1、磁控溅射法低温制备 Al 膜工艺参数的优化 赵丹 梁庭 林立娜 李鑫 姚宗 齐蕾 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 中北大学电子测试技术重点实验室 北方自动控制技术研究所 摘 要： 以高纯度铝作为溅射靶材, 高纯度氩气作为溅射气体, 在低温环境下利用直流磁控溅射设备在硅衬底上成功制备了铝膜。通过单一因素控制法研究了溅射功率、腔室压强和基片转速三个关键因素对铝膜的均匀性、致密性和附着性的影响。采用台阶仪、扫描电子显微镜 (SEM) 等测试设备以及磷酸腐蚀速率法、胶带法等测试方法对铝膜质量进行了表征与分析, 得出了不同工艺参数与铝膜的均匀性、致密性和附着性的关系, 并且对结果进行了优化。
2、实验结果表明:溅射功率和腔室压强影响铝膜的均匀性、致密性和附着性;基片转速影响铝膜的均匀性和附着性, 并得到了各因素对铝膜质量的影响趋势及影响机理。最终得到制备铝膜的最优工艺参数为溅射功率 300 W、腔室压强 3.710-3 Torr (1 Torr=133.3 Pa) 、基片转速 6 r/min。关键词： 磁控溅射; 铝膜; 均匀性; 致密性; 附着性; 作者简介：赵丹 (1992-) , 女, 山西忻州人, 硕士研究生, 主要研究方向为半导体薄膜制备工艺和高温压力传感器;作者简介：梁庭 (1979-) , 男, 山西长治人, 博士, 副教授, 主要从事光学气体传感器和高温压力传感器方面的
3、研究。收稿日期：2017-07-05基金：国家杰出青年科学基金资助项目 (51425505) Optimization of Process Parameters of Al Films Prepared by Magnetron Sputtering Method at Low TemperatureZhao Dan Liang Ting Lin Lina Li Xin Yao Zong Qi Lei Key Laboratory of Instrumentation Science North Automatic Control Technology Research Institute;
4、 Abstract： With the high purity aluminum as the sputtering target and high purity argon as the sputtering gas, the aluminum films were successfully fabricated on a silicon substrate by a DC magnetron sputtering apparatus in a low temperature environment.The influences of three key factors, such as s
5、puttering power, chamber pressure and substrate rotate speed, on the uniformity, compactness and adhesion of the aluminum films were studied by single factor control method.The qualities of the aluminum films were characterized and analyzed by step meter, scanning electron microscope (SEM) and other
6、 test equipment, and phosphoric acid corrosion rate method and tape method.The relationships of different process parameters and the uniformity, compactness and adhesion of the aluminum films were obtained, and the results were optimized.The experiment results show that the sputtering power and cham
7、ber pressure affect the uniformity, compactness and adhesion of the aluminum films, and the substrate rotate speed affects the uniformity and adhesion of the aluminum films.The influence trend and impact mechanism of various factors on the qualities of aluminum films were obtained.Finally, the optim
