CN105331936A - ITO薄膜的沉积方法及GaN基LED芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ITO薄膜的沉积方法，采用磁控溅射工艺进行ITO薄膜的沉积，包括以下步骤：利用射频和直流共溅射在基片表面沉积ITO缓冲层；利用DC溅射在所述ITO缓冲层表面沉积ITO薄膜层。其通过射频和直流共溅射，有效降低了溅射粒子对基片表面轰击造成的损伤。此外，本发明还提供了一种GaN基LED芯片，该芯片的ITO透明电极采用本发明的ITO薄膜的沉积方法制备而成。在进行ITO透明电极的沉积时，由于采用本发明的ITO薄膜的沉积方法，有效降低了溅射粒子对GaN基片表面轰击造成的损伤，从而降低了ITO透明电极与GaN基片之间的接触电阻，进而降低了LED芯片的能耗，增加了LED芯片的光电转化效率，提高了LED芯片的寿命。

Description

ITO薄膜的沉积方法及GaN基LED芯片
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种ITO(indiumtinoxide，氧化铟锡)薄膜的沉积方法及GaN基LED芯片。
背景技术
近年来，随着发光二极管(lightemittingdiode，LED)技术的不断成熟，GaN基LED芯片被广泛应用于大功率照明、汽车仪表显示、大面积的户外显示屏、信号灯以及普通照明等不同领域。在LED芯片的制造过程中，ITO薄膜由于具有可见光透过率高、导电性好、抗磨损及耐腐蚀等优点被广泛应用于GaN基LED芯片的透明导电层。
在ITO薄膜的制备方面，与传统的蒸镀工艺相比，磁控溅射技术制备的ITO薄膜不仅能够提升LED芯片的出光效率，而且能够降低生产消耗。此外，磁控溅射制备的ITO薄膜还具有更低的电阻率、更高的透过率、更高的折射率及更致密等优点。因此，一般用磁控溅射技术在外延层P-GaN表面沉积ITO透明导电层来制备LED。
在传统的磁控溅射ITO薄膜沉积中，一般采取直流(DirectCurrent，DC)溅射方式。基片(如P-GaN基片)传输至磁控溅射仪的腔室后，抽真空，然后通入工艺气体，在靶材上施加DC功率启辉溅射，直接沉积ITO薄膜至所需厚度。在此过程中，启辉瞬间靶材的负偏压过高(约为-1000V)，维持溅射时靶材的偏压依然很高(约-260V)。
由于磁控溅射主要是依靠溅射粒子沉积成膜，较高的瞬时电压和维持电压会使启辉瞬间和溅射过程中溅射粒子能量过高，对P-GaN基片的轰击较大，在ITO薄膜沉积过程中会造成P-GaN基片表面损伤，导致ITO薄膜与P-GaN的欧姆接触电阻升高，最终造成LED芯片能耗过高、电光转换效率降低甚至造成LED芯片的报废。
发明内容
基于上述问题，本发明提供了一种ITO薄膜的沉积方法，有效减小了ITO薄膜沉积过程中对基片表面造成的损伤。同时，本发明还提供了一种GaN基LED芯片。
为达到上述技术效果，本发明提供了：
一种ITO薄膜的沉积方法，包括以下步骤：
S100，利用射频和直流共溅射在基片表面沉积ITO缓冲层；
S200，利用直流溅射在所述ITO缓冲层表面沉积ITO薄膜层。
作为一种可实施方式，所述步骤S100中，靶材的偏压为-5V～-150V。
作为一种可实施方式，所述步骤S100中，射频功率为100W～600W，直流功率为5W～50W；
所述步骤S200中，直流功率为300～800W。
作为一种可实施方式，所述ITO缓冲层与所述ITO薄膜层的沉积厚度之比为1:1.6～20。
作为一种可实施方式，所述ITO缓冲层的沉积厚度为10nm～50nm，所述ITO薄膜层的沉积厚度为80nm～200nm。
作为一种可实施方式，在所述步骤S100和S200中，还包括以下步骤：
