、表面形貌、電學特性的影響。使用DektakXT探針式表面輪廓儀測量鎳薄膜的厚度從而計算鎳薄膜的生長速率；使用AJ-型原子力顯微鏡（AFM）掃描鎳薄膜表面形貌以及分析其表面粗糙度；使用4200-SCS/C型半導體分析系統(tǒng)繪制樣品的U-I特性曲線。利用LPCVD設備進行退火（annealing）處理，研究不同退火溫度（300-600）下鎳薄膜電學特性的變化以及退火處理對薄膜表面形貌的改變。嘗試探索以上工作是否能夠形成低接觸電阻率

10、的Ohmic接觸。1.2 Si的基本性質半導體襯底材料是微電子行業(yè)發(fā)展的基石，Si單晶片是最重要也是最常見的襯底材料。硅（Si）是一種極為常見、儲量極為豐富的元素，在天然界中Si常以各種化合物存在，極少出現(xiàn)單質形式的硅。硅的原子序數(shù)為14，相對原子質量為28.0855，熔點為1410，沸點22355，有金屬光澤4。硅的晶體結構為金剛石結構（如圖1.1），電阻率比金屬大，而且隨溫度升高而減小，呈現(xiàn)明顯的半導體性質（負電阻溫度特性）。硅在室溫下性質比較穩(wěn)定，通常不會與水或者酸發(fā)生明顯的反應，若長時間暴露的空氣中，表面會發(fā)生氧化，形成一薄層致密的氧化層；在加熱條件下，能和鹵素發(fā)生反應；650時硅開始

11、與氧完全反應；硅還能與多種金屬發(fā)生化合，形成金屬硅化物。圖1.2 金屬鎳靶材圖1.1 Si的晶體結構1.3 Ni的基本性質鎳（Ni）原子序數(shù)為28，相對原子質量為58.69，熔點為1453，沸點2732，是有銀白色金屬光澤的過渡金屬5（圖1.2為金屬鎳靶照片）。鎳具有很好的可塑性和磁性，能導熱和導電，比較不易被腐蝕，硬度中等等特性。在天然界中鎳常以化合物存在，常見的化合價為二價和三價5。常溫下，鎳的性質比較穩(wěn)定，通常不與水或者空氣發(fā)生明顯反應。鎳薄膜是一種重要的薄膜材料，在電子元器件中具有廣泛的應用，如和半導體接觸作為電極使用。第2章 實驗儀器介紹及原理說明2.1 磁控濺射設備如圖 所示，本論

12、文使用沈陽市科友真空技術研究所生產的型號為CKJ-500D多靶磁控濺射鍍膜儀。圖2.1 CKJ-500D多靶磁控濺射鍍膜儀2.1.1 濺射鍍膜設計原理利用高速電子與氣體分子發(fā)生碰撞從而電離產生等離子，這些等離子被電場加速得到很大的動能，高速運動的等離子轟擊陰極的靶體，將動能轉化為靶體的能量，使得靶體中的原子或者分子射出，沉積到襯底的表面，從而形成薄膜6。具有很高動能的正離子轟擊到靶體表面時，除了靶體原子或者分子逸出之外，還會產生其他各種現(xiàn)象，會影響濺射速率，如圖2.2中所示。圖2.2 伴隨離子轟擊的各種現(xiàn)象2.1.2 磁控濺射濺射鍍膜的最大的不足就是濺射速率較低，利用磁控濺射技術可以很好地彌補

13、這一不足。磁控濺射與普通二極濺射的區(qū)別就在于一個平行于靶表面的縱向磁場被設置在靶材的表面，該磁場由置于靶臺的永磁鐵提供7。在陰極表面位置磁場與電場正交。正離子轟擊靶材產生的二次電子在陰極位降區(qū)受到電場的作用而被加速，并獲得能量變成高能電子，但由于磁場的存在，他們并不會直接到達陽極而被吸收，而是在正交電磁場中做回旋運動8。回旋運動過程中，二次電子與氣體分子不斷發(fā)生碰撞，使得氣體分子電離。電子與氣體分子碰撞后自身的能量轉移給了氣體分子，多次碰撞后變成低能電子，最后沿著磁場線移動至陽極并被接收。由于電子在正交電磁場中做回旋運動，從而使得電子到達陽極的運動軌跡延長了許多，使得二次電子與工作氣體分子發(fā)生

14、碰撞電離幾率大幅提升，從而轟擊靶體的正離子的數(shù)量也增大了很多，所以磁控濺射的濺射速率比普通二極濺射的濺射速率有十分明顯地提高8。磁控濺射基本原理見圖2.3。圖2.3 磁控濺射原理圖2.2 LPCVD設備如圖2.4所示，本論文使用遼寧聚智科技發(fā)展有限公司生產的低壓化學氣相沉積（LPCVD）設備。利用低壓化學氣相沉積（LPCVD）設備提供的高溫低壓環(huán)境來對樣品進行退火處理。普通低壓化學氣相沉積（LPCVD）系統(tǒng)如圖2.5所示。由遼寧聚智科技發(fā)展有限公司生產的低壓化學氣相沉積（LPCVD）設備利用真空機械泵創(chuàng)造低壓環(huán)境（4.5-5Pa），該設備使用三段式加熱方式。圖2.5 低壓化學沉積系統(tǒng)結構圖2.

