HiPIMS長脈沖寬度調控——高導電銅膜&2.27μΩ·cm

點睛

長脈寬（≥200μs）使HiPIMS進入自濺射（SS）階段，Cu?離子密度顯著提升。銅膜電阻率從短脈寬的5.51μΩ·cm降至2.27μΩ·cm，接近塊體銅1.67μΩ·cm；晶粒尺寸從21nm增至48nm，表面粗糙度降低，結合強度達10MPa。

引言

傳統(tǒng)DCMS因功率密度低，濺射粒子電離率低、能量不足，導致銅膜導電性差、結合強度低。HiPIMS雖可實現(xiàn)高峰值功率，但脈沖寬度對放電模式是否進入自濺射SS階段及膜層性能的影響尚不清晰。長脈沖能否使濺射進入SS階段，從而提升離子通量并優(yōu)化銅膜導電性？

解析：

哈爾濱工業(yè)大學（深圳）材料科學與工程學院的劉等采用HiPIMS技術，以“Influence of HiPIMS Pulse Widths on the Structure and Properties of Copper Films”為題發(fā)表在《Materials》上，其工藝參數(shù)如下：

1）基體：Si(100)晶圓、碳化硅陶瓷；2）預處理：酒精超聲清洗；3）靶材：Cu靶，直徑50.3mm；4）工作氣體：Ar，流量100sccm，氣壓0.5Pa；5）電源參數(shù)：電壓535V，脈寬30/50/100/200/300μs（對應頻率1000/600/300/150/100Hz，保持占空比3%），平均功率180W；DCMS對比樣：功率180W；6）基片：室溫，沉積時間23-60min，膜厚約900nm。

圖1 DCMS與HiPIMS不同脈寬下的靶電流波形

圖1a顯示：DCMS電流約0.5A（直線）。HiPIMS中，脈寬30μs和50μs時電流呈尖峰狀，放電僅依賴Ar?，未進入自濺射（SS）階段。脈寬100μs時，電流升至一峰值后略有下降，但未完全進入平臺期。脈寬≥200μs時，電流先升至一峰值，隨后下降并進入平穩(wěn)平臺期——這是進入SS階段的典型標志，此時濺射由Cu?自濺射主導，離子通量大幅提升。

圖2 DCMS與HiPIMS不同脈寬下的等離子體發(fā)射光譜

圖2顯示了HiPIMS的Cu?和Ar?信號顯著高于DCMS。隨著脈寬增加，Cu?和Ar?發(fā)射強度持續(xù)上升，尤其是脈寬≥200μs后Cu?增幅明顯。Cu I 510.55nm相對強度（以300μs為基準）隨脈寬增加而增加。這直接證明長脈寬進入SS階段后，Cu?離子密度顯著提高，為薄膜生長提供更多高能金屬離子。

圖3 DCMS與HiPIMS不同脈寬的Cu膜XRD及晶粒尺寸

圖3a顯示所有銅膜均為多晶，具有(111)擇優(yōu)取向。隨脈寬增加，衍射峰強度增大，結晶度提高。圖3c中晶粒尺寸：30μs時21nm，50μs時26nm，100μs時33nm，200μs時43nm，300μs時48nm。長脈寬下高離子通量提供充足能量促進晶粒生長。圖3d顯示殘余拉應力：短脈寬時較高（>250MPa），脈寬≥100μs后降至150MPa以下，膜層更致密。

圖4 DCMS與不同脈寬的HiPIMS的表面形貌：(a，g) DCMS；(b，h)30μs；(c，j)50μs；(d，f)100μs； (e，k)200μs；(f，i) 300μs

圖5 DCMS與不同脈寬的HiPIMS的電阻率

由圖4表面SEM觀察到DCMS表面顆粒細小且凹凸不平；30-50μs脈寬時顆粒仍??；100μs時顆粒長大；200μs時顆粒開始合并呈長條狀；300μs時合并加劇呈枝晶狀。圖5電阻率對比：DCMS為4.53μΩ·cm；30μs時5.51μΩ·cm；50μs時4.92μΩ·cm；100μs時3.36μΩ·cm；200μs時2.37μΩ·cm；300μs時2.27μΩ·cm。電阻率降低歸因于晶粒增大減少晶界散射、表面形貌合并減少界面、致密度提高。

結論與延伸。；

1. HiPIMS銅膜導電性、結合強度和表面粗糙度均優(yōu)于DCMS，歸因于HiPIMS的高峰值功率和高電離率。

2. 脈寬≥200μs時放電進入自濺射（SS）階段，Cu?離子密度大幅提升；短脈寬（≤50μs）僅依賴Ar?放電，離子通量低，膜層性能差。

3. 長脈寬優(yōu)化性能：長脈寬300μs使晶粒尺寸增至48nm、電阻率降至2.27μΩ·cm，接近塊體銅1.67μΩ·cm，表面形貌由顆粒狀合并為枝晶狀，減少界面散射。

論文DOI：10.3390/ma17102342