磁控溅射法制备Cu膜_图文

1、磁控溅射法制备Cu膜摘要沉积速率高、基材温升低的磁控溅射工艺,已经成为半导体集成电路金属化工艺的主流。本文重点对在硅晶圆上溅射金属铜薄膜的实际镀膜过程中的淀积速率进行了理论和实验研究。结果表明淀积速率随工作气压的增大先增大后减小;随着温度增大而减小,但均匀性增强;当入射离子的能量超过溅射阈值时,淀积速率随着溅射功率的增加先增加后下降;同时还讨论了溅射功率、淀积时间对膜厚和膜质量的影响。以上结论对于获得良好的镀膜工艺控制是很有意义的。关键词溅射;集成电路金属化;淀积速率影响因素;最佳工艺条件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目录第1章绪论. 错误!未定义书签。1.1 引言. 错误!未定义书签。1.2 溅射镀膜的特点 (21.3 金属薄膜制备方法 (31.3.1 三电极(四电极溅射方法 (31.3.2 对向靶溅射法 (31.3.3 离子束溅射法沉积法 (31.3.4 磁控溅射沉积法 (5第2章实验 (112.1 实验研究路线 (112.2 实验设备及材料 (112.2 Cu薄膜制备. 1错误!未定义书签。2.3.1 基片前处理. 1错误!未定义书签。2.3.2 薄膜的制备 (13第3章实验结果及分析 (143.1 不同制备

6、条件对辉光放电的影响 (143.1.1 不同功率下的辉光放电 (143.1.2 不同工作气压下的辉光放电 (153.1.3 不同溅射温度下的辉光放电 (173.2 不同制备条件对薄膜表面形貌的影响 (183.2.1 原子力显微镜的基本原理 (193.2.2 不同生长条件下播磨表面形貌图 (223.3 表面污染、灰尘等对Cu膜的影响 (33结论 (35致谢 (36参考文献 (37附录A 译文 (38磁控溅射镀膜技术的发展及应用 (38附录B 外文原文 (46第1章绪论随着集成电路规模的发展,器件尺寸的缩小,多层布线和铜互连的引入,对于形成器件接触和互连的金属化方面也提出了越来越高的要求。金属薄膜

7、不再是单一的一种、一层金属,而是多层金属复合膜。磁控溅射技术的出现很好地满足了半导体器件多层复台金属膜的需求,形成了良好的欧姆接触、整流接触,大大地提高了器件的成品率.对降低器件成本起到了极为重要的作用。1此外磁控溅射镀膜工艺还具有沉积速率高,基材升温低,台阶覆盖好、膜层均匀、致密、纯度高、附着力强、应用靶材广、工作稳定等显著特点,而且产量可大可小,并能按用户要求加工所需的数量和质量,灵活性太,生命力强,这是其它方法所不及的。所以溅射镀膜技术电路金属化的主流技术。磁控溅射技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法,被普遍和成功地应用于许多方面,特别是在微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中,用于薄膜沉积

8、和表面覆盖层制备。1852 年Grove 首次描述溅射这种物理现象,20 世纪40 年代溅射技术作为一种沉积镀膜方法开始得到应用和发展。60 年代后随着半导体工业的迅速崛起,这种技术在集成电路生产工艺中,用于沉积集成电路中晶体管的金属电极层,才真正得以普及和广泛的应用。磁控溅射技术出现和发展,以及80年代用于制作CD 的反射层之后,磁控溅射技术应用的领域得到极大地扩展,逐步成为制造许多产品的一种常用手段,并在最近十几年,发展出一系列新的溅射技术。2沉积速率不仅是衡量镀膜设备性能的一项重要指标,而且还对薄膜的特性,如牢固度、薄膜应力、电阻率、薄膜硬度、表面光洁度、表面形貌以及薄膜的微观结构等有着

9、很大的影响,3虽然已经有磁控溅射工艺的研究,但是限于理论和实验室的研究较多,对于用于大规模实际生产的溅射工艺研究很少,磁控溅射镀膜工艺具有共性的规律,但同时不同国家不同型号的设备镀膜中也具有个性。本文采用目前大规模生产中先进的常用的圆形平面磁控溅射设备对磁控溅射镀膜工艺进行研究很有实际意义。本文采用实验验证,理论分析,数学计算等多种研究方法,对淀积速度的主要影响因素进行了分析,得出了规律,并根据产品对膜厚的要求范围,得出最优的工艺条件。铜( Cu 膜的制备技术除了应用于对传统的金属表面处理之外,近年来在微电子领域也得到越来越广泛的应用。在超大规模集成电路的设计制造中,随着集成度和工作频率的不断

10、提高,对多层布线中的内连线和地线的热稳定性、机械强度等要求也越来越高。而在集成技术领域,随着集成度的增加和线宽的减少,为了进一步减少连线的电阻率,也有研究者正在探索用Cu 代替传统的Al 做连线。和铝相比,铜具有电阻率低、导热性好、热膨胀系数小和熔点高等性能,有利于提高电路的工作频率和抗电迁徙能,被认为是最有希望成为超大规模集成电路等元器件使用的金属化材料。本文采用磁控溅射方法来制备Cu 薄膜,研究了溅射工艺条件对样品的结构、晶粒尺寸和表面形貌等的影响。1.2 溅射镀膜的特点溅射镀膜是利用溅射现象来达到制备各种薄膜的目的,即在真空中利用荷能离子轰击靶表面,使被轰击的离子沉积的技术。它与真空蒸度

