浅析退火温度对金属薄膜残余应力的影响

石 斌

（惠州市华阳光学技术有限公司，广东 惠州 516005）

1 研究研究对象的制备

1.1 多功能离子辅助沉积设备

此次实验择取辅助沉积设备，见图1。

图1 辅助沉积设备结构示意

该辅助沉积设备核心部件的工作原理及作用如下所述:

（1）真空机组：真空机组通过两级构成，第一级即前置机械泵，第二极则是分子泵，其作用是把溅射腔中的真空度抽至4×10-4兆帕。

（2）旋转水冷样品台：样品台的作用主要用于承载研究对象，同时使其在制Thin-film（下述均以TF予以表述）时旋转，以使镀出的TF厚度相对匀称，并可以进行水冷，进而控制制TF时试样的温度，可以从根本弱化应力，加强TF质量。

（3）溅射离子源：离子束辅助沉积系统辅助沉积系统的主要部件是Kaufman-Ion源，Kaufman-Ion源能够产生较强的宽束Ion-Beam，穿透至上面的靶材，因此溅射出靶材原子，这些原子会沉积于研究对象台的试样上。

（4）中能穿透离子源：中能离子源于Ar-Ion，可以直接穿透基体外层。这样所溅射出的Ion会逐渐沉积至基体外层，受到中能Ion源产生载能Ar-Ion的穿透，即可获取额外的动量，进而沉积，这从根本提升了溅射Ion进入基体晶格的概率。

（5）强流金属离子源：强流金属离子源能够生成所需沉积的离子，同时加速其生成过程，使其以较高的动能入射至基体外层，进而注入至基体外层，此溅射沉积设备的核心部分即为Kaufman源。

1.2 制备工艺

此次研究择取Ion-Beam辅助沉积的方法，在单晶硅元素基体外层溅射沉积一层钛元素TF。所择取硅元素片为N型(400)单晶硅元素片，硅元素片直径长0.3毫米，电阻率为六厘米，厚度0.5毫米，在实验前把单晶硅元素划为边长一厘米的正方形小片，在此基础上分别在丙酮、酒精中予以超声洗涤。

Ion-Beam溅射沉积是在Ion-Beam穿透下，靶材的原子及原子团逃逸外层，同时以一定能量沉积于基体上的一种镀TF技术。此次研究先通过中能Ion源穿透硅元素基体外层实施外层清洗，同时通过强流金属源对硅元素片外层予以钛元素Ion的注入，最后通过中能Ion源进行反冲注入混合，在原位经Ion-Beam溅射沉积制备金属钛元素TF。

1.3 强流金属Ion注入技术

首先通过单靶以每平方厘米1.8毫安的Ion流密度溅射沉积钛元素十二分钟，在此基础上通过强流金属源以每平方厘米0.012毫安的Ion流密度注入钛元素Ion一千平方米，由于钛元素Ion的平均有效电荷为2.10，因此注入电压为四十千瓦，基于此钛元素Ion能量为82千电子伏特，注入的剂量为每平方厘米5×106。此过程需进行两次。

1.4 反冲注入界面混合技术

通过单靶以每平方厘米2.0毫安的Ion流密度溅射沉积钛元素两分钟，在此基础上经中能Ion源以每平方厘米0.02毫安的Ion流密度用Ar-Ion穿透研究对象外层两分钟，在此过程中把单靶溅射Ion流密度调至每平地方厘米0.4毫安。如上述四分钟一个循环，此循环需进行四次。

1.5 退火过程

把全部研究对象放在真空腔内，以每分钟四摄氏度的速率均匀加热，A1，B1，C1作为对比研究对象，不予加热处理；A2，B2，C2加热至一百摄氏度；A3，B3，C3研究对象加热至二百摄氏度；A4，B4，C4加热至三百摄氏度；A5，B5，C5加热至四百摄氏度;A6，B6，C6加热至五百摄氏度。

2 性能测试

由于研究要最大限度的精确TF里面的interior-stress与附着力实验参数的对应关系，所以对interior-stress测量精确性有一定的要求。现阶段国内外测量TFteriorstress的方法相对多元化，基本可以分呈两大类:①机械法;②衍射法。机械法测量基片受应力作用后弯曲的程度，Diffraction法则测量TF晶格常数的畸变梯度递进系数。

此次研究择取了X射线衍射方法。XRD在测定应力的过程中，所测量的是以面间距变化系数来度量的应变。而且，以布拉格定律为基础，面间距的变化系数以下述公式予以表述：

依附于应变间的关系式，有：

上述公式即通过衍射法测应力时的基本计算公式。通过XRD测定应力的方法有很多，其中包括照相法、平行光束法以及边倾斜法等。在通用Diffraction设备上测应力时多用定法，又称半聚焦法，也就是在测试过程中Diffraction设备为θ和2θ联动。在此状态下入射线方向，有别于系数时试样的取向，Diffraction面的方向及所测应力的方向间的关系，见图2。依附于上述公式，在计算出2θ随的变化率即可获取TF内应力。

