硅襯底溫度對電子束蒸發(fā)鈦薄膜性能的影響

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(yōu)異的物理化學性能而受到了廣泛關(guān)注。電子束蒸發(fā)法因具有設(shè)備成本低、可控的蒸發(fā)速率及易制備多組分薄膜等優(yōu)點［1-4］，成為制備Ti薄膜的常用方法。

利用電子束蒸發(fā)法沉積薄膜時，影響薄膜質(zhì)量的主要工藝參數(shù)中，本底真空度、蒸發(fā)材料的純度及真空腔的清潔度容易控制，而蒸發(fā)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(zhì)量的主要因素。Cai 等［5］發(fā)現(xiàn)Ti 薄膜的表面粗糙度會隨著薄膜厚度和蒸發(fā)速率的增加而增加。鄒鵬輝等［6］發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)速率的提高會使Ti 薄膜的結(jié)構(gòu)變得更加致密，從而減小了薄膜的方阻。李兆營［7］發(fā)現(xiàn)Ti薄膜的表面粗糙度和方阻均隨著蒸發(fā)速率的增加而減小。目前電子束蒸發(fā)法制備Ti 薄膜時，主要關(guān)注蒸發(fā)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(fā)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(fā)Ti薄膜時最優(yōu)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(fā)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(fā)源。坩堝采用系統(tǒng)自帶的六穴坩堝盤，材質(zhì)為無氧銅。

電子束蒸發(fā)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(fā)速率為0.7 nm/s，蒸發(fā)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(yīng)力儀測試薄膜的殘余應(yīng)力（δf），結(jié)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(jié)果與討論

2.1 硅襯底溫度對Ti薄膜厚度的影響

真空蒸發(fā)系統(tǒng)自帶的膜厚監(jiān)控儀可以實現(xiàn)對薄膜厚度的在線實時監(jiān)控，因此每次實驗時都會將目標膜厚設(shè)定為100 nm，當監(jiān)測厚度達到設(shè)定值后，蒸發(fā)系統(tǒng)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(guān)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(fā)制備氧化鋁薄膜的影響時，也得到了同樣的結(jié)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(jiān)控儀是根據(jù)石英晶體的壓電效應(yīng)來控制膜厚的。在石英晶體表面附著薄膜時，薄膜質(zhì)量的變化會導致石英晶體的諧振頻率發(fā)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(shù)、密度。

根據(jù)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(zhì)量也是一致的，襯底表面得到的薄膜質(zhì)量m也是一致的。襯底上薄膜質(zhì)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(chǎn)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(shù)的變化，ρ不再是定值。而膜厚監(jiān)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?？梢钥闯?，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(fā)出的Ti 原子可以獲得更多的能量，更容易在襯底表面實現(xiàn)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(xù)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(jié)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(xù)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(guān)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(fā)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(xù)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(jié)構(gòu)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(yīng)力的影響

薄膜的殘余應(yīng)力越小，則薄膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越高，性能穩(wěn)定性也越好。圖6 顯示出薄膜殘余應(yīng)力為負值，說明殘余應(yīng)力性質(zhì)為壓應(yīng)力［17］，且應(yīng)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(yīng)力的影響Fig.6 Effect of silicon substrate temperature on residual stress of Ti films

殘余應(yīng)力的大小由熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力共同決定。其中蒸發(fā)鍍膜前后的溫度差決定了熱應(yīng)力的大?。?8］，而薄膜生長過程中的各種缺陷則決定了內(nèi)應(yīng)力的大小。隨著襯底溫度的升高，蒸發(fā)鍍膜前后的溫度差增大，熱應(yīng)力隨之增大［19］，而殘余應(yīng)力卻逐漸降低，說明內(nèi)應(yīng)力在逐漸減小，且內(nèi)應(yīng)力的減小幅度大于熱應(yīng)力的增大幅度。在目標膜厚與蒸發(fā)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(fā)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(nèi)應(yīng)力大幅度減?。?0］。

3 結(jié) 論

在不同的硅襯底溫度下制備了Ti 薄膜，對薄膜的實際厚度、表面形貌、鏡面反射率、方塊電阻及殘余應(yīng)力進行了表征，結(jié)果如下：

（1）隨著硅襯底溫度從25 ℃升到200 ℃，Ti 薄膜的實際厚度逐漸降低，薄膜更加致密。

（2）硅襯底溫度從25 ℃上升到150 ℃時，Ti 薄膜的表面粗糙度逐漸減??；當硅襯底溫度升高到200 ℃時，Ti薄膜的表面粗糙度增大；鏡面反射率的變化趨勢則相反。

（3）Ti 薄膜的方塊電阻與殘余應(yīng)力均隨著硅襯底溫度的升高而降低。