11、相比有以下几个特点:(1溅射镀膜是依靠动量交换作用使固体材料的原子、分子进入气相,溅射出的平均能量在l0eV,高于真空蒸发粒子的100倍左右,沉积在基体表面上之后,尚有足够的动能在基体表面上迁移,因而薄膜质量较好,与基体结合牢固。(2任何材料都能溅射镀膜,材料溅射特性差别不如其蒸发特性差别大,即使是高熔点材料也能进行溅射,对于合金、靶材化合物材料易制成与靶材组分比例相同的薄膜,因而溅射镀膜的应用非常广泛。(3溅射镀膜中的入射离子一般利用气体放电法得到,因而其工作压力在10Pal0Pa范围,所以溅射离子在飞到基体之前往往已与真空室内的气体分子发生过碰撞,其运动方向随机偏离原来的方向,而且溅射一般

12、是从较大靶表面积中射出的,因而比真空镀膜得到均匀厚度的膜层,对于具有勾槽、台阶等镀件,能将阴极效应造成膜厚差别减小到可以忽略的程度。但是,较高压力下溅射会使膜中含有较多的气体分子。(4溅射镀膜除磁控溅射外,一般沉积速率都较低,设备比真空蒸镀复杂,价格较高,但是操作单纯,工艺重复性好,易实现工艺控制自动化。溅射镀膜比较适宜大规模集成电路磁盘光盘等高新技术的连续生产,也适宜于大面积高质量镀膜玻璃等产品的连续生产。41.3 金属薄膜制备方法1.3.1三电极(四电极溅射方法三电极溅射装置就是在以前两电极的装置上附加了第三电极的装置,第三电极作为生成等离子用的电子供应源放出热电子。而又有时为了放射热电子

13、,使放电稳定化设置了稳定化电极,又称作四电极溅射装置。金属的高速溅镀,制得了几十微米厚的镀层。但是这种装置不能抑制靶材的高速电子对基板(工件的轰击,使得工件温度仍上升显著,还有灯丝的寿命也是装置连续工作的障碍。1.3.2 对向靶溅射法由于对于氧化铁、铍莫合金等磁性记录材料的低温、高速成膜要求,研制出了对向靶溅射方式。如图1.1所示,把两块靶材相对布置,工件位于靶的一侧,由线圈产生的外加磁场垂直地加在磁性材料靶的表面,在这里磁场H和电场平行。这样就可以把Y电子封闭在两个靶之间的空间里,并可促进气氛气体的离子化。因为工件设在靶材的侧面,就可完全不受高速电子的轰击,保证了它的低温。该法的研制成功使超

14、高密度磁记录有了可能。 图1.1 对向靶溅射装置1.3.3 离子束溅射法沉积法我们知道,早期的薄膜一般是采用真空蒸发技术制备的。但是,国内外研究表明,这种制膜技术自身存在着很多不完善的地方,对薄膜的厚度和质量很难控制。然而,经过近二十年的发展,离子束溅射技术已成为制备高质量薄膜的一种最有效的方法。其早期主要应用于激光陀螺和高功率激光镜的研制。目前,随着光子时代的到来,国外这项技术越来越引起人们的格外关注,已有大量的科研人员投身到运用离子束溅射技术制造具有各种特性薄膜的研究中。在其他领域,离子束溅射技术也同样显示了其强大的生命力。但是,国内对这方面的研究和介绍甚少,鲜见报道。离子束溅射技术(如图

15、1.2是在比较低的气压下,从离子源取出的氩离子以一定角度对靶材进行轰击,由于轰击离子的能量大约为1keV,对靶材的穿透深度可忽略不计,级联碰撞只发生在靶材几个原子厚度的表面层中,大量的原子逃离靶材表面,成为溅射粒子,其具有的能量大约为lOeV的数量级。由于真空室内具有比较少的背景气体分子,溅射粒子的自由程很大,这些粒子以直线轨迹到达基板并沉积在上面形成薄膜。由于大多数溅射粒子具有的能量只能渗入并使薄膜致密,而没有足够的能量使其它粒子移位,造成薄膜的破坏;并且由于低的背景气压,薄膜的污染也很低;而且,冷的基板也阻止了由热激发导致晶粒生长在薄膜内的扩散。因此,在基板上可以获得致密的无定形膜层。在成

16、膜的过程中,特别是那些能量高于l0V的溅射粒子,能够渗入几个原子量级的膜层从而提高了薄膜的附着力,并且在高低折射率层之间形成了很小梯度的过度层。有的轰击离子从靶材获得了电子而成为中性粒子或多或少的被弹性反射,然后,它们以几百电子伏的能量撞击薄膜,高能中性粒子的微量喷射可以进一步使薄膜致密而且也增强了薄膜的内应力。 图1.2 离子束溅射装置我们知道,理想的薄膜应该具有光学性质稳定、无散射和吸收、机械性能强和化学性质稳定等特征,而离子束溅射技术正好提供了能够达到这些要求的技术平台,目前离子束溅射技术的应用领域不断地被拓宽,并且应用的光谱波段也早已从可见光拓宽到红外、紫外、x射线等范围。离子束溅射技

