電子束蒸鍍金膜表面黑顆粒物問(wèn)題的研究

付學(xué)成， 權(quán)雪玲， 王鳳丹， 李進(jìn)喜， 王 英

(上海交通大學(xué) 先進(jìn)電子材料與器件校級(jí)平臺(tái),上海 200240)

0 引 言

高純黃金具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性，良好的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能,容易鍵合、易成膜以及與半導(dǎo)體基底附著性良好等特性，常常被應(yīng)用在化學(xué)、生物、微納器件和集成電路領(lǐng)域當(dāng)作電極使用[1-4]。沉積金薄膜的方法有很多，由于電子束蒸發(fā)鍍膜產(chǎn)生的氣態(tài)粒子能量只有0.1～0.3 eV[5],可以更好地滿(mǎn)足剝離工藝，所以這種制備金膜技術(shù)廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體芯片、LED行業(yè)、微波半導(dǎo)體以及光波導(dǎo)[6-9]等領(lǐng)域。電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)是通過(guò)電子束加熱源材料，使原子或分子從源材料表面逸出，將源材料蒸鍍到電子元器件上，沉積出薄膜。采用這種方法制備薄膜具有薄膜純度高、成膜速率快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以大大提高器件的電學(xué)性能、可靠性和成品率[9]。然而在實(shí)驗(yàn)或者生產(chǎn)行業(yè)使用的黃金多為粒狀或線狀，生產(chǎn)工藝路線為熔煉-清洗-拉絲-切粒-酸洗-水洗-烘干-封裝[9]等步驟；加上蒸鍍高純金原材料時(shí)使用不同材質(zhì)的坩堝，以及蒸鍍前取料、放料等環(huán)節(jié)和因素，都難以避免高純黃金被其他雜質(zhì)污染，以至于蒸發(fā)出來(lái)的金膜表面有黑色顆粒。這些黑色顆粒如果很多，不但會(huì)影響金膜外觀，還會(huì)給微納尺寸的器件帶來(lái)失效等不利的影響[11-12]。本文分別用鎢坩堝和玻璃碳涂層坩堝蒸鍍100 nm金膜，用EDS分析金膜表面黑色顆粒的主要成分，并對(duì)比金膜表面黑色顆粒分布的密度；根據(jù)兩種坩堝蒸金膜時(shí)的物理學(xué)特征不同，探索黑色顆粒產(chǎn)生的機(jī)理，解釋碳玻璃涂層坩堝蒸金黑色顆粒較多的原因；采取不同的工藝條件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，成功減少了金膜表面的黑色顆粒，為教學(xué)實(shí)驗(yàn)、真空鍍膜工藝和集成電路生產(chǎn)領(lǐng)域蒸鍍金膜提供幫助。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備與材料

材料：中諾新材提供的鎢坩堝,Tele mark提供的玻璃碳涂層坩堝，以及中諾新材提供的純度為99.999%的黃金、硅片、鈮酸鋰片。

儀器設(shè)備：美國(guó)Denton vacuumexplore-14電子束蒸發(fā)鍍膜設(shè)備，德國(guó)Zeiss Ultra Plus場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和牛津儀器電鏡能譜儀(OxfordEDS),Zeiss光學(xué)顯微鏡。

1.2 金膜的制備

分別在容積為15 mL的鎢坩堝和玻璃碳涂層坩堝里加總量約為80 g的黃金顆粒，預(yù)熔后冷卻取出，用去離子水濕潤(rùn)的無(wú)塵布將坩堝內(nèi)金表面的碳粉顆粒輕輕擦拭干凈，再用氮?dú)鈽寣ⅫS金表面吹干。采用鎢坩堝蒸鍍金時(shí)，為了避免EDS能譜中W元素峰和Si元素峰重合，影響觀察和判斷，基底選用清洗干凈的7.62 cm(3 in)鈮酸鋰片。采用玻璃碳涂層坩堝蒸鍍金時(shí)，基底選用清洗干凈的7.62 cm(3 in)硅片。分別用相同速率蒸鍍厚度為100 nm的金膜，具體工藝條件見(jiàn)表1。

