苏州科技学院本科生毕业论文课题名称：镍薄膜制备与性能研究院系名称：数理学院班级：应物1122班学号：**********学生姓名：***指导教师：***2015 年 5 月镍薄膜制备与性能研究摘要本文使用磁控溅射设备在n型硅基片上制备镍薄膜，研究不同工作气压（1Pa、1,5Pa、2Pa）对辉光放电、薄膜生长速率以及薄膜表面形貌与粗糙度的影响。
结果表明，工作气压的变化对镍薄膜生长速率影响较大，1Pa工作气压条件下，镍薄膜生长速率较快，2Pa次之。
使用低压化学气相沉积设备对镍薄膜样品进行退火处理，分析样品经退火处理后各项特性的改变。
实验结果分析表明，样品经退火后表面形貌改变较大，变得更加粗糙。
样品经退火后各项特性的改变不仅与退火温度有关与薄膜厚度也有关系。
关键词磁控溅射；镍薄膜；表面形貌；粗糙度；退火The preparation and characterization of nickel thinfilmAbstractIn this paper, nickel thin film was produced onto n-type Si substrates by megnetron sputtering device, and the influence on glow discharge, growth rate, surface topography and roughness caused by different working air pressure(1Pa, 1,5Pa, 2Pa) has been investigated. The result turns out that the change of working air pressure has a great influence on the growth rate of nickel film. Under the working pressure of 1Pa, the growth rate of Ni film is faster, then 2Pa. Samples were annealed by using LPCVD device, and changes on functional characteristics of samples after annealing have been analyzed. The experimental result shows that the surface topography of samples have been changed significantly and the roughness has become larger after annealing. The characteristics of the sample after annealing are not only related to the annealing temperature but also to the thickness of the film.Key words magnetron sputtering; nickel thin film; surface topography; roughness; anneal目录第1章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 Si的基本性质 (2)1.3 Ni的基本性质 (2)第2章实验仪器介绍及原理说明 (3)2.1 磁控溅射设备 (3)2.1.1 溅射镀膜设计原理 (3)2.1.2 磁控溅射 (4)2.2 LPCVD设备 (4)2.3 探针式表面轮廓仪 (5)2.4 原子力显微镜 (6)2.6 半导体分析系统 (7)2.7 金相显微镜 (7)第3章金属与半导体接触 (8)3.1 金半接触 (8)3.2 金属硅化物 (8)第4章实验 (9)4.1 实验目的 (9)4.2 实验设备以及材料 (9)4.3 实验内容 (9)4.3.1 基片前处理 (9)4.3.2 薄膜的制备 (10)4.3.3 退火处理 (11)第5章实验结果及分析 (12)5.1 不同工作气压下辉光的区别 (12)5.2 不同工作气压对薄膜生长速率的影响 (13)5.3 薄膜表面形貌与粗糙度分析 (16)5.3.1 不同工作气压下薄膜的表面形貌与粗糙度 (17)5.3.1 退火处理对薄膜表面的影响 (22)5.4 退火处理对样品U-I特性的影响 (24)结论 (26)致谢 (27)参考文献 (28)附录A 译文 (29)附录B 外文原文 (35)第1章绪论1.1 引言目前，随着半导体和微电子行业的蓬勃发展，薄膜科技与技术愈来愈受到人们的关注。
薄膜技术是半导体技术中十分重要的一部分，可以说薄膜技术及工艺的发展对半导体器件和微电子行业的发展起到了极其重要的推动作用。
膜最大的特点就是其厚度一维线性尺度远远小于其他二维尺度。
通常，薄膜（thin film）的厚度小于1μm，而厚度大于1μm的则为厚膜；因为薄膜在厚度这一特定尺寸上十分微小，只可以通过微观测量，并且在厚度方向上由于存在界面，从而使得界面处的物质处于非连续性状态，使得薄膜材料拥有块状材料所不具有的特殊性能[1]。
