負偏壓對磁控濺射鍍鎳薄膜組織結(jié)構(gòu)的影響

洪波，潘應(yīng)君*，張揚，張恒，陸旭鋒

（武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081）

鉬由于強度大、硬度高、熔點高以及具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、耐磨性等而被廣泛使用。鉬和硅的熱膨脹系數(shù)很相近，所以鉬合金片能夠作為IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊、晶閘管等半導(dǎo)體的核心配套部件，起保護芯片正常工作、延長晶閘管的疲勞壽命等作用[1]。但是鉬抗氧化能力很差，很容易在空氣中氧化，生成的氧化物使鉬的微觀結(jié)構(gòu)變得疏松，且其還會像一種載體，繼續(xù)向內(nèi)部傳遞氧[2]，因而這些氧化物無法對鉬起到任何保護作用，用于半導(dǎo)體原件的鉬片最好鍍上一層保護膜。在鉬圓片表面鍍一層鎳膜能有效起到保護作用。制備納米鎳薄膜主要有電鍍、化學(xué)鍍、真空鍍等方法[3]，國內(nèi)目前大部分采用電鍍和化學(xué)鍍鎳法，但其中使用到的鍍液會污染環(huán)境[4]。而利用磁控濺射法制備鎳薄膜所產(chǎn)生的污染極小，在適當(dāng)參數(shù)下制備的薄膜均勻，致密，與基體結(jié)合力好，性能優(yōu)異。

已有文獻報道了樣品預(yù)前處理(清洗方法、基體表面清潔度等)和磁控濺射參數(shù)(濺射氣壓、濺射功率等)對真空濺射鍍鎳的沉積速率、薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，但對在鉬合金基體表面濺射鍍鎳的研究還相對較少。附著力是真空鍍膜的一個非常重要的性能表征，其又強烈依賴于基體和鍍層材料以及兩者之間界面組織和結(jié)構(gòu)的情況，同時薄膜的致密性又影響著基體材料的工作壽命，濺射工藝參數(shù)中的負偏壓對薄膜附著力，表面、截面形貌以及表面結(jié)構(gòu)影響較為顯著。本文主要討論了負偏壓對鉬合金表面磁控濺射鍍鎳薄膜附著力以及組織結(jié)構(gòu)的影響。

1 實驗

基片是鉬合金圓片，直徑57.6 mm，厚2.4 mm。靶材為鎳靶，純度為99.99%。鍍膜設(shè)備為北京泰科諾公司生產(chǎn)的TSU-650 型多功能鍍膜機。鍍前先將基片置于濃雙氧水中氧化表面，再浸泡于硫酸和鉻粉的混合溶液中去除表面氧化物，經(jīng)過2 道去離子水沖洗后放入鹽酸中活化，再用2 道去離子水沖洗，最后烘干放進濺射腔室內(nèi)。沉積鎳工藝參數(shù)：本底真空度2.0 × 10-3Pa，氬氣流量為14 sccm，腔體氣壓為0.47 Pa，濺射電流為4.6 A，濺射功率為1.8 kW，濺射負偏壓分別為0、150、300、450 和600 V。因為表面潔凈度對薄膜結(jié)合力影響較為顯著[5]，所以在沉積鎳膜前先進行1 次偏壓清洗(氬氣流量為60 sccm，負偏壓為800 V)以進一步清洗基片表面。

使用膠帶拉剝法來測試膜/基結(jié)合力的大小，膠帶型號為3M 610。用百格刻刀在樣品表面劃100 個1 mm × 1 mm 的方格。膠帶貼于百格位置，以手指壓下緊密貼附膠帶，再瞬間撕起，檢查脫落格子的數(shù)量。通過NOVA NAND-400 型掃描電鏡觀察鎳膜層的表面及截面形貌。利用型號為FlatMaster 200 的平整度儀測量鎳膜表面的平整度。用Philips 的X’Pert MPF 型X 射線衍射分析儀表征薄膜的物相結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 負偏壓對膜層附著力的影響

