台阶仪应用丨电子束蒸镀与磁控溅射铝膜的厚度与均匀性对比研究

铝因其优异的导电性、良好的延展性和低成本，广泛应用于芯片内部的金属互连层。电子束蒸发与磁控溅射是两种主流的铝膜沉积技术。以往国内研究多认为磁控溅射制备的铝膜性能优于电子束蒸发，但相关研究多采用石墨坩埚，存在熔融铝与坩埚浸润、蒸镀速率低、膜层疏松等问题。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本研究通过设备改进与工艺优化，重新评估两种技术的性能差异，采用双腔电子束蒸发系统，结合改进型无底三氧化二铝坩埚与分步蒸镀工艺，在4英寸硅衬底上沉积了1微米厚的铝膜，并与磁控溅射法制备的铝膜进行对比。通过对电阻率、均匀性、反射率及致密性等关键性能指标的系统评估，发现优化后的电子束蒸发技术在电阻率、均匀性和反射率方面均优于磁控溅射技术，而在致密性方面两者无明显差异。该研究为重新评估电子束蒸发与磁控溅射在铝膜制备中的性能优劣提供了新的实验依据。

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实验部分

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磁控溅射和电子束蒸发镀膜沉积系统结构示意图

实验设备

实验采用M600多靶磁控溅射系统和E550D双腔电子束蒸发系统。

M600系统采用对称抽气结构，减少气体分布不均，提高薄膜均匀性。

E550D系统采用双腔设计，电子枪室与工件台室由插板阀隔离，可实现独立操作，满足厚膜沉积过程中多次加料的需求，同时提高薄膜均匀性。

实验耗材

衬底为4英寸P型（100）单面抛光硅片。铝靶材与铝颗粒纯度均为99.999%。电子束蒸发所用坩埚为自制的无底三氧化二铝坩埚。

薄膜样品制备

磁控溅射样品（A）：本底真空5×10⁻⁶ Pa，功率500 W，Ar流量50 sccm，工作气压0.3 Pa，沉积时间42 min 20 s，厚度约为1.017 μm。

电子束蒸发样品（B）：本底真空5×10⁻⁶ Pa，初始功率1.8 kW，蒸镀速率10 Å/s，分两次沉积，每次500 nm，中间冷却30 min，厚度约为1.015 μm。

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检测与表征

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厚度测试

Flexfilm探针式台阶仪测试显示，样品A厚度为1.017 μm，样品B为1.015 μm，均与目标厚度一致。

电阻率与均匀性测试

两种方法沉积1μm铝膜的方块电阻分布图

采用四点探针测试方阻分布：

样品A平均方阻为35.6 mΩ/□，非均匀性为±1.6%。

样品B平均方阻为31.5 mΩ/□，非均匀性为±0.97%。

电子束蒸发铝膜的均匀性和电阻率均优于磁控溅射样品。

表面形貌与粗糙度测试

两种方法沉积1μm铝膜的表面形貌

测试结果显示：

样品A最大谷峰高度Rmax为432 nm，表面粗糙度Ra为29.5 nm。

样品B最大谷峰高度Rmax为99 nm，表面粗糙度Ra为2.5 nm。

电子束蒸发铝膜表面更平整，粗糙度显著低于磁控溅射样品。

反射率测试

两种方法沉积1μm铝膜的反射率

紫外可见分光光度计测试波长范围为300~800 nm：

样品A反射率从101%降至76%。

样品B反射率从121%降至95%。

电子束蒸发铝膜在各波长下的反射率均高于磁控溅射样品。

致密性测试

两种方法沉积1μm铝膜的刻蚀时间

首次引入离子束刻蚀终点检测法，通过刻蚀时间判断薄膜致密性。在相同刻蚀条件下：

样品A刻蚀时间为1971 s。

样品B刻蚀时间同样为1971 s。

两者刻蚀时间一致，表明致密性无显著差异。

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实验结果分析

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均匀性：电子束蒸发铝膜的非均匀性（±0.97%）优于磁控溅射（±1.6%）。改进后的无底坩埚使熔融铝液面呈凸起状，电子束斑落在液面顶部，形成类似小平面源，避免了传统蒸发中的“挖坑效应”，提高了膜厚均匀性。

电阻率：样品B电阻率低于样品A。磁控溅射过程中，高能电子对衬底的轰击导致温升，可能引发腔壁气体解吸，与铝反应生成氧化物或引入氩气残留，增加电阻。而电子束蒸发过程衬底温度变化小，膜层更纯净。

表面粗糙度：溅射原子能量高（10~50 eV），易诱发柱状晶生长，增加粗糙度；蒸发原子能量低（<1 eV），易形成层状结构，表面更平整。

反射率：两者反射率均随波长增加而下降，但电子束蒸发样品反射率更高。粗糙表面导致漫反射增强，是磁控溅射样品反射率偏低的主要原因。

致密性：两者刻蚀时间相同，表明致密性无差异。改进后的电子束蒸发技术提高了蒸镀原子的能量，增强了原子迁移与扩散能力，有效填充薄膜缺陷，提升了致密性。

本研究通过改进电子束蒸发设备与工艺，在4英寸硅衬底上成功制备出性能优异的铝膜。实验结果表明，电子束蒸发铝膜在电阻率、均匀性和反射率方面均优于磁控溅射铝膜，在致密性方面两者无明显差异。该研究为电子束蒸发技术在铝膜制备中的应用提供了新的实验支持，突破了传统认知中磁控溅射全面占优的观点。

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪

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费曼仪器探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

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原文参考：《电子束蒸镀和磁控溅射沉积铝膜性能的对比研究》

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