表1 不同材質(zhì)坩堝蒸鍍金

1.3 金膜表面黑色顆粒的主要成分

采用德國(guó)蔡司場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Zeiss Ultra Plus SEM)和牛津儀器電鏡能譜儀(OxfordEDS)對(duì)鎢坩堝蒸鍍的樣品1和玻璃碳涂層坩堝蒸鍍的樣品2表面的黑點(diǎn)進(jìn)行分析。EDS表明，排除鈮酸鋰基底的影響，樣品1黑點(diǎn)主要成分是金和碳。雖然鎢坩堝和金浸潤(rùn)會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散，但是鎢元素在金膜表面并沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，鎢坩堝材質(zhì)不是產(chǎn)生黑點(diǎn)的原因。樣品2排除硅基底的影響，黑點(diǎn)主要成分也是金和碳。但玻璃碳涂層坩堝和熔融狀態(tài)的金不浸潤(rùn)，可以忽略坩堝材質(zhì)的擴(kuò)散因素。由此可以推斷,采用不同坩堝蒸鍍金膜時(shí)產(chǎn)生黑點(diǎn)，是由于金材料本身污染造成的，主要元素是碳,見(jiàn)圖1～4。

圖1 樣品1 SEM照片

圖2 樣品1 EDS能譜

圖3 樣品2 SEM照片

圖4 樣品2 EDS能譜圖

1.4 金膜表面黑色顆粒的密度對(duì)比

掃描電子顯微鏡放大500倍視場(chǎng)下觀察：樣品1金膜表面黑點(diǎn)有2或3個(gè)，樣品2金膜表面黑點(diǎn)有10～13個(gè)(見(jiàn)圖5、6)。鎢坩堝蒸發(fā)金產(chǎn)生的黑點(diǎn)的數(shù)目明顯少于玻璃碳涂層坩堝。

圖5 樣品1金膜表面

圖6 樣品2金膜表面

2 結(jié)果分析

2.1 黑色顆粒產(chǎn)生的機(jī)理推測(cè)

在蒸鍍金過(guò)程中，金蒸汽源蒸發(fā)出的蒸汽流和基片碰撞，一部分可能被發(fā)散掉；另一部分被基片吸附后沉積在基片表面上。被吸附的金原子在基片表面上發(fā)生表面擴(kuò)散，沉積原子之間產(chǎn)生二維碰撞，形成團(tuán)簇。原子簇團(tuán)同時(shí)吸附單原子，放出單原子，這種過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，當(dāng)超過(guò)某一臨界值時(shí)，即可生成穩(wěn)定的核。熔融狀態(tài)下金內(nèi)含的碳顆粒雜質(zhì)雖然極少，但尺寸約0.1～1 μm，和原子簇團(tuán)的尺寸相當(dāng)，也容易成為吸附金原子的穩(wěn)定核。穩(wěn)定核吸附金原子后繼續(xù)生長(zhǎng)，進(jìn)而和相鄰的穩(wěn)定核相連合并后，逐漸形成連續(xù)的金膜，這些碳顆粒雜質(zhì)吸附金原子成膜后，反映在金膜表面就是黑色顆粒。

2.2 碳玻璃坩堝產(chǎn)生更多黑點(diǎn)的原因

金在熔融狀態(tài)下和鎢坩堝是浸潤(rùn)的，受金屬液面的表面張力的影響，液面呈現(xiàn)凹陷狀。而玻璃碳坩堝與熔融的金是不浸潤(rùn)的，由于受金屬液面表面張力的影響，液面呈現(xiàn)凸起狀，見(jiàn)圖7、8。

圖7 鎢坩堝與金浸潤(rùn)圖8 玻璃碳坩堝與金不浸潤(rùn)

液體表面張力與坩堝壁之間受力分析公式可以表達(dá)為[13]：

γSA-γSL=γLAcosθY

其中：θY為坩堝壁與液體之間的平衡接觸角;γSA、γSL、γLA分別為坩堝壁與氣體、坩堝壁與液體、液體與氣體的表面張力。Fd為表面張力作用在雜質(zhì)顆粒上的分力,如圖9、10。