8、al process parameters for the preparation of aluminum films are the sputtering power of 300 W, the chamber pressure of 3.710-3 Torr (1 Torr=133.3 Pa) and the substrate rotate speed of 6 r/min.Keyword： magnetron sputtering; aluminum film; uniformity; compactness; adhesion; Received： 2017-07-050 引言铝薄膜
9、是金属膜材料中应用比较广泛的一种材料, 具有良好的防腐蚀性和导电性能, 其低成本也是大家选择铝膜的一个重要原因1-3。关于铝膜的制备方法有很多, 有离子束沉积法、蒸镀法、磁控溅射法等。不同方法制备的铝膜, 性能差异也比较明显, 在很多新兴领域如柔性电子及生物微电子机械系统 (MEMS) 的应用中, 其材料很难承受高温, 这里选用直流磁控溅射设备低温制备铝膜。直流磁控溅射成本低, 后期维护保养便宜, 并且不受基片种类和几何形状的限制, 具有与基片结合力强、沉积速率高、沉积温度低等优点, 在硅片或玻璃等材料表面镀膜工艺中得到了广泛应用4-6。在基底和薄膜材料一定的情况下, 得到高质量的铝膜与工艺参
10、数的选择有很大关系, 同时要提高设备与靶材利用率、降低生产成本。不同国家设计的磁控溅射设备基本原理相同, 但其具体工艺参数对金属薄膜的影响差异还很大, 国内在制备铝膜的工艺成熟度和稳定性与国际先进水平之间还存在一定差距。华南理工大学7研究了直流磁控溅射在不同功率与不同时间下制备的铝膜粗糙度的变化趋势, 得出溅射时间和溅射功率与铝膜平均颗粒直径的关系。北京航空航天大学以及瑞典的乌普萨拉大学8研究了采用磁控溅射法制备不同厚度铝膜的表面形貌及粗糙度, 但是没有详细介绍制备铝膜具体参数及参数与铝膜质量之间的关系。这些研究对于制备均匀性、附着性和致密性均良好的铝膜来说还有一定差距。近年来, 对于磁控溅射
11、法制备纯铝膜的研究较少, 大多数文献中研究的是铝膜与其他金属在基片上的结合问题。因此还需要进行大量实验探索不同工艺参数对铝膜质量的影响8-9。本项目在工艺实验过程中重点研究了溅射功率、腔室压强和基片转速对铝膜均匀性、致密性和附着性的影响, 确定最优工艺参数组合, 制备出最优铝膜。1 实验1.1 实验原理本实验利用的是丹顿真空 EXPLORER 磁控溅射系统。该系统采用直流电源使靶材位于阴极, 基片位于阳极。利用辉光放电原理使氩气在高压下电离后形成的正离子轰击靶材表面, 使靶材粒子溅射出来到达基片表面形成薄膜。为了增加溅射速率, 在靶阴极表面引入磁场, 电子在静电作用力和洛伦兹力双重作用下被限制
12、在靶材附近运动, 运动轨迹被改变并且延长, 从而增加了电子与氩离子的碰撞概率, 提高了电离效率, 比传统的溅射设备等离子体密度提高了一个数量级。经过多次碰撞后的电子, 能量逐渐被消耗, 最终在电场作用下, 运动到基片表面, 避免了基片因电子轰击产生过高温度而降低薄膜质量。磁控溅射的镀膜原理如图 110所示, 图中 E 为电场强度。图 1 磁控溅射镀膜原理示意图10Fig.1 Coating principle schematic of the magnetron sputtering10 下载原图1.2 实验过程溅射前, 先对 4 英寸 (1 英寸=2.54 cm) 硅片进行标准清洗, 防止硅
13、片表面因残留污染层使其化学键达到饱和, 降低铝膜的附着性。然后对其进行等离子体轰击, 增强铝膜与硅片结合力。将磁控溅射设备反应腔室抽极限真空到510Torr (1 Torr=133.3 Pa) , 然后对靶材进行预溅射, 去除靶材表面氧化物, 保证铝膜的纯度。选用不同工艺参数在 4 英寸硅片上用铝靶材溅射 600 s, 在样品表面选择 5 个测试点, 然后利用台阶仪对这 5 个测试点厚度分别进行测试, 整理数据计算出均匀性和沉积速率, 现行业通常按照总体标准偏差 Cov值10%来判断薄膜均匀性是否达到要求, C ov计算公式11-12为式中: 为膜厚平均值;n 为测试点的数量;x i为每个测试
14、点的厚度。用磷酸腐蚀速率法扫描电镜表征铝膜致密性。磷酸腐蚀铝膜化学反应13为用胶带法表征铝膜附着性, 胶带法表征铝膜附着性测试方法为:用粘接强度为 3 N/cm 的胶带, 贴在铝膜中间位置, 将胶带一端拉起与铝膜成 90, 然后缓慢拉离铝膜表面, 观察铝膜表面形貌。如果铝膜完好无损, 则表示铝膜附着力良好;若铝膜有脱落现象, 则表示铝膜附着力较差, 以铝膜脱落程度表征铝膜附着力大小14。2 结果与分析采用磁控溅射设备制备铝膜时, 其腔室温度为 18。在磁控溅射制备铝膜的工艺过程中, 影响铝膜沉积结果的因素包括溅射功率、腔室压强、基片转速、靶基距等。由于设备在出厂时已经设定了合适的靶基距, 因此
15、这里不再讨论。分析不同工艺参数对薄膜的生长速率、均匀性、致密性、附着性等性能的影响, 最终确定出最优工艺参数组合。2.1 溅射功率对沉积结果的影响在磁控溅射过程中, 溅射功率对铝薄膜的制备速率和结构稳定性非常重要。图2 为溅射功率 (P) 与铝膜沉积速率 (v) 的关系, 表 1 为不同溅射功率下铝膜的测试结果, 包括铝膜 5 个测试点位置的厚度、均匀性计算结果和铝膜腐蚀速率, 图 3 是铝膜的 SEM 图。由图 2 和表 1 可以看出, 随着溅射功率增大, 铝膜沉积速率和均匀性先增大后骤降。胶带法测试薄膜附着性先增大后减小。由图3 和表 1 可明显得出铝膜的致密性随溅射功率增大先增大后减小。
