磁控濺射與電子束蒸發制備Ti薄膜性能的研究

李兆營

（安徽光智科技有限公司,安徽 滁州 239000）

0 引言

Ti 薄膜由于具有優異的物理化學性能而被廣泛應用于各個領域。制備Ti 薄膜的方法有很多，其中磁控濺射法[1?3]和電子束蒸發法[4]較為常見。

磁控濺射法鍍膜時，輸出功率、襯底溫度、氣體流量、濺射時間等都可以精確控制。因此，可以通過調整不同參數之間的組合來控制薄膜的生長速度和厚度。電子束蒸發法鍍膜時，蒸發系統自帶的石英晶體膜厚監控儀可以直接設置薄膜的生長速度和厚度。

磁控濺射法與電子束蒸發法在制備Ti 薄膜時各具優勢，可根據不同產品對薄膜性能的要求選擇對應的制備方法。在集成電路制造工藝中，要求薄膜具有較低的電阻率來降低功耗；在MEMS 封裝工藝中，需要薄膜應力具有很大的可調范圍，以使多層薄膜之間可以形成良好的應力匹配。

在磁控濺射法制備Ti 薄膜的研究方面，王鴻等[5]發現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，薄膜表面晶體結構呈柱狀。蔡長龍等[6]發現，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]發現，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。

在電子束蒸發法制備Ti 薄膜的研究方面，Cai等[8]發現隨著薄膜厚度和蒸發速率的增加，表面粗糙度增加。鄒鵬輝等[9]發現，隨著 Ti 蒸發速率的提高，薄膜的結構變得更加致密，金屬薄膜方阻變小。

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

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

1 試驗部分

1.1 磁控濺射法制備Ti 薄膜工藝參數

采用美國應用材料公司生產的Endura 系列磁控濺射鍍膜設備，主要工藝參數為：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，濺射時間為100 s。靶材為純度99.999%的鈦靶。

1.2 電子束蒸發制備Ti 薄膜工藝參數

采用愛發科真空技術(蘇州)有限公司生產的Esz-R 型高真空蒸發設備，主要工藝參數為：本底真空度為3.0×10?4Pa，襯底溫度為25、100、200、300℃，蒸發距離為50 cm，行星鍋轉速為10 r/min，蒸發速度設定為1.0 nm/s，薄膜厚度設定為100 nm。蒸發料為純度99.999%的圓柱型鈦顆粒，坩堝材質為無氧銅。

1.3 薄膜制備流程

襯底采用單面拋光的直徑為200 mm，長有500 nm 厚的SiO2薄膜的 Si(100)晶圓。試驗前將襯底置于無水乙醇溶液中超聲清洗5 min，用氮氣槍吹干襯底表面。將清潔后的襯底分別放入磁控濺射設備或電子束蒸發設備，關閉腔室門。將腔體真空度抽至3.0×10?4Pa 后開始鍍膜。磁控濺射設備達到設定時間或電子束蒸發設備達到設定膜厚之后，鍍膜停止。對襯底進行冷卻后，將腔室壓力充至大氣，取出制備好的薄膜試樣，進行后續的測試表征。

1.4 測試方法

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

電阻均勻性計算方式為：

式中，U為電阻均勻性；σ為49 點電阻值的標準差；為49 點電阻值的平均值。

2 結果與討論

2.1 薄膜厚度與表面形貌

利用臺階儀分別測試了磁控濺射法和電子束蒸發法制備的Ti 薄膜厚度，其結果為99.6 nm 和100.2 nm，兩者厚度接近，薄膜生長時間均為100 s，生長速率也一致，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法制備的薄膜。

圖1 25 ℃下磁控濺射法(a)和電子束蒸發法(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 ℃

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

2.2 薄膜性能

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

表1 25 ℃下磁控濺射法和電子束蒸發法制備的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法制備的Ti 薄膜的應力變化趨勢。從圖2 可以看出，兩種方法制備的薄膜應力均為負值，即壓應力[14]。隨著襯底溫度的升高，薄膜壓應力均出現增加趨勢，且電子束蒸發法制備的薄膜應力更大，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法制備的Ti 薄膜的殘余應力Fig.2 Residual stress of Ti films prepared by magnetron sputtering and electron beam evaporation at different temperatures

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

反射率的大小與薄膜表面形貌有很大的依賴關系，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會發生漫反射，導致反射率降低。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。

薄膜具有壓應力說明薄膜內部具有向外擴張的趨勢，從而對襯底產生壓力。薄膜應力大小主要取決于工藝前后由于溫差形成的熱應力及由于薄膜結構缺陷形成的內應力[19?20]。薄膜的熱應力大小與工藝前后溫差正相關[21]，隨著薄膜沉積溫度的升高，導致薄膜制備與測試時的溫差大，熱應力也逐漸增大。另外，從前文的分析中已知，磁控濺射法產生的原子具有更大的能量，形成的晶粒可以在襯底各個位置均勻生長，晶粒之間相互作用力小且缺陷也少，對應的薄膜應力也就越小，應力變化幅度也較小。

3 結論

分別利用磁控濺射法和電子束蒸發法在長有500 nm 厚的SiO2薄膜 Si(100)晶圓上制備了生長速度為1.0 nm/s 厚度為100 nm 的Ti 薄膜，并對薄膜的厚度、表面形貌、電阻、反射率及應力進行了測試，結果表明：

1）相比于電子束蒸發法，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、應力以及更高的反射率，電性能優于電子束蒸發法。

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

4）可以通過減少薄膜表面結構缺陷來提高薄膜的導電性，降低薄膜的應力；通過減小薄膜表面粗糙度來提高薄膜的反射率。