磁控溅射本底真空度对制备高锰硅的形貌影响
发布时间：2022-01-27 16:50
基于当前不同研究者在研究高锰硅过程中选用的本底真空度区间跨度过大的现状,本文以本底真空度为变量,在Si衬底上沉积锰膜,对不同本底真空度下获得的Mn/Si膜同时进行Ar气氛退火处理,退火前后的样品均用SEM对其形貌进行表征,并对结果进行分析,以确定合适的本底真空度参数。结果表明:在10-3 Pa本底真空度下,退火前薄膜表面的锰粒子会出现明显团聚现象,当本底真空度提高到10-4 Pa量级时,团聚现象得到显著改善。在4×10-3～8×10-4 Pa本底真空度下,锰粒子的分布均匀程度较差。而本底真空度达到7×10-5 Pa时,薄膜表面会出现碎裂的情况。在溅射用于制备高锰硅的锰膜时,建议本底真空度在5.7×10-4～7×10-5 Pa范围内。
【文章来源】：功能材料. 2020,51(08)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同本底真空度下制备的锰膜形貌(100k放大倍数)
本底真空度10-3Pa量级下制备的锰膜形貌(30k放大倍数)
图3是对不同本底真空度下制备的锰膜退火之后的形貌,可以看到,在10-3 Pa真空度量级下,退火后的薄膜形貌质地较为均匀,之前由本底真空度不同而形成的团聚体之间缝隙几乎完全被修复。这是因为退火过程当中锰薄膜与Si衬底发生了反应,同时退火过程对薄膜的应力进行释放,让各处的应力达到平衡状态,最终使薄膜表面均匀平整。随着本底真空度量级的提高,退火之后的薄膜晶粒逐渐增大,在本底真空度高的情况下更加明显,并逐渐呈现堆积情况,晶界逐渐模糊。因此,调整本底真空度可以对退火后的薄膜晶粒大小有控制作用,但随着本底真空度的提高,由于晶粒的堆积度和致密度的提高,不利于应力的释放。另外,在本底真空度4×10-3 Pa和8×10-4 Pa时可以观察到薄膜表面存在孔洞,8×10-4 Pa条件下的孔洞现象更为显著。相比而言,4×10-3 Pa条件下的孔洞现象则较为轻微。而未退火前,4×10-3 Pa比8×10-4 Pa条件下制备的锰膜,反而表面质量要差很多。通过将图2与图3进行对比,还可以看到,退火前不同颗粒大小的锰膜在退火后均能获得无孔洞的薄膜,表明孔洞的出现与退火前的锰颗粒大小无关。本文认为,8×10-4 Pa情况下孔洞现象的主要原因在于退火前的锰颗粒分布不均匀。由图1(c)未退火的薄膜形貌可以看到,8×10-4 Pa条件下制备的薄膜颗粒分布是相对最不均匀的。在退火过程当中由于应力的不均匀,使晶粒分别向周围拉应力较为集中的位置聚集,导致另外的部分区域晶粒数量稀少,使孔洞出现。而相比5.7×10-4 Pa和7×10-5 Pa条件下溅射出的均匀薄膜,6×10-3 Pa和4×10-3 Pa本底真空度下溅射出的薄膜(见图2)因为锰粒子构成的纳米颗粒与团聚体之间体积差别过大,纳米颗粒的应力对团聚体的影响几乎可以忽略,因此只用考虑团聚体的应力情况,而由于其团聚体大小较为一致,导致其应力分布相对来说是均匀的,所以制备出的薄膜孔洞现象较为轻微,其中6×10-3 Pa下制备的样品几乎没有出现孔洞,按此分析表明,在6×10-3 Pa本底真空度下溅射的样品均匀度高于4×10-3 Pa下溅射的样品。
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析退火温度对金属薄膜残余应力的影响[J]. 石斌. 世界有色金属. 2019(07)
[2]MgO缓冲层对Si衬底上制备Fe3Si薄膜性能的影响[J]. 张翀,谢晶,谢泉. 半导体技术. 2017(12)
[3]不同基片掺杂氧化锌薄膜光学特性的对比研究[J]. 徐飞. 现代制造技术与装备. 2017(09)
[4]Al掺杂半导体Mg2Si薄膜的制备及电学性质[J]. 王善兰,廖杨芳,房迪,吴宏仙,肖清泉,袁正兵,谢泉. 半导体技术. 2017(01)
[5]硅基外延Mn4Si7薄膜电子结构与光学性质研究[J]. 刘怿辉,谢泉,陈茜. 材料导报. 2014(08)
[6]溅射功率对金属锰膜光学性质的影响[J]. 唐华杰,张晋敏,金浩,邵飞,胡维前,谢泉. 物理学报. 2013(24)
[7]本底真空度和残余气体对集成电路金属薄膜淀积的影响[J]. 何秉元. 真空科学与技术学报. 2012(04)
