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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研究生：	盧俊傑 Chun-Chieh Lu
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
指導教授：	李勝隆 Sheng-Long Lee
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 機械工程學系 Department of Mechanical Engineering
畢業學年度：	92
語文別：	中文
論文頁數：	42
中文關鍵詞：	退火處理、突起、鋁薄膜、Sc含量
外文關鍵詞：	Sc content, Al alloy films, hillock, annealing
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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。

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

                                

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