CN109207942B - 一种金属膜层沉积方法和金属膜层沉积设备 - Google Patents

一种金属膜层沉积方法和金属膜层沉积设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种金属膜层沉积方法和金属膜层沉积设备。该金属膜层沉积方法用于通过磁控溅射沉积方法在基片表面的外延层上沉积金属膜层，包括：在预设时间内，向靶材加载射频功率，在外延层上沉积金属缓冲层；向靶材加载直流功率，直至在外延层上沉积预定厚度的金属膜层。该金属膜层沉积方法，通过在沉积开始的预设时间内向靶材加载射频功率，能够在相同输入功率下使靶材上的负偏压显著降低，靶材电压的降低能减小金属膜层沉积过程中溅射粒子对基片表面外延层的损伤；从而使外延层与金属膜层之间形成良好的欧姆接触，提升LED芯片的良率；通过后续阶段向靶材加载直流功率，能提高金属膜层的沉积速率，提高LED芯片的产能。

Description

一种金属膜层沉积方法和金属膜层沉积设备
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，具体地，涉及一种金属膜层沉积方法和金属膜层沉积设备。
背景技术
LED芯片倒装工艺在芯片亮度、出光效率、散热性能及可靠性等方面比传统正装工艺相比具有明显优势，并且随着技术路线的日益成熟及其生产成本的不断下降，倒装工艺的开发越来越受到重视。相比于传统工艺而言，在倒装工艺中金属膜层的应用更多更广泛，所涉及的金属种类增多且金属膜面积占芯片总面积比也有提升。因此，金属薄膜在倒装工艺中作用至关重要，而作为金属薄膜制备的重要手段，磁控溅射物理沉积方法已成为LED倒装工艺中金属膜层制备的不可或缺的方法。
与传统工艺中采用ITO做透明电极不同，在倒装工艺中与GaN等外延层直接接触的是金属膜层。外延层是LED芯片的核心膜层，金属膜层需要与其直接接触。为了保证外延层的正常功效，所选择的金属膜层种类以及其生长方式非常关键。好的金属膜层反射率高，能够起到有效地增加出光的作用；另外，制备良好的金属膜层不会对GaN外延层造成损伤且能与之形成良好的欧姆接触进而获得更优秀的电性能。此外，从整体的生产流程来看，金属膜层这一道工序也需要能够与其它工序相整合。
目前，磁控溅射物理沉积方法是通过磁控溅射物理沉积设备(PVD)加在靶材7上的较高直流负偏压(-200V～-500V)产生启辉，经此负高压加速的带正电离子(Ar+)将靶材金属以原子或微小粒子轰击出来沉积在与靶材7相对的基片5上形成金属薄膜。如图1所示为磁控溅射物理沉积设备的溅射示意图。金属原子或微粒的出射速度取决于所入射正离子能量的大小，即最终取决于加载在靶材上功率大小。磁控溅射物理沉积方法具有膜层沉积速率快、膜厚均匀性好、工艺温度低、可控性好等优点，是现阶段主流的金属膜层制备方法，在LED领域有广泛应用。
但因为LED倒装工艺中金属膜层要直接与GaN外延层接触，当溅射源功率较高时出射粒子的能量较大，沉积时难免会对GaN表层的结构造成损伤。一旦损伤形成，首先会影响激活层的量子效率，然后也会导致外延层与金属膜层之间的欧姆接触效果变差，最终的结果就是导致LED芯片电性能和光性能变差，良率不高等缺陷。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种金属膜层沉积方法和金属膜层沉积设备。该金属膜层沉积方法通过在沉积开始的预设时间内向靶材加载射频功率，能使靶材上的负偏压显著降低，靶材电压的降低能使溅射粒子的动能更小，较小能量的溅射粒子会减小对外延层表面结构的破坏，从而减小金属膜层沉积过程中溅射粒子对基片表面外延层的损伤；进而能使外延层与金属膜层之间形成良好的欧姆接触，外延层与金属膜层良好接触后能够获得更加优良的电性能和光性能，提升LED芯片的良率；通过后续阶段在靶材上加载直流功率，能够提高金属膜层的沉积速率，提高LED芯片的产能。
