织构CVD金刚石附着膜残余应力分析_李晓伟

织构C VD金刚石附着膜残余应力分析*

李晓伟1,2**,李翠平1,杨保和2

(1.天津大学电子信息工程学院,天津,300072;2.天津理工大学电信学院,薄膜电子与通信器件天津市重点实验室,天津300384)

摘要:利用微波等离子体化学气相沉积(CVD)方法,在(100)P型Si衬底上沉积得到{110}织构金刚石膜样品,并对其作退火处理。拉曼光谱和高角度X射线衍射(XRD)线型测试结果表明:{110}织构金刚石膜由于晶粒排布的有序程度提高,本征张应力较小,样品内残余应力与其热应力状态一样,均表现为压应力,且随膜的增厚,残余压应力绝对值变大,呈现随厚度的梯度分布;400e退火3h后,膜内残余应力状态发生改变,说明退火处理可以有效调整膜内残余应力。

关键词:化学气相沉积(CVD)金刚石膜;残余应力;织构;拉曼光谱;X射线;退火

中图分类号:O484文献标识码:A文章编号:1005-0086(2009)07-0901-04

R esid u al stress in textu red C VD d iamond attach ed film

LI Xiao-wei1,2**,LI Cu-i ping1,YANG Bao-he2

(1.School of Electronic and Information Eng ineering,T ianjin University,T ianjin,300072,China; 2.Schoo l of Elec-troni cs Information Engineering,T ianjin Key Laboratory for Film Electronic and Communication Device,T ianjin U-niversity of Technology,T ianjin300384,China)

Ab st ract:Diamond films with{110}t exture were de posit e d on(100)p-Si substrate under5000W by microwave plasma CVD,annealing process was adopted t o adjust residual stre ss in film.Key findings through Raman spectroscopy and high angle X-ray line shape show that the intrinsic tensile stress in all specimens is very small due to t he inc rease of t he order of grain distribution.Also,it can be found that residual stress exhibits compressive,smiliar with the state of its thermal stress.Furt her,absolute value of residual compressive stress increases with the incre ased thickness of films,exhibit s gradient distribu-t ion.After annealing of thre e hours under400e,the state of re sidual stress c hanges,from c ompressive stress to tensile stress,whic h proves annealing process is a prope r choic e t o eliminate residual stre ss. Ke y wor ds:chemical vapor de posit e d(CVD)diamond film;residual stress;texture;Raman spectrosco-py;X-ray;annealing

1引言

残余应力在化学气相沉积(CVD)金刚石膜内普遍存在[1],限制了CVD金刚石膜的性能发挥,约束了其应用,因此,了解和分析金刚石膜内残余应力状态及其影响因素并作相应的消除应力处理,显得格外重要。Ferreira等[2]利用X射线sin27法和拉曼光谱法分析了热丝CVD金刚石膜内的残余应力分布;Jeong等[3]基于弹性薄片弯曲理论建立了内应力的分析模型;Vila等[4]从工艺角度讨论了减小纳晶金刚石膜内残余应力的方案。

本文利用微波等离子体CVD技术,在镜面抛光(100)P型Si衬底上制备出{110}织构金刚石薄膜,通过对残余应力的测试分析,考察了织构金刚石膜内残余应力状态及膜厚对应力的影响,同时经过退火对样品内残余应力进行调整处理。

2实验

金刚石膜样品利用微波等离子体CVD系统(AX6350型)沉积得到,微波源频率2.45GHz。

基底为直径为5cm、厚度为5mm的镜面抛光(100)P型Si,沉膜前用5L m金刚石粉研磨30min,并用去离子水超声20 min,然后烘干。微波功率选择5000W,沉积气压为1.5@104 Pa。H2、CH4和O2流量比为532B60B9,在沉积时间4.5、9.5

