濺鍍薄膜機械性質與殘留應力分析.PDF

中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會論文集 中原大學 桃園、中壢 中華民國九十六年十一月二十三日、二十四日 論文編號 : C09-0014 濺鍍薄膜機械性質與殘留應力分析 張瑞慶 1 董雅清 2 1聖約翰科技大學機械與電腦輔助工程系教授 2聖約翰科技大學自動化及機電整合研究所研究生 國科會計畫編號： NSC95-2221-E-129-008-MY2 在傳統的X 光繞射儀量測，都是採用對稱性的布 摘要 拉格繞射法(symmetric Bragg diffraction) ，入射光與反 濺鍍薄膜因性能優異且品質穩定而廣泛應用於 射光是相對稱，即兩者與試片表面的夾角相同，因 X 各種產業，近年來已發展成為極為重要的製造技術。 光對材料的量測深度與sin θ/μ成正比，公式中θ為光 然而薄膜極易因在沉積過程所累積的殘留應力，而影 源入射角， μ為材料之線吸收係數[3] 。對大部分的材 響其性能。本研究使用射頻磁控濺鍍機在矽晶圓 料而言，1/μ值遠大於薄膜的厚度，在這種情況下量 ( 100 )濺鍍上鎳 (Ni) 薄膜，其膜厚分別為90 nm 、180 測到的繞射訊號，薄膜僅佔有很低的比例，甚至會被 nm 、270 nm 。再使用Ｘ光繞射儀(X-Ray Diffraction ， 基材散射產生的背景輻射所遮蔽，所以無法明確的辨 XRD) 探討不同溫度下之薄膜之優選取向、晶體結 識。因此，量測薄膜的結構，為了能獲得較佳的量測 構。其次，利用表面輪廓儀分析薄膜的殘留應力，最 結果，則必須改進傳統的布拉格繞射測試方法，利用 後再以奈米壓痕法量測不同厚度薄膜的機械性質。由 低掠角 X 光繞射法(Grazing Incident X-ray Diffraction, 結果顯示，薄膜愈厚，則其殘留應力值就愈大，且硬 GIXD) ，由於可以明顯地增強薄膜的繞射訊號，近年 度與揚氏係數會因殘留應力之大小而改變，如殘留應 來廣泛地運用在薄膜分析上。 力越小，其硬度及揚氏係數也會變小，反之，殘留應 力越大，硬度與揚氏係數也隨之增大。 2. 布拉格定律原理 當一材料受到應力 (stress,σ時，其所對應的彈性) 關鍵字：低掠角 X 光繞射法、射頻磁控濺鍍、晶體結 應變 (strain,ε)將材料之晶體結構中原子排列之晶格間 構、殘留應力、薄膜 距 d ，有所改變。經由X 光繞射之布拉格定律 1. 前言