热处理对Cr/Au双层薄膜显微结构和应力的影响

摘要

本文采用直流磁控溅射法在玻璃态SiO2衬底上制备Au薄膜。由于两者之间错配系数太大,导致Au膜与衬底之间附着力较差,在沉积Au之前,先在衬底上沉积一层Cr作为中间层。最后制得SiO2厚度0.36mm、Cr膜层30nm、Au层200nm的复合薄膜。制得的双层薄膜进行不同条件的热处理工艺:退火处理和沉积时衬底加热。使用XRD技术的θ-2θ扫描模式表征了Cr/Au双层薄膜物相与微观应变、2θ-ω扫描模式表征了薄膜的宏观应力,使用原子力显微镜对薄膜的表面形貌进行表征,使用四探针测试仪对薄膜的导电性能进行表征,以详细和系统地研究各种热处理工艺对Cr/Au双层薄膜各性质和性能有何影响。
　　研究后得出,在没有衬底加热的情况下,所制得Cr/Au双层薄膜的Au膜层具有强烈的(111)晶面织构,其上层Au膜中存在拉应力。退火处理后薄膜的织构也并没有明显消减,但可有效消除薄膜中的残余宏观应力以及由位错和空穴等缺陷引起的微观应变,通过提高退火温度和延长退火时间,可以加强各种应力应变消减。在溅射沉积Au膜层时对衬底进行加热,则可以减弱Au膜层的织构现象,但会使薄膜的微观应变明显增大,且使其膜中存在的残余应力为拉应力。薄膜的表面形貌极其容易受到热处理工艺的影响。无论是增加退火温度或是延长退火时间,均可使薄膜表面的粗糙度降低,表面颗粒尺寸减小。如在制备薄膜过程中对衬底进行加热,会显著改变薄膜表面形貌,表面颗粒尺寸急剧增加,粗糙度变大。且随着衬底温度的上升,这一变化越加明显,当衬底温度达到200℃,薄膜的最大高度差将大于80nm。退火还会导致Au薄膜的晶面间距减小。Au膜晶面间距缩小速率与退火温度并不成正比。其与退火温度的变化关系呈“S”形曲线,在300℃左右存在临界点。当退火温度低于临界点时,晶面间距缩小速率较慢,且缩小速率随退火温度的增大速度也较小。在425℃左右速率达到峰值,晶面间距趋于稳定。这一变化是因为退火导致的Cr/Au双层薄膜各层之间元素相互扩散。其中由于Cr原子半径小于Au原子半径,Cr原子扩散入Au膜厚会导致晶格收缩,因而晶面间距减小。当退火温度低于200℃时,因为退火处理使薄膜内部微观应变减小,所以可以减小薄膜的表面方块电阻,增加薄膜的导电能力。一旦退火温度超过200℃,加热引起的层间元素扩散所造成的负面效应将会超过微观应变减小的影响,薄膜的方块电阻会加速上升,且上升程度取决于层间扩散的程度。相较与退火时间,退火温度对薄膜导电性的影响更大。在制备薄膜时对衬底进行加热也会导致薄膜的导电能力下降。即使衬底的加热温度在200℃以下,仍可观察到薄膜随温度的上升,表面方块电阻明显的增加。综合到薄膜的性能方面可以看出,较高温度的退火会降低薄膜性能,但低于175℃对退火工艺还是可以改善薄膜性能的。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 薄膜的制备技术

1.3 薄膜的分析

1.4 本文主要研究内容

第2章 实验材料的制备与分析方法

2.1 实验材料的制备

2.2薄膜热处理方案

2.3观察分析方案

第3章 Cr/Au双层薄膜的组织结构和应力

3.1热处理对物相与组织结构的影响

3.2 热处理对薄膜宏观应力的影响

3.3 热处理对薄膜表面形貌的影响

3.4 薄膜微观应变的变化

3.5 本章小结

第4章 Au薄膜点阵常数与方阻的变化

4.1 Au薄膜的点阵常数变化

4.2 退火温度对方阻的影响

4.3 退火时间对方阻的影响

4.4 衬底温度改变对方阻的影响

4.5 本章小结

结 论

参考文献

声明

致谢