简介概要

镍对多弧离子镀制备的铬基金属衬底性能的影响

来源期刊：稀有金属2007年第4期

论文作者：江风益王古平熊传兵

关键词：多弧离子镀膜; 铬基金属衬底; 择优取向; 表面粗糙度;

摘要：利用多弧离子镀和选择腐蚀相结合的技术在Si(111)衬底上首次制备了具有择优取向的铬基金属衬底,该金属衬底具有与外延级硅衬底一致的表面粗糙度及平整度.采用SEM,EDX,XRD和显微硬度计对铬基金属衬底进行了表征.研究表明:镍铬共镀有利于获得(110)择优取向的铬基金属衬底,同时镍铬共镀对表面形貌、显微硬度、平整度均存在一定影响.

稀有金属 2007,(04),515-519 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.04.036

镍对多弧离子镀制备的铬基金属衬底性能的影响

熊传兵江风益

南昌大学教育部发光材料与器件工程研究中心,南昌大学教育部发光材料与器件工程研究中心,南昌大学教育部发光材料与器件工程研究中心江西南昌330047,江西南昌330047,江西南昌330047

摘要：

利用多弧离子镀和选择腐蚀相结合的技术在Si (111) 衬底上首次制备了具有择优取向的铬基金属衬底, 该金属衬底具有与外延级硅衬底一致的表面粗糙度及平整度。采用SEM, EDX, XRD和显微硬度计对铬基金属衬底进行了表征。研究表明:镍铬共镀有利于获得 (110) 择优取向的铬基金属衬底, 同时镍铬共镀对表面形貌、显微硬度、平整度均存在一定影响。

关键词：

多弧离子镀膜;铬基金属衬底;择优取向;表面粗糙度;

中图分类号： TN305

作者简介：江风益 (E-mail:jiangfy@ncu.edu.cn) ;

收稿日期：2007-01-24

基金：国家“863”纳米专项课题 (2003AA302160) 资助项目;

Influence of Ni Element on Properties of Cr Based Metal Substrate Fabricated by Multi-Arc Ion Plating

Abstract：

Preferred orientation Cr based metal substrates were made on Si (111) substrate by multi-arc ion plating and selective chemical etching technology.The roughness of surface and the planeness of the metal substrates were consistent with the Si substrate.SEM, EDX, XRD and microhardness instrument were introduced to investigate the properties of the metal substrates, it was found that Ni and Cr con-plating was tend to obtain single (110) preferred orientation Cr based metal substrate, at the same time a little Ni will arise obvious changes of the surface topography, microhardness and planeness of the metal substrate.

Keyword：

multi-arc ion plating;Cr-based metal substrate;preferred orientation;roughness of surface;

Received： 2007-01-24

由于金属具有优良的导热性、导电性和反光性能, 因而金属衬底具有非金属衬底很多无法比拟的优点。它可以用于半导体薄膜的外延 ^[1] , 也可以用于半导体薄膜的wafer bonding ^[2] 。然而金属衬底的表面光洁度及平整度比硅、锗等常用非金属衬底低是制约金属衬底在半导体领域应用的主要原因。目前金属衬底的制备方法一般是采用机械抛光或电化学抛光的方法, 然而这些现有的抛光技术获得的衬底很难达到硅、锗等常用半导体外延衬底的表面光洁度和平整度。另外目前的金属衬底均是先对冶炼的金属体材料进行切割, 然后磨平抛光。然而金属体材料均是多晶, 晶粒没有取向一致性, 其用于半导体薄膜的外延也存在一定困难。

GaN ^[3] 及ZnO ^[4] 由于是宽禁带的直接带隙半导体材料, 目前成为研究的热点。但由于缺少表面平整尤其是择优取向的金属衬底, 所以在金属衬底尤其是热膨胀系数基本匹配的金属衬底上生长GaN及ZnO的报道很少。金属Cr的室温热膨胀系数为6.2×10^-6/K, GaN和ZnO的a轴室温热膨胀系数分别为5.59×10^-6和6.51×10^-6 ·K^-1, 因而金属Cr基衬底从热膨胀系数的角度而言比较适合作为GaN及ZnO的生长衬底。所以制备具有与常见外延衬底相同表面粗糙度及平整度的具有择优取向的Cr基金属衬底具有重要意义。

本文利用多弧离子镀和选择腐蚀相结合的技术在Si (111) 衬底上首次制备了具有择优取向与外延级硅衬底一致的表面粗糙度及平整度的铬基金属衬底, 并研究了镍铬共镀对该衬底表面形貌, 显微硬度、平整度的影响。