[8]Mg2Si半导体薄膜的磁控溅射制备[J]. 肖清泉,谢泉,余志强,赵珂杰. 材料导报. 2010(18)
[9]锰硅化合物Mn4 Si7能带结构的研究[J]. 张民,季诚响,韩荣生,王志敏. 装甲兵工程学院学报. 2006(03)
本文编号：3612767
【文章来源】：功能材料. 2020,51(08)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同本底真空度下制备的锰膜形貌(100k放大倍数)
本底真空度10-3Pa量级下制备的锰膜形貌(30k放大倍数)
图3是对不同本底真空度下制备的锰膜退火之后的形貌,可以看到,在10-3 Pa真空度量级下,退火后的薄膜形貌质地较为均匀,之前由本底真空度不同而形成的团聚体之间缝隙几乎完全被修复。这是因为退火过程当中锰薄膜与Si衬底发生了反应,同时退火过程对薄膜的应力进行释放,让各处的应力达到平衡状态,最终使薄膜表面均匀平整。随着本底真空度量级的提高,退火之后的薄膜晶粒逐渐增大,在本底真空度高的情况下更加明显,并逐渐呈现堆积情况,晶界逐渐模糊。因此,调整本底真空度可以对退火后的薄膜晶粒大小有控制作用,但随着本底真空度的提高,由于晶粒的堆积度和致密度的提高,不利于应力的释放。另外,在本底真空度4×10-3 Pa和8×10-4 Pa时可以观察到薄膜表面存在孔洞,8×10-4 Pa条件下的孔洞现象更为显著。相比而言,4×10-3 Pa条件下的孔洞现象则较为轻微。而未退火前,4×10-3 Pa比8×10-4 Pa条件下制备的锰膜,反而表面质量要差很多。通过将图2与图3进行对比,还可以看到,退火前不同颗粒大小的锰膜在退火后均能获得无孔洞的薄膜,表明孔洞的出现与退火前的锰颗粒大小无关。本文认为,8×10-4 Pa情况下孔洞现象的主要原因在于退火前的锰颗粒分布不均匀。由图1(c)未退火的薄膜形貌可以看到,8×10-4 Pa条件下制备的薄膜颗粒分布是相对最不均匀的。在退火过程当中由于应力的不均匀,使晶粒分别向周围拉应力较为集中的位置聚集,导致另外的部分区域晶粒数量稀少,使孔洞出现。而相比5.7×10-4 Pa和7×10-5 Pa条件下溅射出的均匀薄膜,6×10-3 Pa和4×10-3 Pa本底真空度下溅射出的薄膜(见图2)因为锰粒子构成的纳米颗粒与团聚体之间体积差别过大,纳米颗粒的应力对团聚体的影响几乎可以忽略,因此只用考虑团聚体的应力情况,而由于其团聚体大小较为一致,导致其应力分布相对来说是均匀的,所以制备出的薄膜孔洞现象较为轻微,其中6×10-3 Pa下制备的样品几乎没有出现孔洞,按此分析表明,在6×10-3 Pa本底真空度下溅射的样品均匀度高于4×10-3 Pa下溅射的样品。
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析退火温度对金属薄膜残余应力的影响[J]. 石斌. 世界有色金属. 2019(07)
[2]MgO缓冲层对Si衬底上制备Fe3Si薄膜性能的影响[J]. 张翀,谢晶,谢泉. 半导体技术. 2017(12)
[3]不同基片掺杂氧化锌薄膜光学特性的对比研究[J]. 徐飞. 现代制造技术与装备. 2017(09)
[4]Al掺杂半导体Mg2Si薄膜的制备及电学性质[J]. 王善兰,廖杨芳,房迪,吴宏仙,肖清泉,袁正兵,谢泉. 半导体技术. 2017(01)
[5]硅基外延Mn4Si7薄膜电子结构与光学性质研究[J]. 刘怿辉,谢泉,陈茜. 材料导报. 2014(08)
[6]溅射功率对金属锰膜光学性质的影响[J]. 唐华杰,张晋敏,金浩,邵飞,胡维前,谢泉. 物理学报. 2013(24)
[7]本底真空度和残余气体对集成电路金属薄膜淀积的影响[J]. 何秉元. 真空科学与技术学报. 2012(04)
[8]Mg2Si半导体薄膜的磁控溅射制备[J]. 肖清泉,谢泉,余志强,赵珂杰. 材料导报. 2010(18)
[9]锰硅化合物Mn4 Si7能带结构的研究[J]. 张民,季诚响,韩荣生,王志敏. 装甲兵工程学院学报. 2006(03)
本文编号：3612767
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