圖1顯示了不同負偏壓所得薄膜的結(jié)合力。由圖1可知，當(dāng)不加負偏壓時，鎳膜層的附著力非常差，幾乎整層膜都被剝離，只剩6%的膜還附著在基體上；當(dāng)在基片上加150 V 負偏壓時，附著力明顯提升，有74%的剩余附著量，隨負偏壓進一步提高，薄膜的附著力也不斷增大；負偏壓在450 V 以上時，剩余附著量達到100%，鎳膜與基體結(jié)合緊密。

圖1 拉剝法測得的不同負偏壓下制備的鎳膜的剩余附著百分率 Figure 1 Residual percentages of nickel films obtained at different negative bias voltages after adhesion strength test by peeling method using adhesive tape

由此可見，負偏壓對結(jié)合力的影響較為明顯。施加一定的負偏壓時，靠近表面附近的等離子體轟擊基體，能進一步清除基體表面雜質(zhì)及松散的原子，有利于膜層附著。同時，負偏壓越大，轟擊正離子的能量越高，當(dāng)其能量超過鉬原子自身的鍵合能時就能將其濺射出來。濺射出來的鉬原子在輝光區(qū)經(jīng)過電離，形成的鉬離子在負偏壓作用下重新返回基片；部分濺射出來的鉬原子與等離子體區(qū)域中的粒子碰撞，也會返回基體；鉬原子和鎳原子混合沉積，從而在基體和膜層之間形成一層鉬鎳的混合鍍層，此混合區(qū)稱為擴散區(qū)，該成分漸變的混合鍍層可有效減少因基體與鍍層材料的性質(zhì)差異而造成的不利影響。此外該擴散區(qū)隨負偏壓提高而不斷寬化，使得薄膜附著力不斷增大[6]。

2.2 負偏壓對膜層表面及截面形貌的影響

圖2為不同負偏壓參數(shù)下制備的鎳膜層的SEM 照片。圖2a是不加負偏壓時的表面膜層形貌，可清楚地看到有許多裂紋及孔洞等缺陷，且膜的均勻性很差，表面結(jié)構(gòu)起伏很大，疏松，致密性很差。隨負偏壓提高，裂紋和孔洞等缺陷均有所改善，表面也趨于平整化。從圖2c 和2d 可觀察到膜層表面幾乎沒有裂紋及孔洞，膜較為連續(xù)平整，致密性也大大提升。當(dāng)負偏壓進一步升高到600 V 時(圖2e)，表面起伏反而變大，平整性有所下降。從圖3可見450 V 負偏壓下的鎳膜截面形貌，薄膜與基體之間結(jié)合很緊密，膜層結(jié)構(gòu)致密。

當(dāng)不加負偏壓或負偏壓較小時，轟擊能量低，基片溫升低，鎳原子能量低，在基片表面不易擴展遷移，導(dǎo)致裂紋等缺陷產(chǎn)生。隨負偏壓提高，離子能量增大從而增強了轟擊效果，升高了基體溫度，有利于提高靶材原子在基片上擴展遷移，提升了基體表面的鍍覆能力，而且與基體附著力較弱的原子也會由于離子轟擊作用而蒸發(fā) 逸出表面，有利于生成致密平整的薄膜[7]。當(dāng)負偏壓過大時，由于二次反濺射的作用，高能離子會把基體表面一部分鍍層原子重新轟擊下來，反而使得表面結(jié)構(gòu)起伏變大。

圖2 不同負偏壓下制備的薄膜的表面形貌 Figure 2 Surface morphologies of nickel films obtained at different negative bias voltages

圖3 450 V 負偏壓下所得薄膜的截面形貌 Figure 3 Section morphology of the nickel film obtained at a negative bias voltage of 450 V

圖2 無預(yù)制膜層與預(yù)制膜層試樣照片 Figure 2 Photos of the samples with and without prefab film

