硅襯底溫度對電子束蒸發鈦薄膜性能的影響

2024-03-13 02:05:34李兆營李萌萌

電鍍與精飾 2024年3期

李兆營，李萌萌

（安徽光智科技有限公司，安徽滁州 239000）

金屬鈦（Ti）薄膜由于其優異的物理化學性能而受到了廣泛關注。電子束蒸發法因具有設備成本低、可控的蒸發速率及易制備多組分薄膜等優點［1-4］，成為制備Ti薄膜的常用方法。

利用電子束蒸發法沉積薄膜時，影響薄膜質量的主要工藝參數中，本底真空度、蒸發材料的純度及真空腔的清潔度容易控制，而蒸發速率和襯底溫度對薄膜性能的影響較為顯著，因此成為控制薄膜質量的主要因素。Cai 等［5］發現Ti 薄膜的表面粗糙度會隨著薄膜厚度和蒸發速率的增加而增加。鄒鵬輝等［6］發現，蒸發速率的提高會使Ti 薄膜的結構變得更加致密，從而減小了薄膜的方阻。李兆營［7］發現Ti薄膜的表面粗糙度和方阻均隨著蒸發速率的增加而減小。目前電子束蒸發法制備Ti 薄膜時，主要關注蒸發速率對薄膜性能的影響，而本文在不同襯底溫度下（25 ℃～200 ℃）采用電子束蒸發法在Si（100）襯底上制備了具有相同的生長速度和目標厚度的Ti薄膜，并測試了薄膜的各項性能，從而確定電子束蒸發Ti薄膜時最優的襯底溫度。

1 Ti薄膜制備與測試方法

1.1 Ti薄膜的制備

采用電子束蒸發法制備Ti 薄膜，以直徑200 mm 的Si（100）晶圓為襯底，以純度99.99%的圓柱型鈦顆粒為蒸發源。坩堝采用系統自帶的六穴坩堝盤，材質為無氧銅。

電子束蒸發法制備Ti 薄膜時，將本底真空度抽至低于1.0×10-3Pa，固定蒸發速率為0.7 nm/s，蒸發距離為50 cm，電子槍電壓為10 kV，襯底溫度為25 ℃、100 ℃、150 ℃和200 ℃。

1.2 測試方法

采用臺階儀測試薄膜的實際厚度。采用Dimension Edge型（德國Bruker公司）原子力顯微鏡（AFM）測試薄膜的三維表面形貌及表面粗糙度（Ra），測試模式為輕敲模式，可生成3 μm × 3 μm 的掃描圖像。采用光源波長633 nm 的KLA F5X 型測試儀測試薄膜的鏡面反射率（Ref）。采用四探針法測試薄膜的方塊電阻（Rsq），型號為KLA RS55TCA。采用KLA Flex5400 型應力儀測試薄膜的殘余應力（δf），結果由式（1）計算得出［8-9］：

式中：Es、ts和υs分別為襯底的楊氏模量、厚度和泊松比；tf為薄膜的實際厚度；R為襯底鍍膜后的曲率半徑；R0為襯底未鍍膜時的曲率半徑。

2 結果與討論

2.1 硅襯底溫度對Ti薄膜厚度的影響

真空蒸發系統自帶的膜厚監控儀可以實現對薄膜厚度的在線實時監控，因此每次實驗時都會將目標膜厚設定為100 nm，當監測厚度達到設定值后，蒸發系統停止工作。圖1顯示了硅襯底溫度對Ti薄膜厚度的影響。從圖1 可以看出，Ti 薄膜的實際厚度與襯底溫度具有相關性，并且隨著硅襯底溫度的升高而降低。文獻［10］在研究基底溫度對電子束蒸發制備氧化鋁薄膜的影響時，也得到了同樣的結果。

圖1 硅襯底溫度對Ti薄膜厚度的影響Fig.1 Effect of silicon substrate temperature on the thickness of Ti films

膜厚監控儀是根據石英晶體的壓電效應來控制膜厚的。在石英晶體表面附著薄膜時，薄膜質量的變化會導致石英晶體的諧振頻率發生變化。按式（2）計算出晶振片上的厚度［11］：

式中：df是目標膜厚；Δf是石英晶體諧振頻率的變化值；ρf是膜層密度（對既定材料是已知的，為定值）；f、N、ρq分別是石英晶體的固有諧振頻率、頻率常數、密度。

根據式（2）計算df時，f、N、ρq、ρf均為定值。每次鍍膜時，df都是一致的，即Δf也是一致的，進而可知每次鍍在石英晶體表面的薄膜質量也是一致的，襯底表面得到的薄膜質量m也是一致的。襯底上薄膜質量m除以薄膜體積（襯底面積S與薄膜實際厚度tf的乘積）可得到薄膜的實際密度ρ。