圖9 凹液面時(shí)雜質(zhì)顆粒受力圖10 凸液面時(shí)雜質(zhì)顆粒受力

在浸潤(rùn)狀態(tài)：γSA-γSL>0,θY<90°;不浸潤(rùn)狀態(tài)時(shí)：γSA-γSL<0,θY>90°。使用鎢坩堝蒸鍍金時(shí)，隨著熔金功率升高，金屬溫度升高，液體表面張力γLA減小[14]，碳顆粒隨著表面張力的減小，逐漸向坩堝壁移動(dòng),當(dāng)接觸坩堝壁時(shí)，邊緣的毛細(xì)現(xiàn)象形成“咖啡環(huán)效應(yīng)”[15]如圖11所示。

當(dāng)功率從17%下降到蒸發(fā)需要的功率11%時(shí)，碳顆粒大多被吸附在鎢坩堝壁，電子束斑點(diǎn)集中在坩堝中心源上，蒸鍍的金膜黑點(diǎn)比較少。使用碳玻璃涂層坩堝蒸鍍金膜時(shí)，γLA是指向液面中心的。電子槍功率升高時(shí)，金屬溫度升高，γLA減小，碳顆粒隨著表面張力的減小，逐漸向坩堝壁移動(dòng)。但玻璃碳涂層與熔融的金不浸潤(rùn)，不會(huì)形成“咖啡環(huán)效應(yīng)”。當(dāng)從熔金19%下降到蒸鍍功率17%，液態(tài)金屬溫度也跟著下降，γLA增大，碳顆粒向液面中心移動(dòng)，靠近電子束斑位置，因此蒸鍍的金膜黑點(diǎn)比較多。

圖11 碳顆粒黏附鎢坩堝壁

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(1)將玻璃碳涂層坩堝里的金冷卻取出，用去離子水濕潤(rùn)的無(wú)塵布將金表面的碳粉顆粒輕輕擦拭干凈，再用氮?dú)鈽寣ⅫS金表面吹干。采用相同的玻璃碳涂層坩堝，不同的工藝參數(shù)，分別蒸鍍厚度為100 nm的金膜樣品3和樣品4，具體工藝條件見(jiàn)表2。

表2 相同材質(zhì)坩堝蒸鍍金工藝條件

(2)金膜表面黑色顆粒的密度對(duì)比。Zeiss光學(xué)顯微鏡放大100倍視場(chǎng)下觀察：鍍膜功率19%，蒸鍍速率50 nm/s制備的樣品3，整個(gè)視場(chǎng)中黑點(diǎn)數(shù)目約6～8個(gè)，黑點(diǎn)間距約80～300 μm。鍍膜功率16%，蒸鍍速率15 nm/s制備的樣品4，整個(gè)視場(chǎng)中黑點(diǎn)數(shù)目約16～20個(gè)，黑點(diǎn)間距約50～100 μm，如圖12、13所示。相同碳玻璃涂層坩堝蒸鍍100 nm厚度金膜,鍍膜功率高，速度快地制備的樣品，黑點(diǎn)數(shù)目相對(duì)較少。這與本文2.2解釋碳玻璃坩堝產(chǎn)生更多黑點(diǎn)的理論非常吻合。

圖12 樣品3黑點(diǎn)圖13 樣品4黑點(diǎn)

4 結(jié) 語(yǔ)

在電子束蒸鍍金膜的過(guò)程中，鎢坩堝和碳玻璃涂層坩堝的材質(zhì)都不是產(chǎn)生黑點(diǎn)的原因，由于鎢坩堝和碳玻璃涂層坩堝在蒸鍍金膜的物理學(xué)特征不同，鎢坩堝蒸鍍金膜產(chǎn)生的黑點(diǎn)較少。使用玻璃碳涂層坩堝蒸金時(shí)，可以根據(jù)界面化學(xué)和物理化學(xué)的相關(guān)知識(shí)，采取合理的工藝條件可以減少黑點(diǎn)的數(shù)目。