基底特性对铝膜表面形貌的影响
夏阿根金进生陶向明叶高翔
(浙江大学物理系杭州310028)
InfluenceofSubstrateCharacteristicsonSurfaceMorphologyofAluminumFilms
XiaAgen,JinJinsheng,TaoXiangming,YeGaoxiang
(DepartmentofPhysics,ZhejiangUniversity,Hangzhou,310028)
AbstractThetopandbottomsurfacesofthinaluminumfilmsgrownontopofthesiliconeoilsurfacewerestudiedwithscan2
ningelectronmicroscopy.Wefoundthatthecharacteristicsoftheliquidsubstratecansignificantlyaffectthesurfacemorphologyofthe
aluminumfilms.
KeywordsLiquidsubstrate,Wedge2shapedfilm,Wrinkly,Surfacemorphology
摘要用扫描电子显微镜对沉积在硅油表面的金属铝膜上、下表面的形貌进行了研究,证实了液体基底特性对金属铝膜
表面形貌的重要影响。
关键词液体基底锲形膜皱褶表面形貌
中图分类号:O48411文献标识码:A文章编号:025329748(2000)0620447203
人们对沉积在固体基底表面的金属膜已有了诸
多的研究,并取得了很大的成果\[1～3\]。但是基底特
性对较厚的金属薄膜表面形貌的影响还有很多问题
有待进一步研究,例如对金属膜下表面(即与基底相
接触的膜面)的研究至今尚未见有报道。近几年来,
浙江大学物理系的一个研究小组,率先在液体基底
表面沉积金属薄膜取得成功\[4,5\],它使得系统地研
究金属薄膜下表面的形貌成为可能。本文报道了用
扫描电子显微镜(SEM)对沉积在硅油基底表面的
连续金属铝膜上、下表面形貌的研究结果。实验结
果表明:与固体基底系统的情况类似,沉积在液体基
底表面的连续金属铝膜的上、下表面均呈颗粒状形
貌,但其颗粒大小及分布有很大的不同,从而证明了
基底特性对金属铝膜表面形貌有着十分重要的影
响。另外,还发现采用液体基底沉积金属薄膜的方
法能获得内厚外薄或外厚内薄的楔形圆环状铝膜,
楔形的角度约为10-5～10-4rad,且可由沉积速率
有效地控制。
1实验方法
在洁净的抛光Si(111)基底上,滴上一小滴纯硅
油(dowcopning705diffusionpumpfluid),硅油滴直
径约为1～2mm,该硅油在室温下的蒸气压为10-8
Pa量级。将滴有油滴的硅晶片基底水平地固定在
离蒸发源200mm的上方。蒸发材料是991999%的
纯金属铝片。在室温下,当真空室内的气压降为
4×10-4Pa时,开始蒸发镀膜。薄膜的名义厚度(膜
中心部分的厚度)和沉积速率由晶振膜厚测量装置
控制。
为了研究铝膜上、下两个表面的形貌,采取了一
种特殊的方法把铝膜从硅油表面分离开来。
(1)铝膜下表面把沉积好的样品从真空室中
取出,然后,用一块洁净的抛光Si(111)晶片表面小
心地触碰沉积在硅油表面的铝膜(即膜的上表面),
由于硅油不浸润铝膜,所以铝膜会立即粘附在硅晶
片表面。用丙酮清洗铝膜表面残余的硅油后,露出
了铝膜的下表面(即与硅油相接触的铝膜面)。
收稿日期:2000203213
基金项目:国家自然科学基金资助项目(19874016)和浙江省青年人才基金资助项目(19972RC9603)
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第20卷第6期
2000年11月
真空科学与技术
VACUUMSCIENCEANDTECHNOLOGY(CHINA)
(2)铝膜上表面在一块洁净玻璃片上滴一滴
硅油,用此硅油滴小心地去触碰沉积在硅油表面的
铝膜(即膜的上表面),铝膜会由于触碰而变成许多
铝膜碎片,部分铝膜碎片会吸附在玻璃表面的硅油
滴上。然后用方法(1)再将铝膜粘在硅晶片上,用丙
酮洗去硅油后,就露出了铝膜原来的上表面。脱膜
后立即对样品的上、下表面进行SEM形貌测试。
2实验结果与讨论
211近中心部分的铝膜形貌
沉积速率为0105nm/s,名义厚度为30nm的
铝膜中心部分上、下表面形貌照片分别如图1(a),
(b)所示。从图中可以清楚地看到:铝膜的上、下表
面均呈颗粒状结构,上表面的颗粒平均直径约为20
～30nm,且表面显得较为平整致密;下表面的颗粒
较大,平均直径约为30～50nm,而且表面较为粗糙
疏松。
(a)(b)
图1(a)颗粒状铝膜上表面形貌;
(b)颗粒状铝膜下表面形貌
Fig11(a)ThemorphologyofthetopsurfaceoftheA1