本发明提供一种金属膜层沉积方法，用于通过磁控溅射沉积方法在基片表面的外延层上沉积所述金属膜层，所述方法包括：步骤S101：在预设时间内，向靶材加载射频功率，在所述外延层上沉积金属缓冲层；
步骤S102：向所述靶材加载直流功率，直至在所述外延层上沉积预定厚度的所述金属膜层。
优选地，所述金属缓冲层的厚度范围为20～30nm。
优选地，所述金属膜层的厚度范围为90～110nm。
优选地，所述金属膜层包括多个，当在所述外延层上沉积第一个所述金属膜层时，执行所述步骤S101；当在所述外延层上沉积第一个所述金属膜层的后续各个所述金属膜层时，执行所述步骤S102。
优选地，所述金属膜层包括多个，当在所述外延层上沉积第一个所述金属膜层时，依次执行所述步骤S101和所述步骤S102；当在所述外延层上沉积第一个所述金属膜层的后续各个所述金属膜层时，向所述靶材加载所述直流功率。
优选地，在所述步骤S101之前还包括：在所述外延层上形成待剥离膜层图形；所述待剥离膜层图形底部与所述外延层之间形成切角；
当在所述待剥离膜层图形上沉积所述金属膜层时，在承载所述基片的基台上加载射频功率，所述射频功率能在所述基台上形成负偏压，以使所述金属膜层在所述切角位置断开。
优选地，加载到所述基台上的射频功率范围为100～500W。
优选地，所述外延层采用氮化镓材料。
本发明还提供一种金属膜层沉积设备，包括沉积腔室和设置在所述沉积腔室顶部的靶材，还包括射频功率源、直流功率源和第一切换模块，所述射频功率源和所述直流功率源均连接所述第一切换模块，所述第一切换模块连接所述靶材，所述第一切换模块用于在沉积所述金属缓冲层时，切换为所述射频功率源向所述靶材加载射频功率；在所述金属缓冲层沉积完成后，切换为所述直流功率源向所述靶材加载直流功率。
优选地，还包括设置在所述沉积腔室底部的基台和第二射频源，所述第二射频源连接所述基台，用于在待剥离膜层图形上沉积所述金属膜层时向所述基台上加载射频功率，以在所述基台上形成负偏压。
本发明的有益效果：本发明所提供的金属膜层沉积方法，通过在沉积开始的预设时间内向靶材加载射频功率，工艺腔体内能通过容性感应形成等离子体，且形成的等离子体电流密度更高，因而在相同输入功率下射频功率能使靶材上的负偏压显著降低，靶材电压的降低能使溅射粒子的动能更小，较小能量的溅射粒子会减小对外延层表面结构的破坏，从而减小金属膜层沉积过程中溅射粒子对基片表面外延层的损伤；进而能使外延层与金属膜层之间形成良好的欧姆接触，外延层与金属膜层良好接触后能够获得更加优良的电性能和光性能，提升LED芯片的良率；通过后续阶段在靶材上加载直流功率，能够提高金属膜层的沉积速率，提高LED芯片的产能。
本发明所提供的金属膜层沉积设备，通过设置射频功率源、直流功率源和第一切换模块，能够实现在沉积开始的预设时间内向靶材加载射频功率，从而使沉积腔室内能通过容性感应形成等离子体，且形成的等离子体电流密度更高，因而在相同输入功率下射频功率能使靶材上的负偏压显著降低，靶材电压的降低能使溅射粒子的动能更小，较小能量的溅射粒子会减小对外延层表面结构的破坏，从而减小金属膜层沉积过程中溅射粒子对基片表面外延层的损伤；进而能使外延层与金属膜层之间形成良好的欧姆接触，外延层与金属膜层良好接触后能够获得更加优良的电性能和光性能，提升LED芯片的良率；同时能够实现在后续阶段向靶材上加载直流功率，从而能够提高金属膜层的沉积速率，提高LED芯片的产能。
附图说明
图1为现有技术中磁控溅射物理沉积设备的结构示意图；
图2为本发明实施例1中金属膜层沉积方法的流程图；
