磁控濺射法制備Cu膜_圖文

1、磁控濺射法制備Cu膜摘要沉積速率高、基材溫升低的磁控濺射工藝,已經(jīng)成為半導體集成電路金屬化工藝的主流。本文重點對在硅晶圓上濺射金屬銅薄膜的實際鍍膜過程中的淀積速率進行了理論和實驗研究。結(jié)果表明淀積速率隨工作氣壓的增大先增大后減小;隨著溫度增大而減小,但均勻性增強;當入射離子的能量超過濺射閾值時,淀積速率隨著濺射功率的增加先增加后下降;同時還討論了濺射功率、淀積時間對膜厚和膜質(zhì)量的影響。以上結(jié)論對于獲得良好的鍍膜工藝控制是很有意義的。關鍵詞濺射;集成電路金屬化;淀積速率影響因素;最佳工藝條件Magnetron Sputtering Cu filmAbstractThe high depositi

2、on rate,substrate temperature rise of low-magnetron sputtering process, has become the mainstream of the semiconductor integrated circuit metallization process. This article focuses on theoretical and experimental research in the actual coating process of the sputtering of copper films on silicon wa

3、fers in the deposition rate. Studies have shown that the deposition rate first increases with increasing working pressure and then decreases; deposition rate decreases as the temperature increases, but the enhanced uniformity; when the incident ion energy greater than the sputtering threshold, the d

4、eposition rate With the sputtering power increased first and then decreased; and sputtering power, deposition time on the film thickness and film quality. The conclusion is very significant to get a good coating process control.Keywords M agnetron sputtering; IC metallization; D eposition rate and i

5、nfluencing factors; O ptimum process conditions目錄第1章緒論. 錯誤!未定義書簽。1.1 引言. 錯誤!未定義書簽。1.2 濺射鍍膜的特點 (21.3 金屬薄膜制備方法 (31.3.1 三電極(四電極濺射方法 (31.3.2 對向靶濺射法 (31.3.3 離子束濺射法沉積法 (31.3.4 磁控濺射沉積法 (5第2章實驗 (112.1 實驗研究路線 (112.2 實驗設備及材料 (112.2 Cu薄膜制備. 1錯誤!未定義書簽。2.3.1 基片前處理. 1錯誤!未定義書簽。2.3.2 薄膜的制備 (13第3章實驗結(jié)果及分析 (143.1 不同制備

6、條件對輝光放電的影響 (143.1.1 不同功率下的輝光放電 (143.1.2 不同工作氣壓下的輝光放電 (153.1.3 不同濺射溫度下的輝光放電 (173.2 不同制備條件對薄膜表面形貌的影響 (183.2.1 原子力顯微鏡的基本原理 (193.2.2 不同生長條件下播磨表面形貌圖 (223.3 表面污染、灰塵等對Cu膜的影響 (33結(jié)論 (35致謝 (36參考文獻 (37附錄A 譯文 (38磁控濺射鍍膜技術的發(fā)展及應用 (38附錄B 外文原文 (46第1章緒論隨著集成電路規(guī)模的發(fā)展,器件尺寸的縮小,多層布線和銅互連的引入,對于形成器件接觸和互連的金屬化方面也提出了越來越高的要求。金屬薄膜

7、不再是單一的一種、一層金屬,而是多層金屬復合膜。磁控濺射技術的出現(xiàn)很好地滿足了半導體器件多層復臺金屬膜的需求,形成了良好的歐姆接觸、整流接觸,大大地提高了器件的成品率.對降低器件成本起到了極為重要的作用。1此外磁控濺射鍍膜工藝還具有沉積速率高,基材升溫低,臺階覆蓋好、膜層均勻、致密、純度高、附著力強、應用靶材廣、工作穩(wěn)定等顯著特點,而且產(chǎn)量可大可小,并能按用戶要求加工所需的數(shù)量和質(zhì)量,靈活性太,生命力強,這是其它方法所不及的。所以濺射鍍膜技術電路金屬化的主流技術。磁控濺射技術作為一種十分有效的薄膜沉積方法,被普遍和成功地應用于許多方面,特別是在微電子、光學薄膜和材料表面處理領域中,用于薄膜沉積

8、和表面覆蓋層制備。1852 年Grove 首次描述濺射這種物理現(xiàn)象,20 世紀40 年代濺射技術作為一種沉積鍍膜方法開始得到應用和發(fā)展。60 年代后隨著半導體工業(yè)的迅速崛起,這種技術在集成電路生產(chǎn)工藝中,用于沉積集成電路中晶體管的金屬電極層,才真正得以普及和廣泛的應用。磁控濺射技術出現(xiàn)和發(fā)展,以及80年代用于制作CD 的反射層之后,磁控濺射技術應用的領域得到極大地擴展,逐步成為制造許多產(chǎn)品的一種常用手段,并在最近十幾年,發(fā)展出一系列新的濺射技術。2沉積速率不僅是衡量鍍膜設備性能的一項重要指標,而且還對薄膜的特性,如牢固度、薄膜應力、電阻率、薄膜硬度、表面光潔度、表面形貌以及薄膜的微觀結(jié)構等有著

9、很大的影響,3雖然已經(jīng)有磁控濺射工藝的研究,但是限于理論和實驗室的研究較多,對于用于大規(guī)模實際生產(chǎn)的濺射工藝研究很少,磁控濺射鍍膜工藝具有共性的規(guī)律,但同時不同國家不同型號的設備鍍膜中也具有個性。本文采用目前大規(guī)模生產(chǎn)中先進的常用的圓形平面磁控濺射設備對磁控濺射鍍膜工藝進行研究很有實際意義。本文采用實驗驗證,理論分析,數(shù)學計算等多種研究方法,對淀積速度的主要影響因素進行了分析,得出了規(guī)律,并根據(jù)產(chǎn)品對膜厚的要求范圍,得出最優(yōu)的工藝條件。銅( Cu 膜的制備技術除了應用于對傳統(tǒng)的金屬表面處理之外,近年來在微電子領域也得到越來越廣泛的應用。在超大規(guī)模集成電路的設計制造中,隨著集成度和工作頻率的不斷