16、分析发现, 在低功率溅射过程中, 沉积到基片上的靶材粒子很少, 不足以覆盖整个硅片, 这时的铝膜有很多空洞, 并且铝膜不同位置的厚度差别较大, 导致铝膜的致密性、均匀性和附着性均很差。溅射功率增大后, 等离子体的密度随着增大, 粒子之间碰撞效率更高, 原子的扩散能力不断增强, 降低了硅片表面铝膜厚度不均的情况, 提高了均匀性, 并且在扩散过程中填补了原有的空洞, 提高了铝膜的致密性。溅射功率增大, 还会提高氩原子的电离程度, 增大靶材粒子的溅出数量, 从而提高铝膜的沉积速率。并且这些粒子的能量会有所提高, 因此铝膜与基片的结合力与致密性也会随之提高。但是溅射功率过高, 粒子能量很大, 轰击硅片
17、时会使其温度过高, 导致铝膜质量与沉积速率降低。并且溅射功率过大时, 铝膜的内应力也会相应变大, 导致膜层破裂, 增大了铝膜表面的结构起伏, 同时降低了铝膜的均匀性、附着性和致密性。图 2 溅射功率与沉积速率的关系 Fig.2 Relationship between the sputtering power and deposition rate 下载原图表 1 不同溅射功率下铝膜的测试结果 Table 1 Test results of the aluminum film at different sputtering powers 下载原表 图 3 不同溅射功率下铝膜的 SEM 图 Fi
18、g.3 SEM images of the aluminum film under different sputtering powers 下载原图2.2 腔室压强对沉积结果的影响图 4 为腔室压强 (p) 对铝膜沉积速率的影响, 表 2 为不同腔室压强下铝膜的测试结果。当初始腔室压强保证等离子体维持稳定的辉光放电之后, 随着氩气浓度增大, 腔室压强增大, 氩离子与靶材碰撞概率增大, 溅射出来的铝粒子增多且与周围粒子碰撞概率增大, 从而提高了溅射速率, 并且使铝粒子均匀分布, 进而均匀地溅射到硅片表面。铝粒子碰撞增多的同时, 导致其能量被损耗, 到达基片的铝粒子去除了因高能量造成的缺陷, 增强
19、了与基片的结合力, 使铝膜的附着力和致密性都增强。氩气浓度过高时, 腔室压强过大, 铝粒子碰撞次数过多, 能量损耗过大, 铝粒子到达硅片时能量过低, 使硅片与铝粒子只靠静电吸附作用结合, 降低了铝膜与硅片的结合力, 同时也降低了铝粒子的平均自由度, 使铝粒子分布不均匀, 增大了铝膜表面的空洞8, 最终导致铝膜的均匀性、附着性、致密性都变得很差。如图 5 所示, 腔室压强增大, 铝膜致密性先增大后减小。图 4 腔室压强与沉积速率的关系 Fig.4 Relationship between the chamber pressure and deposition rate 下载原图表 2 不同腔室压
20、强下铝膜的测试结果 Table 2 Test results of the aluminum film under different chamber pressures 下载原表 图 5 不同腔室压强下铝膜的 SEM 图 Fig.5 SEM images of the aluminum film under different chamber pressures 下载原图2.3 基片转速对沉积结果的影响由表 3 中数据可知铝膜均匀性随基片转速增大先增大后减小。图 6 为基片转速 (vs) 与 v 的关系, 从图中可看出铝膜沉积速率先呈线性增大, 后减小。胶带法测试结果表明铝膜附着性随基片转速
21、增大而减小。磷酸腐蚀速率法和铝膜 SEM图都表明不同基片转速对铝膜致密性影响不明显。分析发现, 由于靶材到基片的运动是有方向性的, 若基片转速过慢, 会导致铝膜分布不均匀, 基片转速过快会使铝材粒子由于惯性与硅片接触时间短从而降低铝粒子与硅片的结合力, 进而影响铝膜的附着性。因此, 合适的基片转速也是提高铝膜质量的一个重要因素。经过大量的实验, 结合上面的实验数据, 设计了最优参数组合, 即磁控溅射法制备铝膜在溅射功率 300 W、腔室压强 3.710Torr、基片转速 6 r/min时得到的铝膜质量最好, 且溅射速率为 36 nm/min, 符合加工要求。在上述条件下制备的铝粒子细小均匀致密
22、, 表面几乎没有白色团聚物, 并且没有空洞、位错等缺陷, 用胶带法测试铝膜附着性良好, 没有脱落现象。在该条件下溅射过程中粒子之间的碰撞不会过多, 减小了铝粒子团聚成核的概率, 制备的薄膜相对致密, 缺陷较少, 并且不会因为粒子碰撞过多发生散射, 使铝膜多孔疏松, 同时降低了铝膜的内应力, 使铝膜与基片的结合力大大增加, 从而得到质量相对较好的铝膜。图 7 为磁控溅射设备在溅射功率 300 W、腔室压强3.710Torr、基片转速 6 r/min、溅射时间 600 s 时制备的铝膜 SEM 图, 图 8为该条件下铝膜的 EDS 图。从图中可以看出该条件下制备的铝膜为纯铝粒子组成, 且厚度均匀。
