磁控濺射與電子束蒸發(fā)制備Ti薄膜性能的研究

李兆營(yíng)

（安徽光智科技有限公司,安徽 滁州 239000）

0 引言

Ti 薄膜由于具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。制備Ti 薄膜的方法有很多，其中磁控濺射法[1?3]和電子束蒸發(fā)法[4]較為常見(jiàn)。

磁控濺射法鍍膜時(shí)，輸出功率、襯底溫度、氣體流量、濺射時(shí)間等都可以精確控制。因此，可以通過(guò)調(diào)整不同參數(shù)之間的組合來(lái)控制薄膜的生長(zhǎng)速度和厚度。電子束蒸發(fā)法鍍膜時(shí)，蒸發(fā)系統(tǒng)自帶的石英晶體膜厚監(jiān)控儀可以直接設(shè)置薄膜的生長(zhǎng)速度和厚度。

磁控濺射法與電子束蒸發(fā)法在制備Ti 薄膜時(shí)各具優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)不同產(chǎn)品對(duì)薄膜性能的要求選擇對(duì)應(yīng)的制備方法。在集成電路制造工藝中，要求薄膜具有較低的電阻率來(lái)降低功耗；在MEMS 封裝工藝中，需要薄膜應(yīng)力具有很大的可調(diào)范圍，以使多層薄膜之間可以形成良好的應(yīng)力匹配。

在磁控濺射法制備Ti 薄膜的研究方面，王鴻等[5]發(fā)現(xiàn)隨著磁控濺射電流的增大，Ti 薄膜的晶粒尺寸逐漸增加，致密度先增大后減小；隨著襯底溫度的升高，Ti 薄膜的晶粒尺寸增加，致密度增加，薄膜表面晶體結(jié)構(gòu)呈柱狀。蔡長(zhǎng)龍等[6]發(fā)現(xiàn)，Ti 薄膜的電阻率隨著濺射功率與工作氣壓的升高先降低再升高。吳楊微等[7]發(fā)現(xiàn)，隨著膜厚的增加，Ti 薄膜表面顆粒直徑逐漸增大，表面粗糙度減小，反射率逐漸升高。

在電子束蒸發(fā)法制備Ti 薄膜的研究方面，Cai等[8]發(fā)現(xiàn)隨著薄膜厚度和蒸發(fā)速率的增加，表面粗糙度增加。鄒鵬輝等[9]發(fā)現(xiàn)，隨著 Ti 蒸發(fā)速率的提高，薄膜的結(jié)構(gòu)變得更加致密，金屬薄膜方阻變小。

Arshi 等[10]同時(shí)采用直流磁控濺射法和電子束蒸發(fā)法在Si/SiO2(100)襯底上沉積了Ti 薄膜。結(jié)果表明，直流磁控濺射法沉積的薄膜電阻率低于電子束蒸發(fā)法沉積的薄膜。

目前磁控濺射法與電子束蒸發(fā)法制備Ti 薄膜對(duì)比的報(bào)道較少，且關(guān)于Ti 薄膜的性能往往關(guān)注其光電性能，對(duì)薄膜應(yīng)力的研究較少。因此，筆者分別采用磁控濺射法和電子束蒸發(fā)法在長(zhǎng)有500 nm 厚的SiO2薄膜的Si(100)晶圓上制備了生長(zhǎng)速度為1.0 nm/s、厚度為100 nm 的Ti 薄膜，并測(cè)試了25 ℃時(shí)Ti 薄膜的厚度、表面形貌、電阻、反射率等性能，同時(shí)測(cè)試了不同溫度下（25～300 ℃）制備的Ti 薄膜的應(yīng)力，用以分析制備方法對(duì)薄膜性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 磁控濺射法制備Ti 薄膜工藝參數(shù)

采用美國(guó)應(yīng)用材料公司生產(chǎn)的Endura 系列磁控濺射鍍膜設(shè)備，主要工藝參數(shù)為：本底真空度為3.0×10?4Pa，襯底溫度分別為為25、100、200、300℃，靶基距離為6.0 cm，直流電源功率為1 500 W，氬氣流量為30 mL/min，濺射壓力為0.5 Pa，濺射時(shí)間為100 s。靶材為純度99.999%的鈦靶。

1.2 電子束蒸發(fā)制備Ti 薄膜工藝參數(shù)