15、4 LPCVD低壓化學氣相沉積設備2.3 探針式表面輪廓儀如圖2.6所示，本論文使用Bruker公司生產的第10代DektakXT探針式表面輪廓儀研究Ni薄膜的沉積速率。 圖2.6 第10代DektakXT探針式表面輪廓儀它的測量原理如下：當探針沿著待測樣品的表面輕輕移過時，因為表面有微小的高低起伏，所以在探針移過的時，會沿著峰谷輕微地上下振動。探針的振動就會準確地反映被測樣品的表面輪廓。傳感器輸出的電信號由測量電橋獲取，并且調幅信號和探針偏離中心位置的距離是成正比的。經(jīng)過波形濾波器以及噪音過濾器可以進一步削弱外界干擾信號、調制頻率以及波形等決定粗糙度測量結果的要素的影響。2.4 原子力顯微鏡

16、如圖2.7所示，本論文使用由上海愛建納米科技發(fā)展有限公司生產的AJ-型原子力顯微鏡。圖2.7 AJ-型原子力顯微鏡（AFM）AFM是一種能用來測量包含絕緣體等一系列固體材料外觀形貌的儀器。研究物質的外觀形貌、性質和構造是通過測量一個微型力敏感元件與薄膜表面彼此的分子或者原子之間的極其微小的相互作用力。讓一對微小力非常敏銳的微懸臂保持穩(wěn)定狀態(tài)，另外一側的細小針尖緩慢靠近待測樣品，此時它們彼此之間相互作用，由于作用力的存在，微懸臂的運動狀態(tài)也隨之變化9。如圖2.8所示，通過光學光路系統(tǒng)將二極管激光器發(fā)射出來的激光束會聚到微懸臂的反面，再從微懸臂的反面反射到由光電二極管組成的光斑位置檢測器。利用傳感

17、器檢測這些改變，當掃描樣品時就可捕獲到作用力的排布的情況，因此獲得的表面結構情況分辨率會以納米級形態(tài)出現(xiàn)9。懸和針尖的照片如圖2.9所示。原子力顯微鏡的探針工作方式示意圖如圖所示2.10。圖2.10 探針工作示意圖圖2.9 懸臂和針尖的照片圖2.8 原子力顯微鏡的工作原理2.6 半導體分析系統(tǒng)如圖2.13 所示，本論文使用4200-SCS/C型半導體特性分析系統(tǒng)。4200-SCS/C系統(tǒng)實現(xiàn)U-I測量功能的核心單元是SMU（源測量單元），SUM集電壓源、電流源、電壓表、電流表功能于一體?？梢韵蚱骷峁寗与妷和瑫r測量電流，也可以向器件提供電流的同時并測量電壓。圖形化的KITE軟件可以輕松的設定

18、測量條件，設定電壓或電流，繪制U-I特性曲線。圖2.13 4200-SCS/C型半導體特性分析系統(tǒng)2.7 金相顯微鏡圖2.14 CMM-40E型金相顯微鏡如圖2.14 所示，本論文使用CMM-40E型金相顯微鏡。電腦型金相顯微鏡的系統(tǒng)由金相顯微鏡、鈉光燈照明系統(tǒng)、適配鏡 、攝像器（CCD) 、A/D轉換（圖像采集）、計算機組成。不僅可以通過目鏡觀察樣品，還可以在電腦的屏幕上實現(xiàn)實時觀察樣品圖像，并拍攝觀察到的圖像，而且還能夠將所拍攝到的圖片進行編輯處理和打印。金相顯微鏡的照明方式與普通生物顯微鏡不同，金相顯微鏡使用反射光成像，而不選擇采用透射光，所以金相顯微鏡有一組特別的照明設備，即垂直照明設

19、備10。第3章 金屬與半導體接觸3.1 金半接觸金屬和半導體接觸可以分為兩種形式：具有整流性的肖特基接觸（Schottky contact）和具有非整流性的歐姆接觸（Ohmic contact） 11。金半接觸是MESFET結構的基礎。金屬與半導體接觸時，因為金屬的功函數(shù)（work function）一般與半導體的功函數(shù)不同，從而存在接觸電勢差，結果在接觸界面形成勢壘，稱為肖特基勢壘（Schottky barrier）。當金屬功函數(shù)大于半導體功函數(shù)，且存在較大肖特基勢壘高度時，金屬半導體接觸表現(xiàn)為整流特性。然而要改變金半接觸的整流特性，減小接觸電阻率，就必須減小肖特基勢壘高度12。通常情況下，

20、利用退火處理使金屬與半導體形成化合物以減小兩者的功函數(shù)差，減小肖特基勢壘高度，從而減小電阻率。金半接觸在相當于一個異質結，可以通過增加半導體部分的摻雜濃度以減小勢壘寬度。若摻雜濃度很大時，勢壘寬度將變得很小，電子隧穿的幾率大大增加，隧穿電流增大成為占主導地位的傳導電流，接觸電阻率下降，然后再對其進行退火處理，降低Schottky勢壘，可進一步減小接觸電阻率13。3.2 金屬硅化物金屬硅化物的沉積方式有很多，但是要形成真正的金屬硅化物，還必須經(jīng)過一個高溫加熱的過程，即為退火過程，使金屬與硅反應生長金屬硅化物11。金屬硅化物的反應生成機制可分為兩種：（1）在遠低于金屬與半導體共熔點的溫度下，以熱激