图2 晶面方位、应力方向与φ角之间的关系

XRD测定应力的特性即为峰背相对较高，分辨率优异，密集的衍射线也容易分开。但其缺点是他需要试样外层和聚焦面相切，试样外层的前后移动会导致衍射角的变更，因此造成应力系数发生偏差，基于此，X射线衍射仅适用于平板试样。

3 结果及讨论

3.1 TF厚度的控制及测量

在此次研究中，经控制TF的沉积吋间达到对TF厚度的控制。影响TF厚度的四个最重要参数是束流大小，离子束流能量，研究对象与Ion-Beam、靶材的几何位置关系，与真空室的真空系数。Kaufman---Ion源溅射沉积时Ion-Beam能量与束流大小相对恒定。尽管靶材原子在氩Ion-Beam穿透下会从不同角度溅射出来，不过在此次研究中研究对象台的范围尺寸较小，同时与靶材成六十度角，相距三百毫米，在这种客观环境下，靶材原子出射的角度分布对研究对象TF厚度均匀性不会产生过大的影响。

三组研究对象TF厚度数据见表1。

表1 研究对象的TF厚度

3.2 TF外层与断裂面形貌

一般TF研究对象的外层粗糙系数会因衬底、镀TF材料、沉积形式及参数等多方面影响。此次研究所有研究对象的SEM外层形貌如图3所示。

图3 扫描电子显微镜外层形貌

经直观的对比不难发现，图3中的四个研究对象，予以退火处理的研究对象外层粗糙系数间无显著差异，较之对比研究对象的外层粗糙系数大幅度降低。同时通过离子注入与反冲混合的B组研究对象的外层形貌和粗糙系数也和以上四图板接近。因此，在此次研究中，退火后TF研究对象的外层粗糙系数主要会受到退火温度的影响，与TF厚度无显著的相关性。

图4显示了钛元素硅元素TF研究对象的断裂面形貌，其中(a)、(b)分别代表研究对象A1和Cl。此图从根本体现了钛元素TF与硅元素衬底间界面的形貌。

研究对象C1的钛元素TF和硅元素衬底的界面相对平滑，而研究对象A1的TF基界面则存在粗糙的问题，这是因为Ion注入效应与辅助沉积时间所致。此次研究中，在Ion注入过程时，由强流金属源形成的钛元素Ion具有相对平均的能量系数。

在这些钛元素Ion穿透到研究对象外层的状态下，会导致一部分外层硅元素原子被溅射出研究对象表面。

图4 钛元素/硅元素TF的断裂面形貌

3.3 内应力的测量

此次研究中，全部研究对象中钛元素TF的interiorstress都通过XRD予以测定，同时择取。为最大限度弱化测量误差，择取了高角度的钛元素(201)的Diffraction峰，2θ=78.10°倾斜角度ψ被设定为0，10°，20°，30°及35°。

上述，θ即为无应力钛元素TF的Diffraction角，E与ν分别为钛元素TF的拉伸模量与横向变形系数，因为所沉积的TF中组织构架较之常规块体材料有所差异，进而会造成E的系数也发生改变，所以直接套用块体材料的固定常数会导致计算结果出现偏差。

此次研究中，为从根本深化测量的精确性，我们择取Hershey-Kroner-Eshelby模型去计算钛元素TF的有效拉伸模量E与v，依附于德埃夫伦的相关研究，E与v带换成B与G的表达式如下：

上述式中，G即TF的有效剪切模量，根据钛元素TF数值取G=50.18GPA。B是一个定向标量，能够直接通过戴维林提供的如下公式计算获取：

上述计算中，C11与C12即材料的单晶弹性数值，依附于P.SIsodia提供的钛元素单晶的系数，取C1=1665.GPa，C12=1226GPa。这样把B与G的系数带入至

能够获取钛元素TF的有效拉伸模量(E)与Poisson ratio(ν)分别为130.57GPa与0.321。

此次研究可以很清楚的看出TF内压应力的大小随着TF厚度的提高而提高，这是由于此次研究中TF厚度是通过沉积时间所控制的，由溅射Ion穿透作用在TF内产生的缺陷会随着沉积时间的增加而提高，所以沉积时间比较长而制备出的厚度TF的压应力比较大。

TF内压应力的大小依附于温度的增加而降低，同时分别在五百摄氏度状态下已经转变为拉应力。残余应力通常被认为是在晶体生长时所产生的。

在我们的研究中，三个研究对象组的残余应力在退火温度区间为四百至五百摄氏度状态下，都由压应力转变为拉应力，具体的转变温度分别为四百零四摄氏度，四百二十六摄氏度与四百二十八摄氏度。研究结果显示，应力释放出现于TF加热的过程中。

退火温度越高，TF本身的压应力系数越低。通过研究结果还发现，B，C组研究对象的应力释放速率较之A组要快一些。由此可证，应力释放也和TF厚度存在内质关联性。