10、提高,對多層布線中的內(nèi)連線和地線的熱穩(wěn)定性、機械強度等要求也越來越高。而在集成技術領域,隨著集成度的增加和線寬的減少,為了進一步減少連線的電阻率,也有研究者正在探索用Cu 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Al 做連線。和鋁相比,銅具有電阻率低、導熱性好、熱膨脹系數(shù)小和熔點高等性能,有利于提高電路的工作頻率和抗電遷徙能,被認為是最有希望成為超大規(guī)模集成電路等元器件使用的金屬化材料。本文采用磁控濺射方法來制備Cu 薄膜,研究了濺射工藝條件對樣品的結(jié)構、晶粒尺寸和表面形貌等的影響。1.2 濺射鍍膜的特點濺射鍍膜是利用濺射現(xiàn)象來達到制備各種薄膜的目的,即在真空中利用荷能離子轟擊靶表面,使被轟擊的離子沉積的技術。它與真空蒸度

11、相比有以下幾個特點:(1濺射鍍膜是依靠動量交換作用使固體材料的原子、分子進入氣相,濺射出的平均能量在l0eV,高于真空蒸發(fā)粒子的100倍左右,沉積在基體表面上之后,尚有足夠的動能在基體表面上遷移,因而薄膜質(zhì)量較好,與基體結(jié)合牢固。(2任何材料都能濺射鍍膜,材料濺射特性差別不如其蒸發(fā)特性差別大,即使是高熔點材料也能進行濺射,對于合金、靶材化合物材料易制成與靶材組分比例相同的薄膜,因而濺射鍍膜的應用非常廣泛。(3濺射鍍膜中的入射離子一般利用氣體放電法得到,因而其工作壓力在10Pal0Pa范圍,所以濺射離子在飛到基體之前往往已與真空室內(nèi)的氣體分子發(fā)生過碰撞,其運動方向隨機偏離原來的方向,而且濺射一般

12、是從較大靶表面積中射出的,因而比真空鍍膜得到均勻厚度的膜層,對于具有勾槽、臺階等鍍件,能將陰極效應造成膜厚差別減小到可以忽略的程度。但是,較高壓力下濺射會使膜中含有較多的氣體分子。(4濺射鍍膜除磁控濺射外,一般沉積速率都較低,設備比真空蒸鍍復雜,價格較高,但是操作單純,工藝重復性好,易實現(xiàn)工藝控制自動化。濺射鍍膜比較適宜大規(guī)模集成電路磁盤光盤等高新技術的連續(xù)生產(chǎn),也適宜于大面積高質(zhì)量鍍膜玻璃等產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)。41.3 金屬薄膜制備方法1.3.1三電極(四電極濺射方法三電極濺射裝置就是在以前兩電極的裝置上附加了第三電極的裝置,第三電極作為生成等離子用的電子供應源放出熱電子。而又有時為了放射熱電子

13、,使放電穩(wěn)定化設置了穩(wěn)定化電極,又稱作四電極濺射裝置。金屬的高速濺鍍,制得了幾十微米厚的鍍層。但是這種裝置不能抑制靶材的高速電子對基板(工件的轟擊,使得工件溫度仍上升顯著,還有燈絲的壽命也是裝置連續(xù)工作的障礙。1.3.2 對向靶濺射法由于對于氧化鐵、鈹莫合金等磁性記錄材料的低溫、高速成膜要求,研制出了對向靶濺射方式。如圖1.1所示,把兩塊靶材相對布置,工件位于靶的一側(cè),由線圈產(chǎn)生的外加磁場垂直地加在磁性材料靶的表面,在這里磁場H和電場平行。這樣就可以把Y電子封閉在兩個靶之間的空間里,并可促進氣氛氣體的離子化。因為工件設在靶材的側(cè)面,就可完全不受高速電子的轟擊,保證了它的低溫。該法的研制成功使超

14、高密度磁記錄有了可能。 圖1.1 對向靶濺射裝置1.3.3 離子束濺射法沉積法我們知道,早期的薄膜一般是采用真空蒸發(fā)技術制備的。但是,國內(nèi)外研究表明,這種制膜技術自身存在著很多不完善的地方,對薄膜的厚度和質(zhì)量很難控制。然而,經(jīng)過近二十年的發(fā)展,離子束濺射技術已成為制備高質(zhì)量薄膜的一種最有效的方法。其早期主要應用于激光陀螺和高功率激光鏡的研制。目前,隨著光子時代的到來,國外這項技術越來越引起人們的格外關注,已有大量的科研人員投身到運用離子束濺射技術制造具有各種特性薄膜的研究中。在其他領域,離子束濺射技術也同樣顯示了其強大的生命力。但是,國內(nèi)對這方面的研究和介紹甚少,鮮見報道。離子束濺射技術(如圖

15、1.2是在比較低的氣壓下,從離子源取出的氬離子以一定角度對靶材進行轟擊,由于轟擊離子的能量大約為1keV,對靶材的穿透深度可忽略不計,級聯(lián)碰撞只發(fā)生在靶材幾個原子厚度的表面層中,大量的原子逃離靶材表面,成為濺射粒子,其具有的能量大約為lOeV的數(shù)量級。由于真空室內(nèi)具有比較少的背景氣體分子,濺射粒子的自由程很大,這些粒子以直線軌跡到達基板并沉積在上面形成薄膜。由于大多數(shù)濺射粒子具有的能量只能滲入并使薄膜致密,而沒有足夠的能量使其它粒子移位,造成薄膜的破壞;并且由于低的背景氣壓,薄膜的污染也很低;而且,冷的基板也阻止了由熱激發(fā)導致晶粒生長在薄膜內(nèi)的擴散。因此,在基板上可以獲得致密的無定形膜層。在成