21、活的形式進行的；（2）在界面上某些點先形成硅化物（成核），然后再逐步長大14。大部分過渡金屬的硅化物都由較低的電阻率，導電性良好，導電機制類似于金屬。薄膜硅化物的電阻率受到諸多因素的影響，如薄膜的沉積技術、雜質含量及退火條件等。薄膜金屬硅化物的電阻率一般高于相對應的金屬的電阻率。退火能夠有效地減小金屬與硅接觸的電阻率。退火使得金屬與硅形成晶相化合物，并且使得晶粒尺寸增大，晶粒間界減小，從而使得電阻率下降。第4章 實驗4.1 實驗目的使用CKJ-500D多靶磁控濺射設備制備Ni薄膜， 研究不同工作氣壓（working pressure）對薄膜生長速率、表面形貌（surface topograph

22、y）及粗糙度（Rms）、電學特性的影響。對長有Ni薄膜的樣品進行退火處理，研究不同退火溫度的影響，觀察退火處理對樣品表面形貌以及電學特性的改變，探索歐姆接觸的形成條件。4.2 實驗設備以及材料CKJ-500D多靶磁控濺射鍍膜儀；低壓化學氣相沉積（LPCVD）設備；DektakXT探針式表面輪廓儀；AJ-型原子力顯微鏡（AFM）；四探針儀；半導體分析系統(tǒng)；CMM-40E型金相顯微鏡。4寸n型重摻雜硅片；金屬Ni靶；氫氟酸溶液；超純水。塑料手套、橡膠手套；金屬鑷子、塑料鑷子；塑料燒杯；高級擦鏡紙；無紡布；螺絲刀。4.3 實驗內容使用CKJ-500D多靶磁控濺射設備在n型重摻雜Si基片上生長Ni薄膜

23、。使用DektakXT探針式表面輪廓儀測量不同條件下生長的Ni薄膜的厚度。使用AJ-型原子力顯微鏡觀察不同條件下生長的Ni薄膜的表面形貌以及退火處理后薄膜的表面形貌的改變。使用LPCVD設備對不同生長條件的樣品進行退火處理。使用四探針儀測量各樣品的電阻率，比較不同生長條件的樣品的電阻率，比較相同生長條件的樣品退火前和退火后的電阻率。使用半導體分析系統(tǒng)測量各樣品的電學特性，比較不同生長條件的樣品的U-I曲線，比較相同生長條件的樣品退火前和退火后的U-I曲線。4.3.1 基片前處理基片選擇4寸n型重摻雜單晶硅片，將4寸硅片裁切成合適大小。配制5%的氫氟酸（hydrofluoric acid）溶液，

24、用于去除硅片表面原生氧化層（oxide layer）。注意配制氫氟酸溶液時使用塑料燒杯和塑料鑷子，戴好橡膠手套。將裁切好的硅片浸入5%的氫氟酸溶液。提出時，硅片表面不凝聚小水珠說明硅片表面很干凈。4.3.2 薄膜的制備按照正確的步驟操作CKJ-500D多靶磁控濺射鍍膜儀制備Ni薄膜?？刂撇蛔兊纳L條件為：（1）濺射溫度為常溫；（2）轉臺電壓為1V；（3）濺射功率約為60W；（4）濺射時間為20min。各次生長的工作氣壓分別為1Pa、1.5Pa、2Pa。CKJ-500D多靶磁控濺射鍍膜儀操作步驟：（1）儀器準備打開冷卻水閥門（水壓警報不響），打開儀器總電源， 打開真空計查看并記錄初始氣壓 。關閉

25、真空計，開始充氣，慢慢打開空氣閥，注意充氣聲音不要太尖銳。待內外氣壓平衡后，打開真空腔 ，帶上一次性塑料手套，放置靶材，放置基片(用鑷子夾取基片夾邊上，吹氣球吹去表面灰塵顆粒) ，靠緊線位樁再下降關閉真空腔 。（2）抽真空關閉空氣閥 ，開始抽氣，打開機械泵電源，打開機械泵旁抽閥(轉) ，打開真空計電源 。當氣壓達到一次方后，按下分子泵旁抽閥(分子泵內有空氣氣壓會變高)。待抽到5pa以下，打開分子泵總電源，按下啟動按鈕 ，等分子泵轉速達到100之后，關閉機械泵旁抽閥(轉)，打開桌子側面的閘板閥(逆時針開) ，抽到氣壓為負4(或者3也行)次方叫做本底真空。（3）濺射鍍膜打開質量流量計（mfc2）電

26、源， 等待數(shù)值下降。 通入氣體，打開氬氣瓶大閥，打開減壓閥調到0.1多一點，慢慢開氬氣閥(轉三個圈)，質量流量計 (mfc2)調到閥控(注意不能到清洗)，轉設定旋鈕使數(shù)值為20sccm， 關一點閘板閥使氣壓達到指定工作氣壓（分別為1Pa、1.5Pa、2Pa）。打開自轉電源，調速到零 ，按下“開/關” ，調速轉一圈短針指到1。打開wly穩(wěn)流源，電流調節(jié)調到最小，按on(觀察是否起輝)，功率調到60w。開啟擋板，計時濺射20分鐘。濺射期間注意觀察wly穩(wěn)流源電流表和電壓表指針是否穩(wěn)定。拍攝記錄起輝圖片。（4）關閉先關擋板 。wly穩(wěn)流源先調零再關閉電源， 關閉氬氣瓶總閥，再關閉減壓閥，mfc2調零