采用愛(ài)發(fā)科真空技術(shù)(蘇州)有限公司生產(chǎn)的Esz-R 型高真空蒸發(fā)設(shè)備，主要工藝參數(shù)為：本底真空度為3.0×10?4Pa，襯底溫度為25、100、200、300℃，蒸發(fā)距離為50 cm，行星鍋轉(zhuǎn)速為10 r/min，蒸發(fā)速度設(shè)定為1.0 nm/s，薄膜厚度設(shè)定為100 nm。蒸發(fā)料為純度99.999%的圓柱型鈦顆粒，坩堝材質(zhì)為無(wú)氧銅。

1.3 薄膜制備流程

襯底采用單面拋光的直徑為200 mm，長(zhǎng)有500 nm 厚的SiO2薄膜的 Si(100)晶圓。試驗(yàn)前將襯底置于無(wú)水乙醇溶液中超聲清洗5 min，用氮?dú)鈽尨蹈梢r底表面。將清潔后的襯底分別放入磁控濺射設(shè)備或電子束蒸發(fā)設(shè)備，關(guān)閉腔室門(mén)。將腔體真空度抽至3.0×10?4Pa 后開(kāi)始鍍膜。磁控濺射設(shè)備達(dá)到設(shè)定時(shí)間或電子束蒸發(fā)設(shè)備達(dá)到設(shè)定膜厚之后，鍍膜停止。對(duì)襯底進(jìn)行冷卻后，將腔室壓力充至大氣，取出制備好的薄膜試樣，進(jìn)行后續(xù)的測(cè)試表征。

1.4 測(cè)試方法

采用臺(tái)階儀確定薄膜的厚度。采用德國(guó)布魯克(Bruker)公司Dimension Edge 型原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試薄膜的表面形貌及粗糙度，測(cè)試模式為輕敲模式，掃描范圍為 3 μm × 3 μm。采用KLA RS55 電阻測(cè)試儀測(cè)試薄膜的電阻，在整片晶圓上均勻取49 點(diǎn)并測(cè)試其電阻值，計(jì)算其平均值及均勻性。采用KLA F5X 型測(cè)試儀測(cè)試薄膜的反射率，光源波長(zhǎng)為633 nm。采用KLA Flex5400 型應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試薄膜的應(yīng)力。

電阻均勻性計(jì)算方式為：

式中，U為電阻均勻性；σ為49 點(diǎn)電阻值的標(biāo)準(zhǔn)差；為49 點(diǎn)電阻值的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 薄膜厚度與表面形貌

利用臺(tái)階儀分別測(cè)試了磁控濺射法和電子束蒸發(fā)法制備的Ti 薄膜厚度，其結(jié)果為99.6 nm 和100.2 nm，兩者厚度接近，薄膜生長(zhǎng)時(shí)間均為100 s，生長(zhǎng)速率也一致，約為1.0 nm/s。

圖1 是25 ℃下兩種方法制備的Ti 薄膜表面的AFM 形貌，平均粗糙度分別為0.67 nm 和1.75 nm。從圖1 可以看出，磁控濺射法制備的薄膜表面晶粒更加均勻、致密，表面平均粗糙度小于電子束蒸發(fā)法制備的薄膜。

圖1 25 ℃下磁控濺射法(a)和電子束蒸發(fā)法(b)制備的Ti 薄膜表面的AFM 形貌Fig.1 AFM morphologies of Ti films prepared by magnetron sputtering(a) and electron beam evaporation(b) at 25 ℃

由于濺射方法產(chǎn)生的原子能量高于電子束蒸發(fā)[11?12]，濺射出的Ti 原子到達(dá)襯底表面時(shí)具有更大的遷移率，Ti 原子可以在襯底表面各個(gè)位置均勻分布進(jìn)而成核生長(zhǎng)，晶粒大小更加均勻。電子束蒸發(fā)產(chǎn)生的原子能量較低,到達(dá)襯底后遷移率較低，只能在襯底表面能較低的位置優(yōu)先成核生長(zhǎng)，導(dǎo)致晶粒大小分布不一，表面粗糙度較大。文獻(xiàn)[13]在研究射頻磁控濺射和電子束蒸發(fā)制備ZnO 薄膜時(shí)，也得到了同樣的結(jié)果。

