Ti/TiN金屬作用介紹

2.2.1 鈦元素基本資料：

鈦是一種化學元素，化學符號 Ti，原子序數 22，是一種銀白色的 過渡金屬,其特徵為重量輕、強度高、具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕 能力。由於其良好的耐高溫，耐低溫，抗強酸，抗強鹼，以及高強度，

低密度，穩定的化學性質，被美譽為「太空金屬」。鈦能與鐵、鋁、釩 或鉬等其他元素熔成合金，造出高強度的輕合金，在各方面有著廣泛的 應用，包括太空（噴氣發動機、導彈及太空飛行器）、軍事、工業程序

（化工與石油製品、海水淡化及造紙）、汽車、農產食品、醫學（義肢、

骨科移植及牙科器械與填充物）、運動用品、珠寶及手機等等。〔4〕鈦 於 1791 年由英國的威廉·格里戈爾（William Gregor）所發現，並由克 拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）用希臘神話的泰坦為其命名。

鈦的礦石主要有鈦鐵礦及金紅石，廣佈於地殼及岩石圈之中。鈦亦 同時存在於幾乎所有生物、岩石、水體及土壤中。〔4〕從主要礦石中萃 取出鈦需要用到克羅爾法〔5〕或亨特法。鈦最常見的化合物，二氧化 鈦可用於製造白色顏料。〔6〕其他化合物還包括四氯化鈦（TiCl₄）（作 催化劑及用於製造煙幕或空中文字）及三氯化鈦（TiCl₃）（用於催化聚 丙烯的生產）。〔4〕

鈦最有用的兩個特性是，抗腐蝕性，及金屬中最高的強度－重量 比。〔7〕在非合金的狀態下，鈦的強度跟某些鋼相若，但卻還要輕 45%。

〔8〕有兩種同素異形體〔9〕和五種天然的同位素，由 46Ti 到 50Ti，

其中豐度最高的是 48Ti（73.8%）。〔10〕鈦的化學性質及物理性質和鋯 相似。

2.2.2 鈦元素物理性質：

在金屬元素中，鈦的強度－重量比之高是公認的。〔9〕它是一種高 強度但低質量的金屬，而且具有相當好的延展性（尤其是在無氧的環境 下）。〔11〕。表面呈銀白色金屬光澤。〔12〕它的熔點相對地高（超過攝 氏 1,649 度），所以是良好的耐火金屬材料。商業等級的鈦（純度為 99.2%）

具有約為 434 兆帕斯卡的極限抗拉強度，與低等級的鋼合金相若，但比 鋼合金要輕 45%。〔8〕鈦的密度比鋁高 60%，但強度是鋁的雙倍。〔8〕

鈦可被用於各種用途。某些鈦合金（例如βC）的抗拉強度達 1,400 帕 斯卡。〔13〕然而，當鈦被加熱至攝氏 430 度以上時，強度會減弱。〔14〕

它具有相當的硬度，儘管比不上高等級的熱處理鋼。它不具磁性，同時 是不良的導熱及導電體。用機械處理時需要注意，因為如不採用鋒利的 器具及適當的冷卻手法，鈦會軟化，並留有壓痕。像鋼結構體一樣，鈦 結構體也有疲勞極限，因此在某些應用上可保證持久耐用。〔12〕鈦是 一種雙型的同素異形體，在攝氏 882 度時，就會從六邊形的α型轉變成 體心立方（晶格）的β型。〔14〕在到達臨界溫度前，α型的比熱會隨 著升溫而暴增，但到達後會下降，然後在β型下不論溫度地保持基本恆 定。〔14〕跟鋯和鉿類似，鈦還存在一種ω態，在高壓時熱力學穩定，

但也可能在常壓下以介穩態存在。此態一般是六邊形（理想）或三角形

（扭曲），在軟性縱波聲頻光子導致β型（111）原子平面倒塌時能被觀 測到。〔15〕

2.2.3 鈦元素化學性質：

鈦的特性中，最為人稱道的就是它優良的抗腐蝕能力，它的抗蝕性 幾乎跟鉑一樣好，可以抵抗酸及水中的潮濕氯氣，但仍可被濃酸溶解。

〔16〕

雖然圖 2.6 的電位－pH 圖指出鈦在熱力學上是一種活性很高的金

屬，但是它與水及空氣的反應是非常緩慢的。

圖 2.6 在純水、高氯酸或氫氧化鈉中的鈦電位 pH 圖。〔17〕

鈦曝露在高溫空氣中時，會生成一層鈍氧化物保護膜（因此抗腐蝕 能力會增強），但在空溫時仍不會失去光澤。〔11〕在最初形成時，保護 層只有一至二奈米厚，但會緩慢地持續增厚；四年間可達 25 奈米厚。

〔18〕

當鈦在空氣中被加熱至攝氏 1200 度時會燃燒起來，而在純氧中最 低只需攝氏 610 度，燃燒過程中會生成二氧化鈦。〔9〕因此不能在空氣 中熔掉鈦，因為在到達熔點前鈦會先燃燒起來，所以只能在惰性氣體或 真空中熔化鈦。鈦也是少數會在純氮氣中燃燒的元素（於攝氏 800 度時 燃燒起來，生成氮化鈦，並導致脆化）。〔19〕鈦不受稀硫酸、稀鹽酸、

氯氣、氯溶液及大部份有機酸的腐蝕。〔5〕它具有順磁性（會微弱地被 磁鐵吸引），及相當低的導電性和導熱性。〔11〕

2.2.5 鈦元素元素應用：

氮化鈦形成是氮自由基與濺射出的鈦原子產生氮化鈦層，氮化鈦層 用在鎢或鋁的應用有三種如圖 2.7〔3-4〕：一、阻擋層：作用於防止鋁

銅金屬擴散至阻障絕緣層內導致電流散失。一般而言，擴散阻障層的金 屬材料多選用耐火金屬，原因在於其較高的熔點，相對於金屬導線材料 有較好的熱穩定性，在這些耐火金屬中又以鉭、鈦及鎢為研究較多的阻 障層材料，就目前而言氮化鉭是較為理想的擴散阻障層，擁有較佳的阻 障效果。二、附著層：讓鋁銅金屬線可以附著於所欲連接通道上。所謂 附著性註〔24〕指的是兩種連續且相接的表面之間的作用力。根據 ASTM 定義附著力：附著力乃是兩種表面藉著鍵結力或機械黏固力或兩著之間 同時作用來維持此兩表面結合的情形。三、抗反射層：在黃光曝光時可 以避免導致反射光和入射光發生干涉現象，並造成光阻曝光強度的不均 勻，以致線寬控制發生誤差。

鈦在高溫下容易與氧、氮、氫、水汽、氨、CO、CO₂等氣體反應﹐

所以是良好的吸氣劑。吸收量小時，呈固溶體存在﹔吸收量大時﹐生成 相應的化合物如 TiH、TiO 等。鈦的表面能生成緻密的氧化膜﹐有保護 作用。因此鈦在海水、鹼性溶液、硝酸、含水氯氣中有很強的抗腐蝕能 力﹔在濃度小於 5％的稀鹽酸和稀硫酸中﹐也有一定的抗腐蝕能力。因 為鈦有以上良好的附著性及低電阻率等特性所以應用在半導體製程中。

鎢 CVD 以及鋁合金 PVD 製程之前，通常會沉積一個鈦的薄層以降 低接觸電阻，因為鈦能夠捕捉氧，並且防止氧與鎢或是鋁產生鍵結而形 成高電阻率的氧化鎢或氧化鋁〔24〕如圖 2.7。

圖 2.7 Ti/TiN 在金屬連線製程應用。