27、扳到關閉，再關氬氣閥 ，再關閉自轉(先調零，再按“開/關”，關閉電源)。 閘板閥全開，抽氣一段時間，順時針轉關閉閘板閥， 分子泵按停止等待轉速降到0再關閉電源 ，關旁抽閥按鈕 ，再關閉機械泵 ，關閉真空計。慢慢打開空氣閥充氣，待內外氣壓平衡后，打開真空腔，取出濺射完的樣品。關閉真空腔，打開機械泵，打開機械泵旁抽閥，打開真空計。抽氣一段時間后，關閉機械泵旁抽閥，關閉機械泵電源，關閉真空計電源，關閉總電源 ，最后關冷卻水閥門。取出的樣品用高級擦鏡紙包好，裝入封裝帶，貼上標簽。4.3.3 退火處理按照正確的步驟操作LPCVD低壓化學氣相沉積設備，對濺射完的樣品進行退火處理，退火溫度分別為300、40

28、0、500、600，退火時間為30分鐘。LPCVD低壓化學氣相沉積設備的操作步驟為：1.打開冷卻水閥門。升起急停旋鈕，打開總電壓按鈕。2.逆時針打開頂部中間的放氣旋鈕，打開腔門，用石英棒將樣品送人石英管內，樣品放置在石英管中間位置。3.關閉腔門，順時針關閉放氣旋鈕。啟動機械泵電源，逆時針轉開啟機械泵旁抽閥，打開真空計電源。4.待氣壓達到4.5-5Pa時，設置加熱溫度（由于是三段式加熱，兩端設置的溫度較中間稍高一點）并確認，啟動加熱。5.待達到所需溫度后，開始計時，恒溫退火30分鐘。6.30分鐘后，停止加熱，等待溫度下降至200攝氏度以下，關閉機械泵旁抽閥，關閉機械泵，關閉真空計，降下急停旋鈕，

29、關閉冷卻水閥門。等待爐內溫度降至室溫后將樣品取出（可第二天將樣品取出），取出的樣品用高級擦鏡紙包好，裝入封裝帶，貼上標簽，取出樣品后關閉腔門，打開總電源，打開真空計，接著打開機械泵和機械泵旁抽閥抽真空，順時針關緊機械泵旁抽閥，關閉機械泵電源，關閉真空計電源，關閉總電源開關。為了保持爐內潔凈的環(huán)境，每次實驗后必須使保持爐內真空狀態(tài)。第5章 實驗結果及分析表5-1 磁控濺射制備Ni薄膜的各項條件本章分析不同工作氣壓條件對薄膜生長速率、表面形貌與粗糙度、接觸電阻率、U-I特性曲線的影響，分析退火處理后的樣品各項特性的變化以及不同退火溫度（annealing temperature）對樣品各項特性的影

30、響。制備Ni薄膜的各項主要生長條件由表5-1列出。編號工作氣壓（Pa）電壓（V）電流（A）功率（W）氬氣流量（sccm）濺射時間（min）A13800.1660.82020B1.53800.1660.82020C23400.1861.220205.1 不同工作氣壓下輝光的區(qū)別CBA圖5.1給出了不同氣壓下的輝光照片，可以看到，不同工作氣壓下輝光略有差異。觀察靶材處的輝光亮度，可以發(fā)現(xiàn)工作氣壓為1Pa時，輝光較為昏暗，亮度較低；當工作氣壓增加到1.5Pa，輝光亮度略有增大，當工作氣壓增加到2Pa時，輝光亮度繼續(xù)增大。由于相機對焦可能存在的誤差，在此只能猜測輝光的亮度隨氣壓增加而增大。圖5.1 不

31、同氣壓下的輝光照片（從左到右工作氣壓分別為：1Pa、1.5Pa、2Pa）通過查閱資料，由氣體分子運動論（kinetic theory of gases）得知，氣體分子平均自由程隨氣壓增大而減小15。由于氣體分子平均自由程減小，氬氣分子與二次電子發(fā)生碰撞電離的幾率就增大了，那么轟擊靶材的氬離子的密度增加。每當正離子撞擊在靶體上部分能量會以光子的形式轉移出來，那么如果撞擊靶體的正離子密度增大了，發(fā)出的光子的密度也就增大了，從輝光放電方面即表現(xiàn)為輝光亮度的增大。5.2 不同工作氣壓對薄膜生長速率的影響本論文使用Bruker公司生長的第10代DektakXT探針式表面輪廓儀測量得出臺階高度從而得出測量

32、處的薄膜厚度，進一步可以計算薄膜的生長速率。首先將樣品有臺階的部分裁切下來等待測量，按正確步驟操作探針式表面輪廓儀進行測量。DektakXT探針式表面輪廓儀的操作步驟如下16：1.打開電腦主機電源，打開探針式表面輪廓儀的控制電源，按下白色按鈕，檢查機器啟動是否正常。2.打開測試軟件，單擊UNLOAD SAMPLE按鈕，彈出載物臺，用吹氣球吹掉待測樣品表面的灰塵，用鑷子夾住樣品置于載物臺的中心位置。3.單擊LOAD SAMPLE按鈕，使得載物臺復位。4.單擊TOWER DOWN 按鈕使探針下降，注意下降過程中將鼠標放在CANCEL按鈕上，通過肉眼判斷探針是否能夠碰到樣品，若判斷為探針無法碰到樣品

