磁控濺射制備氮化鉭導(dǎo)電薄膜及其性能研究

梁軍生,陳 亮,王金鵬,張朝陽,王大志

(1.大連理工大學(xué) 微納米技術(shù)及系統(tǒng)遼寧省重點實驗室,遼寧 大連 116023;2.大連理工大學(xué)精密與特種加工技術(shù)教育部重點實驗室,遼寧 大連 116023)

隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展,推進系統(tǒng)的性能測試變得越來越重要,尤其是發(fā)動機渦輪葉片的相關(guān)測試。渦輪葉片作為航空發(fā)動機最核心的部件,其工作環(huán)境十分惡劣,要經(jīng)常承受交變載荷。大量數(shù)據(jù)表明,葉片多為在離心應(yīng)力作用下疊加振動應(yīng)力導(dǎo)致的多軸疲勞失效[1-3]。渦輪葉片一旦出現(xiàn)斷裂失效,后果非常嚴重。因此,有必要對渦輪葉片進行相關(guān)應(yīng)力測試。渦輪葉片工作在超高溫的惡劣環(huán)境下,常規(guī)金屬材料無法適應(yīng)超高溫的工作環(huán)境,因此對測試的傳感器也提出了巨大挑戰(zhàn)[4-5]。超高溫應(yīng)變傳感器必須具備耐高溫、厚度小、對測試環(huán)境干擾小等特點[6],這就對超高溫應(yīng)變傳感器的制作材料提出了較高的要求。氮化鉭使用溫度可達3090℃,涵蓋了當今航空發(fā)動機使用的全部溫度范圍。此外,氮化鉭薄膜具有電阻溫度系數(shù)可調(diào)范圍廣、靈敏度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕性優(yōu)良等特點[7-9],是制備超高溫薄膜應(yīng)力傳感器的理想材料。氮化鉭薄膜的制備方法眾多,包括原子層沉積(ALD)[10-11]、化學(xué)氣相沉積 (CVD)[12]、電子束蒸發(fā) (EBE)[13]以及磁控濺射[14]等技術(shù)。其中,磁控濺射技術(shù)制備的薄膜和基底結(jié)合性好,厚度可控性高,因而應(yīng)用廣泛。Michaela等[15]采用磁控濺射制備了氮化鉭薄膜,并研究了熱處理對氮化鉭薄膜表面形貌和內(nèi)部應(yīng)力的影響。結(jié)果表明,熱處理會使薄膜表面生成Ta2O5,增大薄膜表面粗糙度,但是對內(nèi)部應(yīng)力的影響沒有明顯規(guī)律。Firouzabadi等[16]研究了氮分壓對薄膜硬度和彈性模量的影響。隨著氮分壓的增大,氮化鉭薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變,硬度和彈性模量不斷減小。氮化鉭具有非常復(fù)雜的穩(wěn)定相,包括體心立方TaN、密排六方Ta2N、面心立方TaN、六角TaN、六角Ta5N6、四方Ta4N5以及斜方Ta3N5等眾多不同物相結(jié)構(gòu)[17-18],且不同結(jié)構(gòu)的氮化鉭微觀結(jié)構(gòu)和電性能差異較大。由于影響氮化鉭薄膜性能的工藝參數(shù)眾多,難以制備適用于超高溫傳感器的氮化鉭薄膜。

本文研究了氮分壓對氮化鉭薄膜結(jié)構(gòu)、表面形貌和電阻率的影響,并通過高溫熱處理,有效提升了氮化鉭薄膜的電阻率,制備了均勻致密的高電阻率氮化鉭薄膜。

1 實驗

1.1 薄膜制備

本文以硅片為基底,制備了氮化鉭薄膜。基底依次采用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗,然后用氮氣吹干。實驗設(shè)備采用美國Kurt J.Lesker公司的LAB-18薄膜沉積系統(tǒng),靶材為99.99%Ta,采用直流磁控反應(yīng)濺射制備氮化鉭薄膜。表1為直流磁控反應(yīng)濺射制備氮化鉭薄膜的參數(shù)。其中,氮分壓(氮氣體積流量/氮氣和氬氣體積流量總和)控制在2%～6%的范圍內(nèi)。

為了研究高溫熱處理對薄膜電阻率的影響,將不同氮分壓下制備好的薄膜在500℃下熱處理4 h,并測試其電阻率。

1.2 薄膜測試與表征

采用荷蘭Empyrean X射線衍射儀測試了氮化鉭薄膜物相結(jié)構(gòu),所用輻射為CoKα,掠射角為1.4°, 掃描范圍為 30°～90°, 步長 0.05°。 采用美國吉時利公司的半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng)和Micromanipulator公司的三維手動探針臺,利用四探針原理,測試了薄膜的電阻率。薄膜厚度由表面輪廓儀測得。采用德國蔡司SUPARR 55場發(fā)射掃描電鏡觀測了薄膜表面形貌及斷面圖。

表1 直流磁控反應(yīng)濺射制備氮化鉭薄膜參數(shù)Tab.1 The process parameters of DC magnetron reaction sputtering

