離子束濺射沉積設備制備薄膜均勻性研究

陳國欽，袁祖浩，胡 凡，范江華

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙410111)

離子束濺射沉積技術是通過由能量較高的惰性氣體粒子組成的離子束對靶材進行濺射，再沉積到工件表面形成薄膜，在濺射沉積薄膜過程中，離子束轟擊到靶材表面的一定區域面積且濺射的離子強度分布不均勻，這導致沉積的薄膜厚度均勻性較差[1-3]。目前，在工件盤與離子源之間且靠近工件盤處的位置添加修正板是一種非常有效的校正薄膜厚度均勻性的手段，并通過調整修正擋板形狀可以改善沉積薄膜的厚度均勻性[3，6，7]。本文主要針對修正板外形對薄膜均勻性的影響進行了研究。

1 實驗樣品制備與性能測試

1.1 實驗設備與參數

本次實驗采用自主研制的M7815-1/UM型離子束沉積設備，實驗基體材料采用200 mm（8英寸）硅片，尺寸為φ200 mm×720μm，靶材選用純度為99.99%以上的高純度Cu靶，以便獲得高質量Cu膜。離子束與靶面垂直法線成44°角入射。濺射過程中，基片繞中心軸轉動，并在工件盤與離子源之間添加修正板以改善薄膜的均勻性，離子束沉積設備沉積原理示意圖如圖1所示。整個系統的本底極限真空通過分子泵可以保持在5.0×10-5Pa以下，薄膜沉積過程中，工作真空約在1.2×10-2～1.3×10-2Pa之間，薄膜制備具體工藝參數如表1所示。

表1 離子束沉積薄膜制備工藝參數

圖1 M7815-1/UM型離子束沉積設備沉積原理

1.2 膜厚測試方法

薄膜制備完成后，采用CRESBOX四探針測試儀進行薄膜厚度測試，主要為φ200 mm的Map圖和在軸線每隔5 mm共39點的測試，測試完成后繪制薄膜厚度曲線，其中39點曲線采用測三條軸線的值然后求平均值獲得。計算薄膜均勻性的公式為：

其中，Tmax表示測試薄膜厚度的最大值；Tmin表示測試薄膜厚度的最小值；Tmean表示測試薄膜厚度的平均值。

2 薄膜均勻性實驗與結果分析

2.1 無修正板薄膜均勻性實驗

本文首先進行無修正板工件臺旋轉（5 r/min）的薄膜制備，初步了解該設備薄膜厚度制備均勻性的情況，其結果如圖2、圖3所示，從無修正板工件臺旋轉（5 r/min）薄膜厚度Map圖和無修正板工件臺旋轉（5 r/min）薄膜厚度軸線39點測試曲線圖可以看出，薄膜厚度呈現中心厚，兩側薄的現象，薄膜平均厚度為108.3 nm，薄膜厚度最大相差35.5 nm，薄膜均勻性為32.8%，薄膜均勻性很差，這主要是由于離子束轟擊到靶材表面的一定區域面積且濺射的離子強度分布不均勻導致的[3-7]。

圖2 無修正板工件臺旋轉（5 r/min）薄膜厚度Map圖

圖3 無修正板工件臺旋轉（5 r/min）薄膜厚度軸線39點測試曲線圖

2.2 修正板修正方法

為提高薄膜均勻性，在工件盤與離子源之間且靠近工件盤處的位置添加修正板，并根據Ove Lyngnes提出的膜厚均勻性修正模型進行修正板的初步設計[7]。Ove Lyngnes均勻性修正原理表達式為：

其中，Ni是未使用修正板時的均勻性，通過測試即可獲得，Ci為有效遮擋因子。在Ove Lyngnes提出的均勻性修正模型中，有效遮擋因子Ci的表達式為：

其中，Mn是修正板半徑為n處的弧長，Pn、Sn是權重因子，Pn與修正板上薄膜粒子變化相關，Sn與公轉盤上同一環帶上薄膜粒子變化相關，an，i為幾何遮擋因子，具體表達式詳見文獻[7]。本文根據Ove Lyngnes原理、無修正板工件臺旋轉（5 r/min）薄膜厚度Map圖和無修正板工件臺不旋轉薄膜厚度Map圖數據的計算，得到初始修正板結構，如圖4、圖5所示。