17、术在光纤、计算机、通信、纳米技术、新材料、集成光学等领域即将发挥其强大的作用。尤其信息时代的到来,光纤通讯发挥越来越大的作用,其中关键的器件就是波分复器,离子束溅射技术正是研制、开发波分复器的优选技术方案。可见,离子束溅射技术在将来一定有着更加广阔的应用前景,引起人们的更加重视。1.3.4 磁控溅射沉积法所谓针真空磁控溅射技术就是一种利用阴极表面配合的磁场形成电子陷阱,使在E×B的作用下电子紧贴阴极表面飘移。设置一个与靶面电场正交的磁场,溅射时产生的快电子在正交的电磁场中作近似摆线运动,增加了电子行程,提高了气体的离化率,同时高能量粒子与气体碰撞后失去能量,基体温度较低,在不耐温材料

18、上可以完成镀膜。这种技术是目前玻璃膜技术中的最尖端技术,是由航天工业、兵器工业、和核工业三个方面相结合的顶尖技术的民用化,目前民用主要是通过这种技术达到节能、环保等作用。磁控溅射原理:电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞,电离出大量的氩离子和电子,电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材,溅射出大量的靶材原子,呈中性的靶原子(或分子沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响,被束缚在靠近靶面的等离子体区域内,该区域内等离子体密度很高,二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动,该电子的运动路径很长,在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的

19、氩离子轰击靶材,经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,远离靶材,最终沉积在基片上。磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径,改变电子的运动方向,提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子的归宿不仅仅是基片,真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。但一般基片与真空室及阳极在同一电势。磁场与电场的交互作用使单个电子轨迹呈三维螺旋状,而不是仅仅在靶面圆周运动。至于靶面圆周型的溅射轮廓,那是靶源磁场磁力线呈圆周形状形状。磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。在E X B shift机理下工作的不光磁控溅射,多弧镀靶源,离子源,等离子源等都在次原理下工作。所不同的是电场方向,电压电流大小而

20、已。磁控溅射的基本原理是利用Ar-O2混合气体中的等离子体在电场和交变磁场的作用下,被加速的高能粒子轰击靶材表面,能量交换后,靶材表面的原子脱离原晶格而逸出,转移到基体表面而成膜。磁控溅射的特点是成膜速率高,基片温度低,膜的粘附性好,可实现大面积镀膜。该技术可以分为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。磁控溅射是70年代迅速发展起来的一种“高速低温溅射技术”。磁控溅射是在阴极靶的表面上方形成一个正交电磁场。当溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速为高能电子后,并不直接飞向阳极,而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线的运动。高能电子不断与气体分子发生碰撞并向后者转移能量,使之电离而本身变成低能电子

21、。这些低能电子最终沿磁力线漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收,避免高能电子对极板的强烈轰击,消除了二极溅射中极板被轰击加热和被电子辐照引起损伤的根源,体现磁控溅射中极板“低温”的特点。由于外加磁场的存在,电子的复杂运动增加了电离率,实现了高速溅射。磁控溅射的技术特点是要在阴极靶面附件产生与电场方向垂直的磁场,一般采用永久磁铁实现。如果靶材是磁性材料,磁力线被靶材屏蔽,磁力线难以穿透靶材在靶材表面上方形成磁场,磁控的作用将大大降低。因此,溅射磁性材料时,一方面要求磁控靶的磁场要强一些,另一方面靶材也要制备的薄一些,以便磁力线能穿过靶材,在靶面上方产生磁控作用。磁控溅射系统是在基本的二极溅射系统发展

22、而来,解决二极溅射镀膜速度比蒸镀慢很多、等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问题。磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置1001000Gauss 强力磁铁,真空室充入01110Pa 压力的惰性气体(Ar ,作为气体放电的载体。在高压作用下Ar 原子电离成为Ar + 离子和电子,产生等离子辉光放电,电子在加速飞向基片的过程中,受到垂直于电场的磁场影响,使电子产生偏转,被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内,电子以摆线的方式沿着靶表面前进,在运动过程中不断与Ar 原子发生碰撞,电离出大量的Ar +离子,与没有磁控管的结构的溅射相比,离化率迅速增加10100倍,因此该区域内等离子体密度很高。经过多次碰撞后电

23、子的能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚,最终落在基片、真空室内壁及靶源阳极上。而Ar + 离子在高压电场加速作用下,与靶材的撞击并释放出能量,导致靶材表面的原子吸收Ar + 离子的动能而脱离原晶格束缚,呈中性的靶原子逸出靶材的表面飞向基片,并在基片上沉积形成薄膜(见图1.3 。溅射系统沉积镀膜粒子能量通常为110eV ,溅射镀膜理论密度可达98 %。比较蒸镀0111eV的粒子能量和95 %的镀膜理论密度而言,溅镀薄膜的性质、牢固度都比热蒸发和电子束蒸发薄膜好。5磁控管中阴极和磁体的结构直接影响溅射镀膜的性能,因此根据磁控溅射应用要求,发展出各种不同结构和可变磁场的阴极磁控管1017 ,以改善和提高

