负偏压对磁控溅射镀镍薄膜组织结构的影响

洪波，潘应君*，张扬，张恒，陆旭锋

（武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉 430081）

钼由于强度大、硬度高、熔点高以及具有优异的导电导热性、耐磨性等而被广泛使用。钼和硅的热膨胀系数很相近，所以钼合金片能够作为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块、晶闸管等半导体的核心配套部件，起保护芯片正常工作、延长晶闸管的疲劳寿命等作用[1]。但是钼抗氧化能力很差，很容易在空气中氧化，生成的氧化物使钼的微观结构变得疏松，且其还会像一种载体，继续向内部传递氧[2]，因而这些氧化物无法对钼起到任何保护作用，用于半导体原件的钼片最好镀上一层保护膜。在钼圆片表面镀一层镍膜能有效起到保护作用。制备纳米镍薄膜主要有电镀、化学镀、真空镀等方法[3]，国内目前大部分采用电镀和化学镀镍法，但其中使用到的镀液会污染环境[4]。而利用磁控溅射法制备镍薄膜所产生的污染极小，在适当参数下制备的薄膜均匀，致密，与基体结合力好，性能优异。

已有文献报道了样品预前处理(清洗方法、基体表面清洁度等)和磁控溅射参数(溅射气压、溅射功率等)对真空溅射镀镍的沉积速率、薄膜结构和性能的影响，但对在钼合金基体表面溅射镀镍的研究还相对较少。附着力是真空镀膜的一个非常重要的性能表征，其又强烈依赖于基体和镀层材料以及两者之间界面组织和结构的情况，同时薄膜的致密性又影响着基体材料的工作寿命，溅射工艺参数中的负偏压对薄膜附着力，表面、截面形貌以及表面结构影响较为显著。本文主要讨论了负偏压对钼合金表面磁控溅射镀镍薄膜附着力以及组织结构的影响。

1 实验

基片是钼合金圆片，直径57.6 mm，厚2.4 mm。靶材为镍靶，纯度为99.99%。镀膜设备为北京泰科诺公司生产的TSU-650 型多功能镀膜机。镀前先将基片置于浓双氧水中氧化表面，再浸泡于硫酸和铬粉的混合溶液中去除表面氧化物，经过2 道去离子水冲洗后放入盐酸中活化，再用2 道去离子水冲洗，最后烘干放进溅射腔室内。沉积镍工艺参数：本底真空度2.0 × 10-3Pa，氩气流量为14 sccm，腔体气压为0.47 Pa，溅射电流为4.6 A，溅射功率为1.8 kW，溅射负偏压分别为0、150、300、450 和600 V。因为表面洁净度对薄膜结合力影响较为显著[5]，所以在沉积镍膜前先进行1 次偏压清洗(氩气流量为60 sccm，负偏压为800 V)以进一步清洗基片表面。

使用胶带拉剥法来测试膜/基结合力的大小，胶带型号为3M 610。用百格刻刀在样品表面划100 个1 mm × 1 mm 的方格。胶带贴于百格位置，以手指压下紧密贴附胶带，再瞬间撕起，检查脱落格子的数量。通过NOVA NAND-400 型扫描电镜观察镍膜层的表面及截面形貌。利用型号为FlatMaster 200 的平整度仪测量镍膜表面的平整度。用Philips 的X’Pert MPF 型X 射线衍射分析仪表征薄膜的物相结构。

2 结果与讨论

2.1 负偏压对膜层附着力的影响

图1显示了不同负偏压所得薄膜的结合力。由图1可知，当不加负偏压时，镍膜层的附着力非常差，几乎整层膜都被剥离，只剩6%的膜还附着在基体上；当在基片上加150 V 负偏压时，附着力明显提升，有74%的剩余附着量，随负偏压进一步提高，薄膜的附着力也不断增大；负偏压在450 V 以上时，剩余附着量达到100%，镍膜与基体结合紧密。

图1 拉剥法测得的不同负偏压下制备的镍膜的剩余附着百分率 Figure 1 Residual percentages of nickel films obtained at different negative bias voltages after adhesion strength test by peeling method using adhesive tape

由此可见，负偏压对结合力的影响较为明显。施加一定的负偏压时，靠近表面附近的等离子体轰击基体，能进一步清除基体表面杂质及松散的原子，有利于膜层附着。同时，负偏压越大，轰击正离子的能量越高，当其能量超过钼原子自身的键合能时就能将其溅射出来。溅射出来的钼原子在辉光区经过电离，形成的钼离子在负偏压作用下重新返回基片；部分溅射出来的钼原子与等离子体区域中的粒子碰撞，也会返回基体；钼原子和镍原子混合沉积，从而在基体和膜层之间形成一层钼镍的混合镀层，此混合区称为扩散区，该成分渐变的混合镀层可有效减少因基体与镀层材料的性质差异而造成的不利影响。此外该扩散区随负偏压提高而不断宽化，使得薄膜附着力不断增大[6]。