圖4 無修正板工件臺不旋轉薄膜厚度map圖

2.3 修正板第一次實驗

通過對具有初始修正板工件臺旋轉（5 r/min）制備的薄膜厚度的Map圖和軸線39點測試發現，如圖6具有修正板工件臺旋轉（5 r/min）的薄膜厚度Map圖和圖7具有初始修正板工件臺旋轉（5 r/min）的薄膜厚度軸線39點測試曲線圖所示，薄膜厚度分布規律呈現出中間薄，兩側厚的規律，與無修正板工件臺旋轉（5 r/min）制備薄膜的規律相反。

圖6 具有修正板工件臺旋轉（5r/min）薄膜厚度Map圖

圖7 具有初始修正板工件臺旋轉（5 r/min）薄膜厚度軸線39點測試曲線圖

最后測得薄膜平均厚度為72.5 nm，薄膜厚度最大相差23.2 nm，薄膜均勻性為32.0%，相對于無修正工件臺旋轉（5 r/min）制備薄膜的厚度，修正板明顯體現了遮擋作用，薄膜厚度降低，尤其在半徑60 mm區域，薄膜厚度顯著下降，與理論計算相差較大。

在實際的鍍膜過程中工件臺是連續轉動的，由于均勻性修正板不可能直接貼在工件臺上，與修正板理論位置存在差異，而是接觸工件臺，因此在薄膜粒子接觸到修正板時會發生散射和衍射等，造成修正板遮擋效應區域的偏移[8]。從圖8具有初始修正板工件臺不旋轉薄膜厚度Map圖可以看出，修正板在基片上產生的遮擋區域中心向X軸負方向偏移約20 mm，Y軸正方向偏移約10 mm。

圖8 具有初始修正板工件臺不旋轉薄膜厚度Map圖

2.4 修正板外形第二次修正

本實驗再次根據Ove Lyngnes原理，對具有初始修正板工件臺不旋轉薄膜厚度Map圖和無修正板工件臺旋轉（5 r/min）薄膜厚度Map圖數據進行計算，得到優化修正版形狀，并經過10次迭代優化，最后得到如圖9所示的最終修正板結構。

圖9 最終修正板結構示意圖

2.5 修正板第二次修正后實驗結果

通過對具有最終修正板工件臺旋轉（5 r/min）制備薄膜厚度的Map圖和軸線39點測試如圖10和圖11所示，薄膜厚度基本在78.4 nm附近波動，均勻性相對于無修正板和初始修正板有顯著提高，薄膜均勻性為1.7%，薄膜平均厚度為78.4 nm，比初始修正板薄膜平均厚度大，比無修正板薄膜厚度平均值小，與遮擋區域面積大小規律一致。

圖10 具有最終修正板工件臺旋轉（5 r/min）薄膜厚度Map圖

圖11 具有最終修正板工件臺旋轉（5 r/min）薄膜厚度軸線39點測試曲線圖

2.6 實驗結果分析

從表2中的3種方式制備薄膜厚度均勻性和圖12中的3種方式制備薄膜厚度軸線39點測試曲線圖的結果可以看出，通過在工件盤與離子源之間且靠近工件盤處的位置添加修正板，是一種非常有效的校正薄膜厚度均勻性的手段，并通過調整修正擋板形狀可以改善沉積薄膜的厚度均勻性，通過制作修正板，使薄膜的均勻性從32%提高至1.7%。

表2 3種方式制備薄膜厚度均勻性

圖12 3種方式制備薄膜厚度軸線39點測試曲線圖

3 結 論

通過實驗結果表明，在工件盤與離子源之間且靠近工件盤處的位置添加修正板，是一種非常有效的校正薄膜厚度均勻性的手段，并通過調整修正擋板形狀可以改善沉積薄膜的厚度均勻性，采用制作的修正板后，薄膜的均勻性從32%提高至1.7%。