24、薄膜的质量和靶材的利用率。6 (a (b图1.3 磁控溅射原理示意图磁控溅射技术得以广泛的应用,是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的。其特点可归纳为:可制备成靶材的各种材料均可作为薄膜材料,包括各种金属、半导体、铁磁材料,以及绝缘的氧化物、陶瓷、聚合物1819等物质,尤其适合高熔点和低蒸汽压的材料沉积镀膜;在适当条件下多元靶材共溅射方式,可沉积所需组分的混合物、化合物薄膜;在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体,可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜;控制真空室中的气压、溅射功率,基本上可获得稳定的沉积速率,通过精确地控制溅射镀膜时间,容易获得均匀的高精度的膜厚,且重复性好;溅射粒

25、子几乎不受重力影响,靶材与基片位置可自由安排;基片与膜的附着强度是一般蒸镀膜的10 倍以上,且由于溅射粒子带有高能量,在成膜面会继续表面扩散而得到硬且致密的薄膜,同时高能量使基片只要较低的温度即可得到结晶膜;薄膜形成初期成核密度高,故可生产厚度10nm以下的极薄连续膜。磁控溅射的靶材利用率一直是个问题,由于靶源磁场磁力线分布呈圆周形状,在靶表面的一个环形区域内,靶材被消蚀成一个深的沟,这种靶材的非均匀消耗,造成靶材的利用率较低。实际应用中,圆形的平面阴极靶,靶材的利用率通常小于50 %。通过磁场的优化设计可提高靶材的利用率,特定的条件下,一些厂商磁控管的靶材利用率可以超过70 %。另外,旋转靶

26、材的利用率较高,一般可达到70 %80 %以上。磁控溅射常见技术分为直流磁控溅射(如图1.4、中频磁控溅射和射频磁控溅射。7 图1.4 直流磁控溅射示意图直流磁控溅射是在直流二极溅射的基础上,在靶材后面安放磁钢。可以用来溅射沉积导电膜,而且沉积速度快;但靶材若为绝缘体的话,将会迅速造成靶材表面电荷积累,从而导致溅射无法进行。所以对于纯金属靶材的溅射,均采用直流磁溅射,如溅射SUS、Ag、Cr、Cu等。反应过程,反应发生在表面-靶或基体上,活性气体也可以形成活性基团,溅射原子与活性基团碰撞也会形成化合物沉积在基体上。当通入的反应气体压强很低,或靶的溅射产额很高时化合物的合成发生在基体上,而且化合

27、物的成分取决于溅射粒子和反应气体到达基体的相对速度,这种条件下,靶面的化学反应消失或者是化合物分解的速度远大于合成的速度;当气体压强继续升高,或溅射产额降低时化合反应达到某个域值,此后在靶上的化学合成速度大于逸出速度,认为化合物在靶面进行。直流反应溅射出现的问题:(1靶的污染:靶表面形成了非导电的化合物或者导电很差的化合物之后,除了放电电压及沉积速率变化之外,还会因为靶面状况的动态变化引起膜成分及结构的变化;(2阳极消失:当阳极上化合物沉积到一定厚度时就中断了电荷传导的通路,造成电荷不断积累,最终阳极失去作用,辉光放电不稳定,沉积的膜层性能不一致。因此经常清理阳极是必要的;(3极间打火:随阴阳

28、极覆盖化合物,导电性能变差或丧失使电子积累。若要维持辉光放电,必须提高外加电压,结果造成阴极表面化合物的击穿,形成弧光放电。严重的影响溅射过程的稳定性,并造成膜的缺陷。最有效的解决方法是改变放电模式,采用交流及脉冲溅射。8 图1.5 反应式薄膜溅镀原理中频磁控溅射常用来进行反应溅射,如金属氧化物、氮化物及碳化物等,将少许反应性气体N2,O2,C2H2等同惰性气体Ar2一起输入到真空腔中,使反应气体与靶材原子一起于基材上沉积。对于一些不易找到块材料制成靶材的镀膜或陶瓷靶材在溅镀后,薄膜成分易偏离原靶材成分,也可通过反应沉积来获得改善。美国著名公司AE(Advanced Energy开发出中频孪生

29、靶溅射电源,现在,这项技术被广泛应用于市场。例如:将反应气体N2加入到Ar2中溅射Cr,便可获得CrN镀层。反应溅射原理如图1.5所示。9射频磁控溅射(如图1.6用来进行介质膜的溅射,如在玻璃上镀ITO膜之前需镀上一层SiO2扩散隔离层,该SiO2膜就是采用射频溅射。通常在溅镀过程中辉光放电中的离子撞击到阴极时,会与阴极的电子中和,使得溅射现象可以继续进行。但若靶材本身不导电的话,离子撞击到靶材上没有电子中和,正电荷一直累积,便与后来的离子排斥,这会造成取代直流电源,便可解决此离子撞击现象的停顿。高周波电源问题。10 图1.6 射频磁控溅射原理示意图第2章实验2.1 实验研究路线本课题采用的多

