襯底溫度對磁控濺射氮化鈦薄膜質(zhì)量的影響

摘 要：本文采用磁控濺射技術(shù)，通過改變沉積溫度在玻璃襯底上制備了一系列TiN薄膜。利用XRD進(jìn)行了物相鑒定，使用分光光度計、橢圓偏振光譜儀和四探針電阻儀測試了TiN薄膜的光學(xué)性能。結(jié)果表明：制備的TiN薄膜為多晶態(tài)立方結(jié)構(gòu)TiN，且隨著襯底溫度的升高，薄膜結(jié)晶性提高，折射率減小，消光系數(shù)升高。

關(guān)鍵詞：磁控濺射技術(shù);TiN薄膜;NaCl

一、 引言

TiN薄膜屬于第Ⅳ族過渡金屬氮化物。NaCl是面心立方晶體結(jié)構(gòu)類型。它的結(jié)構(gòu)是由金屬鍵和共價鍵混合而成，同時具有金屬晶體和共價晶體的特點(diǎn)：高熔點(diǎn)、高硬度、優(yōu)異的熱和化學(xué)惰性。優(yōu)良的導(dǎo)電性和金屬的反射比。此外，TiN薄膜還具有高溫強(qiáng)度、優(yōu)越的耐腐蝕性能以及良好的導(dǎo)熱性能。它是第一個產(chǎn)業(yè)化并廣泛應(yīng)用的硬質(zhì)薄膜材料，有關(guān)研究已成為國內(nèi)外硬層研究的熱點(diǎn)。TiN薄膜具有廣闊的應(yīng)用前景，在刀具、模具、裝飾材料和集成電路中都具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景，因而越來越受到人們的重視。隨著對TiN薄膜研究的深入。制備TiN薄膜的工藝也得到不斷地發(fā)展，對TiN薄膜也提出了更均勻、更耐磨、更耐腐蝕和更高可靠性的性能要求。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢的需要。許多研究人員對TiN薄膜的制備技術(shù)和性能開展了大量的研究工作。本文通過改變襯底溫度制備了一系列TiN薄膜，利用XRD進(jìn)行了物相鑒定，分光光度計、橢圓偏振光譜儀和四探針電阻儀等測試了所制備的TiN薄膜的光學(xué)性能。

二、 實驗

靶到襯底的距離是60mm，濺射氣體為氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，純度均為99.99%。鈦靶尺寸：180mm×80mm×4mm，純度為99.995%，本底真空度優(yōu)于2.1×10-3Pa，濺射氣壓維持在0.6Pa。鍍膜過程中，襯底隨支架勻速轉(zhuǎn)動，濺射功率維持在250W，通過改變襯底溫度300℃、325℃、350℃、370℃來控制沉積條件。

首先檢查設(shè)備是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，然后把普氮?dú)馔ㄈ胝婵涨惑w內(nèi)打開艙門，把已經(jīng)洗好的基片放入，放好靶材并檢查是否與設(shè)備連電，然后關(guān)閉艙門開始抽真空。先用機(jī)械泵抽真空至10Pa，再使用分子泵抽真空至2.1×10-3Pa，然后開始進(jìn)行基底加熱，當(dāng)基底溫度達(dá)到后，開始通入氣體（通氣前應(yīng)關(guān)閉電離真空規(guī)氣壓計防止損壞，等通入一段時間氣體后再打開電阻真空規(guī)），通過控制臺調(diào)節(jié)通入氮?dú)鈿鍤獾牧髁浚?dāng)腔體內(nèi)氣壓穩(wěn)定后，開啟濺射，預(yù)濺射5分鐘后將基片上的擋板移開持續(xù)濺射TiN薄膜。濺射結(jié)束后，以“先開后關(guān)，后開先關(guān)”的順序關(guān)閉設(shè)備，待樣品溫度降至150℃以下后，通入普氮，打開艙門取出樣品。

三、 結(jié)果與討論

圖1是不同溫度下得到的TiN薄膜樣品的XRD圖。從圖中可以看出，在2θ為36.9°、42.9°、62.1°處分別出現(xiàn)了立方相TiN的（111）、（200）、（220）衍射峰，XRD結(jié)果顯示所制備的薄膜為多晶態(tài)立方結(jié)構(gòu)的TiNx，隨著襯底溫度的升高，三個衍射峰的強(qiáng)度都有所增強(qiáng)，特別是（200）衍射峰，可見溫度的升高有助于提高薄膜的結(jié)晶。