2 結(jié)果與討論

2.1 薄膜表面形貌

圖1為氮化鉭薄膜SEM照片。從圖1(a)可以看出,通過直流磁控反應(yīng)濺射制備的氮化鉭薄膜表面光滑,晶粒細小,且非常均勻。圖1(b)可以看出,在使用場發(fā)射掃描電鏡放大50 k倍的情況下,依然看不出任何缺陷,證明氮化鉭薄膜結(jié)構(gòu)非常致密。另一方面,直流磁控反應(yīng)濺射制備的氮化鉭薄膜與硅基底結(jié)合處沒有任何小孔或裂紋,結(jié)合非常緊密。

圖1 氮化鉭薄膜SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of TaN film

2.2 氮分壓對濺射速率和薄膜粗糙度的影響

圖2為不同氮分壓下磁控反應(yīng)濺射速率。可以看出,隨著氮分壓的增大,反應(yīng)濺射速率逐漸減小。在磁控反應(yīng)濺射過程中,功率保持為200 W不變,氣體體積流量為50 mL/min。當?shù)謮涸龃髸r,氬氣含量將會減少,從而導(dǎo)致在單位時間內(nèi)轟擊Ta靶的Ar+粒子減少,進一步降低了沉積到基底上Ta原子的數(shù)量。另一方面,由于在反應(yīng)濺射的過程中,基底始終保持在550℃,從而使整個腔室處在高溫環(huán)境中,促進了氮氣直接與Ta靶反應(yīng)。當?shù)謮涸龃?將會有更多的氮原子和Ta靶反應(yīng),導(dǎo)致靶材中毒,進一步抑制了薄膜的沉積速率。

圖3為不同氮分壓下氮化鉭薄膜的粗糙度。從圖3可以看出,在2%～6%氮分壓范圍內(nèi),隨著氮分壓的增大,薄膜粗糙度逐漸降低。隨著氮分壓的增大,Ta原子移動速度降低,這將會減小沉積到基底上的氮化鉭的晶粒尺寸,從而使薄膜粗糙度有所降低[19]。

圖2 不同氮分壓下磁控反應(yīng)濺射速率Fig.2 The sputtering rates of magnetron reaction under different N2 partial pressures

圖3 不同氮分壓下氮化鉭薄膜粗糙度Fig.3 The roughnesses of tantalum nitride thin film under different N2partial pressures

2.3 氮分壓對薄膜結(jié)構(gòu)及電性能的影響

圖4為不同氮分壓下氮化鉭薄膜X射線衍射譜。在不同的氮分壓下,始終保持反應(yīng)濺射功率為200 W,基底溫度550℃,真空度2.67×10-4Pa,總體氣壓9.68×10-1Pa。從圖4可以看出,隨著氮分壓的增大,薄膜逐漸向富氮相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。在2%氮分壓下,薄膜結(jié)構(gòu)為TaN0.1。當?shù)謮禾岣叩?%時,薄膜結(jié)構(gòu)為Ta2N。而當?shù)謮簽?%～6%時,薄膜結(jié)構(gòu)則完全從Ta2N轉(zhuǎn)化為TaN的單一結(jié)構(gòu)。

本文采用半導(dǎo)體參數(shù)測試系統(tǒng),測試了不同氮分壓下制備的氮化鉭薄膜電阻率。為了研究熱處理對氮化鉭薄膜電性能的影響,將薄膜置于真空烘箱中,在500℃熱處理4 h,并測試了熱處理后薄膜的電阻率。圖5為不同氮分壓下制備的氮化鉭薄膜在熱處理前后的電阻率變化圖。從圖5可以看出,隨著氮分壓增大,薄膜電阻率逐步增加。當?shù)謮簽?%時,薄膜電阻率為80×10-6Ω·cm。當?shù)謮荷?%時,薄膜電阻率也相應(yīng)增加到190×10-6Ω·cm。而當?shù)謮禾岣叩?%時,電阻率進一步提升至433×10-6Ω·cm。在氮分壓增大的過程中,薄膜成分逐漸向電阻率較高的富氮相過渡,因而薄膜電阻率也不斷提高。

經(jīng)過一定時間的真空熱處理后,不同氮分壓下薄膜電阻率均有一定程度的提高。在2%氮分壓時,薄膜電阻率為120×10-6Ω·cm。氮分壓為3%時,薄膜電阻率為257×10-6Ω·cm,而當?shù)謮禾嵘?%時,電阻率也相應(yīng)地增加到了647×10-6Ω·cm。這可能是由于真空烘箱真空度不高,在高溫熱處理的過程中,氮化鉭薄膜表面被氧化,從而使薄膜電阻率有所提高。這一點在之前的研究中也提到過[20-21]。

圖4 不同氮分壓下薄膜XRD譜Fig.4 XRD patterns of the TaN film prepared at different N2partial pressures

圖5 熱處理前后薄膜電阻率Fig.5 Film resistivities before and after heat treatment

3 結(jié)論

本文分別在硅基底上采用直流磁控反應(yīng)濺射制備了均勻致密的氮化鉭薄膜。通過控制氮分壓,研究了氮分壓對氮化鉭薄膜物相結(jié)構(gòu)的影響。采用四探針法測試了薄膜電阻率,研究了不同物相結(jié)構(gòu)氮化鉭薄膜的電阻率。將制備好的薄膜進行了真空熱處理,結(jié)果表明,熱處理后的薄膜電阻率從(80～433)×10-6Ω·cm提升到了(120～647)×10-6Ω·cm。