磁控濺射銅靶晶粒度對濺射性能與沉積性能的影響

王帥康， 唐 賓， 鮑明東， 展尚松， 王 鐸， 易晨曦

(1. 太原理工大學 材料科學與工程學院， 山西 太原 030024；2. 寧波工程學院 材料與化學工程學院， 浙江 寧波 315211；3. 長安大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安 710061)

近年來，磁控濺射因其薄膜致密且純度較高、基體溫度低等優(yōu)點，而廣泛用于平面顯示器、存儲器以及集成電路等產業(yè)[1-2]。為了制備符合要求的薄膜，薄膜在濺射時的工藝參數(shù)尤為重要。靶電流及電壓、基底偏壓和偏流以及靶基距離等濺射工藝參數(shù)對薄膜沉積的影響已經(jīng)得到較為充分的研究[3-4]，但靶材對薄膜沉積的影響的研究尚且不足。張國君等[5]研究了Mo靶的熱處理溫度對薄膜組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)靶材熱處理溫度具有一個最優(yōu)值，此溫度下薄膜粗糙度最小，沉積速率最高。張麗民等[6]研究了Cu靶材軋制與退火溫度對靶材組織與取向的影響，發(fā)現(xiàn)低溫退火中較高的退火溫度有利于得到均勻細小，取向一致的靶材。穆健剛等[7]發(fā)現(xiàn)完全合金化的鈦鋁靶與完全未合金化的靶所制涂層形貌、結合力、硬度等均相似，但前者沉積速度較后者更低。Boydens等[8]發(fā)現(xiàn)不同銅鋁粉末配比的粉末靶材所制薄膜均與靶材元素配比相對應，但鋁粉配比的增加會降低薄膜的結晶性。靶材晶粒度作為靶材生產的重要指標，也會影響濺射過程和薄膜沉積。

本文通過將3種不同晶粒度的6N高純銅靶在同一磁控濺射系統(tǒng)中進行濺射，研究了靶材晶粒度對靶材充分濺射后整體的表面形貌、I-V特性曲線、濺射產額及所鍍薄膜的影響。以此為靶材生產制造所選取的指標提供依據(jù)與參考。

1 試驗材料及方法

試驗用靶材為3塊純度為6N的純銅方靶，平均晶粒度分別為30、70和150 μm。靶材尺寸為346 mm×146 mm×8 mm。先后將3塊靶材分別裝入UDP-650型閉合場非平衡磁控濺射離子鍍膜機進行濺射及鍍膜試驗。濺射所用氣體為Ar氣，流量為25 sccm(1 sccm=1 cm3/min, 標準狀態(tài))。濺射及鍍膜所用靶電流為均5 A，本底真空度為6×10-6torr(1 torr=133 Pa)，濺射真空度為1×10-3torr。系統(tǒng)將自動設定靶電壓值而使靶電流穩(wěn)定在設定值。

將靶材裝入腔體后，設定濺射時間為100 min，使靶材刻蝕環(huán)完全顯露而沒有原始磨削劃痕，從而排除靶材原始表面形貌對之后試驗的影響。濺射完成后，通過在靶材施加不同大小的靶電流來獲得其相應的靶電壓，以此獲得靶材的I-V特性曲線，并通過照相機及NSZ608T型體式顯微鏡拍攝靶材的濺射形貌。之后進行鍍膜試驗，沉積時間為60 min，基底偏壓為60 V，基底旋轉速度為4 r/min，以獲得更加均勻的薄膜。鍍膜所用基片為(100)晶面的單晶Si及普通載玻片。鍍膜前后分別用電子秤測量靶材的質量，測試精度為0.01 g。通過BRUKER S4800型掃描電鏡對薄膜表面形貌及厚度進行觀察分析，并通過D8-Advance型X射線衍射儀分析薄膜的相結構。