图3为在待剥离膜层图形上沉积形成金属膜层的结构示意图；
图4为本发明实施例1中光胶正常剥离前后的微观图片；
图5为本发明实施例2中金属膜层沉积设备的结构示意图。
其中的附图标记说明：
1.金属膜层；2.外延层；3.待剥离膜层图形；4.切角；5.基片；6.沉积腔室；7.靶材；8.射频功率源；9.直流功率源；10.第一切换模块；11.基台；12.第二射频源；13.第一匹配器；14.第二匹配器。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种金属膜层沉积方法和金属膜层沉积设备作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种金属膜层沉积方法，用于通过磁控溅射沉积方法在基片表面的外延层上沉积金属膜层，如图2所示，该方法包括：步骤S101：在预设时间内，向靶材加载射频功率，在外延层上沉积金属缓冲层。步骤S102：向靶材加载直流功率，直至在外延层上沉积预定厚度的金属膜层。
其中，预设时间为在沉积形成金属膜层的过程中，沉积预定厚度的金属缓冲层所需要的时间。在LED倒装工艺中，外延层采用如氮化镓(GaN)材料制成。LED芯片上整个外延层都需要直接与金属膜层接触，外延层表面在溅射沉积过程中会直接受到溅射粒子的轰击。
通过在沉积工艺开始的预设时间内向靶材加载射频功率，相比于现有技术中在整个金属膜层沉积过程中靶材上均加载直流功率的情况，射频功率加载到靶材上之后，工艺腔体内能通过容性感应形成等离子体，且形成的等离子体电流密度更高，因而在相同输入功率下射频功率能使靶材上的负偏压显著降低，靶材电压的降低能使溅射粒子的动能更小，较小能量的溅射粒子会减小对外延层表面结构的破坏，从而减小金属膜层沉积过程中溅射粒子对基片表面外延层的损伤；进而能使外延层与金属膜层之间形成良好的欧姆接触，外延层与金属膜层良好接触后能够获得更加优良的电性能和光性能，提升LED芯片的良率。同时，由于向靶材加载射频功率的溅射效率比加载直流功率的溅射效率低，所以在金属膜层沉积过程中在靶材上加载纯射频功率时，较低的溅射效率会导致金属膜层的沉积速率大大降低，在实际生产中影响产能；另外，由于溅射沉积金属膜层时对外延层可能造成的损伤只存在于与外延层直接接触的一薄层金属膜层的沉积过程中，因此，射频功率只在金属膜层沉积开始的预设时间内加载，为了提高整个金属膜层的沉积速率，在沉积开始的预设时间内沉积了一定厚度的金属膜层后便可切换至在靶材上加载可实现沉积速率较快的直流功率，通过后续阶段在靶材上加载直流功率，能够提高金属膜层的沉积速率，提高LED芯片的产能。
本实施例中，金属缓冲层的厚度范围为20～30nm。加载射频功率沉积该厚度范围的金属缓冲层即可对外延层形成很好的保护。在后续阶段，在靶材上加载直流功率沉积的金属膜层的厚度范围为70～80nm。由于金属膜层的整体厚度范围为90～110nm，在沉积开始的预设时间内在外延层上沉积形成一薄层金属缓冲层后，在后续阶段在靶材上持续加载直流功率，不仅能够防止外延层上金属膜层初始沉积时溅射粒子对外延层造成损伤，而且能够提高金属膜层的整体沉积速率，从而提高LED芯片的产能。
本实施例中，金属膜层包括多个，当在外延层上沉积第一个金属膜层时，执行步骤S101；当在外延层上沉积第一个金属膜层的后续各个金属膜层时，执行步骤S102。由于实际的LED倒装工艺中在外延层上沉积的通常是多个金属膜层的叠层(如Ag、Ni、TiW等金属膜层的叠层)，而在金属膜层的沉积过程中，可能对外延层产生的损伤只存在于与外延层直接接触的第一个金属膜层的沉积过程中，因此射频功率只需要在外延层上沉积第一个金属膜层时在靶材上进行加载，如此即可避免金属膜层沉积时对外延层的损伤；后续各个金属膜层溅射沉积时在靶材上全部加载直流功率，能够提高金属膜层的整体沉积速率，从而提高LED芯片的产能。
