衬底温度对磁控溅射氮化钛薄膜质量的影响

摘 要：本文采用磁控溅射技术，通过改变沉积温度在玻璃衬底上制备了一系列TiN薄膜。利用XRD进行了物相鉴定，使用分光光度计、椭圆偏振光谱仪和四探针电阻仪测试了TiN薄膜的光学性能。结果表明：制备的TiN薄膜为多晶态立方结构TiN，且随着衬底温度的升高，薄膜结晶性提高，折射率减小，消光系数升高。

关键词：磁控溅射技术;TiN薄膜;NaCl

一、 引言

TiN薄膜属于第Ⅳ族过渡金属氮化物。NaCl是面心立方晶体结构类型。它的结构是由金属键和共价键混合而成，同时具有金属晶体和共价晶体的特点：高熔点、高硬度、优异的热和化学惰性。优良的导电性和金属的反射比。此外，TiN薄膜还具有高温强度、优越的耐腐蚀性能以及良好的导热性能。它是第一个产业化并广泛应用的硬质薄膜材料，有关研究已成为国内外硬层研究的热点。TiN薄膜具有广阔的应用前景，在刀具、模具、装饰材料和集成电路中都具有重要的应用价值和广阔的应用前景，因而越来越受到人们的重视。随着对TiN薄膜研究的深入。制备TiN薄膜的工艺也得到不断地发展，对TiN薄膜也提出了更均匀、更耐磨、更耐腐蚀和更高可靠性的性能要求。为了适应这一发展趋势的需要。许多研究人员对TiN薄膜的制备技术和性能开展了大量的研究工作。本文通过改变衬底温度制备了一系列TiN薄膜，利用XRD进行了物相鉴定，分光光度计、椭圆偏振光谱仪和四探针电阻仪等测试了所制备的TiN薄膜的光学性能。

二、 实验

靶到衬底的距离是60mm，溅射气体为氩气和氮气的混合气体，纯度均为99.99%。钛靶尺寸：180mm×80mm×4mm，纯度为99.995%，本底真空度优于2.1×10-3Pa，溅射气压维持在0.6Pa。镀膜过程中，衬底随支架匀速转动，溅射功率维持在250W，通过改变衬底温度300℃、325℃、350℃、370℃来控制沉积条件。

首先检查设备是否正常运转，然后把普氮气通入真空腔体内打开舱门，把已经洗好的基片放入，放好靶材并检查是否与设备连电，然后关闭舱门开始抽真空。先用机械泵抽真空至10Pa，再使用分子泵抽真空至2.1×10-3Pa，然后开始进行基底加热，当基底温度达到后，开始通入气体（通气前应关闭电离真空规气压计防止损坏，等通入一段时间气体后再打开电阻真空规），通过控制台调节通入氮气氩气的流量，当腔体内气压稳定后，开启溅射，预溅射5分钟后将基片上的挡板移开持续溅射TiN薄膜。溅射结束后，以“先开后关，后开先关”的顺序关闭设备，待样品温度降至150℃以下后，通入普氮，打开舱门取出样品。

三、 结果与讨论

图1是不同温度下得到的TiN薄膜样品的XRD图。从图中可以看出，在2θ为36.9°、42.9°、62.1°处分别出现了立方相TiN的（111）、（200）、（220）衍射峰，XRD结果显示所制备的薄膜为多晶态立方结构的TiNx，随着衬底温度的升高，三个衍射峰的强度都有所增强，特别是（200）衍射峰，可见温度的升高有助于提高薄膜的结晶。

有研究表明，TiN的（111）晶面是晶体最小应变能晶面，与厚度成正比，而（200）晶面是最小表面能晶面，与厚度无关，TiN的结晶取向取决于应变能和表面能的竞争。本实验制备的氮化钛三个衍射峰同时存在，在温度从300℃升高到370℃过程中，Ti原子在衬底表面的活动能力增强，原子可以扩散到更低的能量位置成核长大，以使整个系统的自由能降低，所以（111）衍射峰较明显，当温度继续升高时，表面能开始起作用，薄膜的成核中心增多，此时（200）衍射峰开始增强。

反射率与薄膜的结晶状况、薄膜的电阻率有关。低温时，薄膜的结晶较差，增加了载流子的散射，温度升高时被溅射出来的靶材料原子在成膜面的扩散能力增强，促进了结晶的有序化，使结晶颗粒的取向趋于一致，缺陷减少，载流子迁移率提高，电阻降低，最终导致反射率上升。

随着温度的升高，薄膜的折射率减小，消光系数增大。薄膜的折射率和消光系数与材料的致密度有关，当温度升高时，氮原子与钛原子的反应更充分，而且在薄膜沉积表面扩散能力增强，这使得沉积的薄膜致密度和结晶较好，致密度和结晶度的提高同时使得薄膜的导电性能大大增加，而电阻率的提高使得极化率也变化，从而导致折射率有所下降。

温度对薄膜的厚度没有明显影响，因为衬底温度是决定薄膜结构的重要因素，同时也影响成膜时气相分子或原子在衬底上的粘附系数和平均吸收时间，当T升高时，粘附系数下降，平均吸附时间随着减少，引起沉积速率下降，但同时磁控溅射制备的TiN薄膜一般由溅射的Ti离子与N离子在衬底表面形成，当T升高时，反应速率加快又提高了沉积速率，所以这两种机制的同时作用导致薄膜的沉积速率随温度无明显变化。

四、 结论

以玻璃为衬底，改变衬底温度，利用磁控溅射制备了一系列氮化钛薄膜，衬底温度分别为300℃、325℃、350℃、370℃。实验结果表明，随着温度的升高，薄膜的透光率下降，薄膜的折射率减小，消光系数增大;在此衬底温度改变范围内，温度对薄膜厚度无明显影响。

参考文献：

[1]Park D G， Lim K Y， Cho H J et al. Impact of atomic layer deposited TiN on the gate oxide quality of W/TiN/SiO2/Si metal oxide semiconductor structures[J]. Appl. Phys. Lett.，2002，80（14）：2514-2516.

[2]Youn S， Roh K， Yang S W et al. Investigation of the W TiN metal gate for metal oxide semiconductor devices[J]. J. of Vac. Sci. and Tech. A，2001，19（4）：1591-1594.

[3]Liu P T， Ting Chang C， Hu J C et al. Reliability of multistacked chemical vapor deposited Ti/TiN structure as the diffusion barrier in ultralarge scale integrated metallization[J]. J. of the Electrochem Soc.，2000，147（1）：368-372.

[4]Jung M J， Kim Y M， Chung Y M et al， Deposition of TiN thin films using grid-assisting magnetron sputtering[J]. Thin Solid Films，2005，475：323-326.

[5]Hoshi Y， Suzuki E， Shimizub H. Control of crystal orientation of Ti thin films by sputtering[J]. Electrochimica Acta，1999，44：3945-3952.

作者簡介：

韩以恒，辽宁省大连市，大连东软信息学院。