16、膜的過程中,特別是那些能量高于l0V的濺射粒子,能夠滲入幾個原子量級的膜層從而提高了薄膜的附著力,并且在高低折射率層之間形成了很小梯度的過度層。有的轟擊離子從靶材獲得了電子而成為中性粒子或多或少的被彈性反射,然后,它們以幾百電子伏的能量撞擊薄膜,高能中性粒子的微量噴射可以進一步使薄膜致密而且也增強了薄膜的內(nèi)應力。 圖1.2 離子束濺射裝置我們知道,理想的薄膜應該具有光學性質(zhì)穩(wěn)定、無散射和吸收、機械性能強和化學性質(zhì)穩(wěn)定等特征,而離子束濺射技術正好提供了能夠達到這些要求的技術平臺,目前離子束濺射技術的應用領域不斷地被拓寬,并且應用的光譜波段也早已從可見光拓寬到紅外、紫外、x射線等范圍。離子束濺射技

17、術在光纖、計算機、通信、納米技術、新材料、集成光學等領域即將發(fā)揮其強大的作用。尤其信息時代的到來,光纖通訊發(fā)揮越來越大的作用,其中關鍵的器件就是波分復器,離子束濺射技術正是研制、開發(fā)波分復器的優(yōu)選技術方案?？梢?離子束濺射技術在將來一定有著更加廣闊的應用前景,引起人們的更加重視。1.3.4 磁控濺射沉積法所謂針真空磁控濺射技術就是一種利用陰極表面配合的磁場形成電子陷阱,使在E×B的作用下電子緊貼陰極表面飄移。設置一個與靶面電場正交的磁場,濺射時產(chǎn)生的快電子在正交的電磁場中作近似擺線運動,增加了電子行程,提高了氣體的離化率,同時高能量粒子與氣體碰撞后失去能量,基體溫度較低,在不耐溫材料

18、上可以完成鍍膜。這種技術是目前玻璃膜技術中的最尖端技術,是由航天工業(yè)、兵器工業(yè)、和核工業(yè)三個方面相結(jié)合的頂尖技術的民用化,目前民用主要是通過這種技術達到節(jié)能、環(huán)保等作用。磁控濺射原理:電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞,電離出大量的氬離子和電子,電子飛向基片。氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材,濺射出大量的靶材原子,呈中性的靶原子(或分子沉積在基片上成膜。二次電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響,被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi),該區(qū)域內(nèi)等離子體密度很高,二次電子在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動,該電子的運動路徑很長,在運動過程中不斷的與氬原子發(fā)生碰撞電離出大量的

19、氬離子轟擊靶材,經(jīng)過多次碰撞后電子的能量逐漸降低,擺脫磁力線的束縛,遠離靶材,最終沉積在基片上。磁控濺射就是以磁場束縛和延長電子的運動路徑,改變電子的運動方向,提高工作氣體的電離率和有效利用電子的能量。電子的歸宿不僅僅是基片,真空室內(nèi)壁及靶源陽極也是電子歸宿。但一般基片與真空室及陽極在同一電勢。磁場與電場的交互作用使單個電子軌跡呈三維螺旋狀,而不是僅僅在靶面圓周運動。至于靶面圓周型的濺射輪廓,那是靶源磁場磁力線呈圓周形狀形狀。磁力線分布方向不同會對成膜有很大關系。在E X B shift機理下工作的不光磁控濺射,多弧鍍靶源,離子源,等離子源等都在次原理下工作。所不同的是電場方向,電壓電流大小而

20、已。磁控濺射的基本原理是利用Ar-O2混合氣體中的等離子體在電場和交變磁場的作用下,被加速的高能粒子轟擊靶材表面,能量交換后,靶材表面的原子脫離原晶格而逸出,轉(zhuǎn)移到基體表面而成膜。磁控濺射的特點是成膜速率高,基片溫度低,膜的粘附性好,可實現(xiàn)大面積鍍膜。該技術可以分為直流磁控濺射法和射頻磁控濺射法。磁控濺射是70年代迅速發(fā)展起來的一種“高速低溫濺射技術”。磁控濺射是在陰極靶的表面上方形成一個正交電磁場。當濺射產(chǎn)生的二次電子在陰極位降區(qū)內(nèi)被加速為高能電子后,并不直接飛向陽極,而是在正交電磁場作用下作來回振蕩的近似擺線的運動。高能電子不斷與氣體分子發(fā)生碰撞并向后者轉(zhuǎn)移能量,使之電離而本身變成低能電子

21、。這些低能電子最終沿磁力線漂移到陰極附近的輔助陽極而被吸收,避免高能電子對極板的強烈轟擊,消除了二極濺射中極板被轟擊加熱和被電子輻照引起損傷的根源,體現(xiàn)磁控濺射中極板“低溫”的特點。由于外加磁場的存在,電子的復雜運動增加了電離率,實現(xiàn)了高速濺射。磁控濺射的技術特點是要在陰極靶面附件產(chǎn)生與電場方向垂直的磁場,一般采用永久磁鐵實現(xiàn)。如果靶材是磁性材料,磁力線被靶材屏蔽,磁力線難以穿透靶材在靶材表面上方形成磁場,磁控的作用將大大降低。因此,濺射磁性材料時,一方面要求磁控靶的磁場要強一些,另一方面靶材也要制備的薄一些,以便磁力線能穿過靶材,在靶面上方產(chǎn)生磁控作用。磁控濺射系統(tǒng)是在基本的二極濺射系統(tǒng)發(fā)展

22、而來,解決二極濺射鍍膜速度比蒸鍍慢很多、等離子體的離化率低和基片的熱效應明顯的問題。磁控濺射系統(tǒng)在陰極靶材的背后放置1001000Gauss 強力磁鐵,真空室充入01110Pa 壓力的惰性氣體(Ar ,作為氣體放電的載體。在高壓作用下Ar 原子電離成為Ar + 離子和電子,產(chǎn)生等離子輝光放電,電子在加速飛向基片的過程中,受到垂直于電場的磁場影響,使電子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi),電子以擺線的方式沿著靶表面前進,在運動過程中不斷與Ar 原子發(fā)生碰撞,電離出大量的Ar +離子,與沒有磁控管的結(jié)構的濺射相比,離化率迅速增加10100倍,因此該區(qū)域內(nèi)等離子體密度很高。經(jīng)過多次碰撞后電