33、，單擊CANCEL按鈕再單擊TOWER UP按鈕，調整好樣品位置再單擊TOWER DOWN 按鈕使探針下降。若探針下降時沒接觸到樣品而是碰到了載物臺極易損壞探針，所以千萬要注意。5.通過調整控制X、Y方向的旋轉軸，在顯示器上找到樣品上的臺階。測量寬度設為1000nm，持續(xù)時間設為20s。單擊單次測量，注意測量過程中不要觸碰到待測樣品，也可以大幅度地震動桌子。6. 將M和R放在為長薄膜的一側，右擊選擇TWO POINT LINE。拖動M置需要測量的位置就可以得到該處薄膜的厚度。7.截圖并保存。8.單擊SET UP 按鈕返回初始測量界面。9.單擊TOWER HOME按鈕使得探針回到原位，取出已測樣

34、品。10.關閉軟件，接著關閉探針電源，然后關閉控制電源，最后關閉電腦。11.每次測試完畢之后都要用高織紗棉布沾取無水酒精擦拭載物臺表面、探針以及軌道。平時不用的時候要關閉所有的電源開關，并蓋上探針的保護蓋。由于臺階生長存在一定的傾斜，所以測量厚度時控制測量位置近似相同，使用探針式表面輪廓儀測量的各樣品的結果圖如圖5.2所示。表5-2列出了該位置的薄膜厚度及生長速率。表5-2 不同工作氣壓下的薄膜厚度及生長速率編號工作氣壓（Pa）薄膜厚度(nm)生長速率(nm/min)A11718.55B1.5542.70C292.84.64由上表結果可知，薄膜的生長環(huán)境的氣壓對成膜速率有較大的影響，薄膜的生長

35、速率與工作氣壓并非為正反比關系。在1Pa、1.5Pa、2Pa三個工作氣壓條件下，薄膜的生長速率并不是很快。其中，1Pa時成膜速率相對較快，2Pa次之，1.5Pa相對最慢。薄膜生長速率與工作氣壓的關系圖如下圖5.2所示。由此猜測，應該存在一個最適合薄膜生長的工作氣壓，該氣壓低于1Pa。圖5.2 成膜速率與工作氣壓關系圖由上節(jié)分析可知，工作氣壓增大時濺射能力也隨著增大。但是由上述結果得出，成膜速率卻不是隨著工作氣壓增大而增大的。隨著工作氣壓的增大，真空腔中氬氣分子的數(shù)量增加，那么濺射出來的原子與氬氣分子發(fā)生碰撞的幾率就會增加，導致能夠沉積到基底上的濺射原子的數(shù)量減少，從而使得沉積速率降低。當氣壓較

36、低時，Ar氣分子數(shù)量很少，大多數(shù)Ar氣分子與電子發(fā)生碰撞電離，未電離的氬氣分子對濺射原子的影響不大，所以隨著氣壓升高沉積速率增大；當氣壓增大到一定程度后，未電離的氬氣分子與濺射出來的原子碰撞的影響大于平均自由程減小帶來的影響，從而氣壓增大，沉積速率減小。分析得出，沉積速率隨工作氣壓增大的變化是一個先增大再減小的過程，其中存在一個最大值。通過查閱文獻可知這個最大值時的工作氣壓大約在0.25Pa16。（a）（b）（c）圖5.2 探針式表面輪廓儀所測量的各樣品的薄膜厚度（a）工作氣壓為1Pa的樣品（b）工作氣壓為1.5Pa的樣品（c）工作氣壓為2Pa的樣品5.3 薄膜表面形貌與粗糙度分析本論文使用A

37、J-型原子力顯微鏡（AFM）觀察分析樣品表面形貌和粗糙度。首先將不同的樣品裁切下一小片待測樣品，大小約為1cm×1cm，按照正確的操作方法在老師的指導下使用原子力顯微鏡掃描樣品表面，再通過軟件處理，最后輸出圖像。AJ-型原子力顯微鏡操作步驟如下：（1）開機準備打開電腦進入98系統(tǒng)，打開原子力顯微鏡總電源，確認柱子升到最高，小心取下頭部。用鑷子夾取樣品放置在金屬墊片上，用吹氣球吹去樣品表面灰塵，將樣品放置好，對準小心放回頭部。打開軟件nano view 3輕敲模式。（2）頭部調整將工作模式扳到“C模式”，打開軟件中的坐標點擊開始。通過調X、Y方向控制旋鈕（儀器右側的兩個金屬旋鈕）使得能

38、量達到最大。再調左側的兩個金屬旋鈕是顯示器上的紅點置于原點，點擊退出。（3）掃描將工作模式改為“T模式”，單擊共振峰按鈕，設置參數(shù)找到共振峰，點擊尋峰使其偏離一點共振峰位置。點擊設置點，將鼠標放置在波峰頂部形成一條參考線。逆時針調整最前面的兩個粗條旋鈕，使探針接近樣品，用肉眼觀察針尖光斑與樣品反射光斑是否重疊。當兩光斑重疊時，十分小心的下降探針，注意觀察波峰否下降。若波峰明顯低于參考線，則退出共振峰選項。點擊“自動趨近”，待自動趨近完成后，點擊擊“單步進”或“單步退”是“Z狀態(tài)”保持在-170附近。設置好參數(shù)，點擊“掃描”。點擊“捕捉”，再點擊“保存”命名文件然后保存。（4）關閉點擊“自動驅離

39、”，待自動驅離完成后，順時針調粗調使柱子升到最高。拿起頭部，取下已測樣品，再放回頭部。關閉原子力顯微鏡電源，關閉電腦。（5）圖像處理打開電腦，進入2000系統(tǒng)，插入所需U盤后打開愛建納米軟件。打開掃描文件，對其進行低通濾波和平整化處理。保存三維圖和粗糙度分析圖像。5.3.1 不同工作氣壓下薄膜的表面形貌與粗糙度如圖5.3、圖5.4、圖5.5分別為1Pa、1.5Pa、2Pa條件下生長的樣品由AJ-型原子力顯微鏡掃描得到的薄膜表面形貌三維圖以及表面粗糙度分析圖。圖中Rms的數(shù)值即為Ni薄膜表面的粗糙度，各樣品的表面粗糙度數(shù)值已由表5-3列出。編號工作氣壓（Pa）粗糙度(nm)A110.851B1.

