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、基體溫度低等優點，而廣泛用于平面顯示器、存儲器以及集成電路等產業[1-2]。為了制備符合要求的薄膜，薄膜在濺射時的工藝參數尤為重要。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對薄膜沉積的影響已經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，發現靶材熱處理溫度具有一個最優值，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，發現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]發現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]發現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)。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。系統將自動設定靶電壓值而使靶電流穩定在設定值。

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。可以看出，在經過充分濺射后，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Fig.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。靶表面濺射時優先濺射晶界。根據之前的研究發現[10]，暗色部分為濺射后平坦的晶粒表面，亮色部分為經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，且根據研究[11]發現，此濺射系統中僅僅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。V0是維持放電的最小電壓，數值上近似于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。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，進而減少了Ar+的激發，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量，在相同沉積參數下直接影響靶材的濺射率乃至薄膜沉積速率。表1為經充分濺射的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律不符。根據高麗等[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。