23、子的能量逐漸降低,擺脫磁力線的束縛,最終落在基片、真空室內(nèi)壁及靶源陽極上。而Ar + 離子在高壓電場加速作用下,與靶材的撞擊并釋放出能量,導致靶材表面的原子吸收Ar + 離子的動能而脫離原晶格束縛,呈中性的靶原子逸出靶材的表面飛向基片,并在基片上沉積形成薄膜(見圖1.3 。濺射系統(tǒng)沉積鍍膜粒子能量通常為110eV ,濺射鍍膜理論密度可達98 %。比較蒸鍍0111eV的粒子能量和95 %的鍍膜理論密度而言,濺鍍薄膜的性質(zhì)、牢固度都比熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)薄膜好。5磁控管中陰極和磁體的結(jié)構直接影響濺射鍍膜的性能,因此根據(jù)磁控濺射應用要求,發(fā)展出各種不同結(jié)構和可變磁場的陰極磁控管1017 ,以改善和提高

24、薄膜的質(zhì)量和靶材的利用率。6 (a (b圖1.3 磁控濺射原理示意圖磁控濺射技術得以廣泛的應用,是由該技術有別于其它鍍膜方法的特點所決定的。其特點可歸納為:可制備成靶材的各種材料均可作為薄膜材料,包括各種金屬、半導體、鐵磁材料,以及絕緣的氧化物、陶瓷、聚合物1819等物質(zhì),尤其適合高熔點和低蒸汽壓的材料沉積鍍膜;在適當條件下多元靶材共濺射方式,可沉積所需組分的混合物、化合物薄膜;在濺射的放電氣氛中加入氧、氮或其它活性氣體,可沉積形成靶材物質(zhì)與氣體分子的化合物薄膜;控制真空室中的氣壓、濺射功率,基本上可獲得穩(wěn)定的沉積速率,通過精確地控制濺射鍍膜時間,容易獲得均勻的高精度的膜厚,且重復性好;濺射粒

25、子幾乎不受重力影響,靶材與基片位置可自由安排;基片與膜的附著強度是一般蒸鍍膜的10 倍以上,且由于濺射粒子帶有高能量,在成膜面會繼續(xù)表面擴散而得到硬且致密的薄膜,同時高能量使基片只要較低的溫度即可得到結(jié)晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生產(chǎn)厚度10nm以下的極薄連續(xù)膜。磁控濺射的靶材利用率一直是個問題,由于靶源磁場磁力線分布呈圓周形狀,在靶表面的一個環(huán)形區(qū)域內(nèi),靶材被消蝕成一個深的溝,這種靶材的非均勻消耗,造成靶材的利用率較低。實際應用中,圓形的平面陰極靶,靶材的利用率通常小于50 %。通過磁場的優(yōu)化設計可提高靶材的利用率,特定的條件下,一些廠商磁控管的靶材利用率可以超過70 %。另外,旋轉(zhuǎn)靶

26、材的利用率較高,一般可達到70 %80 %以上。磁控濺射常見技術分為直流磁控濺射(如圖1.4、中頻磁控濺射和射頻磁控濺射。7 圖1.4 直流磁控濺射示意圖直流磁控濺射是在直流二極濺射的基礎上,在靶材后面安放磁鋼?？梢杂脕頌R射沉積導電膜,而且沉積速度快;但靶材若為絕緣體的話,將會迅速造成靶材表面電荷積累,從而導致濺射無法進行。所以對于純金屬靶材的濺射,均采用直流磁濺射,如濺射SUS、Ag、Cr、Cu等。反應過程,反應發(fā)生在表面-靶或基體上,活性氣體也可以形成活性基團,濺射原子與活性基團碰撞也會形成化合物沉積在基體上。當通入的反應氣體壓強很低,或靶的濺射產(chǎn)額很高時化合物的合成發(fā)生在基體上,而且化合

27、物的成分取決于濺射粒子和反應氣體到達基體的相對速度,這種條件下,靶面的化學反應消失或者是化合物分解的速度遠大于合成的速度;當氣體壓強繼續(xù)升高,或濺射產(chǎn)額降低時化合反應達到某個域值,此后在靶上的化學合成速度大于逸出速度,認為化合物在靶面進行。直流反應濺射出現(xiàn)的問題:(1靶的污染:靶表面形成了非導電的化合物或者導電很差的化合物之后,除了放電電壓及沉積速率變化之外,還會因為靶面狀況的動態(tài)變化引起膜成分及結(jié)構的變化;(2陽極消失:當陽極上化合物沉積到一定厚度時就中斷了電荷傳導的通路,造成電荷不斷積累,最終陽極失去作用,輝光放電不穩(wěn)定,沉積的膜層性能不一致。因此經(jīng)常清理陽極是必要的;(3極間打火:隨陰陽

28、極覆蓋化合物,導電性能變差或喪失使電子積累。若要維持輝光放電,必須提高外加電壓,結(jié)果造成陰極表面化合物的擊穿,形成弧光放電。嚴重的影響濺射過程的穩(wěn)定性,并造成膜的缺陷。最有效的解決方法是改變放電模式,采用交流及脈沖濺射。8 圖1.5 反應式薄膜濺鍍原理中頻磁控濺射常用來進行反應濺射,如金屬氧化物、氮化物及碳化物等,將少許反應性氣體N2,O2,C2H2等同惰性氣體Ar2一起輸入到真空腔中,使反應氣體與靶材原子一起于基材上沉積。對于一些不易找到塊材料制成靶材的鍍膜或陶瓷靶材在濺鍍后,薄膜成分易偏離原靶材成分,也可通過反應沉積來獲得改善。美國著名公司AE(Advanced Energy開發(fā)出中頻孿生

29、靶濺射電源,現(xiàn)在,這項技術被廣泛應用于市場。例如:將反應氣體N2加入到Ar2中濺射Cr,便可獲得CrN鍍層。反應濺射原理如圖1.5所示。9射頻磁控濺射(如圖1.6用來進行介質(zhì)膜的濺射,如在玻璃上鍍ITO膜之前需鍍上一層SiO2擴散隔離層,該SiO2膜就是采用射頻濺射。通常在濺鍍過程中輝光放電中的離子撞擊到陰極時,會與陰極的電子中和,使得濺射現(xiàn)象可以繼續(xù)進行。但若靶材本身不導電的話,離子撞擊到靶材上沒有電子中和,正電荷一直累積,便與后來的離子排斥,這會造成取代直流電源,便可解決此離子撞擊現(xiàn)象的停頓。高周波電源問題。10 圖1.6 射頻磁控濺射原理示意圖第2章實驗2.1 實驗研究路線本課題采用的多