40、510.520C25.665表5-3 不同工作氣壓下的薄膜的粗糙度圖5.3工作氣壓為1Pa的樣品的表面形貌與粗糙度圖5.4 工作氣壓為1.5Pa的樣品的表面形貌與粗糙度圖5.5 工作氣壓為2Pa的樣品的表面形貌與粗糙度觀察比較圖5.3、圖5.4、圖5.5可以發(fā)現(xiàn)，A樣品（1Pa）和B樣品（1.5Pa）的表面形貌頂視圖比較相似而且粗糙度的值也十分近似。然而，C樣品（2Pa）的掃描圖以及粗糙度的值相較于前兩個樣品都存在較大的差異。在掃描C樣品時，原子力顯微鏡出現(xiàn)了“Z狀態(tài)”嚴重不穩(wěn)定的情況，導致掃描結果出現(xiàn)了一定的誤差，從圖5.5中可以發(fā)現(xiàn)，掃描圖的質量明顯不是很好，經(jīng)處理后還有較多干擾信號。由于

41、C樣品掃描圖質量不佳，接下來主要討論分析A樣品和B樣品。A、B樣品的掃描參數(shù)一致，掃描寬度都是500nm，掃描高度都是200nm。從圖5.3、圖5.4可以看到，A、B樣品的薄膜表面都無規(guī)則、不均勻地分布著近似圓形、大小不一的小顆粒以及大尺寸的團簇狀顆粒。這與金屬的生長機制有關，由于金屬鍵沒有方向性也沒有飽和性，所以金屬薄膜表面顆粒是無規(guī)則分布以及大小不一的。當一處在一起時，兩個原子間便會形成金屬鍵，各個原子就以金屬鍵結合在一起形成這些近似圓形、大小不一的顆粒。隨著金屬原子的不斷堆積，顆粒尺寸越來越大，顆粒間的空隙也被填滿后，多個顆粒就結合成一個更大的顆粒，隨著金屬原子繼續(xù)堆積便形成了這些無規(guī)則

42、團簇狀的大顆粒。從而，金屬薄膜表面的均勻性和平整度不是很好，但從圖中可以發(fā)現(xiàn)，磁控濺射法制備的Ni薄膜的致密性還是不錯的。接下來分析A、B樣品表面形貌的區(qū)別。相較于B樣品，A樣品的顆粒的尺寸較大，顆粒感較明顯，團簇狀的大顆粒的數(shù)量也多。A樣品掃描范圍內團簇狀的團簇狀大顆粒占了大約75%，而B樣品掃描范圍內團簇狀的團簇狀大顆粒占了大約50%。這反映了相對于1.5Pa工作氣壓，IPa工作氣壓下的薄膜生長速率較快，濺射效率較高。簡單看一下樣品C的表面形貌圖，顆粒形狀與前兩個樣品的掃描結果差別較大，感覺顆粒被明顯拉長了，再不是近似圓形的形狀了，只有在左下角和右上角部分還能隱約看到一些近圓形顆粒。顆粒的

43、高度也明顯小了許多。但是，整體來看顆粒仍是大小不一、排列無規(guī)則的。說明C樣品的AFM掃描圖確實質量不佳并存在一些問題。A樣品的表面粗糙度為10.851nm，B樣品的表面粗糙度為10.520nm，C樣品的表面粗糙度為5.665nm。由于C樣品的AFM分析存在問題，C樣品的粗糙度就不參與比較了?？梢钥吹?，A、B樣品的粗糙度近似相等，由于數(shù)據(jù)不足，只能猜測，樣品表面的粗糙度與工作氣壓關系不大。5.3.1 退火處理對薄膜表面的影響分析退火處理對薄膜表面的影響均選取工作氣壓為1Pa的樣品進行對比，圖5.6、圖5.7、圖5.8分別為1Pa樣品在600溫度下退火60min、45min、30min后利用金相顯

44、微鏡拍攝的照片。首次退火實驗選擇的溫度為600，退火時間為60min，但是樣品表面出現(xiàn)了發(fā)黑的情況，如圖5.6可以很明顯的觀察到在部分面積上Ni薄膜的顏色變成了黑色并且結成了類似雪花狀的圖案。由于鎳硅化合物有金屬光澤，所以圖5.6中黑色粗糙的部分肯定不是鎳硅化合物。圖中平整光滑的部分可能是沒有被破壞的薄膜，因為圖中有一白點，該處應該是薄膜被戳破而露出的Si襯底。第二次退火實驗選擇將時間減少到45分鐘，薄膜表面如圖5.7所示，Ni薄膜已經(jīng)開始發(fā)黑，部分薄膜已明顯開裂。第三次退火實驗選擇將時間為30分鐘，薄膜表面如圖5.8所示，Ni薄膜沒有出現(xiàn)發(fā)黑的現(xiàn)象。在退火過程中，Ni原子緩慢遷移，有的Ni原