光电子#激光

第20卷第7期2009年7月Journal of Optoelectronics#Laser V ol.20N o.7Jul.2009

¹收稿日期:2009-04-14修订日期:2009-04-22

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(60576011),天津市重点实验室资助项目(06TXTJJ C14701),天津市高等学校科技发展基金资助项目(20050519)

**E-m ail:lxw01@

h 下分别制备样品1和样品2。根据重量密度计算[5]

,样品1膜厚为17L m,样品2膜厚为58L m 。

为尝试调整残余应力,随后对样品1作退火处理,退火条件为:真空气氛,温度为400e ,保温3h,然后缓冷操作。

3 结果与讨论

3.1 常规X RD 测试

为确定样品为金刚石相,首先进行常规X 射线衍射(XRD)测试,结果如图1

所示。

图1 样品的X RD 谱线F ig.1 XR D o f sam ples

由测试结果可以看出,样品均为{110}织构金刚石膜,可以用XRD 的衍射强度比I (220)/I (111)来表征其织构度R (110),计算公式为

R (110)=I (220)

I (111)

-25%I (220)I (111)

@100%(1)

计算结果见表1。可以看出,样品2的{110}织构度高于样品1。这可以归因于金刚石膜的竞争性生长机制,在自下向上生长过程中,当形核完成后,随着膜的增厚,择优取向的晶粒将比其他晶粒生长得更快,并最终使其他晶粒停止生长[6]。

表1 样品各取向的XR D 峰强度及织构度T ab.1 X RD intensity and texture of sa mples

Samples I (111)/%I (220)/%R (110)/%Standard 100.025.00.0Sample 1100.0264.690.6Sample 2

100.0

304

91.8

3.2 残余应力测试

残余应力的形成来源主要有两个:

1)由于金刚石膜与Si 基底材料的膨胀系数失配,在高温制备完毕并冷却到室温后产生的热应力。由于金刚石膜的热膨胀系数比Si 基体材料的热膨胀系数小,在用CVD 方法高温制备完毕、冷却收缩的过程中金刚石膜表现为受压应力,Si 基体受张应力。

2)在金刚石膜生长过程中本身结构和缺陷所决定的本征应力。薄膜的生长过程中存在高的晶粒边界密度、空隙和sp 2C [7]

,/多孔0的微结构和大的内表面面积可引发边界驰豫,

表现为张力性质;同时,在CVD 金刚石薄膜沉积过程中,基底温度的升高(降低)和C 源浓度的降低(升高),使得薄膜中非金

刚石C 、H 等杂质浓度降低(升高)[8]

,而杂质的存在会产生压应力,因此本征应力更为复杂。

热压应力和本征应力二者竞争的结果综合表现为膜内总残余应力。测定残余应力的方法很多,如拉曼光谱法、超声波

法、小孔松弛法和X 射线法等[9]

。考虑到各方法均有其局限性且本文样品为织构金刚石薄膜,因此选择拉曼光谱、高角度XRD 线型分析两种方法。3.2.1 拉曼光谱测试

在金刚石拉曼光谱中,位于1332c m -1处的一级拉曼峰是典型的金刚石晶体结构特征峰。由图2可以看出,由于金刚石膜比较薄,光谱图中出现较强的520cm -1附近Si 相峰。而在

1500~1620cm -1

内未出现明显的石墨相峰,表明制备的金刚石膜样品品质较好,只在1332cm -1附近出现金刚石相的特征峰。但是,由于内部的残余应力作用,特征峰发生偏移,样品1的特征峰为1334.14c m -1,样品2的特征峰为1334.54cm -1,均向高频带移动,说明样品内均存在压应力,且样品1的压应力绝对值小于样品2

。

图2 样品的拉曼光谱F ig .2 R am an spectrum of sa mples

3.2.2 高角度X 射线线型测试 布拉格衍射方程表示为 2d sin =n K (2)式中:d 为晶面间距; 为布拉格角;K 为测试波长;n 为衍射级数。

如果样品中存在拉应力,面间距d 将增加,2 变小,峰位向

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光电子#激光 2009年 第20卷