2.3 負偏壓對膜層表面平整度的影響

圖4為不同負偏壓下所得鎳膜表面的平整度情況。其中三維形貌圖右邊的數(shù)據(jù)即對應(yīng)的不同高低起伏相對于參照水平面的高度。從圖4a 可以看出，不加負偏壓時表面膜尖峰較多，且分布不均勻，平整度較大，有較多的尖峰(圖4a 中的紅色尖峰)高度相對于參照水平面達到了1.4 μm 左右，大多數(shù)起伏(圖4a 中的藍色和綠色部分)相對于參照水平面高度為0.5 ～ -0.3 μm。當(dāng)加上150 V 負偏壓時，突起的尖峰數(shù)量有所減少，且隨所加負偏壓 增大，表面趨于平整化，尖峰數(shù)量明顯減少；在450 V 負偏壓下表面情況達到最優(yōu)，整個表面膜分布均勻平整，平整度也最小，起伏高度相對于參照水平面基本都在0.1 μm 左右，但隨負偏壓進一步增大，平整度反而變大。

圖4 不同負偏壓下所得鎳膜的表面平整度 Figure 4 Flatness of nickel films obtained at different negative bias voltages

圖4 不同負偏壓下所得鎳膜的表面平整度 Figure 4 Flatness of nickel films obtained at different negative bias voltages

在負偏壓作用下等離子體中的正離子加速飛向基體，隨負偏壓增大，轟擊的正離子的能量也不斷加強，從而對表面的突起高峰起到削平的作用，另一方面，由于負偏壓的影響，高能的轟擊離子把能量傳遞給基體，使得其溫度不斷上升，有利于表面的靶材原子橫向擴散遷移，填平谷底，移平尖峰，從而使表面趨于平整化。當(dāng)負偏壓過大時，反濺射過程會增加表面平整度[8]。

2.4 負偏壓對膜晶粒取向及尺寸的影響

圖5為不同負偏壓濺射制備鎳膜的XRD 衍射圖譜。從圖5可見負偏壓對Ni 薄膜的擇優(yōu)取向無明顯影響，均在(111)晶面擇優(yōu)生長，但隨負偏壓增大，(111)晶面對應(yīng)的衍射峰窄化，表明晶粒尺寸變大，根據(jù)德拜-謝樂公式算出對應(yīng)的晶粒尺寸如圖6所示。在施加負偏壓時，一方面由于離子的轟擊給基體引入更多的缺陷從而提供了更多的形核位置，形成較小的晶粒[9]。另一方面隨負偏壓增大，基片溫升也不斷增大，而隨溫度升高，原子及晶界的擴散能力不斷增強，晶粒間的吞并也更為容易，導(dǎo)致晶粒尺寸增大[10]。因此負偏壓在0 ～ 150 V 時，晶粒尺寸有所增大，但增長速率較為緩慢；到150 V 以上時，基片溫升導(dǎo)致晶粒尺寸增大的作用占主導(dǎo)，晶粒尺寸增大較快。

圖5 不同負偏壓下所得鎳薄膜的X 射線衍射譜 Figure 5 XRD patterns for nickel films obtained at different negative bias voltages

圖6 鎳膜的晶粒尺寸隨負偏壓的變化關(guān)系 Figure 6 Relationship between negative bias voltage and grain size of nickel film

圖6 不同試樣的三維形貌圖 Figure 6 Three dimension morphologies of different samples

3 結(jié)論

(1) 利用直流磁控濺射技術(shù)在鉬圓片表面鍍鎳，在負偏壓為450 V 時，膜層性能最優(yōu)，附著力最大，薄膜表面致密性和平整性均較好，沒有明顯微裂紋及孔洞。膜層截面致密連續(xù)且與基體連接緊密。

(2) 負偏壓對鎳膜生長的擇優(yōu)取向影響并不明顯，但隨負偏壓增大，薄膜晶粒尺寸呈增大的趨勢，在150 V以下增長較慢，超過150 V 以后晶粒尺寸增大較為快速。

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