45、子向Si層擴散，并與Si形成鎳硅化合物；有的Ni原子橫向遷移相互結合，退火時間過長，Ni原子結合程度太大導致薄膜大面積開裂。退火對Ni薄膜表面結構的改變是一個緩慢的弛豫過程，所以退火持續(xù)時間不同，薄膜結構改變的程度也有所不同。也有可能因為使用的LPCVD設備沒有接氮氣，盡管在低壓環(huán)境下，沒有氮氣的保護，鎳薄膜長時間處于高溫下，可能與設備內的殘余空氣發(fā)生了反應。所以之后的實驗控制退火時間為30分鐘不變。圖5.7 1Pa樣品經(jīng)600退火45min圖5.6 1Pa樣品經(jīng)600退火60min圖5.8 1Pa樣品經(jīng)600退火30min圖5.9 1Pa樣品經(jīng)300退火30min后的表面形貌和粗糙度分析工作

46、氣壓為1Pa的樣品經(jīng)300退火30min后由原子力顯微鏡測得的表面形貌圖以及粗糙度分析圖如圖5.9所示?？梢钥吹綀F簇狀的大顆粒沒有了，顆粒的尺寸變小了而高度卻變大了，看起來較清楚的顆粒的大小變得得近似相同，直徑約為50nm（通過電腦顯示屏上大致測量顆粒的直徑，再按照比例推算，即可近似得到顆粒的尺寸），顆粒的分布變得比較均勻，顆粒的排列方式看似也有規(guī)則了。這說明薄膜結構發(fā)生了變化，Ni原子發(fā)生了遷移。鎳硅化合物中的化學鍵具有共價鍵的性質17，共價鍵具有方向性以及飽和性。在此猜測：有可能鎳與硅形成了鎳硅化合物，由于其中化學鍵的方向性，使得顆粒排列呈現(xiàn)了一定規(guī)律性；由于其中化學鍵的飽和性，相結合的原

47、子的數(shù)量存在一個飽和度，所以顆粒的大小近似相等。也有可能并沒有形成鎳硅化合物，只是由于Ni原子的遷移導致的，有可能退火時Ni原子的遷移存在一定方向性和規(guī)律性。從上圖中可以很明顯的看到有一條裂縫，該裂縫的寬度約為15nm。退火改變了鎳薄膜的組織結構同時也改變了薄膜的應力分布。產生裂縫的原因可能是在鎳原子擴散移動時增大了張應力。從圖中可以看到，相較于未退火樣品表面的粗糙度（10.851nm），退火后樣品表面的粗糙度明顯變大了，達到了25.781nm。由于顆粒尺寸變小了，顆粒高度變大了，而且有裂縫的存在，所以粗糙度變大了。5.4 退火處理對樣品U-I特性的影響本論文使用測量樣品（本節(jié)樣品均為在1Pa

48、工作氣壓下生長的樣品）的U-I特性曲線。將測得的數(shù)據(jù)使用Oringin軟件擬合在一張圖內，用于對比退火前和不同溫度退火后樣品的U-I特性曲線的變化。4200-SCS/C型半導體特性分析系統(tǒng)操作步驟相對比較簡單，在此不再詳述。但需要注意的是：（1）測試模式選擇二極管模式（2）電壓參數(shù)設置為-5V至5V，Step設置為0.1V（3）在樣品下面墊一塊導電性良好的金屬墊片，以增強導電性；在薄膜上放置一小塊銅薄膜，防止探針戳破薄膜。（4）4200-SCS/C型半導體特性分析系統(tǒng)與普通計算機關機步驟不同，關閉電腦系統(tǒng)后再彈出電源按鈕。圖5.10為樣品退火前以及不同溫度退火后的U-I特性曲線擬合圖。圖5.1

49、0 退火前以及不同溫度退火后樣品的U-I特性曲線由上圖可以發(fā)現(xiàn)，樣品退火前和退火后的U-I特性曲線存在一些區(qū)別。經(jīng)300和400退火后樣品的反向電流變大了，除了經(jīng)300退火后的樣品正向電流減小了，其他溫度下退火后的樣品的U-I特性曲線均呈現(xiàn)整流特性。說明以上退火處理沒有能夠形成歐姆接觸。原因有可能是使用的低壓化學氣相沉積（LPCVD）設備沒有接氮氣，而且該設備只能夠提供4.5Pa-5Pa的低壓環(huán)境，爐內肯定還留有部分空氣，在沒有氮氣的保護下，鎳薄膜在加熱條件下有可能與空氣發(fā)生了某種反應，而不是與硅形成鎳硅化合物，所以沒能夠形成歐姆接觸。 結 論從上述各部分分析可以得出以下幾點結論：1、從輝光的

50、亮度來看，輝光放電的能量隨氣壓的增大而增大。原因是氣體分子平均自由程隨氣壓增大而減小。氬氣分子的平均自由程減小了，那么氬氣分子與二次電子發(fā)生碰撞電離的幾率就增大了，那么轟擊靶材的的密度就增大了，從而使得Ar離子撞擊靶材時發(fā)出的光子的數(shù)量增加了，所以輝光的亮度增大了。2、通過DektakXT探針式表面輪廓儀測量得到的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過計算，結果表明，在1Pa、1.5Pa、2Pa三個工作氣壓條件下，薄膜的生長速率并不是很快。其中，1Pa時成膜速率相對較快，2Pa次之，1.5Pa相對最慢。工作氣壓增大，濺射能力增大，但隨著工作氣壓繼續(xù)增大，未電離的氬氣分子與濺射原子的碰撞幾率也增大，導致能夠沉積到基底上的