向反应腔室中通入氧气和氩气；其中，通入的氧气流量为1sccm～10sccm，通入的氩气流量为150sccm～250sccm。
作为一种可实施方式，在所述步骤S100中，采用如下工艺参数：通入的氧气流量为5sccm，通入的氩气流量为200sccm；使用的直流功率为10W，使用的射频功率为300W。
作为一种可实施方式，在所述步骤S200中，采用如下工艺参数：通入的氧气流量为5sccm，通入的氩气流量为200sccm；使用的直流功率为500W。
作为一种可实施方式，所述ITO缓冲层的厚度为20nm，所述ITO薄膜层的厚度为100nm。
本发明还提供一种GaN基LED芯片，包括ITO透明电极，所述ITO透明电极采用上述的ITO薄膜的沉积方法制备而成。
本发明的有益效果如下：
本发明的ITO薄膜的沉积方法，采用磁控溅射工艺进行ITO薄膜的沉积：首先利用射频(RadioFrequency，RF)和直流(DirectCurrent，DC)共溅射在基片表面沉积一层ITO缓冲层，然后再利用直流溅射在ITO缓冲层表面沉积一层ITO薄膜层。在ITO薄膜层的沉积过程中，由于ITO缓冲层的存在，将基片表面隔绝，有效降低了高能量的溅射粒子对基片表面轰击造成的损伤。
此外，本发明还提供了一种GaN基LED芯片，该芯片的ITO透明电极采用本发明的ITO薄膜的沉积方法制备而成。在进行ITO透明电极的沉积时，由于采用本发明的ITO薄膜的沉积方法，有效降低了溅射粒子对GaN基片表面轰击造成的损伤，从而降低了ITO透明电极与GaN基片之间的接触电阻，进而降低了LED芯片的能耗，增加了LED芯片的光电转化效率，提高了LED芯片的寿命。
附图说明
图1为本发明ITO薄膜的沉积方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供了一种ITO薄膜的沉积方法，采用磁控溅射工艺进行ITO薄膜的沉积。参见图1，本发明的ITO薄膜的沉积方法包括以下步骤：
S100：利用射频(RF)和直流(DC)共溅射在基片表面沉积一层ITO缓冲层。其中，基片可为GaN薄膜，也可为GaAs薄膜、GdS薄膜或SiO2薄膜等。
磁控溅射的成膜机理为：反应腔室中的工艺气体在一定的电压下放电产生等离子体，等离子体轰击靶材产生溅射粒子，溅射粒子沉积在基片的表面，形成薄膜。
步骤S100通过RF和DC共溅射(即在靶材上同时施加RF偏压和DC偏压)在基片表面沉积一层ITO缓冲层。由于RF偏压的感应，在靶材周围产生了大量带电粒子，大大增加了靶材周围溅射粒子的电流密度，与纯粹的DC溅射相比，同等功率下，大幅度减小了启辉电压和溅射过程中靶材的偏压，从而减小了溅射粒子的能量，降低了溅射粒子在基片上沉积时的轰击力度，进而有效降低了溅射粒子对基片表面造成的损伤，防止了溅射粒子对基片表面的掺杂结构的破坏。
此外，在直流磁控溅射过程中，靶材容易发生“中毒”而产生节瘤，本发明中的RF和DC共溅射可有效降低靶材“中毒”的几率。
步骤S100中，靶材的偏压直接影响到溅射粒子的能量。靶材偏压越大，溅射粒子的能量越高，沉积时对基片表面的轰击力度越大；靶材偏压越小，溅射粒子的能量越低，沉积时对基片表面的轰击力度越小。为了避免溅射粒子对基片表面造成损伤，作为优选，靶材的偏压为-5V～-150V。
步骤S100中，RF功率和DC功率可调，通过调整RF功率和DC功率的比值可调整靶材的偏压。一般情况下，RF功率越大，靶材的偏压越小；DC功率越小，靶材的偏压也越小。为了保证靶材的偏压维持在较低的水平，步骤S100中，RF功率为100W～600W，DC功率为5W～50W。
步骤S100中，所沉积的ITO缓冲层会受到基片表面的偏压的影响。如基片表面的偏压会影响所沉积的ITO缓冲层的应力，一般情况下，基片表面的偏压越小，沉积的ITO缓冲层的应力越低。因此，在磁控溅射过程中应尽量将基片表面的偏压调至最低。RF功率会在基片上产生一个正向偏压，DC功率会在基片上产生一个负向偏压，通过调整RF功率和DC功率的比值可使基片表面的偏压为零或者很小。在其中一个实施例中，当RF功率为300W，DC功率为10W时，基片表面的偏压为0V～5V。