30、靶磁控溅射镀膜仪制备Cu薄膜,并分别在射频功率、腔内压强、溅射时间等工艺条件下进行参数控制,研究各个参数烤制条件下Cu薄膜结构和性能的变化,包括Cu薄膜表面形貌、厚度、颗粒大小等,左后通过定性地分析,得到适宜具有特定性能Cu薄膜的最佳生长条件。2.2 实验设备及材料本实验采用辽宁聚智有限公司制造的多靶磁控溅射仪进行薄膜制备,仪器如图5所示。测试仪器为上海爱建纳米有限公司生产的原子力显微镜;镜相显微镜;超声波清洗器。实验气体为Ar2。本实验所用靶材为铜,单面抛光的高纯度单晶Si,其电阻率为00.0035.cm,厚度为620±20um,N型,晶向(100;玻璃刀吵纯水;镊子;酒精;吹气球

31、;滤纸等。 图5 多靶磁控溅射仪进行薄膜制备2.3 Cu薄膜制备本实验只要研究磁控溅射法制备Cu薄膜,并分别在射频功率、腔内压强、溅射时间上进行参数控制。研究各个参数控制条件下Cu薄膜微观结构、形貌、成分、生长取向的规律性变化。利用光学显微镜观察影响镀膜的误差和缺陷,利用原子力显微镜分析了薄膜的便面形貌、颗粒尺寸和粗糙度等参数,从而得出适宜具有特定性能Cu膜的最佳生长条件。2.3.1 基片前处理基材前处理的目的是清楚基材便面的油污积垢、氧化物、锈蚀等污物,确保基材便面平整、清洁、光亮、提高膜层和基材的附着强度。如果基材便面抛光不平,未彻底清洁,存在附着物、锈斑或氧化物,镀膜时这些缺陷易出现点状

32、针孔、剥落、“发花”等现象。一般而言,基材的前处理工艺流程大致相同,但对具体的基材,考虑到其自身的特性,其前处理方法要适当调整。本实验所用硅片便面基本干净,处理如下:从大片的硅片上划取适当尺寸(约2cm×4cm的硅片,放入装满酒精的烧瓶中,将烧瓶放入超声波清洗器如图2.1所示中,15分钟后,拿出烧瓶,并用镊子夹住硅片,缓慢竖直提出,检查硅片是否已经清洗干净后的硅片放在烘烤箱中烘干。 图2.1 超声波清洗器2.3.2 薄膜的制备1、样品与靶材放入打开冷却水;打开真空腔进气阀、使真空系统恢复到大气压状态;打开系统总电源,升起真空腔溅板,使真空腔暴露在大气压中;把靶材固定在磁控靶基座上,样

33、品放入相应的基底位置上,落下真空腔溅板,关闭进气阀。2、系统从大气状态抽真空检查并确定真空腔各个阀门都处于关闭状态;确定冷却水系统处于正常工作状态,水流通常;按下机械泵按钮,启动机械泵;打开手动角阀,用机械泵对主真空室进行抽气;打开热真空计,测量系统真空;压强降到10Pa以下时,打开分子泵电源开关,打开电磁阀;关闭旁抽角阀,打开档板阀,用分子泵抽真空。3、镀膜过程当气压抽到所需要的本底真空时,开始镀膜。打开所需气体钢瓶阀门和相应的减压阀;打开真空腔进气阀和质量流量计,调节到流量为20sccm;适当关闭闸板阀,使气压维持在15Pa;打开直流电源开关,预热510分钟;开启直流电源,调节电位器,使真

34、空室辉光放电;调节流量计、闸板阀、电源到所需的工艺参数。4、关机步骤镀膜完毕后,开始关机。关闭直流电源;关闭质量流量计;关闭各路进气阀门;完全打开闸板阀,抽到高真空;关闭闸板阀,并确保气体进气阀门关闭;关闭分子泵电源,观察转速显示减少到0时;10分钟后关闭电磁阀,关闭机械泵;关闭总电源,关闭冷却水。5、注意事项开机前须确定冷却水已经打开;真空腔打开前确定真空腔已经进气到大气压状态。第3章实验结果及分析本借分析不同制备条件对辉光放电、Cu膜折射率、沉积厚和表面形貌的影响。其中薄膜的折射率和膜厚采用TP-2型系动画椭圆偏振仪来检测;Cu膜的表面形貌采用原子力显微镜来观察。3.1 不同制备条件对辉光

35、放电的影响为研究工作气压、功率以及溅射温度对生长Cu薄膜时辉光放电影响,设计多组实验,其实验过程数据具体见表格。3.1.1 不同功率下的辉光放电对不同功率条件下的辉光放电现象进行了研究,参照如表3.1所示,辉光放电图像如图3.1所示。 图3.1 不同功率下的辉光放电现象表3.1 不同功率下辉光放电的参数 根据等离子体生成的机理可知,电子在激发态停留的时间很短(约10-8s,然后跃迁回到基态或是另一种能量较低的激发态,并以光子的形式辐射出激发时获得的额外能量,这就是光子的来源,其能量由它的频率决定。图3.1(A(B(C(D辉光现象的岂会条件分别对应表3.1中A、B、C、D四组放电参数。从图3.1

