退火温度对溅射Al膜微结构及光学常数的影响

1、2005年5月第29卷第3期安徽大学学报(自然科学版)JournalofAnhuiUniversityNaturalScienceEditionMay2005Vol.29No.3退火温度对溅射Al膜微结构及光学常数的影响宋学萍,王佩红,孙兆奇(安徽大学物理与材料科学学院,安徽合肥230039)摘要:用直流溅射镀膜工艺在室温Si基片上制备了250nmAl膜,射式椭偏光谱技术,分析表明:退火后的Al膜均呈多晶状态,;20左右升高到400,22.8nm25.(4.047!)略比标准值4.04960!小。:!光频范围内,退火温度对折射率n影响较小,;退火温度;椭偏光谱:O484.41;O484.1文献

2、标识码:A文章编号:1000-2162(2005)03-0033-04金属薄膜是当前高技术新材料开发中最活跃的领域,是功能材料从三维向低维材料发展的必然趋势,也是近年来发展得最快的前沿阵地。金属膜因其独特的光学性质,引起人们的极大兴趣和广泛1应用。在表征薄膜性能的诸参数中,薄膜的微结构和光学常数不仅是光子器件和光子器件设计中2不可或缺的参数,而且也是开发新型光电材料的一个重要依据。在所有金属材料中,Al不但具有仅次于Au,Ag,Cu3种金属的良好导电性和导热性,而且具有良好的耐腐蚀性、反射性、吸音性和耐核辐射性能等优良性质。因此Al及Al合金在电子、航空和航天领域均获得了广泛的应用。而Al膜的

3、微结构和光学常数在微电子技术和光电子技术以及复合薄膜3的设计和性能分析中有着很重要的实际应用意义。4薄膜的性质与微结构关系密切,微结构决定薄膜的性能。对于一定厚度的薄膜,后处理对薄膜的微结构有较大影响,随着退火温度的变化,薄膜的结构变化明显,从而导致薄膜的光学常数也与退火温度关系密切。因此对Al膜在不同退火温度下的微结构及光学常数进行深入研究有着重要的基础和应用意义。采用X射线衍射技术及动态椭圆偏振光谱技术对在Si基片上直流溅射制备的Al膜的微结构和光学常数进行了研究,以揭示制备工艺条件,退火温度对薄膜微结构及光学常数的影响。1实验制备Al膜的基片采用单面抛光的Si(111)基片,厚度为525

4、±25um。在溅射镀膜前,Si基片经过超声波清洗,烘干后置于干燥缸内备用。用JGP560I型超高真空多功能磁控溅射仪直流溅射方法在Si基片上制备厚度为250nm的Al膜。膜厚由石英晶体振荡膜厚仪监控。镀膜时,基片温度为室温,Al靶材的纯度为99.99%,本底真收稿日期:2004-10-19基金项目:国家自然科学基金资助项目(59972001);安徽省自然科学基金资助项目(01044901);安徽省教育厅科研基金资助项目(2003kj025);安徽省教育厅科研基金资助项目(2004kj030)作者简介:宋学萍(19552),女,安徽凤阳人,安徽大学高级实验师;孙兆奇(19552),男,

5、贵州贵阳人,安徽大学教授,博士生导师.34-4安徽大学学报(自然科学版)第29卷空度为5×10Pa,氩气分压为1Pa,溅射电压为360V,溅射电流为0.18A,功率为65W,薄膜沉积速率约为40nm/min。-3制备好的Si基Al膜在真空烧结炉中进行退火,烧结室真空度为5×10Pa,退火温度分别为100,200,300,400,升温速率为10/min,保温时间为40min。用MACM18XHF型X射线衍射仪对制备的Al膜微结构进行测试分析。采用连续扫描方式,掠0为射角为1,X射线源为Cuk.54056!),电压为40KV,电流为100mA,扫描范围2(波长=13080。5(

6、装置如图1)对薄膜的光学用RAP-I型入射角和波长可变的全自动椭圆偏振光谱仪常数进行测试。高稳定性的75W超静氙灯和HilgerDU560型05m光栅(1200)单色仪产生精度为0.1nm的准单色光,。实验在260-。测量条件:光子测量了所制备的Al膜的椭偏参数、00能量范围为1.5-5eV,.1e,0图1全自动椭偏光谱仪装置原理图结果与讨论2.1薄膜的微结构图2是250nm厚度Al膜在不同退火温度下的X射线衍射谱。图2不同退火温度下的Al膜衍射谱图由图2可知,制备的Al膜经不同温度退火后均呈多晶结构,晶体结构仍为面心立方。在30-0第3期宋学萍,等:退火温度对溅射Al膜微结构及光学常数的影响

7、3580范围内Al膜主要有4个特征峰,峰位分别在2=38.520,44.880,65.200,78.300其密勒指数(002)、(022)、(113)。利用谢乐公式:分别为(111)、(1)cos其中k取0.9,=1.54056!,是峰位的半高宽,为衍射角。由图2和公式(1)可分别计算不同退火温度下Al膜的晶粒度,有关计算结果如表1所示。D=表1Al膜的结构参数与退火温度的关系样品Alfilm-20Alfilm-100Alfilm-200Alfilm-300退火温度()20100200平均晶粒尺寸(nm)晶格常数(!)从表1l。退火温度由20升高到400,薄图3是Al膜在不同退火温度下光学常数

8、n随波长的变化曲线。图3不同退火温度下的Al膜n-曲线图图4不同退火温度下的Al膜k-曲线图从图3中可以知道,在波长26008300!光频范围内,随着退火温度的增加,Al膜的折射率n在6700!以前呈减小趋势,在高端8000!以后有所增加。退火温度为20时,n在0.90351.7241之间,400时,n值在0.80991.7496之间。图4是不同退火温度下Al膜的消光系数k随波长的变化曲线。由图4可见,退火温度对消光系数k的值影响较为明显,在波长26008300!光频范围内,从底端到高端,消光系数k基本上呈线性上升,到7730!以后曲线逐渐变的平缓,且随着退火温度的升高,曲线逐渐下降,k值逐渐

9、减小。在8265!处,k值由20的5.2145,减小到400的4.9475。消光系数的下降,说明Al膜经400退火处理后,形成比较致密的结构、吸收性能较退火前大大减小。3结论(1)不同温度退火后的Al膜均呈多晶结构,晶体结构仍为面心立方,随着退火温度由20升高(2)椭偏光谱测量结果表明:在26008300!光频范围内,Al膜的折射率n变化不明显,在底端36安徽大学学报(自然科学版)第29卷n减少,高端8000!以后有所增加。退火温度对消光系数k的影响较为明显,在波长26008300!光频范围内,消光系数k基本上呈线性上升,7730!以后曲线变的平缓,随着退火温度的升高,k由20的5.2145减小到400的4.9475,且显示出逐渐减小的趋势。参考文献:社,1997.2曲喜新,杨邦朝,姜节俭,张怀武.电子薄膜材料M.北京:科学出版社,1996.3范雄.金属X射线学M.北京:机械工业出版社,1996.4何玉平,吴桂芳,李爱侠,等.不同厚度溅射Ag,2002,22:678-682.5孙兆奇,蔡琪,何玉平,等Cu.(自然科学版),2004,28(2):29.EffectofannealingtemperatureonthemicrostructureandopticalconstantsofAlfilmSONGXue-ping,WANGPe