磁控溅射不同的工艺参数制作氧化铝薄膜陶瓷基板的特性影响

      采用磁控溅射法在氧化铝陶瓷基板上制备了Cu薄膜,利用台阶测试仪、XRD以及半导体测试仪对薄膜的厚度、结构及电学特性进行了表征及测试。结果表明,当溅射电流为0.6 A,氩气流量为100 cm3/min时,制备出的薄膜结晶特性良好,具有优异的电学特性。通过进一步深入研究,揭示了工艺参数影响薄膜性能的物理机理。
薄膜电路是利用真空镀膜、紫外光刻、刻蚀以及电镀工艺,在陶瓷基板上制作导体、无源器件和绝缘介质膜相互交叠的多层互连电路结构。通常薄膜电路制作的流程为激光打孔、清洗基板、基板金属化、制作图形(涂胶、曝光和显影)、电镀加厚、去光刻胶和湿法刻蚀,如图1所示。

     其中基板金属化工艺实际上就是薄膜的沉积。沉积薄膜较常用的是物理与化学气相沉积,化学气相沉积主要用于沉积介质材料,基板金属化通常采用物理气相沉积法。物理气相沉积主要包括蒸发沉积和溅射沉积,其中蒸发沉积成膜均匀性差,成膜密度低,沉积方向性好;而溅射镀膜成膜均匀性好,薄膜致密,但沉积方向性一般。薄膜的金属化工艺对沉积方向性的要求不高,同时溅射镀膜的方向性可以通过增加靶基距来改善。

      综合考虑,溅射镀膜是一种优异的基板金属化工艺。在经过处理后的基板上溅射镀膜作为制作薄膜电路的第一步,薄膜的特性直接影响着后续工艺以及制备出薄膜电路的各项特性。所以制备出结晶良好、致密度高和电学特性优异的金属薄膜至关重要。

      金属铜具有电阻率低、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。由于具有以上优异的特性,金属铜薄膜的制备技术除了应用于传统的金属表面处理之外,近年来在微电子领域也得到了广泛的应用,被认为是较有希望成为**大规模集成电路等元器件使用的金属化材料。

       采用磁控溅射法在陶瓷基板上制备出了Cu薄膜,对薄膜的各项特性进行了分析,并且结合物理机理进行深入探讨。实验采用磁控溅射镀膜机。溅射靶材为D60 mm ×5 mm、Cu靶w(Cu) 99.995%。溅射气体φ(氩气)99.999%,气体经质量流量计精确控制后以不同比例通入真空室。基板材料为单面抛光的氧化铝陶瓷。

       使用前需要对基板进行清洗,将基板先后置于洗涤剂、去离子水、 丙酮和无水乙醇中超声清洗15 min,期间用大量去离子水冲洗,较终在干燥箱内烘干。将清洗好的基板放入沉积室,对沉积室进行抽真空,沉积室的本底真空度优于7.99×10-4Pa。为了提高薄膜与基板间附着力,减小薄膜的热应力,在溅射前需要对基板进行加热烘烤,烘烤温度为200 ℃。

       另外在沉积镀膜前,先用Ar对基板刻蚀30 s,然后对靶材预溅射60 s,以除去基板和靶面的污染物。薄膜制备过程中工艺参数的变化:溅射电流0.4~1.0 A,Ar流量50~ 200 cm3/min。
采用AMBIOS TECHNOLOGY台阶仪测量薄膜厚度,从而计算出薄膜沉积速率。利用TTR-Ⅲ型X射线衍射仪表征薄膜结构,其发射源为Cu Kα,管压为40 k V,电流为200 m A。采用Agilent半导体测试仪利用四探针法测试薄膜的电阻率。
        总结：利用直流磁控溅射在氧化铝陶瓷基板上制备了Cu薄膜,不同工艺参数对薄膜特性的有不同的影响。薄膜的沉积速率随溅射电流的增大而增大,随Ar流量的增大呈现出先增大后减小的趋势。当溅射电流为0.6 A,Ar流量为100 cm3/min时,薄膜结晶特性良好,呈现出明显的织构,同时具有优异的电学特性,能够满足薄膜电路对其特性的要求。