36、(A中可以看出辉光是暗暗的蓝色,辉光亮度较暗,说明此时由于溅射功率低,电极板之间的电压较小,电子获得的能量较低,故而电子与气体分子碰撞并使分子电离放出光子的几率较小,因而辉光放电较暗。而图3.1(B中可以看出辉光比图3.1(A较为鲜艳,而且亮度较亮,说明此时由于溅射功率的加大,电极板之间的电压加大,电子获得的能量增大,故而电子与气体分子碰撞并使分子电离放出光子的几率也增加,因而辉光放电变亮。到图3.1(C中,辉光的颜色明显变得鲜艳,亮度比图3.1(A(B中的强,辉光达到最强,且每个孔均出现辉光。这说明随着射频功率的增加,放电强度增加,有利于薄膜的生长。图3.1(D中发生辉光的亮度较图3.1(C

37、变化不大,辉光束也变少一些,这是应为射频源功率达到一定程度,等离子体间存在碰撞,使得活性粒子的数目随功率增加逐渐趋于饱和,使得溅射速率也逐渐趋于饱和最后稳定8。从以上结果可以看出,在辉光放电过程中溅射功率会影响放电的强弱,在一定功率范围内,溅射功率低的时候,放电的效果弱,使得薄膜的生长液会随之减慢;溅射功率高的时候,放电效果强,生长条件最佳。但如果超过这个范围,放电先行不会增强。3.1.2 不同工作气压的辉光放电对不同工作气压下的辉光放电现象进行研究,参照表3.2所示,辉光放电图像如图3.2所示。 图3.2 不同工作气压下辉光放电的现象表3.2 不同工作工作下辉光放电的参数 图3.1(A(B(

38、C(D辉光现象的岂会条件分别对应表3.1中A、B、C、D四组放电参数。从图3.2(A中可以看出辉光是暗暗的蓝色,辉光亮度较暗,说明此时由于在低气压下,真空腔内的分子密度较低,因而与电子碰撞被电离的气体较少,所以辉光放电较暗。而图3.2(B中可以看出辉光比图3.2(A较为鲜艳,而且亮度较亮,说明此时由于气压的加大,真空腔内的分子密度加大,因而与电子碰撞被电离的气体的几率增大,所以辉光放电变艳,到图 3.2(C中,辉光的颜色明显变得鲜艳,亮度比图3.2(A(B中的强,辉光达到最强,且每个孔均出现辉光。这说明随着气压的增加,与电子碰撞被电离的气体的几率增加,有利于薄膜的生长。图3.2(D中发生辉光的

39、亮度较图3.2(C变化不大,这是因为总气压过高,过于频繁的碰撞使离子体的密度略有下降,限制反应速率。因此在特定功率下时,气压增加到一定值时溅射速率将不再发生变化。从以上结果可以看出,在辉光放电过程中溅射气压会影响放电的强弱,在一定气压范围内,溅射气压低的时候,放电的效果弱,使得薄膜的生长液会随之减慢;溅射气压高的时候,放电效果强,生长条件最佳。但如果超过这个范围,放电先行不会增强。3.1.3 不同溅射温度下的辉光放电对不同溅射温度下的辉光放电现象进行研究,参照表3.3所示,辉光放电图像如图3.3所示。 表3.3 不同溅射温度工作下辉光放电的参数 图3.1(A(B(C(D辉光现象的岂会条件分别对

40、应表3.1中A、B、C、D四组放电参数。从图3.2(A中可以看出辉光是暗暗的蓝色,辉光亮度较暗,说明此时由于在温度下,真空腔内的分子活性较低,因而与电子碰撞被电离的气体的几率较少,所以辉光放电较暗。而图3.2(B中可以看出辉光比图3.2(A较为鲜艳,而且亮度较亮,说明此时由于温度的加大,真空腔内的分子活性加大,因而与电子碰撞被电离的气体的几率增大,所以辉光放电变艳,到图 3.2(C中,辉光的颜色明显变得鲜艳,亮度比图3.2(A(B中的强,辉光达到最强,且每个孔均出现辉光。这说明随着温度的增加,与电子碰撞被电离的气体的几率增加,有利于薄膜的生长。图3.2(D中发生辉光的亮度较图3.2(C变化不大

41、,这是因为温度过高,过于频繁的碰撞使离子体的密度略有下降,限制反应速率。因此在特定功率下时,温度增加到一定值时溅射速率将不再发生变化。从以上结果可以看出,在辉光放电过程中溅射温度会影响放电的强弱,在一定温度范围内,溅射温度低的时候,放电的效果弱,使得薄膜的生长液会随之减慢;溅射温度高的时候,放电效果强,生长条件最佳。但如果超过这个范围,放电先行不会增强。3.2 不同制备条件对薄膜表面形貌的影响对薄膜表面的形貌的研究中,采用上海爱建纳米有限公司声场的AJ-IIIa原子力显微镜来观察,结构图和实物图分别为如图3.3和3.4所示。原子力显微镜作为一种强有力的表面表征工具,它不仅可以表征材料的表面形貌

