鈧含量與熱處理對Al-Sc薄膜微結構與表面型態之影響

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盧俊傑(Chun-Chieh Lu) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

鈧含量與熱處理對Al-Sc薄膜微結構與表面型態之影響
(Effects of Sc Contents and Heat Treatment on Microstructure and Surface Morphology of Al-Sc alloy films)

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摘要(中)

鋁薄膜具有許多優異之特性，因此在半導體工業上廣泛應用於金屬導線的材料，但鋁薄膜在高溫環境下極易產生表面突起(hillock)，此表面突起容易造成金屬導線短路；在光學反射層上，亦因表面突起的形成，致使反射率降低。
Sc元素加入純鋁或鋁合金中，可使合金明顯產生晶粒細化及提高再結晶溫度。基於Al-Sc合金的特性，本實驗設計純鋁及不同Sc含量之三種薄膜，分別為99.99％純鋁、Al-0.2wt.％Sc及Al-0.4wt.％Sc，在200-500℃之溫度下，施以1hr之退火處理，並以穿透式電子顯微鏡(TEM)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、熱壓應力量測及電阻率量測，探討純鋁及Al-Sc薄膜於剛沈積(as-deposited)狀態與不同退火溫度下的微結構及表面形態之變化。
實驗結果顯示，於剛沈積(as-deposited)狀態下，純鋁薄膜已存在大量表面突起；Al-Sc薄膜則因細晶強化之故，可抑制表面突起之形成，且抑制之效果隨薄膜中Sc含量增加而增加。於退火狀態下，純鋁及Al-Sc薄膜因熱壓應力的累積，致使新表面突起的形成，且形成突起之退火溫度隨薄膜中Sc含量增加而增高。純鋁薄膜於300℃以上之溫度退火，由於再結晶的發生，致使電阻率降低；Al-Sc薄膜於300℃以上之溫度退火，因Al3Sc相析出及晶粒輕微成長，電阻率降低至與純鋁薄膜相近。

關鍵字(中)

★ 退火處理
★ 突起
★ 鋁薄膜
★ Sc含量

關鍵字(英)

★ Sc content
★ Al alloy films
★ hillock
★ annealing

論文目次

總目錄
摘要................................................. I
總目錄............................................... Ⅱ
圖目錄............................................... Ⅳ
表目錄............................................... Ⅵ
一、前言............................................. 1
1.1 鋁合金薄膜簡介............................... 1
1.2 鋁薄膜表面突起之探討......................... 2
1.2.1 鋁薄膜突起之原因......................... 2
1.2.2 鋁薄膜突起微結構及形態之探討............. 3
1.3 合金元素對鋁薄膜突起的影響................... 4
1.4 基材溫度及沈積率對鋁薄膜突起的影響........... 7
1.5 Al-Sc合金之介紹............................. 8
1.6 研究背景與目的............................... 9
二、實驗方法與步驟.................................... 10
2.1 薄膜製作..................................... 11
2.1.1 靶材及基材............................... 11
2.1.2 薄膜沈積................................. 11
2.1.3 薄膜熱處理............................... 12
2.2 微結構分析................................... 12
2.2.1 掃描式電子顯微鏡(SEM).................... 12
2.2.2 穿透式電子顯微鏡(TEM).................... 12
2.2.3 原子力顯微鏡(AFM)........................ 12
2.3 物性分析..................................... 13
2.3.1 電阻率量測............................. 13
2.3.2 熱壓應力量測............................. 14
三、結果與討論....................................... 16
3.1 微結構及表面形態分析......................... 16
3.1.1 膜厚與沈積率測定......................... 16
3.1.2 鋁薄膜於剛沈積(as-deposited)之微結構與表面形
態....................................... 18
3.1.3 鋁薄膜於退火處理之微結構................. 23
3.1.4 鋁薄膜於退火處理之表面形態............... 28
3.2 物性量測..................................... 35
3.2.1 電阻率量測............................... 35
四、結論.............................................. 38
伍、參考資料.......................................... 39
圖目錄
圖1.1 雙層金屬導線之積體電路截面結構.............. 1
圖1.2 純鋁薄膜之應力-退火溫度曲線................. 3
圖1.3 薄膜晶粒大小與突起型態之關係................ 4
圖1.4 Nd含量與突起密度之關係...................... 6
圖1.5 不同退火溫度下，Nd含量與電阻力之關係........ 7
圖1.6 基材溫度與沈積率對突起密度之關係............ 8
圖1.7 鋁-過渡元素之再結晶溫度對過渡元素含量比較圖 9
圖2.1 實驗流程圖.................................. 10
圖2.2 四點探針示意圖.............................. 13
圖2.3 曲率量測之系統架構圖........................ 15
圖2.4 曲率量測之光學原理簡圖...................... 15
圖3.1 濺鍍90分鐘之薄膜橫截面..................... 16
圖3.2 薄膜厚度與鍍膜時間之影響.................... 17
圖3.3 退火溫度與薄膜應力之影響.................... 20
圖3.4 鋁薄膜於剛沈積(as-deposited)之TEM微結構與
SEM表面形態影像圖........................... 21
圖3.5 鋁薄膜於剛沈積(as-deposited)之AFM表面形態影
像圖........................................ 22
圖3.6 純鋁薄膜於不同退火溫度下持溫1hr之微結構.... 25
圖3.7 Al-0.2Sc薄膜於不同退火溫度下持溫1hr之微結構 26
圖3.8 Al-0.4Sc薄膜於不同退火溫度下持溫1hr之微結構 27
圖3.9 純鋁薄膜於不同退火溫度下持溫1hr之SEM表面形
態影像圖.................................... 29
圖3.10 Al-0.2Sc薄膜於不同退火溫度下持溫1hr之SEM表
面形態影像圖................................ 30
圖3.11 Al-0.4Sc薄膜於不同退火溫度下持溫1hr之SEM表
面形態影像圖................................ 31
圖3.12 純鋁薄膜於不同退火溫度下持溫1hr之AFM表面形
態影像圖.................................... 32
圖3.13 Al-0.2Sc薄膜於不同退火溫度下持溫1hr之AFM表
面形態影像圖................................ 33
圖3.14 Al-0.4Sc薄膜於不同退火溫度下持溫1hr之AFM表
面形態影像圖................................ 34
圖3.15 退火溫度與薄膜電阻率之影響.................. 37
表目錄
表2.1 實驗用之Al-Sc薄膜成份....................... 11
表3.1 不同薄膜之膜厚及沈積率....................... 17
表3.2 不同薄膜於剛沈積(as-deposited)與退火處理之平
均晶粒大小................................... 20
表3.3 不同薄膜經退火處理之電阻率的變化............. 37

參考文獻

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指導教授

李勝隆(Sheng-Long Lee)

審核日期

2004-7-9

推文