需要说明的是，在步骤S100中，还可通过调整ITO缓冲层沉积时的薄膜温度、氧含量、沉积速率和沉积时间等工艺参数来调整ITO缓冲层的厚度和电学性质，从而达到降低ITO缓冲层与基片之间的欧姆接触电阻的目的。其中，薄膜温度可通过承载基片的加热器或者带加热功能的底座实现，温度对薄膜的电阻和致密度影响较大，在一定范围内，温度越高，薄膜的方块电阻越小，致密度越高；氧含量主要控制薄膜成分，从而影响薄膜的性能；沉积速率主要通过RF/DC的功率来进行调整，一般情况下，RF/DC的功率越大，沉积速率越大。
步骤S100中，在基片表面沉积的ITO缓冲层主要起到缓冲和保护作用。作为一种可实施方式，ITO缓冲层的厚度为10nm～50nm。在此厚度范围内，能有效防止后续步骤中的操作对基片表面造成的损伤。
S200，利用DC溅射在ITO缓冲层表面沉积一层ITO薄膜层。
在ITO缓冲层沉积完毕后，将RF与DC共溅射转换为DC溅射，利用DC溅射在ITO缓冲层的表面沉积一层ITO薄膜层。在ITO薄膜层的沉积过程中，由于ITO缓冲层的存在，将基片的表面隔绝，可防止基片表面受到高能量的溅射粒子的轰击，因此，大大减小甚至完全避免了溅射粒子轰击对基片表面造成的损伤。
步骤S200中，为满足工艺需求，DC功率优选为300W～800W。
在其中一个实施例中，ITO薄膜层的沉积厚度为80nm～200nm。较佳地，作为一种可实施方式，ITO缓冲层与所述ITO薄膜层的沉积厚度之比为1:1.6～20。
作为一种可实施方式，在上述步骤S100和S200中，磁控溅射所使用的靶材不变，即采用同一个靶材进行ITO缓冲层和ITO薄膜层的沉积。由于采用同一个靶材，ITO缓冲层和ITO薄膜层的成分一致，均含有铟、锡和氧元素；但是，由于受到氧含量、溅射电压等工艺参数的影响，ITO缓冲层和ITO薄膜层的微观结构可以一致，也可以不一致。
在上述步骤S100和S200中，需要向反应腔室中通入气体来完成ITO缓冲层和ITO薄膜层的沉积。一般情况下，工艺气体为氩气，其具有稳定的化学性质，不易与其它物质发生反应。另外，由于ITO材质中含有氧元素，而氧原子性质较为活泼而不易沉积，因此，在沉积过程中，需要补充氧气来增加氧原子的浓度。因此，作为一种可实施方式，在ITO缓冲层和ITO薄膜层的沉积过程中，向反应腔室中通入氧气和氩气作为工艺气体。作为一种可实施方式，通入的氧气流量为1sccm～10sccm，通入的氩气流量为150sccm～250sccm。
与传统方法相比，本发明的ITO薄膜的沉积方法，首先通过直流和射频共溅射在基片上沉积一层ITO缓冲层，再利用直流溅射沉积一层ITO薄膜层。在利用直流溅射沉积ITO薄膜层的过程中，由于ITO缓冲层的存在，有效降低了溅射粒子对基片表面轰击造成的损伤。
以下通过一个具体的实施例来详细说明本发明。
实施例1
利用磁控溅射设备来进行ITO薄膜的沉积，磁控溅射设备的使用方法为本技术领域人员通用手段，因而在本发明中不做赘述。本实施例中采用P-GaN基片来进行ITO薄膜的沉积，包括以下四个步骤：
(1)向工艺腔室中通入氧气和氩气，氧气流量为5sccm，氩气流量为200sccm；
(2)沉积ITO缓冲层：持续向腔室内通入5sccm的氧气和200sccm的氩气；同时在靶材上施加DC功率和RF功率，其中，DC功率为10W，RF功率为300W；该工艺参数下，在P-GaN基片的表面沉积一层厚度为20nm的ITO缓冲层。
(3)沉积ITO薄膜层：持续向腔室内通入5sccm的氧气和200sccm的氩气；同时在靶材上施加500W的DC功率；在ITO缓冲层的表面沉积厚度为100nm的ITO薄膜层；