2.2 薄膜性能

表1 是25 ℃下磁控濺射法和電子束蒸發(fā)法制備的Ti 薄膜的電阻及均勻性、反射率、應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。從表1 可以看出，相比于電子束蒸發(fā)，磁控濺射法制備的Ti 薄膜具有更低的電阻、電阻均勻性、應(yīng)力以及更高的反射率。

表1 25 ℃下磁控濺射法和電子束蒸發(fā)法制備的Ti 薄膜性能比較Table 1 Properties of Ti films prepared by magnetron sputtering and electron beam evaporation at 25 ℃

圖2 是不同溫度下磁控濺射法和電子束蒸發(fā)法制備的Ti 薄膜的應(yīng)力變化趨勢(shì)。從圖2 可以看出，兩種方法制備的薄膜應(yīng)力均為負(fù)值，即壓應(yīng)力[14]。隨著襯底溫度的升高，薄膜壓應(yīng)力均出現(xiàn)增加趨勢(shì)，且電子束蒸發(fā)法制備的薄膜應(yīng)力更大，變化幅度也較大。

圖2 不同溫度下磁控濺射法和電子束蒸發(fā)法制備的Ti 薄膜的殘余應(yīng)力Fig.2 Residual stress of Ti films prepared by magnetron sputtering and electron beam evaporation at different temperatures

由于磁控濺射法產(chǎn)生的原子具有更大的能量，原子在襯底表面更容易擴(kuò)散成膜，薄膜表面晶粒大小更加均勻，表面粗糙度小，對(duì)應(yīng)的電阻均勻性也較小。同時(shí)，薄膜的晶粒更加致密，內(nèi)部缺陷減少，提高了載流子遷移率，導(dǎo)致了電阻降低[15?16]。

反射率的大小與薄膜表面形貌有很大的依賴(lài)關(guān)系，即粗糙度越大，反射率越低[17?18]。薄膜的表面并不是理想的平面，光源照射到薄膜表面時(shí)會(huì)發(fā)生漫反射，導(dǎo)致反射率降低。磁控濺射法制備的薄膜表面粗糙度更小，表面更加平滑，所以反射率更大。

薄膜具有壓應(yīng)力說(shuō)明薄膜內(nèi)部具有向外擴(kuò)張的趨勢(shì)，從而對(duì)襯底產(chǎn)生壓力。薄膜應(yīng)力大小主要取決于工藝前后由于溫差形成的熱應(yīng)力及由于薄膜結(jié)構(gòu)缺陷形成的內(nèi)應(yīng)力[19?20]。薄膜的熱應(yīng)力大小與工藝前后溫差正相關(guān)[21]，隨著薄膜沉積溫度的升高，導(dǎo)致薄膜制備與測(cè)試時(shí)的溫差大，熱應(yīng)力也逐漸增大。另外，從前文的分析中已知，磁控濺射法產(chǎn)生的原子具有更大的能量，形成的晶?？梢栽谝r底各個(gè)位置均勻生長(zhǎng)，晶粒之間相互作用力小且缺陷也少，對(duì)應(yīng)的薄膜應(yīng)力也就越小，應(yīng)力變化幅度也較小。

3 結(jié)論

分別利用磁控濺射法和電子束蒸發(fā)法在長(zhǎng)有500 nm 厚的SiO2薄膜 Si(100)晶圓上制備了生長(zhǎng)速度為1.0 nm/s 厚度為100 nm 的Ti 薄膜，并對(duì)薄膜的厚度、表面形貌、電阻、反射率及應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：

1）相比于電子束蒸發(fā)法，磁控濺射法制備的薄膜表面更加均勻致密，表面缺陷少，粗糙度較小。

2）磁控濺射法制備的薄膜具有更低的電阻、應(yīng)力以及更高的反射率，電性能優(yōu)于電子束蒸發(fā)法。

3）電子束蒸發(fā)法制備的薄膜應(yīng)力具有較大的變化范圍，可用于多層膜之間的應(yīng)力匹配調(diào)試，增加膜基結(jié)合力。

4）可以通過(guò)減少薄膜表面結(jié)構(gòu)缺陷來(lái)提高薄膜的導(dǎo)電性，降低薄膜的應(yīng)力；通過(guò)減小薄膜表面粗糙度來(lái)提高薄膜的反射率。