1 实验

图1是本文所用的多弧离子镀膜系统示意图。图中, 1为阴极靶源, 共有四个, 沿圆周均匀分布于沉积室的侧壁, 竖直方向高度相对错开; 2为Si (111) 衬底; 3是基片支架, 位于沉积室中央且能绕中心轴转动; 4是真空沉积室; 5为抽气口 (接真空抽气系统) ; 6是直流叠加脉冲的偏压电源; 7为弧电源。

图1 多弧离子镀膜示意图

Fig.1 Schematic diagram of multi-arc ion plating system1-Cathode target;2-Si (111) substrates;3-Substrate holder;4-Deposition chamber;5-Aspirating hole;6-DC-and-pulsedbias power;7-Arc current source

制备了两种样品, 样品1为纯铬金属衬底, 样品2为镍铬共镀的铬基金属衬底。制备样品的工艺过程如下: (1) 清洗硅衬底并装夹在真空室的样品台上; (2) 将真空室压力抽至3×10^-3 Pa以下的本底真空后, 再向真空室通入氩气, 并使真空室的压力维持在0.5 Pa; (3) 打开弧电流沉积金属衬底, 衬底厚度约为35 μm, 沉积参数如表1所示。沉积样品1时真空室的4个靶源全部为纯度为99.999%的纯铬靶, 沉积样品2时真空室的4个靶源3个为纯度为99.999%的纯铬靶, 1个为含镍量为20% (质量比) 纯度为99.99%的镍铬合金靶; (4) 取出样品, 用湿法选择腐蚀的方法去除Si (111) 衬底, 获得本文的金属衬底样品, 两种样品的最终厚度约为35 μm。

采用EDX对两种样品进行了成分分析, 用SEM测试了两种样品的正反两面的表面形貌, 用XRD测试了样品的晶体结构, 用显微硬度计测试了两种样品的显微硬度。

2 结果与讨论

2.1 EDX成分分析

EDX成分分析的结果如图2所示, 图2 (a) 为样品1的EDX图谱, 图2 (b) 为样品2的EDX图谱。

从图中可以看出, 样品2的含镍量仅为1.34% (质量分数) 。虽然在镍铬共镀制备铬基金属衬底时, 3个靶为纯铬靶, 1个靶为镍铬合金靶, 所用的镍铬合金靶的含镍量为20% (质量分数) , 然而所获得的铬基金属衬底的含镍量不是5%而是1.34%。我们认为造成这种现象的原因有两方面: 一方面可能是因为镍和铬两种元素在离子镀环境中的离化率不同所造成, 镍的离化率为60%, 铬的离化率为100% ^[5] , 这样使得具有比靶材原子数比更少的镍被输运到样品表面参加成膜; 另一方面, 在多弧离子镀环境中离化了的铬一般以+3价形式存在, 离化了的镍一般以+2价的形式存在, 同时镍的原子量又比铬稍大, 所以在偏压相同的情况下铬离子更容易被输运到样品表面, 这样也会使得具有比靶材原子数比更少的镍被输运到样品表面参加成膜。

2.2 SEM表面形貌分析

图3是样品的SEM表面形貌图。图3 (a) 是样品1的正面 (用选择腐蚀去除硅衬底后获得的硅和金属衬底的界面, 本文称其为金属衬底正面) , 图3 (b) 为样品1的背面, 图3 (c) 为样品2的正面, 图3 (d) 为样品2的背面。该图表明, 镍铬共镀获得的金属衬底的表面形貌和组织结构与单质铬的金属衬底有明显的不同。样品1的正面与硅衬底的表面质量是一致的, 具有外延级别衬底的光洁度和平整度。样品2的正表面虽然有较好的平整度, 但其表面有部分凹坑。样品1的背表面有晶粒尺寸相对均匀的表面形貌, 样品2的背表面有大块层片状组织。

表1沉积参数下载原图

Table 1Parameters of deposition

表1沉积参数

图2 铬基金属衬底的EDX成分分析结果

Fig.2 EDX analysis results of Cr-based metal substrate (a) Sample 1; (b) Sample 2

图3 铬基金属衬底的SEM表面形貌图

Fig.3 SEM images of Cr-based metal substrate

(a) Frontal surface of sample 1; (b) Back surface of sample 1; (c) Frontal surface of sample 2; (d) Back surface of sample 2

从图中可以看出, 两种样品的背面的粗糙度均大于其正面的粗糙度, 样品1表现为三维生长获得的晶粒, 样品2表现为二维层状生长获得的组织。虽然样品2仅含有原子数比1.20%的镍原子, 但其却使金属衬底的形貌发生了明显的变化, 这可能是因为镍有促进金属膜二维层状生长的作用 ^[6] 所导致的。