30、靶磁控濺射鍍膜儀制備Cu薄膜,并分別在射頻功率、腔內(nèi)壓強、濺射時間等工藝條件下進行參數(shù)控制,研究各個參數(shù)烤制條件下Cu薄膜結(jié)構和性能的變化,包括Cu薄膜表面形貌、厚度、顆粒大小等,左后通過定性地分析,得到適宜具有特定性能Cu薄膜的最佳生長條件。2.2 實驗設備及材料本實驗采用遼寧聚智有限公司制造的多靶磁控濺射儀進行薄膜制備,儀器如圖5所示。測試儀器為上海愛建納米有限公司生產(chǎn)的原子力顯微鏡;鏡相顯微鏡;超聲波清洗器。實驗氣體為Ar2。本實驗所用靶材為銅,單面拋光的高純度單晶Si,其電阻率為00.0035.cm,厚度為620±20um,N型,晶向(100;玻璃刀吵純水;鑷子;酒精;吹氣球

31、;濾紙等。 圖5 多靶磁控濺射儀進行薄膜制備2.3 Cu薄膜制備本實驗只要研究磁控濺射法制備Cu薄膜,并分別在射頻功率、腔內(nèi)壓強、濺射時間上進行參數(shù)控制。研究各個參數(shù)控制條件下Cu薄膜微觀結(jié)構、形貌、成分、生長取向的規(guī)律性變化。利用光學顯微鏡觀察影響鍍膜的誤差和缺陷,利用原子力顯微鏡分析了薄膜的便面形貌、顆粒尺寸和粗糙度等參數(shù),從而得出適宜具有特定性能Cu膜的最佳生長條件。2.3.1 基片前處理基材前處理的目的是清楚基材便面的油污積垢、氧化物、銹蝕等污物,確?；谋忝嫫秸?、清潔、光亮、提高膜層和基材的附著強度。如果基材便面拋光不平,未徹底清潔,存在附著物、銹斑或氧化物,鍍膜時這些缺陷易出現(xiàn)點狀

32、針孔、剝落、“發(fā)花”等現(xiàn)象。一般而言,基材的前處理工藝流程大致相同,但對具體的基材,考慮到其自身的特性,其前處理方法要適當調(diào)整。本實驗所用硅片便面基本干凈,處理如下:從大片的硅片上劃取適當尺寸(約2cm×4cm的硅片,放入裝滿酒精的燒瓶中,將燒瓶放入超聲波清洗器如圖2.1所示中,15分鐘后,拿出燒瓶,并用鑷子夾住硅片,緩慢豎直提出,檢查硅片是否已經(jīng)清洗干凈后的硅片放在烘烤箱中烘干。 圖2.1 超聲波清洗器2.3.2 薄膜的制備1、樣品與靶材放入打開冷卻水;打開真空腔進氣閥、使真空系統(tǒng)恢復到大氣壓狀態(tài);打開系統(tǒng)總電源,升起真空腔濺板,使真空腔暴露在大氣壓中;把靶材固定在磁控靶基座上,樣

33、品放入相應的基底位置上,落下真空腔濺板,關閉進氣閥。2、系統(tǒng)從大氣狀態(tài)抽真空檢查并確定真空腔各個閥門都處于關閉狀態(tài);確定冷卻水系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài),水流通常;按下機械泵按鈕,啟動機械泵;打開手動角閥,用機械泵對主真空室進行抽氣;打開熱真空計,測量系統(tǒng)真空;壓強降到10Pa以下時,打開分子泵電源開關,打開電磁閥;關閉旁抽角閥,打開檔板閥,用分子泵抽真空。3、鍍膜過程當氣壓抽到所需要的本底真空時,開始鍍膜。打開所需氣體鋼瓶閥門和相應的減壓閥;打開真空腔進氣閥和質(zhì)量流量計,調(diào)節(jié)到流量為20sccm;適當關閉閘板閥,使氣壓維持在15Pa;打開直流電源開關,預熱510分鐘;開啟直流電源,調(diào)節(jié)電位器,使真

34、空室輝光放電;調(diào)節(jié)流量計、閘板閥、電源到所需的工藝參數(shù)。4、關機步驟鍍膜完畢后,開始關機。關閉直流電源;關閉質(zhì)量流量計;關閉各路進氣閥門;完全打開閘板閥,抽到高真空;關閉閘板閥,并確保氣體進氣閥門關閉;關閉分子泵電源,觀察轉(zhuǎn)速顯示減少到0時;10分鐘后關閉電磁閥,關閉機械泵;關閉總電源,關閉冷卻水。5、注意事項開機前須確定冷卻水已經(jīng)打開;真空腔打開前確定真空腔已經(jīng)進氣到大氣壓狀態(tài)。第3章實驗結(jié)果及分析本借分析不同制備條件對輝光放電、Cu膜折射率、沉積厚和表面形貌的影響。其中薄膜的折射率和膜厚采用TP-2型系動畫橢圓偏振儀來檢測;Cu膜的表面形貌采用原子力顯微鏡來觀察。3.1 不同制備條件對輝光

35、放電的影響為研究工作氣壓、功率以及濺射溫度對生長Cu薄膜時輝光放電影響,設計多組實驗,其實驗過程數(shù)據(jù)具體見表格。3.1.1 不同功率下的輝光放電對不同功率條件下的輝光放電現(xiàn)象進行了研究,參照如表3.1所示,輝光放電圖像如圖3.1所示。 圖3.1 不同功率下的輝光放電現(xiàn)象表3.1 不同功率下輝光放電的參數(shù) 根據(jù)等離子體生成的機理可知,電子在激發(fā)態(tài)停留的時間很短(約10-8s,然后躍遷回到基態(tài)或是另一種能量較低的激發(fā)態(tài),并以光子的形式輻射出激發(fā)時獲得的額外能量,這就是光子的來源,其能量由它的頻率決定。圖3.1(A(B(C(D輝光現(xiàn)象的豈會條件分別對應表3.1中A、B、C、D四組放電參數(shù)。從圖3.1