granularfilm;(b)Themorphologyofthebottom
surfaceoftheAlgranularfilm
图1(b)所示的铝膜下表面形貌,反映了液体基
底对薄膜微结构的影响。由于液体基底具有流动
性,表面应力小,所以铝原子在硅油表面的扩散和凝
聚行为所受的束缚势能较小,最后可凝聚成自由能
较小的大颗粒结构的铝膜,其表面的粗糙度也较大。
图1(a)所示的铝膜上表面形貌,是在铝膜下表面的
基础上由沉积铝原子扩散、凝聚生长而成的。由于
受下表面的隔离作用,并受到颗粒状下表面的应力
影响,硅油的流动性和弱表面势特点对沉积铝原子
的扩散和凝聚行为影响减弱。因此,与下表面相比,
上表面形成的颗粒较小且比较均匀,形貌的平整度
较好。由此可推断,随着薄膜名义厚度的不断增加,
对后来沉积的铝原子来说,液体基底特性对沉积铝
原子成膜行为的影响将逐渐减小,当铝膜到达一定
厚度时,上表面的形貌将接近于传统固体基底表面
沉积的铝膜表面形貌。
212铝膜边缘部分的形貌
脱膜到洁净硅晶片表面的铝膜边缘部分形貌与
上节所描写的中间部分的形貌有很大差别。
如图2所示,在硅晶片基底表面滴有硅油的半
径为r1(1～2mm)的圆内,由于蒸镀前后均被硅油
滴所覆盖,因此不存在铝膜。蒸镀开始以后,由于受
蒸发源的热辐射和铝原子的撞击,硅油滴整体和表
面局域温度升高,从而使油滴发生热膨胀且表面张
力减小,流动性增大,因此油滴沿半径方向缓慢扩
散,蒸镀结束时半径已扩大至r2,于是,蒸镀前、后
油滴半径扩大了Δr(Δr=r2-r1)。由于硅油扩散
所到之处会阻挡铝原子继续沉积到硅晶片基底表
面,因此,在Δr范围内由里到外铝膜的厚度从零逐
渐增加至名义厚度,从而在硅晶片基底表面形成了
一个宽度为Δr内薄外厚的楔形圆环状铝膜,如图2
所示,其中(b)为四分之一部分。据图中的几何尺寸
及膜厚值,可求得楔形角度约为10-5～10-4rad。
实验发现,此楔形角度随沉积速率的增大而增大,因
此,可由沉积条件有效地控制该楔形膜的斜率。图
2(a)中沉积速率为0105nm/s,外缘膜厚为30nm。
(b)中沉积速率为013nm/s,外缘膜厚为30nm。
(a)(b)
图2硅晶片基底表面的楔形圆环状铝膜
Fig12TheringlikeAlfilmwiththewedgestructure
onthesiliconwafersubstrate
同理,由于硅油滴扩散的原因,沉积在硅油表
面的铝膜边缘附近也有一个与硅晶片基底上的圆环
相对应的内厚外薄的楔形圆环状铝膜。从SEM照
片(见图3,沉积速率为0105nm/s,名义厚度为30
nm)中发现,生长在硅油表面的铝膜边缘的内厚外
薄楔形圆环状铝膜下表面具有皱褶形貌,实验发现
这些皱褶条纹沿等厚线形成同心圆,皱褶与皱褶之
间的距离约为011～10.0μm。
可以认为上述皱褶现象是薄膜自由能极小原理
所致。沉积在油滴表面的铝膜的边缘部分,由于油
滴的扩散行为,其厚度小于名义厚度,且越近边缘,
厚度值越小。已经证明:对于自由薄膜而言,皱褶形
844真空科学与技术第20卷
(a)(b)
图3沉积在硅油表面的楔形圆环状铝膜的
下表面的皱褶形貌
Fig13Thewrinklymorphologyofthebottomsurface
neartheedgeoftheringlikeAlfilmdeposited
onthesiliconoilsurface
膜比平坦膜的自由能更低\[6\]。当薄膜与液体基底
之间的相互作用很弱时,薄膜的形状必然会自动趋
向于低自由能结构。因此,较薄的铝膜边缘会沿其
等厚线收缩成比平坦铝膜能量更低的皱褶状,形成
了既有楔形的特点又有皱褶结构的特征圆环状铝
膜。然而,对生长在硅晶片基底上的楔形膜表面(见
图2)却没有发现这种皱褶现象,其原因是由于硅晶
片基底表面与铝膜之间具有较强的作用力,以至于
铝膜无法收缩而减小其自由能。
3结论
(1)用热蒸镀方法在硅油表面能生长出连续金
属铝膜。当铝膜厚度较小时,液体基底特性对铝膜
表面形貌有明显的影响,并随着膜厚的增加,液体基
底特性对薄膜上表面结构的影响逐渐消失。
(2)由于蒸发源的热辐射以及沉积原子的轰击
作用,致使硅油基底在沉积过程中逐渐膨胀,从而在
硅晶片基底和硅油表面分别形成了内薄外厚和内厚
外薄特征的楔形圆环状膜,楔形角可由沉积条件有
效控制。
(3)由于基底和薄膜之间的应力作用,液体基底
表面的楔形圆环状铝膜呈皱褶结构,而在硅晶片基
底表面的楔形圆环状铝膜无皱褶现象。
参考文献
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(上接第433页)
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944第6期夏阿根等:基底特性对铝膜表面形貌的影响
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