42、,还能定量的研究表面的粗糙度、颗粒尺寸和分布,在许多学科均可发挥作用11。 图3.3 原子力显微镜的机构示意图 图3.4 AJ-IIIa型原子力显微镜3.2.1 原子力显微镜的基本原理原子力显微镜,这是一种不需要导电试样的扫描探针型显微镜。这种显微镜通过其粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表面的情况,便可以分辨出其他显微镜无法分辨的极小尺度上的表面细节与特征。由于它的出现,直接观测微观世界的大门被打开了。这种显微镜能以空前的高分辨率探测原子和分子的形状,确定物体的电、磁与机械特性,甚至能确定温度变化的情况。使用这种显微镜时无需使试样发生变化,也无需使试样受破坏性的高能辐射作用。

43、总的来讲,原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端,微悬臂的另一端固定,当探针在样品表面扫描时,探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形,这样,微悬臂的轻微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器,可以精确测量微悬臂的微小变形,这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。在原子力显微镜的系统中,可分成三个部分:力检测部分、位置检测部分、反馈系统(见图3.5。 图3.5 原子力显微镜的工作原理1 力检测部分在原子力显微镜(AFM的系统中,所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用

44、微小悬臂来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100500m长和大约500nm5m厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖,用来检测样品-针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格,例如:长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状,而这些规格的选择是依照样品的特性,以及操作模式的不同,而选择不同类型的探针。以下是一种典型的AFM悬臂和针尖(如图3.6: 图3.6 悬臂和针尖的扫描电镜照片2 位置检测部分在原子力显微镜的系统中,当针尖与样品之间有了交互作用之后,会使得悬臂摆动,所以当激光照射在微悬臂的末端时,其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变,这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依

45、靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号,以供SPM控制器作信号处理。 图3.7 激光位置监视器图3.7是激光位置检测器的示意图。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器,通过对落在检测器四个象限的光强进行计算,可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小,从而得到样品表面的不同信息。3 反馈系统在原子力显微镜的系统中,将信号经由激光检测器取入之后,在反馈系统中会将此信号当作反馈信号,作为内部的调整信号,并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动,以保持样品与针尖保持一定的作用力。AFM系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料,当在压电陶

46、瓷对称的两个端面加上电压时,压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。也就是说,可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表X,Y,Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状,通过控制X,Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的;通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的12。原子力显微镜便是结合以上三个部分来将样品的表面特性呈现出来的:在原子力显微镜的系统中,使用其针尖与样品之间的相互作用,这作用力会使微悬臂摆动,再利用激光将光照射在悬臂的末端,当摆动形成时,会使反射光的位置改变而造成偏移量,此时激光检测器会记录此偏移量,也

47、会把此时的信号给反馈系统,以利于系统做适当的调整,最后再将其特性以影像的方式给呈现出来。3.2.2 不同生长条件下薄膜表面形貌图A、B、C、D四个样品分别在不同温度条件下制备,具体参数见表3.4.并对其表面三维形貌图、粗糙度、刨面图以及颗粒进行分析。表3.4 不同温度下的薄膜样品参数 图3.7(a样品A表面三维形貌图 图3.7(b样品A表面粗糙度分析图 图3.7(c样品A颗粒尺寸 图3.8(a样品B表面三维形貌图 图3.8(b样品B表面粗糙度分析图 图3.8(c样品B颗粒尺寸 图3.9(a样品C表面三维形貌图 图3.9(b样品C表面粗糙度分析图 图3.9(c样品C颗粒尺寸 图3.10(a样品D

48、表面三维形貌图 图3.10(b样品D表面粗糙度分析图 图3.10(c样品D颗粒尺寸 图3.11 颗粒大小温度折线图 图3.12 粗糙度温度折线图样品A、B、C、D为不同温度下生长的薄膜,表面形貌三维图分别为图3.7 (a、图3.8(a、图3.9(a和图3.10(a,图3.7(a与图3.8(a为溅射温度为常温和100时的薄膜表面形貌图,从图3.7(b与图3.8(b数据得知,在100摄氏度以下时,颗粒大小与粗糙度变化不大,而随着温度的升高,颗粒大小和粗糙度也随着温度的升高变大,如图3.11、图3.12折线图可见。颗粒变大的原因可能是基片温度与薄膜的结晶状态有关,低温或者不加热的情况,往往容易形成非

49、晶态或微晶态,而高温下容易形成晶态。由非晶态向晶态的转变,是薄膜粗糙度发生了变化。因此较低的温度生长出来的薄膜较为平整,粗糙度会随基片温度上升而增大。粗糙度变大可能的原因是在高的基体温度下,吸附在基片表面的剩余气体分子容易排除,特别是水分子,以增强靶材粒子与基片间的结合力。而且,高温将促进物理吸附向化学吸附的转化,增加粒子之间的相互作用。因此,基片温度会影响薄膜的晶相,基片温度升高有利于晶粒的长大13。基片加热可导致薄膜生长过程中颗粒有足够的能量发生迁移,有助于薄膜颗粒长大以及晶相的形成和转变14。同时,提高基片温度可以使膜层附着力增加,结构紧密。表3.5 不同气压下的薄膜样品参数 面三维形貌

50、图、粗糙度、刨面图以及颗粒进行分析。 图3.13(a样品E表面三维形貌图 图3.13(b样品E表面粗糙度分析图 图3.13(c样品E颗粒尺寸 图3.14(a样品F表面三维形貌图 图3.13(b样品E表面粗糙度分析图 图3.14(c样品F颗粒尺寸 图3.15(a样品G表面三维形貌图 图3.15(b样品G表面粗糙度分析图 图3.15(c样品G颗粒尺寸 图3.16(a样品H表面三维形貌图 图3.16(b样品H表面粗糙度分析图 图3.16(c样品H颗粒尺寸 图3.15 压强颗粒大小折线图 图3.16 压强粗糙度折线图样品A、B、C、D为不同温度下生长的薄膜,表面形貌三维图分别为图3.13 (a、图3.