36、(A中可以看出輝光是暗暗的藍色,輝光亮度較暗,說明此時由于濺射功率低,電極板之間的電壓較小,電子獲得的能量較低,故而電子與氣體分子碰撞并使分子電離放出光子的幾率較小,因而輝光放電較暗。而圖3.1(B中可以看出輝光比圖3.1(A較為鮮艷,而且亮度較亮,說明此時由于濺射功率的加大,電極板之間的電壓加大,電子獲得的能量增大,故而電子與氣體分子碰撞并使分子電離放出光子的幾率也增加,因而輝光放電變亮。到圖3.1(C中,輝光的顏色明顯變得鮮艷,亮度比圖3.1(A(B中的強,輝光達到最強,且每個孔均出現(xiàn)輝光。這說明隨著射頻功率的增加,放電強度增加,有利于薄膜的生長。圖3.1(D中發(fā)生輝光的亮度較圖3.1(C

37、變化不大,輝光束也變少一些,這是應為射頻源功率達到一定程度,等離子體間存在碰撞,使得活性粒子的數(shù)目隨功率增加逐漸趨于飽和,使得濺射速率也逐漸趨于飽和最后穩(wěn)定8。從以上結(jié)果可以看出,在輝光放電過程中濺射功率會影響放電的強弱,在一定功率范圍內(nèi),濺射功率低的時候,放電的效果弱,使得薄膜的生長液會隨之減慢;濺射功率高的時候,放電效果強,生長條件最佳。但如果超過這個范圍,放電先行不會增強。3.1.2 不同工作氣壓的輝光放電對不同工作氣壓下的輝光放電現(xiàn)象進行研究,參照表3.2所示,輝光放電圖像如圖3.2所示。 圖3.2 不同工作氣壓下輝光放電的現(xiàn)象表3.2 不同工作工作下輝光放電的參數(shù) 圖3.1(A(B(

38、C(D輝光現(xiàn)象的豈會條件分別對應表3.1中A、B、C、D四組放電參數(shù)。從圖3.2(A中可以看出輝光是暗暗的藍色,輝光亮度較暗,說明此時由于在低氣壓下,真空腔內(nèi)的分子密度較低,因而與電子碰撞被電離的氣體較少,所以輝光放電較暗。而圖3.2(B中可以看出輝光比圖3.2(A較為鮮艷,而且亮度較亮,說明此時由于氣壓的加大,真空腔內(nèi)的分子密度加大,因而與電子碰撞被電離的氣體的幾率增大,所以輝光放電變艷,到圖 3.2(C中,輝光的顏色明顯變得鮮艷,亮度比圖3.2(A(B中的強,輝光達到最強,且每個孔均出現(xiàn)輝光。這說明隨著氣壓的增加,與電子碰撞被電離的氣體的幾率增加,有利于薄膜的生長。圖3.2(D中發(fā)生輝光的

39、亮度較圖3.2(C變化不大,這是因為總氣壓過高,過于頻繁的碰撞使離子體的密度略有下降,限制反應速率。因此在特定功率下時,氣壓增加到一定值時濺射速率將不再發(fā)生變化。從以上結(jié)果可以看出,在輝光放電過程中濺射氣壓會影響放電的強弱,在一定氣壓范圍內(nèi),濺射氣壓低的時候,放電的效果弱,使得薄膜的生長液會隨之減慢;濺射氣壓高的時候,放電效果強,生長條件最佳。但如果超過這個范圍,放電先行不會增強。3.1.3 不同濺射溫度下的輝光放電對不同濺射溫度下的輝光放電現(xiàn)象進行研究,參照表3.3所示,輝光放電圖像如圖3.3所示。 表3.3 不同濺射溫度工作下輝光放電的參數(shù) 圖3.1(A(B(C(D輝光現(xiàn)象的豈會條件分別對

40、應表3.1中A、B、C、D四組放電參數(shù)。從圖3.2(A中可以看出輝光是暗暗的藍色,輝光亮度較暗,說明此時由于在溫度下,真空腔內(nèi)的分子活性較低,因而與電子碰撞被電離的氣體的幾率較少,所以輝光放電較暗。而圖3.2(B中可以看出輝光比圖3.2(A較為鮮艷,而且亮度較亮,說明此時由于溫度的加大,真空腔內(nèi)的分子活性加大,因而與電子碰撞被電離的氣體的幾率增大,所以輝光放電變艷,到圖 3.2(C中,輝光的顏色明顯變得鮮艷,亮度比圖3.2(A(B中的強,輝光達到最強,且每個孔均出現(xiàn)輝光。這說明隨著溫度的增加,與電子碰撞被電離的氣體的幾率增加,有利于薄膜的生長。圖3.2(D中發(fā)生輝光的亮度較圖3.2(C變化不大

41、,這是因為溫度過高,過于頻繁的碰撞使離子體的密度略有下降,限制反應速率。因此在特定功率下時,溫度增加到一定值時濺射速率將不再發(fā)生變化。從以上結(jié)果可以看出,在輝光放電過程中濺射溫度會影響放電的強弱,在一定溫度范圍內(nèi),濺射溫度低的時候,放電的效果弱,使得薄膜的生長液會隨之減慢;濺射溫度高的時候,放電效果強,生長條件最佳。但如果超過這個范圍,放電先行不會增強。3.2 不同制備條件對薄膜表面形貌的影響對薄膜表面的形貌的研究中,采用上海愛建納米有限公司聲場的AJ-IIIa原子力顯微鏡來觀察,結(jié)構圖和實物圖分別為如圖3.3和3.4所示。原子力顯微鏡作為一種強有力的表面表征工具,它不僅可以表征材料的表面形貌