2 試驗結果與討論

2.1 濺射表面形貌

不同晶粒度靶材濺射后的實物圖如圖1所示?？梢钥闯?，在經(jīng)過充分濺射后，3種靶材的刻蝕跑道完全顯露，刻蝕跑道周圍為未濺射的靶表面原始形貌[9]。由于靶背面具有相同的定磁場且靶形狀相同，所以3種靶材的刻蝕跑道的形狀相同。但3種靶材濺射跑道的形貌卻不相同，晶粒度為30 μm的靶材總體形貌致密均勻，150 μm的靶材形貌則最疏松，明顯呈現(xiàn)出兩種顏色交錯的花紋狀形貌。

圖1 不同晶粒度靶材濺射后的表面實物照片F(xiàn)ig.1 Surface photos after sputtering of the targets with different grain sizes(a) 30 μm; (b) 70 μm; (c) 150 μm

圖2為靶表面濺射形貌圖。3種不同晶粒度靶材具有相似的濺射形貌，均由亮色和暗色兩種顏色組成，晶粒越大的靶暗色部分面積越大，且呈塊狀。靶表面濺射時優(yōu)先濺射晶界。根據(jù)之前的研究發(fā)現(xiàn)[10]，暗色部分為濺射后平坦的晶粒表面，亮色部分為經(jīng)過濺射后呈崎嶇不平的晶界。因此，晶粒較小的靶表面由于晶界密度大，晶界經(jīng)過濺射之后面積增大，逐漸侵蝕掉暗色部分，使其面積變小到幾乎消失。而對于晶粒較大的靶，由于其晶界密度較小，其濺射后所形成的亮色形貌的面積相對于晶粒較小的靶更小，代表晶粒表面部分的暗色面積則相應更大。

圖2 不同晶粒度靶材濺射后的靶表面濺射形貌Fig.2 Sputtering morphologies on surface of the target with different grain sizes(a) 30 μm; (b) 70 μm; (c) 150 μm

2.2 I-V特性曲線

圖3為靶材的I-V特性曲線。靶電壓都隨著靶電流的增大而增大，相同電流下晶粒越小的靶的靶電壓越高，且靶之間的電壓差隨著電流的增大而增大。雖然靶材的刻蝕程度的不同也會引起靶電壓的不同，但3種靶材的濺射時間相同，且根據(jù)研究[11]發(fā)現(xiàn)，此濺射系統(tǒng)中僅僅100 min的濺射所導致刻蝕深度的增加不足以引起靶之間較大的電壓差別，所以基本可以排除刻蝕深度對I-V曲線測量的影響。磁控濺射的I-V特性曲線可用公式(1)表達[12]。

I=β(V-V0)2

(1)

參數(shù)β與靶材的元素種類以及靶材類型的不同所引起的二次電子釋放系數(shù)的大小有關[8]，更高的β值代表靶材具有更小的二次電子釋放系數(shù)。V0是維持放電的最小電壓，數(shù)值上近似于I-V曲線在I=0.1 A處的值。

圖3 不同晶粒度靶材的I-V特征曲線Fig.3 I-V characteristic curves of the targets with different grain sizes

對3種不同晶粒度靶的I-V曲線進行擬合，所獲得的β值如圖3所示。晶粒越小的靶具有更高的β值也即更小的二次電子釋放系數(shù)。這與靶表面濺射形貌有關，晶粒越小的靶表面形貌對二次電子的束縛作用越強，從而降低了實際二次電子釋放系數(shù)，進而減少了Ar+的激發(fā)，在相同靶電流下需要更高的靶電壓來維持放電。因此，除靶材元素種類及靶材類型外，由靶晶粒度引起的靶表面形貌的不同也會影響靶材的I-V特性曲線。

2.3 靶材質量損失與濺射產額

靶材的濺射產額是描述靶材濺射性能最重要的指標之一，是由一個入射離子轟擊導致的平均濺射原子的數(shù)量，在相同沉積參數(shù)下直接影響靶材的濺射率乃至薄膜沉積速率。表1為經(jīng)充分濺射的3種靶材在5 A 電流下濺射鍍膜60 min前后的質量變化，相應的靶電壓及理論與濺射產額如表1所示。