2.2 负偏压对膜层表面及截面形貌的影响

图2为不同负偏压参数下制备的镍膜层的SEM 照片。图2a是不加负偏压时的表面膜层形貌，可清楚地看到有许多裂纹及孔洞等缺陷，且膜的均匀性很差，表面结构起伏很大，疏松，致密性很差。随负偏压提高，裂纹和孔洞等缺陷均有所改善，表面也趋于平整化。从图2c 和2d 可观察到膜层表面几乎没有裂纹及孔洞，膜较为连续平整，致密性也大大提升。当负偏压进一步升高到600 V 时(图2e)，表面起伏反而变大，平整性有所下降。从图3可见450 V 负偏压下的镍膜截面形貌，薄膜与基体之间结合很紧密，膜层结构致密。

当不加负偏压或负偏压较小时，轰击能量低，基片温升低，镍原子能量低，在基片表面不易扩展迁移，导致裂纹等缺陷产生。随负偏压提高，离子能量增大从而增强了轰击效果，升高了基体温度，有利于提高靶材原子在基片上扩展迁移，提升了基体表面的镀覆能力，而且与基体附着力较弱的原子也会由于离子轰击作用而蒸发 逸出表面，有利于生成致密平整的薄膜[7]。当负偏压过大时，由于二次反溅射的作用，高能离子会把基体表面一部分镀层原子重新轰击下来，反而使得表面结构起伏变大。

图2 不同负偏压下制备的薄膜的表面形貌 Figure 2 Surface morphologies of nickel films obtained at different negative bias voltages

图3 450 V 负偏压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

图2 无预制膜层与预制膜层试样照片 Figure 2 Photos of the samples with and without prefab film

2.3 负偏压对膜层表面平整度的影响

图4为不同负偏压下所得镍膜表面的平整度情况。其中三维形貌图右边的数据即对应的不同高低起伏相对于参照水平面的高度。从图4a 可以看出，不加负偏压时表面膜尖峰较多，且分布不均匀，平整度较大，有较多的尖峰(图4a 中的红色尖峰)高度相对于参照水平面达到了1.4 µm 左右，大多数起伏(图4a 中的蓝色和绿色部分)相对于参照水平面高度为0.5 ～ -0.3 µm。当加上150 V 负偏压时，突起的尖峰数量有所减少，且随所加负偏压 增大，表面趋于平整化，尖峰数量明显减少；在450 V 负偏压下表面情况达到最优，整个表面膜分布均匀平整，平整度也最小，起伏高度相对于参照水平面基本都在0.1 µm 左右，但随负偏压进一步增大，平整度反而变大。

图4 不同负偏压下所得镍膜的表面平整度 Figure 4 Flatness of nickel films obtained at different negative bias voltages

图4 不同负偏压下所得镍膜的表面平整度 Figure 4 Flatness of nickel films obtained at different negative bias voltages

在负偏压作用下等离子体中的正离子加速飞向基体，随负偏压增大，轰击的正离子的能量也不断加强，从而对表面的突起高峰起到削平的作用，另一方面，由于负偏压的影响，高能的轰击离子把能量传递给基体，使得其温度不断上升，有利于表面的靶材原子横向扩散迁移，填平谷底，移平尖峰，从而使表面趋于平整化。当负偏压过大时，反溅射过程会增加表面平整度[8]。

2.4 负偏压对膜晶粒取向及尺寸的影响

图5为不同负偏压溅射制备镍膜的XRD 衍射图谱。从图5可见负偏压对Ni 薄膜的择优取向无明显影响，均在(111)晶面择优生长，但随负偏压增大，(111)晶面对应的衍射峰窄化，表明晶粒尺寸变大，根据德拜-谢乐公式算出对应的晶粒尺寸如图6所示。在施加负偏压时，一方面由于离子的轰击给基体引入更多的缺陷从而提供了更多的形核位置，形成较小的晶粒[9]。另一方面随负偏压增大，基片温升也不断增大，而随温度升高，原子及晶界的扩散能力不断增强，晶粒间的吞并也更为容易，导致晶粒尺寸增大[10]。因此负偏压在0 ～ 150 V 时，晶粒尺寸有所增大，但增长速率较为缓慢；到150 V 以上时，基片温升导致晶粒尺寸增大的作用占主导，晶粒尺寸增大较快。

图5 不同负偏压下所得镍薄膜的X 射线衍射谱 Figure 5 XRD patterns for nickel films obtained at different negative bias voltages

图6 镍膜的晶粒尺寸随负偏压的变化关系 Figure 6 Relationship between negative bias voltage and grain size of nickel film

图6 不同试样的三维形貌图 Figure 6 Three dimension morphologies of different samples

3 结论

(1) 利用直流磁控溅射技术在钼圆片表面镀镍，在负偏压为450 V 时，膜层性能最优，附着力最大，薄膜表面致密性和平整性均较好，没有明显微裂纹及孔洞。膜层截面致密连续且与基体连接紧密。

(2) 负偏压对镍膜生长的择优取向影响并不明显，但随负偏压增大，薄膜晶粒尺寸呈增大的趋势，在150 V以下增长较慢，超过150 V 以后晶粒尺寸增大较为快速。

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