42、,還能定量的研究表面的粗糙度、顆粒尺寸和分布,在許多學科均可發(fā)揮作用11。 圖3.3 原子力顯微鏡的機構示意圖 圖3.4 AJ-IIIa型原子力顯微鏡3.2.1 原子力顯微鏡的基本原理原子力顯微鏡,這是一種不需要導電試樣的掃描探針型顯微鏡。這種顯微鏡通過其粗細只有一個原子大小的探針在非常近的距離上探索物體表面的情況,便可以分辨出其他顯微鏡無法分辨的極小尺度上的表面細節(jié)與特征。由于它的出現(xiàn),直接觀測微觀世界的大門被打開了。這種顯微鏡能以空前的高分辨率探測原子和分子的形狀,確定物體的電、磁與機械特性,甚至能確定溫度變化的情況。使用這種顯微鏡時無需使試樣發(fā)生變化,也無需使試樣受破壞性的高能輻射作用。

43、總的來講,原子力顯微鏡的工作原理就是將探針裝在一彈性微懸臂的一端,微懸臂的另一端固定,當探針在樣品表面掃描時,探針與樣品表面原子間的排斥力會使得微懸臂輕微變形,這樣,微懸臂的輕微變形就可以作為探針和樣品間排斥力的直接量度。一束激光經(jīng)微懸臂的背面反射到光電檢測器,可以精確測量微懸臂的微小變形,這樣就實現(xiàn)了通過檢測樣品與探針之間的原子排斥力來反映樣品表面形貌和其他表面結(jié)構。在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中,可分成三個部分:力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)(見圖3.5。 圖3.5 原子力顯微鏡的工作原理1 力檢測部分在原子力顯微鏡(AFM的系統(tǒng)中,所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統(tǒng)中是使用

44、微小懸臂來檢測原子之間力的變化量。微懸臂通常由一個一般100500m長和大約500nm5m厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個尖銳針尖,用來檢測樣品-針尖間的相互作用力。這微小懸臂有一定的規(guī)格,例如:長度、寬度、彈性系數(shù)以及針尖的形狀,而這些規(guī)格的選擇是依照樣品的特性,以及操作模式的不同,而選擇不同類型的探針。以下是一種典型的AFM懸臂和針尖(如圖3.6: 圖3.6 懸臂和針尖的掃描電鏡照片2 位置檢測部分在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中,當針尖與樣品之間有了交互作用之后,會使得懸臂擺動,所以當激光照射在微懸臂的末端時,其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變,這就造成偏移量的產(chǎn)生。在整個系統(tǒng)中是依

45、靠激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下并轉(zhuǎn)換成電的信號,以供SPM控制器作信號處理。 圖3.7 激光位置監(jiān)視器圖3.7是激光位置檢測器的示意圖。聚焦到微懸臂上面的激光反射到激光位置檢測器,通過對落在檢測器四個象限的光強進行計算,可以得到由于表面形貌引起的微懸臂形變量大小,從而得到樣品表面的不同信息。3 反饋系統(tǒng)在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中,將信號經(jīng)由激光檢測器取入之后,在反饋系統(tǒng)中會將此信號當作反饋信號,作為內(nèi)部的調(diào)整信號,并驅(qū)使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當?shù)囊苿?以保持樣品與針尖保持一定的作用力。AFM系統(tǒng)使用壓電陶瓷管制作的掃描器精確控制微小的掃描移動。壓電陶瓷是一種性能奇特的材料,當在壓電陶

46、瓷對稱的兩個端面加上電壓時,壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮短。而伸長或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關系。也就是說,可以通過改變電壓來控制壓電陶瓷的微小伸縮。通常把三個分別代表X,Y,Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀,通過控制X,Y方向伸縮達到驅(qū)動探針在樣品表面掃描的目的;通過控制Z方向壓電陶瓷的伸縮達到控制探針與樣品之間距離的目的12。原子力顯微鏡便是結(jié)合以上三個部分來將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來的:在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中,使用其針尖與樣品之間的相互作用,這作用力會使微懸臂擺動,再利用激光將光照射在懸臂的末端,當擺動形成時,會使反射光的位置改變而造成偏移量,此時激光檢測器會記錄此偏移量,也

47、會把此時的信號給反饋系統(tǒng),以利于系統(tǒng)做適當?shù)恼{(diào)整,最后再將其特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。3.2.2 不同生長條件下薄膜表面形貌圖A、B、C、D四個樣品分別在不同溫度條件下制備,具體參數(shù)見表3.4.并對其表面三維形貌圖、粗糙度、刨面圖以及顆粒進行分析。表3.4 不同溫度下的薄膜樣品參數(shù) 圖3.7(a樣品A表面三維形貌圖 圖3.7(b樣品A表面粗糙度分析圖 圖3.7(c樣品A顆粒尺寸 圖3.8(a樣品B表面三維形貌圖 圖3.8(b樣品B表面粗糙度分析圖 圖3.8(c樣品B顆粒尺寸 圖3.9(a樣品C表面三維形貌圖 圖3.9(b樣品C表面粗糙度分析圖 圖3.9(c樣品C顆粒尺寸 圖3.10(a樣品D

48、表面三維形貌圖 圖3.10(b樣品D表面粗糙度分析圖 圖3.10(c樣品D顆粒尺寸 圖3.11 顆粒大小溫度折線圖 圖3.12 粗糙度溫度折線圖樣品A、B、C、D為不同溫度下生長的薄膜,表面形貌三維圖分別為圖3.7 (a、圖3.8(a、圖3.9(a和圖3.10(a,圖3.7(a與圖3.8(a為濺射溫度為常溫和100時的薄膜表面形貌圖,從圖3.7(b與圖3.8(b數(shù)據(jù)得知,在100攝氏度以下時,顆粒大小與粗糙度變化不大,而隨著溫度的升高,顆粒大小和粗糙度也隨著溫度的升高變大,如圖3.11、圖3.12折線圖可見。顆粒變大的原因可能是基片溫度與薄膜的結(jié)晶狀態(tài)有關,低溫或者不加熱的情況,往往容易形成非