51、濺射原子數(shù)量減少。通過研讀文獻及理論分析，可以得出結論，沉積速率隨工作氣壓增大的變化是一個先增大再減小的過程，其中存在一個最大值。通過查閱文獻可知這個最大值時的工作氣壓大約在0.25Pa。3、通過觀察和分析原子力顯微鏡的掃描結果可以得出結論，磁控濺射法制備的Ni薄膜的致密性較好；薄膜表面的顆粒大小不一，顆粒分布不均勻、無規(guī)則，部分顆粒無規(guī)則地團簇在一起，這些特征都是由金屬鍵的無方向性和不飽和性導致的；顆粒尺寸、團簇比例與工作氣壓有關，而薄膜表面粗糙度與工作氣壓關系不大。樣品經(jīng)退火處理后，薄膜編碼結構明顯的改變，由于化學鍵性質的改變，團簇狀的大顆粒消失了，顆粒的尺寸變小且近似相同，顆粒的排列變得

52、均勻且有規(guī)則，顆粒高度變大了導致粗糙度變大；由于應力分布發(fā)生了改變，表面開始出現(xiàn)細微的裂縫。4、本次實驗使用低壓化學氣相沉積（LPCVD）設備進行退火處理對樣品的U-I特性曲線存在一定的影響，但是并沒有能夠形成歐姆接觸。致 謝歷時近兩個月我終于完成了這篇論文，在此由衷感謝程新利老師的悉心指導。導師專業(yè)知識淵博、治學態(tài)度嚴謹細致、工作作風一絲不茍，對待學生和藹可親。從初期的準備工作到中期的實驗和分析工作再到后期的論文撰寫工作，期間無論遇到什么問題，導師都會十分耐心地講解。導師一步步循循善秀，努力為我營造一種濃厚的學術氛圍，使我體會到了學術的樂趣，給予了無限的激情，不斷地激勵著我完成這篇論文。在實

53、驗過程中，實驗室的唐運海老師和沈嬌艷老師對我的實驗工作給予了我許多關心和幫助以及提供了我許多寶貴意見，尤其感謝唐運海老師多次騰出自己寶貴的工作時間為我調試實驗儀器，在此由衷地向他們表達我的感激之情。另外，毛文鳳、楊帆同學對我論文中的格式處理以及圖像處理提供了熱情的幫助，在此十分感謝他們。在這兩個月期間，我遇到了許多的困難，也收獲了許多，真切地認識到自己專業(yè)知識的匱乏，在以后的學習工作中我會不斷努力充實自己。由于個人學術水平有限，該論文可能存在些許不足與錯誤，懇請各位老師批評和指正。最后，再次感謝對所有幫助和支持我的老師們和同學們。參 考 文 獻1 楊邦朝.薄膜物理與技術，成都電子科技大學出版社

54、，1994：4-52 張興，黃如，劉曉彥.微電子學概論，北京大學出版社，2010：81-823 美施敏 著，趙鶴鳴，錢敏，黃秋萍 譯.半導體器件物理與工藝，蘇州大學出版社，2002：220-2454 百度百科，硅5 百度百科，鎳6 李芬，朱穎，李劉合，盧求元，朱劍豪.磁控濺射技術及其發(fā)展，真空電子技術，2011,3（2）：1-87 由沈陽市科友真空技術研究所撰寫的CKJ-500D多靶磁控濺射儀說明手冊8 張麗芳,李文明,石殿普.磁控濺射CuNi薄膜的電磁屏蔽作，塑料工業(yè)：1996,96（2），1-159 上海愛建納米科技發(fā)展有限公司所著的AJ-型原子力顯微鏡說明書10 百度百科，金相顯微鏡11

55、 張軍琴，楊銀堂，盧艷，婁利飛，趙妍.4H-SiC金屬-半導體-金屬結構紫外探測器的模擬與分析J.中國激光，2008,35（4）：4-5.12 譚富彬,趙 玲,陳亮維,蔡云卓,黃富春,李 茜.單晶硅太陽能電池硅與電極間的歐姆接觸J.貴金屬，2001,22（1）：1-3.13 K. Gallacher, P. Velha, D. J. Paul, I. MacLaren,M. Myronov,and D. R. Leadley. Ohmic contacts to n-type germanium with low specific contact resistivity.APPLIED PHY

56、SICS LETTERS，2012，7(44)：271-27414 關東旭.硅集成電路工藝基礎，北京大學出版社，2003：283-30615 王璘，余歐明，杭凌俠3趙保平,王忠厚.磁控濺射鍍膜中工作氣壓對沉積速率的影響，真空,2004,11(2)：1-816 Bruker公司編寫的第10代DektakXT探針式表面輪廓儀操作說明17 宋春燕，貴永亮，胡賓生，石炎.金屬硅化物及其復合材料的研究進展，材料導報，2009,102（2）：2-14附錄A 譯文具有低接觸電阻率的n型鍺歐姆接觸一種在340溫度下退火產生具有（2.3±1.8）×10-7-cm2低接觸電阻率n型鍺歐姆接觸的低溫鎳工藝已經(jīng)被開發(fā)出來了。通過使用透射電子顯微鏡中的電子衍射可以確定低接觸電阻率歸因于NiGe界面的低電阻率。電氣結果表明線性歐姆接觸行為是由于量子力學隧道效應穿過了鎳鍺合金與重摻雜n型鍺之間形成的肖特基勢壘。目前，在電子和光學器件的Si襯底上使用Ge來擴大硅技術功能性的方法備