样品2的正面有少量凹坑, 本文作如下解释: 这可能是由于镍铬合金靶的成分不均匀所导致的。众所周知, 含镍量质量比为20%的镍铬靶要冶炼成成分均匀的靶目前还有一定困难。镍铬合金靶的成分不均匀, 可能会导致在刚刚起弧沉积镍铬合金时会有少量的单质镍沉积在样品表面, 经过腐蚀液腐蚀后, 就在衬底界面上形成了单质镍所造成的凹坑。由此可见, 要防止衬底表面很浅的区域内形成单质镍, 可能要从以下几方面进行改进: (1) 一方面要改进镍铬靶的冶炼技术; (2) 另一方面要提高衬底表面的温度, 使得镍原子具有足够的扩散长度, 使其与铬形成成分均匀的抗腐蚀的合金; (3) 同时也需要改进沉积系统, 使其刚开始从靶材上离化的原子沉积在样品的挡板上, 待靶面的成分均匀化后, 再使其沉积在硅衬底表面。

2.3 XRD结构分析

图4为铬基金属衬底XRD图谱, 图4 (1) 是样品1的图谱, 图4 (2) 是样品2的图谱。

从图2的衍射谱可以看出, 样品1具有Cr (110) 和Cr (200) 两个峰, 样品2则具有单一的Cr (110) 峰。该图表明, Ni的加入使得Cr金属衬底获得了单一Cr (110) 择优取向。对于Cr膜生长之所以呈一定择优取向的原因, 已有文献 [ 7, 8, 9] 报道。一般认为, Cr膜择优取向的形成与膜的生长速度、衬底基片的温度、 Ar气体的流量、置偏电压等均有关系, 但究竟哪一因素对择优取向起决定性作用尚不完全清楚。 Feng等 ^[8] 曾提出一种Cr膜生长机制: 在Cr膜生长过程中, 如果成核岛在它们彼此相连接之前达到平衡状态, 则趋向形成 (200) 择优取向; 如果成核岛在它们彼此相连接之前未达到平衡状态, 则趋向形成 (110) 择优取向。

图4 铬基金属衬底的XRD图谱

Fig.4 XRD spectra of Cr-based metal substrate (1) Sample 1; (2) Sample 2

对于图2的谱线, 本文认为, 在加入Ni元素的情况下由于Ni杂质原子的掺入, 使得成核岛中的Cr原子在不断的生长过程中可以与这些杂质原子互相换位, 以至于有相对较长的弛豫时间而不能到达平衡状态, 从而有利于形成比较单一的 (110) 择优取向。而对于未掺杂的情况, 尽管大多数成核岛能够满足上述条件, 但仍有少数成核岛在彼此连接之前, 已经达到平衡状态, 它们趋向生成 (200) 择优取向膜, 因此形成一个相对较弱的 (200) 衍射峰。

由EDX的结果可知样品2是含有镍的镍铬合金, SEM的结果说明在样品2的表面可能存在单质镍, 然而它的XRD图谱并没有出现金属镍的衍射峰, 我们认为可能是以下原因造成了没有镍峰的存在: (1) 虽然在界面上存在少量单质镍金属, 但界面上的单质镍金属被去硅腐蚀液腐蚀掉了, 所以界面不存在引起镍峰的可能; (2) 尽管由于镍铬合金靶的成分不均匀, 会导致在刚刚起弧沉积时有少量的单质镍存在于样品表面, 但随着镀膜过程的进行, 当靶材表面达到热平衡并具有一定温度时, 在靶材表面可能会由于温度的原因而实现成分均匀化, 这时的镍就不再以单质形式沉积在样品表面, 而是以镍铬合金的形式沉积在样品的表面, 从而样品2的XRD衍射峰是含有少量Ni的Ni-Cr固溶体的峰, 而不是镍和铬的混合物的峰。

综上所述, 镍铬共镀不但易获得镍铬固溶体的合金衬底, 而且镍铬合金的沉积行为表现出择优取向性。

2.4 硬度分析

铬基金属衬底显微硬度测试结果如图5所示, 测试时从样品正面加载荷。图中的每一个值是在相同条件下测试7个以上不同位置点, 并取其平均值而得到的。从图5可以看出, 掺少量镍获得的铬基金属衬底无论在低载荷区还是高载荷区, 其显微硬度均高于纯铬金属衬底, 接近增大一倍。

影响金属材料硬度的因素很多, 晶格结构类型、晶粒尺寸大小、缺陷状况等均会对材料的硬度产生一定的影响。含有少量镍的金属衬底样品2的硬度比单质铬衬底样品1的硬度明显增大, 可能是两方面的原因造成的: (1) 对于样品2, 由于其具有单一的 (110) 择优取向, 而且Cr具有体心立方结构, (110) 面是其原子密度最大的面, 一般原子密度大的面, 其硬度也大。 (2) 另外, Ni原子可能在铬基金属衬底里面起到了固溶强化的作用 ^[10] , 而使得样品2的硬度明显提高。