表1 不同晶粒度靶材濺射時的質量損失與濺射產額

晶粒越小的靶的質量變化越大，這與相同靶電流下靶電壓的不同有關。如圖4所示，對相同靶元素來說，轟擊離子能量(靶電壓)越高，濺射產額越大[13]。但3種不同晶粒度靶材在濺射60 min后的質量變化沒有明顯差別，各自在相應電壓下的濺射產額也與理論濺射產額基本相同。這說明由靶晶粒不同導致的靶表面形貌的區(qū)別雖然會引起靶電壓的不同，但并不會明顯改變靶材的濺射率及濺射產額。

圖4 銅靶濺射產額與Ar+轟擊能量的關系[13]Fig.4 Relationship between sputtering yield of copper target and Ar+ bombardment energy[13]

2.4 薄膜結晶情況與厚度

不同晶粒度靶材在相同靶電流下濺射60 min后所鍍薄膜的厚度如表1所示，可以看出不同靶材薄膜厚度差別較大，晶粒度為70 μm的靶所鍍薄膜厚度最高，150 μm 的靶薄膜最薄，可這3種不同晶粒度靶材的質量損失相差甚小, 這與靶材質量損失越大則薄膜厚度越厚的規(guī)律不符。根據(jù)高麗等[14]的研究，靶功率的增加應該會增大薄膜的沉積速率，但3種不同晶粒度靶中濺射功率最高的是30 μm的靶，其薄膜厚度卻低于70 μm的靶。這可能是由于靶材形貌的不同導致的整體濺射分布的差別，這方面還有待進一步的試驗研究。

所鍍薄膜的表面形貌如圖5所示，可以看出不同晶粒度靶材所鍍的薄膜都較為致密均勻，結晶較好且無明顯缺陷，晶粒大小基本相同。根據(jù)鄭敏棟等[15]的研究，當濺射功率相差不大時且薄膜厚度大于450 nm時，薄膜厚度對其形貌與結晶度的影響就比較小。因此，即使不同晶粒度靶材的薄膜厚度差別較大，薄膜表面形貌也基本相同。

圖5 不同晶粒度靶材濺射所鍍薄膜的表面形貌Fig.5 Surface morphologies of the films deposited by targets with different grain sizes(a) 30 μm; (b) 70 μm; (c) 150 μm

所鍍Cu薄膜的X射線衍射譜見圖6，可以看到3個位置的峰分別對應于Cu面心立方結構的(111)、(220)和(200)晶面[16]。銅膜的結晶度都較好，且主高峰(111)晶向和次高峰(220)晶向之間的峰高比值相差不大，說明即使薄膜厚度之間差別較大，薄膜取向也基本相同，這可能是由于長時間的濺射鍍膜使得薄膜充分結晶，即使厚度再增長結晶取向也基本不變[17-18]。因此，靶材晶粒度雖然影響薄膜的厚度，但并不會對薄膜的結晶情況有顯著影響。

圖6 不同晶粒度靶材濺射所鍍薄膜的XRD圖譜Fig.6 XRD patterns of the films deposited by targets with different grain sizes

3 結論

1) 不同晶粒度靶濺射后表面形貌不同，晶粒越小的靶濺射后表面形貌越致密。

2) 晶粒度不同的靶I-V特性曲線不同。小晶粒靶二次電子釋放系數(shù)較大晶粒更低，因此I-V特性曲線的β值較小，相同靶電流下其靶電壓較高。

3) 由靶晶粒不同引起的靶電壓的不同，并不會明顯改變靶材的濺射產額，但會使薄膜沉積率出現(xiàn)較大差別。

4) 濺射功率較大且濺射薄膜較厚時，靶晶粒度并不會對濺射薄膜表面形貌和結晶情況產生太大影響。