(4)工艺完毕，停止通气，同时切断电源。
步骤(2)中，当DC功率为10W，RF功率为300W时，靶材的偏压为-15V，有效避免了溅射粒子能量过高对P-GaN基片表面造成的损伤；同时，当DC功率为10W，RF功率为300W时，P-GaN基片的偏压为0～5V，使得沉积的ITO缓冲层具有较低的应力，增加了ITO缓冲层的薄膜质量；并且，当DC功率为10W，RF功率为300W时，所沉积的ITO缓冲层与P-GaN基片之间具有较低的欧姆接触电阻。
步骤(3)中，在进行ITO薄膜层的沉积时，由DC和RF共溅射转变为DC溅射，靶材的偏压升高，溅射离子能量也随之升高，但是，由于ITO缓冲层的保护作用，使得高能量的溅射离子不能直接轰击到P-GaN基片表面，因此，有效防止了P-GaN基片的表面损伤，有利于得到性能优异的产品。
需要说明的是，在实施例1中，DC功率、RF功率、氩气流量、氧气流量以及ITO缓冲层的厚度和ITO薄膜层的厚度均可根据工艺需要进行调整。
本发明还提供了一种GaN基LED芯片，其电极采用ITO透明电极，且该ITO透明电极利用本发明的ITO薄膜的沉积方法制备而成。在进行ITO透明电极的沉积时，由于采用本发明的ITO薄膜的沉积方法，有效降低了溅射粒子对GaN基片表面轰击造成的损伤，从而降低了ITO透明电极与GaN基片之间的接触电阻，进而降低了LED芯片的能耗，增加了LED芯片的光电转化效率，提高了LED芯片的寿命。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种ITO薄膜的沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100，利用射频和直流共溅射在基片表面沉积ITO缓冲层；
S200，利用直流溅射在所述ITO缓冲层表面沉积ITO薄膜层。
2.根据权利要求1所述的ITO薄膜的沉积方法，其特征在于，所述步骤S100中，靶材的偏压为-5V～-150V。
3.根据权利要求1所述的ITO薄膜的沉积方法，其特征在于，所述步骤S100中，射频功率为100W～600W，直流功率为5W～50W；
所述步骤S200中，直流功率为300～800W。
4.根据权利要求1所述的ITO薄膜的沉积方法，其特征在于，所述ITO缓冲层与所述ITO薄膜层的沉积厚度之比为1:1.6～20。
5.根据权利要求1所述的ITO薄膜的沉积方法，其特征在于，所述ITO缓冲层的沉积厚度为10nm～50nm，所述ITO薄膜层的沉积厚度为80nm～200nm。
6.根据权利要求1所述的ITO薄膜的沉积方法，其特征在于，在所述步骤S100和S200中，还包括以下步骤：
向反应腔室中通入氧气和氩气；其中，通入的氧气流量为1sccm～10sccm，通入的氩气流量为150sccm～250sccm。
7.根据权利要求6所述的ITO薄膜的沉积方法，其特征在于，在所述步骤S100中，采用如下工艺参数：通入的氧气流量为5sccm，通入的氩气流量为200sccm；使用的直流功率为10W，使用的射频功率为300W。
8.根据权利要求6所述的ITO薄膜的沉积方法，其特征在于，
在所述步骤S200中，采用如下工艺参数：通入的氧气流量为5sccm，通入的氩气流量为200sccm；使用的直流功率为500W。
9.根据权利要求7或8所述的ITO薄膜的沉积方法，其特征在于，所述ITO缓冲层的厚度为20nm，所述ITO薄膜层的厚度为100nm。
10.一种GaN基LED芯片，包括ITO透明电极，其特征在于，所述ITO透明电极采用权利要求1～9任一项所述的ITO薄膜的沉积方法制备而成。
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