有研究表明，TiN的（111）晶面是晶體最小應(yīng)變能晶面，與厚度成正比，而（200）晶面是最小表面能晶面，與厚度無關(guān)，TiN的結(jié)晶取向取決于應(yīng)變能和表面能的競爭。本實驗制備的氮化鈦三個衍射峰同時存在，在溫度從300℃升高到370℃過程中，Ti原子在襯底表面的活動能力增強(qiáng)，原子可以擴(kuò)散到更低的能量位置成核長大，以使整個系統(tǒng)的自由能降低，所以（111）衍射峰較明顯，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，表面能開始起作用，薄膜的成核中心增多，此時（200）衍射峰開始增強(qiáng)。

反射率與薄膜的結(jié)晶狀況、薄膜的電阻率有關(guān)。低溫時，薄膜的結(jié)晶較差，增加了載流子的散射，溫度升高時被濺射出來的靶材料原子在成膜面的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，促進(jìn)了結(jié)晶的有序化，使結(jié)晶顆粒的取向趨于一致，缺陷減少，載流子遷移率提高，電阻降低，最終導(dǎo)致反射率上升。

隨著溫度的升高，薄膜的折射率減小，消光系數(shù)增大。薄膜的折射率和消光系數(shù)與材料的致密度有關(guān)，當(dāng)溫度升高時，氮原子與鈦原子的反應(yīng)更充分，而且在薄膜沉積表面擴(kuò)散能力增強(qiáng)，這使得沉積的薄膜致密度和結(jié)晶較好，致密度和結(jié)晶度的提高同時使得薄膜的導(dǎo)電性能大大增加，而電阻率的提高使得極化率也變化，從而導(dǎo)致折射率有所下降。

溫度對薄膜的厚度沒有明顯影響，因為襯底溫度是決定薄膜結(jié)構(gòu)的重要因素，同時也影響成膜時氣相分子或原子在襯底上的粘附系數(shù)和平均吸收時間，當(dāng)T升高時，粘附系數(shù)下降，平均吸附時間隨著減少，引起沉積速率下降，但同時磁控濺射制備的TiN薄膜一般由濺射的Ti離子與N離子在襯底表面形成，當(dāng)T升高時，反應(yīng)速率加快又提高了沉積速率，所以這兩種機(jī)制的同時作用導(dǎo)致薄膜的沉積速率隨溫度無明顯變化。

四、 結(jié)論

以玻璃為襯底，改變襯底溫度，利用磁控濺射制備了一系列氮化鈦薄膜，襯底溫度分別為300℃、325℃、350℃、370℃。實驗結(jié)果表明，隨著溫度的升高，薄膜的透光率下降，薄膜的折射率減小，消光系數(shù)增大;在此襯底溫度改變范圍內(nèi)，溫度對薄膜厚度無明顯影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]Park D G， Lim K Y， Cho H J et al. Impact of atomic layer deposited TiN on the gate oxide quality of W/TiN/SiO2/Si metal oxide semiconductor structures[J]. Appl. Phys. Lett.，2002，80（14）：2514-2516.

[2]Youn S， Roh K， Yang S W et al. Investigation of the W TiN metal gate for metal oxide semiconductor devices[J]. J. of Vac. Sci. and Tech. A，2001，19（4）：1591-1594.

[3]Liu P T， Ting Chang C， Hu J C et al. Reliability of multistacked chemical vapor deposited Ti/TiN structure as the diffusion barrier in ultralarge scale integrated metallization[J]. J. of the Electrochem Soc.，2000，147（1）：368-372.

[4]Jung M J， Kim Y M， Chung Y M et al， Deposition of TiN thin films using grid-assisting magnetron sputtering[J]. Thin Solid Films，2005，475：323-326.

[5]Hoshi Y， Suzuki E， Shimizub H. Control of crystal orientation of Ti thin films by sputtering[J]. Electrochimica Acta，1999，44：3945-3952.

作者簡介：

韓以恒，遼寧省大連市，大連東軟信息學(xué)院。