隨著硅襯底溫度的升高，薄膜的實際厚度逐漸降低，說明膜層實際密度在逐漸增大，膜層更加致密。同時也說明了實際生產過程中得到的膜層實際密度ρ并不一定與ρf一致，且隨著工藝參數的變化，ρ不再是定值。而膜厚監控儀在計算薄膜厚度時，膜層密度采用的是定值，導致計算出的目標厚度與實際膜厚不一致。

2.2 硅襯底溫度對Ti薄膜表面形貌的影響

圖2 和圖3 分別為不同硅襯底溫度下Ti 薄膜的AFM 形貌圖和表面粗糙度。可以看出，硅襯底溫度從25 ℃上升到150 ℃時，Ti薄膜表面顆粒大小均勻且界面清晰，表面粗糙度逐漸減小。襯底溫度升到200 ℃時，Ti薄膜表面顆粒粒徑變得粗大，表面粗糙度也隨著增大。襯底溫度在25 ℃～150 ℃范圍升高時，蒸發出的Ti 原子可以獲得更多的能量，更容易在襯底表面實現遷移；因此，Ti原子在襯底表面的成核位置增多并生長，使薄膜表面的厚度分布更加均勻，表面粗糙度減小。襯底溫度繼續升高至200 ℃時，各個位置的晶粒開始橫向生長，不同晶粒開始接觸并結合成為一個大晶粒，導致表面粗糙度增大。這是薄膜島狀生長模式的顯著特征［12-14］。

圖2 硅襯底溫度對Ti薄膜AFM形貌的影響Fig.2 Effect of silicon substrate temperature on AFM morphologies of Ti films

圖3 硅襯底溫度對Ti薄膜表面粗糙度的影響Fig.3 Effect of silicon substrate temperature on surface roughness of Ti films

2.3 硅襯底溫度對Ti薄膜鏡面反射率的影響

鏡面反射率的大小可以反映出薄膜表面的平坦程度。薄膜表面越平坦，后續刻蝕工藝的刻蝕均勻性越好，器件的良率就越高。鏡面反射率的大小與薄膜表面粗糙度有極大的相關性，粗糙度越小，鏡面反射率越高［15-16］。圖4 顯示了硅襯底溫度對Ti 薄膜反射率的影響。從圖4 可以看出，Ti 薄膜的鏡面反射率隨著硅襯底溫度升高先升高再降低，與粗糙度變化趨勢正相反。由于光源照射到薄膜表面時會發生漫反射，導致鏡面反射率降低。襯底溫度升高（25 ℃～150 ℃）時，粗糙度降低，薄膜表面更加平滑，鏡面反射率升高；襯底溫度繼續升高（200 ℃）時，粗糙度增大，漫反射程度更加強烈，導致鏡面反射率降低。

圖4 硅襯底溫度對Ti薄膜反射率的影響Fig.4 Effect of silicon substrate temperature on reflectivity of Ti films

2.4 硅襯底溫度對Ti薄膜方塊電阻的影響

Ti薄膜作為導線膜層時，其方塊電阻越低，器件的能耗也越低。圖5顯示了硅襯底溫度對Ti薄膜方塊電阻的影響。從圖5 可以看出，Ti 薄膜的方塊電阻隨硅襯底溫度的升高而降低。隨著硅襯底溫度的升高，薄膜的實際厚度降低使薄膜的結構更加致密，從而導致載流子濃度提高，導電性提高，方塊電阻降低［6］。另一方面晶粒逐漸長大并融合，晶界減少，有利于載流子的遷移，也可以使方塊電阻降低。

圖5 硅襯底溫度對Ti薄膜方塊電阻的影響Fig.5 Effect of silicon substrate temperature on square resistance of Ti films

2.5 硅襯底溫度對Ti薄膜殘余應力的影響

薄膜的殘余應力越小，則薄膜結構的穩定性越高，性能穩定性也越好。圖6 顯示出薄膜殘余應力為負值，說明殘余應力性質為壓應力［17］，且應力絕對值隨著硅襯底溫度的升高而逐漸減小。

圖6 硅襯底溫度對Ti薄膜殘余應力的影響Fig.6 Effect of silicon substrate temperature on residual stress of Ti films

殘余應力的大小由熱應力和內應力共同決定。其中蒸發鍍膜前后的溫度差決定了熱應力的大小［18］，而薄膜生長過程中的各種缺陷則決定了內應力的大小。隨著襯底溫度的升高，蒸發鍍膜前后的溫度差增大，熱應力隨之增大［19］，而殘余應力卻逐漸降低，說明內應力在逐漸減小，且內應力的減小幅度大于熱應力的增大幅度。在目標膜厚與蒸發速率均一致的情況下，薄膜生長時間也是一致的。硅襯底溫度升高時，蒸發出的Ti 原子活性更強，晶粒長大融合，降低了晶粒之間的相互作用和缺陷密度，導致薄膜的內應力大幅度減小［20］。