51、7(a和图3.14(a,根据图3.13(b、图3.7(b和图3.14(b,颗粒大小随压强的变大变大(如图3.15所示,从理论上讲,在其他工艺参数相同的条件下,随着工作压强增大,更多的气体分子易停留在晶界上, 使晶粒尺寸变大15。从图3.7与图3.13可以看出当生长气压为1Pa是薄膜表面光洁致密,颗粒大小整体上较为均匀,生长气压为0.5Pa是薄膜的表面凹凸不平,局部产生湍流,以至于气体不能再腔内均匀分布,从而使得腔体内不同位置气体浓度不同,不同位置的薄膜沉积速率也会因此出现较大的差异16。其次可能因为实验扫面过程中受外部信号的干扰。从图3.7(b和3.14(b比较得出,粗糙度降低,是由于溅射粒子

52、由于气体粒子的碰撞增加,到达衬底的能量减小,粒子之间表面迁移减小,导致表面粗糙度有所增加,另外由于压强的增大,薄膜的气孔增大,也导致薄膜密度下降17。3.3 表面污染、灰尘等对Cu膜的影响 图4.12(A 图4.12(B 图4.12(C 图4.12(D 图4.12(E硅表面如果有颗粒如图4.12(A、有机杂质如图4.12(B、无机杂质如图4.12(C、金属离子、硅粉粉尘等,造成硅片镀膜易发生以上现象,使镀Cu膜后不合格,影响测量。硅片清洗的目的就是要除去各类污染物,达到镀膜后理想的状态如图 4.12(E,这涉及到高净化的环境、水、化学试剂和相应的设备及配套工艺,难度越来越大,可见半导体行业中清

53、洗工艺的重要性。根据上述各部分分析可以得出工艺条件对膜质量的影响:1、从辉光放电现象看,随着溅射功率、反应气压和温度的增大,辉光放电先增强后趋于稳定,是由于功率增加使得电子与气体分子发生碰撞的平均自由程变短,辉光变强,功率增大到一定程度,等离子体达到饱和,辉光趋于稳定。2、AFM的结果说明制备薄膜都是由纳米颗粒组成的,材料表面比较平整,表面粗糙度较低,颗粒大小在不同制备条件下是不同的,大小分布遵循正态分布,颗粒大小集中在20-200nm。射频功率固定在48W、生长时间控制为15min,气体为Ar,温度增加时,颗粒尺寸与粗糙度有增大的趋势。在气压增加的时候,颗粒大小随压强的增大而增大。磁控溅射可

54、得到粗糙度很小的Cu膜,在溅射电流、时间一定的条件下工作压强会导致Cu膜表面均方根粗糙度增大。材料制备条件对薄膜结构有重要的影响,从而影响了薄膜的多种性质。首先,我要感谢苏州科技学院数理学院,感谢数理学院对我四年的培养,让我学到了许许多多的知识,感谢校领导在这四年里对我的关怀与照顾,在此致以我深深的谢意。本研究及学位论文是在我的指导老师沈娇艳老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。沈老师不仅在学业上给我以精心指导,同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀,在此谨向沈老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过毕

55、业论文小组的同学们,正是由于你们的帮助和支持,我才能克服一个一个的困难和疑惑,直至本文的顺利完成。有多少可敬的师长、同学、朋友在我毕业论文设计阶段给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意!我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母,谢谢你们!最后,再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢!参考文献1 蒋宗礼. 人工神经网络导论M,北京:高等教育出版社,20012 Haykin S著,叶世伟等译. 神经网络原理(第2版 M. 北京:机械工业出版社,20043 徐万劲. 磁控溅射技术进展及应用J,现代仪器,2005,5,1-54 陆家和,陈长彦等. 表面分析技术M,北京:电子工业出版社,19875

56、陈荣发. 电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究J,真空,2003 ,2 :11-156 M. Yehya, P. J. Kelly. Novel enhanced magnetron sputtering system J, Surface Engineering, 2004, 20 (3 : 177-1807 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 磁控溅射镀膜技术的发展J,真空,2009,46(2:19-258 Syrrakou E, Papaefthimiou S, Yianoulis P. Eco-effieiency evaluation of a smart window prototype J.Sci Total Env, 2006,359:267-2689 黄英,张以忱. 圆柱旋转双面矩形磁控溅射靶磁场的设计计算J,真空与低温,2001, 7(4 :233-23710 石中兵,童洪辉,赵喜学. 磁控溅射矩形靶磁场的优化设计J,真空与低温,2004 , 10(2 :112-11611 白春礼,田芳,罗克. 扫描力显微镜M,北京:科学出版社,200012 P. J. Kelly, R. D. Arnell. Magnetron sputtering: a reviewof recent developments and applicationsJ. Va