鋁因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的延展性和低成本，廣泛應(yīng)用于芯片內(nèi)部的金屬互連層。電子束蒸發(fā)與磁控濺射是兩種主流的鋁膜沉積技術(shù)。以往國內(nèi)研究多認為磁控濺射制備的鋁膜性能優(yōu)于電子束蒸發(fā)，但相關(guān)研究多采用石墨坩堝，存在熔融鋁與坩堝浸潤、蒸鍍速率低、膜層疏松等問題。Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀可以實現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究通過設(shè)備改進與工藝優(yōu)化，重新評估兩種技術(shù)的性能差異，采用雙腔電子束蒸發(fā)系統(tǒng)，結(jié)合改進型無底三氧化二鋁坩堝與分步蒸鍍工藝，在4英寸硅襯底上沉積了1微米厚的鋁膜，并與磁控濺射法制備的鋁膜進行對比。通過對電阻率、均勻性、反射率及致密性等關(guān)鍵性能指標(biāo)的系統(tǒng)評估，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的電子束蒸發(fā)技術(shù)在電阻率、均勻性和反射率方面均優(yōu)于磁控濺射技術(shù)，而在致密性方面兩者無明顯差異。該研究為重新評估電子束蒸發(fā)與磁控濺射在鋁膜制備中的性能優(yōu)劣提供了新的實驗依據(jù)。

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實驗部分

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磁控濺射和電子束蒸發(fā)鍍膜沉積系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

實驗設(shè)備

實驗采用M600多靶磁控濺射系統(tǒng)和E550D雙腔電子束蒸發(fā)系統(tǒng)。

M600系統(tǒng)采用對稱抽氣結(jié)構(gòu)，減少氣體分布不均，提高薄膜均勻性。

E550D系統(tǒng)采用雙腔設(shè)計，電子槍室與工件臺室由插板閥隔離，可實現(xiàn)獨立操作，滿足厚膜沉積過程中多次加料的需求，同時提高薄膜均勻性。

實驗耗材

襯底為4英寸P型（100）單面拋光硅片。鋁靶材與鋁顆粒純度均為99.999%。電子束蒸發(fā)所用坩堝為自制的無底三氧化二鋁坩堝。

薄膜樣品制備

磁控濺射樣品（A）：本底真空5×10?? Pa，功率500 W，Ar流量50 sccm，工作氣壓0.3 Pa，沉積時間42 min 20 s，厚度約為1.017 μm。

電子束蒸發(fā)樣品（B）：本底真空5×10?? Pa，初始功率1.8 kW，蒸鍍速率10 ?/s，分兩次沉積，每次500 nm，中間冷卻30 min，厚度約為1.015 μm。

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檢測與表征

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厚度測試

Flexfilm探針式臺階儀測試顯示，樣品A厚度為1.017 μm，樣品B為1.015 μm，均與目標(biāo)厚度一致。

電阻率與均勻性測試

兩種方法沉積1μm鋁膜的方塊電阻分布圖

采用四點探針測試方阻分布：

樣品A平均方阻為35.6 mΩ/□，非均勻性為±1.6%。

樣品B平均方阻為31.5 mΩ/□，非均勻性為±0.97%。

電子束蒸發(fā)鋁膜的均勻性和電阻率均優(yōu)于磁控濺射樣品。

表面形貌與粗糙度測試

兩種方法沉積1μm鋁膜的表面形貌

測試結(jié)果顯示：

樣品A最大谷峰高度Rmax為432 nm，表面粗糙度Ra為29.5 nm。

樣品B最大谷峰高度Rmax為99 nm，表面粗糙度Ra為2.5 nm。

電子束蒸發(fā)鋁膜表面更平整，粗糙度顯著低于磁控濺射樣品。

反射率測試

兩種方法沉積1μm鋁膜的反射率

紫外可見分光光度計測試波長范圍為300~800 nm：

樣品A反射率從101%降至76%。

樣品B反射率從121%降至95%。

電子束蒸發(fā)鋁膜在各波長下的反射率均高于磁控濺射樣品。

致密性測試

兩種方法沉積1μm鋁膜的刻蝕時間

首次引入離子束刻蝕終點檢測法，通過刻蝕時間判斷薄膜致密性。在相同刻蝕條件下：

樣品A刻蝕時間為1971 s。

樣品B刻蝕時間同樣為1971 s。

兩者刻蝕時間一致，表明致密性無顯著差異。

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實驗結(jié)果分析

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均勻性：電子束蒸發(fā)鋁膜的非均勻性（±0.97%）優(yōu)于磁控濺射（±1.6%）。改進后的無底坩堝使熔融鋁液面呈凸起狀，電子束斑落在液面頂部，形成類似小平面源，避免了傳統(tǒng)蒸發(fā)中的“挖坑效應(yīng)”，提高了膜厚均勻性。

電阻率：樣品B電阻率低于樣品A。磁控濺射過程中，高能電子對襯底的轟擊導(dǎo)致溫升，可能引發(fā)腔壁氣體解吸，與鋁反應(yīng)生成氧化物或引入氬氣殘留，增加電阻。而電子束蒸發(fā)過程襯底溫度變化小，膜層更純凈。

表面粗糙度：濺射原子能量高（10~50 eV），易誘發(fā)柱狀晶生長，增加粗糙度；蒸發(fā)原子能量低（<1 eV），易形成層狀結(jié)構(gòu)，表面更平整。

反射率：兩者反射率均隨波長增加而下降，但電子束蒸發(fā)樣品反射率更高。粗糙表面導(dǎo)致漫反射增強，是磁控濺射樣品反射率偏低的主要原因。

致密性：兩者刻蝕時間相同，表明致密性無差異。改進后的電子束蒸發(fā)技術(shù)提高了蒸鍍原子的能量，增強了原子遷移與擴散能力，有效填充薄膜缺陷，提升了致密性。

本研究通過改進電子束蒸發(fā)設(shè)備與工藝，在4英寸硅襯底上成功制備出性能優(yōu)異的鋁膜。實驗結(jié)果表明，電子束蒸發(fā)鋁膜在電阻率、均勻性和反射率方面均優(yōu)于磁控濺射鋁膜，在致密性方面兩者無明顯差異。該研究為電子束蒸發(fā)技術(shù)在鋁膜制備中的應(yīng)用提供了新的實驗支持，突破了傳統(tǒng)認知中磁控濺射全面占優(yōu)的觀點。

Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀

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費曼儀器探針式臺階儀在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

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費曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準(zhǔn)確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

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原文參考：《電子束蒸鍍和磁控濺射沉積鋁膜性能的對比研究》

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