23、表 3 不同基片转速下的铝膜均匀性测试结果 Table 3 Uniformity test results of the aluminum film at different substrate rotate speeds 下载原表 图 6 基片转速与沉积速率的关系 Fig.6 Relationship between the substrate rotate speed and deposition rate 下载原图图 7 最优工艺参数组合下铝膜的 SEM 图 Fig.7 SEM image of the aluminum film with optimal combination of
24、process parameters 下载原图图 8 最优工艺参数组合下铝膜的 EDS 图 Fig.8 EDS image of the aluminum film with optimal combination of process parameters 下载原图3 结论本文研究了磁控溅射设备在低温环境中制备铝膜的实验, 通过研究不同工艺参数对铝膜质量的影响机理, 结合不同的测试手段得到了以下结论:溅射功率和腔室压强对铝膜沉积速率、均匀性、附着性和致密性都有影响, 并且都随溅射功率增大先增大后减小。基片转速影响铝膜均匀性和附着性, 均匀性随基片转速增大先增大后减小, 附着性随基片转速增大而
25、减小。参考文献1IMOR M, FIALA A, KOVCIK D, et al.Corrosion protection of a thin aluminium layer deposited on polyesterJ.Surface&Coatings Technology, 2007, 201 (18) :7802-7812. 2YOSIA Y, PING S.Double optical bistability and its application in nonlinear chalcogenide-fiber Bragg gratingsJ.Physica:B, 2007, 394
26、 (2) :293-296. 3SHAGINYAN L R, GORBANV F, KRAPIVKA N A, et al.Properties of coatings of the Al-Cr-Fe-Co-Ni-Cu-V high entropy alloy produced by the magnetron sputteringJ.Journal of Superhard Materials, 2016, 38 (1) :25-33. 4MUSIL J.Low-pressure magnetron sputteringJ.Vacuum, 1998, 50 (3) :363-372. 5花银
27、群, 朱爱春, 陈瑞芳, 等.直流磁控溅射铝纳米颗粒膜的微结构及电学特性J.功能材料, 2015, 46 (4) :4071-4075. 6YAMAMOTO Y, SAITO K, TAKAHASHI K, et al.Preparation of boron-doped ZnO thin films by photo-atomic layer depositionJ.Solar Energy Materials&Solar Cells, 2001, 65 (1) :125-132. 7何建梅, 温浪明, 章晨, 等.磁控溅射 Al 膜的 AFM 性能分析及其制备工艺研究J.物理实验, 200
28、7, 27 (8) :42-46. 8NING Y, WANG W, SUN Y, et al.Investigation on low thermal emittance of Al films deposited by magnetron sputteringJ.Infrared Physics&Technology, 2016, 75:133-138. 9AIJAZ A, JI Y X, MONTERO J, et al.Low-temperature synthesis of thermochromic vanadium dioxide thin films by reactive h
29、igh power impulse magnetron sputteringJ.Solar Energy Materials&Solar Cells, 2016, 149:137-144. 10郝晓亮.磁控溅射镀膜的原理与故障分析J.电子工业专用设备, 2013 (6) :57-60. 11王津生, 叶德洪, 孙德义, 等.屏蔽板补偿作用改进引线框架镀层厚度均匀性J.电镀与精饰, 2014, 36 (7) :30-36. 12钟姚, 吴寿军, 汪海燕.图形电镀均匀性改善研究J.印制电路资讯, 2015 (6) :105-107. 13王云彩.高温压力传感器的研制D.天津:河北工业大学, 2007:29-30. 14赵印中, 许旻, 李林, 等.磁控溅射法制备高反射铝膜J.真空与低温, 2008, 14 (3) :164-166.