49、晶態(tài)或微晶態(tài),而高溫下容易形成晶態(tài)。由非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變,是薄膜粗糙度發(fā)生了變化。因此較低的溫度生長出來的薄膜較為平整,粗糙度會隨基片溫度上升而增大。粗糙度變大可能的原因是在高的基體溫度下,吸附在基片表面的剩余氣體分子容易排除,特別是水分子,以增強靶材粒子與基片間的結(jié)合力。而且,高溫將促進物理吸附向化學吸附的轉(zhuǎn)化,增加粒子之間的相互作用。因此,基片溫度會影響薄膜的晶相,基片溫度升高有利于晶粒的長大13?；訜峥蓪е卤∧どL過程中顆粒有足夠的能量發(fā)生遷移,有助于薄膜顆粒長大以及晶相的形成和轉(zhuǎn)變14。同時,提高基片溫度可以使膜層附著力增加,結(jié)構緊密。表3.5 不同氣壓下的薄膜樣品參數(shù) 面三維形貌

50、圖、粗糙度、刨面圖以及顆粒進行分析。 圖3.13(a樣品E表面三維形貌圖 圖3.13(b樣品E表面粗糙度分析圖 圖3.13(c樣品E顆粒尺寸 圖3.14(a樣品F表面三維形貌圖 圖3.13(b樣品E表面粗糙度分析圖 圖3.14(c樣品F顆粒尺寸 圖3.15(a樣品G表面三維形貌圖 圖3.15(b樣品G表面粗糙度分析圖 圖3.15(c樣品G顆粒尺寸 圖3.16(a樣品H表面三維形貌圖 圖3.16(b樣品H表面粗糙度分析圖 圖3.16(c樣品H顆粒尺寸 圖3.15 壓強顆粒大小折線圖 圖3.16 壓強粗糙度折線圖樣品A、B、C、D為不同溫度下生長的薄膜,表面形貌三維圖分別為圖3.13 (a、圖3.

51、7(a和圖3.14(a,根據(jù)圖3.13(b、圖3.7(b和圖3.14(b,顆粒大小隨壓強的變大變大(如圖3.15所示,從理論上講,在其他工藝參數(shù)相同的條件下,隨著工作壓強增大,更多的氣體分子易停留在晶界上, 使晶粒尺寸變大15。從圖3.7與圖3.13可以看出當生長氣壓為1Pa是薄膜表面光潔致密,顆粒大小整體上較為均勻,生長氣壓為0.5Pa是薄膜的表面凹凸不平,局部產(chǎn)生湍流,以至于氣體不能再腔內(nèi)均勻分布,從而使得腔體內(nèi)不同位置氣體濃度不同,不同位置的薄膜沉積速率也會因此出現(xiàn)較大的差異16。其次可能因為實驗掃面過程中受外部信號的干擾。從圖3.7(b和3.14(b比較得出,粗糙度降低,是由于濺射粒子

52、由于氣體粒子的碰撞增加,到達襯底的能量減小,粒子之間表面遷移減小,導致表面粗糙度有所增加,另外由于壓強的增大,薄膜的氣孔增大,也導致薄膜密度下降17。3.3 表面污染、灰塵等對Cu膜的影響 圖4.12(A 圖4.12(B 圖4.12(C 圖4.12(D 圖4.12(E硅表面如果有顆粒如圖4.12(A、有機雜質(zhì)如圖4.12(B、無機雜質(zhì)如圖4.12(C、金屬離子、硅粉粉塵等,造成硅片鍍膜易發(fā)生以上現(xiàn)象,使鍍Cu膜后不合格,影響測量。硅片清洗的目的就是要除去各類污染物,達到鍍膜后理想的狀態(tài)如圖 4.12(E,這涉及到高凈化的環(huán)境、水、化學試劑和相應的設備及配套工藝,難度越來越大,可見半導體行業(yè)中清

53、洗工藝的重要性。根據(jù)上述各部分分析可以得出工藝條件對膜質(zhì)量的影響:1、從輝光放電現(xiàn)象看,隨著濺射功率、反應氣壓和溫度的增大,輝光放電先增強后趨于穩(wěn)定,是由于功率增加使得電子與氣體分子發(fā)生碰撞的平均自由程變短,輝光變強,功率增大到一定程度,等離子體達到飽和,輝光趨于穩(wěn)定。2、AFM的結(jié)果說明制備薄膜都是由納米顆粒組成的,材料表面比較平整,表面粗糙度較低,顆粒大小在不同制備條件下是不同的,大小分布遵循正態(tài)分布,顆粒大小集中在20-200nm。射頻功率固定在48W、生長時間控制為15min,氣體為Ar,溫度增加時,顆粒尺寸與粗糙度有增大的趨勢。在氣壓增加的時候,顆粒大小隨壓強的增大而增大。磁控濺射可

54、得到粗糙度很小的Cu膜,在濺射電流、時間一定的條件下工作壓強會導致Cu膜表面均方根粗糙度增大。材料制備條件對薄膜結(jié)構有重要的影響,從而影響了薄膜的多種性質(zhì)。首先,我要感謝蘇州科技學院數(shù)理學院,感謝數(shù)理學院對我四年的培養(yǎng),讓我學到了許許多多的知識,感謝校領導在這四年里對我的關懷與照顧,在此致以我深深的謝意。本研究及學位論文是在我的指導老師沈嬌艷老師的親切關懷和悉心指導下完成的。她嚴肅的科學態(tài)度,嚴謹?shù)闹螌W精神,精益求精的工作作風,深深地感染和激勵著我。沈老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導,同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷,在此謹向沈老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。我還要感謝在一起愉快的度過畢

55、業(yè)論文小組的同學們,正是由于你們的幫助和支持,我才能克服一個一個的困難和疑惑,直至本文的順利完成。有多少可敬的師長、同學、朋友在我畢業(yè)論文設計階段給了我無言的幫助,在這里請接受我誠摯的謝意!我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母,謝謝你們!最后,再次對關心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝!參考文獻1 蔣宗禮. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡導論M,北京:高等教育出版社,20012 Haykin S著,葉世偉等譯. 神經(jīng)網(wǎng)絡原理(第2版 M. 北京:機械工業(yè)出版社,20043 徐萬勁. 磁控濺射技術進展及應用J,現(xiàn)代儀器,2005,5,1-54 陸家和,陳長彥等. 表面分析技術M,北京:電子工業(yè)出版社,19875

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