薄膜的制备方法很多，如氧化法、电镀法、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等等，而且每一种制备方法又可以分成若干种[2]。
金属薄膜通常利用物理气相沉积法（PVD）制备。
金属镍薄膜具有良好的导电性，耐腐蚀性好、可塑性好，在微电子产业中有着十分广泛的应用。
金属镍薄膜常用于制作MESFET器件的电极（栅极gate 为肖特基接触，源极source和漏极drain为欧姆接触）[3]。
金属与半导体直接接触存在大的接触电阻率，为了提高器件性能就必须减小接触电阻率。
工业中，常在重掺杂的硅衬底上生长镍薄膜，再经过退火处理，使形成镍硅化合物，从而减小接触电阻率。
镍薄膜主要的制备方法为物理气相沉积，本文中采用磁控溅射法在硅基底上制备镍薄膜，研究在不同工作气压（1Pa、1.5Pa、2Pa）对镍薄膜的生长速率、表面形貌、电学特性的影响。
使用DektakXT探针式表面轮廓仪测量镍薄膜的厚度从而计算镍薄膜的生长速率；使用AJ-Ⅲ型原子力显微镜（AFM）扫描镍薄膜表面形貌以及分析其表面粗糙度；使用4200-SCS/C型半导体分析系统绘制样品的U-I特性曲线。
利用LPCVD设备进行退火（annealing）处理，研究不同退火温度（300℃-600℃）下镍薄膜电学特性的变化以及退火处理对薄膜表面形貌的改变。
尝试探索以上工作是否能够形成低接触电阻率的Ohmic接触。
1.2 Si的基本性质半导体衬底材料是微电子行业发展的基石，Si单晶片是最重要也是最常见的衬底材料。
硅（Si）是一种极为常见、储量极为丰富的元素，在天然界中Si常以各种化合物存在，极少出现单质形式的硅。
硅的原子序数为14，相对原子质量为28.0855，熔点为1410℃，沸点22355℃，有金属光泽[4]。
硅的晶体结构为金刚石结构（如图1.1），电阻率比金属大，而且随温度升高而减小，呈现明显的半导体性质（负电阻温度特性）。
硅在室温下性质比较稳定，通常不会与水或者酸发生明显的反应，若长时间暴露的空气中，表面会发生氧化，形成一薄层致密的氧化层；在加热条件下，能和卤素发生反应；650℃时硅开始与氧完全反应；硅还能与多种金属发生化合，形成金属硅化物。
图1.1 Si的晶体结构图1.2 金属镍靶材1.3 Ni的基本性质镍（Ni）原子序数为28，相对原子质量为58.69，熔点为1453℃，沸点2732℃，是有银白色金属光泽的过渡金属[5]（图1.2为金属镍靶照片）。
镍具有很好的可塑性和磁性，能导热和导电，比较不易被腐蚀，硬度中等等特性。
在天然界中镍常以化合物存在，常见的化合价为二价和三价[5]。
常温下，镍的性质比较稳定，通常不与水或者空气发生明显反应。
镍薄膜是一种重要的薄膜材料，在电子元器件中具有广泛的应用，如和半导体接触作为电极使用。
第2章实验仪器介绍及原理说明2.1 磁控溅射设备如图所示，本论文使用沈阳市科友真空技术研究所生产的型号为CKJ-500D多靶磁控溅射镀膜仪。
图2.1 CKJ-500D多靶磁控溅射镀膜仪2.1.1 溅射镀膜设计原理利用高速电子与气体分子发生碰撞从而电离产生等离子，这些等离子被电场加速得到很大的动能，高速运动的等离子轰击阴极的靶体，将动能转化为靶体的能量，使得靶体中的原子或者分子射出，沉积到衬底的表面，从而形成薄膜[6]。
具有很高动能的正离子轰击到靶体表面时，除了靶体原子或者分子逸出之外，还会产生其他各种现象，会影响溅射速率，如图2.2中所示。
图2.2 伴随离子轰击的各种现象2.1.2 磁控溅射溅射镀膜的最大的不足就是溅射速率较低，利用磁控溅射技术可以很好地弥补这一不足。
磁控溅射与普通二极溅射的区别就在于一个平行于靶表面的纵向磁场被设置在靶材的表面，该磁场由置于靶台的永磁铁提供[7]。
在阴极表面位置磁场与电场正交。
正离子轰击靶材产生的二次电子在阴极位降区受到电场的作用而被加速，并获得能量变成高能电子，但由于磁场的存在，他们并不会直接到达阳极而被吸收，而是在正交电磁场中做回旋运动[8]。
回旋运动过程中，二次电子与气体分子不断发生碰撞，使得气体分子电离。
电子与气体分子碰撞后自身的能量转移给了气体分子，多次碰撞后变成低能电子，最后沿着磁场线移动至阳极并被接收。
由于电子在正交电磁场中做回旋运动，从而使得电子到达阳极的运动轨迹延长了许多，使得二次电子与工作气体分子发生碰撞电离几率大幅提升，从而轰击靶体的正离子的数量也增大了很多，所以磁控溅射的溅射速率比普通二极溅射的溅射速率有十分明显地提高[8]。
磁控溅射基本原理见图2.3。
图2.3 磁控溅射原理图2.2 LPCVD 设备如图2.4所示，本论文使用辽宁聚智科技发展有限公司生产的低压化学气相沉积（LPCVD）设备。
利用低压化学气相沉积（LPCVD）设备提供的高温低压环境来对样品进行退火处理。
普通低压化学气相沉积（LPCVD）系统如图2.5所示。
由辽宁聚智科技发展有限公司生产的低压化学气相沉积（LPCVD）设备利用真空机械泵创造低压环境（4.5-5Pa），该设备使用三段式加热方式。
图2.4 LPCVD低压化学气相沉积设备图2.5 低压化学沉积系统结构2.3 探针式表面轮廓仪如图2.6所示，本论文使用Bruker公司生产的第10代DektakXT探针式表面轮廓仪研究Ni薄膜的沉积速率。
图2.6 第10代DektakXT探针式表面轮廓仪它的测量原理如下：当探针沿着待测样品的表面轻轻移过时，因为表面有微小的高低起伏，所以在探针移过的时，会沿着峰谷轻微地上下振动。