需要说明的是，当金属膜层包括多个时，也可以是当在外延层上沉积第一个金属膜层时，依次执行步骤S101和步骤S102；当在外延层上沉积第一个金属膜层的后续各个金属膜层时，向靶材加载直流功率。为了在避免外延层被损伤的同时提高金属膜层的沉积速率，在外延层上沉积第一个金属膜层时也无需在整个第一个金属膜层的沉积过程中都在靶材上加载射频功率，即可以在第一个金属膜层沉积开始的预设时间内向靶材加载射频功率，而在第一个金属膜层的后续沉积阶段加载直流功率，如此能够在确保外延层不被损伤的同时，进一步提高金属膜层的整体沉积速率。
本实施例中，如图3所示，在步骤S101之前还包括：在外延层2上形成待剥离膜层图形3；待剥离膜层图形3底部与外延层2之间形成切角4。当在待剥离膜层图形3上沉积金属膜层1时，在承载基片5的基台上加载射频功率，射频功率能在基台上形成负偏压，以使金属膜层1在切角4位置断开。
其中，在LED倒装工艺中，金属膜层1沉积完成之后，需要将部分金属膜层1剥离露出两个电极的位置。一般采用的方法是在需要剥离的部位预涂光胶，沉积完金属膜层1后再进行光胶剥离处理(lift off)。这里，光胶为待剥离膜层。光胶的结构如图3所示，光胶顶部以及无光胶的部位会沉积上金属膜层1，而光胶底部与外延层2之间形成的切角4部分不能有金属膜层1沉积；剥离光胶时，通过丙酮等有机溶剂通过切角4部位与光胶相接触，从而实现对光胶的溶化清洗剥离；同时，沉积于光胶上的金属膜层1会脱落，即完成了光胶处金属膜层1的剥离。
现有技术中，磁控溅射所用靶材的尺寸一般比基片的尺寸和靶材到基片的间距都要大得多，因此靶材上必然有部分溅射出的粒子会以很小的角度入射到基片表面，甚至进入光胶的切角结构内部，在光胶的切角结构内部也形成金属膜层，一旦上述情况发生，整个光胶侧面都将被金属膜层包裹住，清洗时有机溶剂难以与光胶有效接触，即导致沉积于光胶上的金属膜层剥离工艺失效。本实施例中，通过在承载基片5的基台上加载射频功率，射频功率能在基台上形成负偏压，该负偏压能控制大部分溅射粒子的运动方向，使大部分溅射粒子以更垂直于基片5的方向运动，从而改变大部分带电溅射粒子的运动轨迹，牵引它们以更准直的角度沉积于基片5之上，进而减少甚至避免溅射粒子进入待剥离膜层图形3底部与外延层2之间形成的切角4部位，最终避免沉积形成的金属膜层1在切角4部位黏连，改善待剥离膜层图形3的剥离工艺效果。
如图4所示为在承载基片的基台上加载射频功率后，正常的光胶剥离示例，左图可见光胶切角部位留有较大空隙，右图经有机溶剂清洗后光胶已经被完全剥离。
本实施例中，加载到基台上的射频功率范围为100～500W。该功率范围的射频功率能够更好地起到控制大部分溅射粒子的运动方向的作用，使大部分溅射粒子以更垂直于基片的方向运动，从而改变大部分带电溅射粒子的运动轨迹，牵引它们以更准直的角度沉积于基片之上，进而减少甚至避免溅射粒子进入待剥离膜层图形底部与外延层之间形成的切角部位，最终避免沉积形成的金属膜层在切角部位黏连，改善待剥离膜层图形的剥离工艺效果。
实施例1的有益效果：实施例1中所提供的金属膜层沉积方法，通过在沉积开始的预设时间内向靶材加载射频功率，工艺腔体内能通过容性感应形成等离子体，且形成的等离子体电流密度更高，因而在相同输入功率下射频功率能使靶材上的负偏压显著降低，靶材电压的降低能使溅射粒子的动能更小，较小能量的溅射粒子会减小对外延层表面结构的破坏，从而减小金属膜层沉积过程中溅射粒子对基片表面外延层的损伤；进而能使外延层与金属膜层之间形成良好的欧姆接触，外延层与金属膜层良好接触后能够获得更加优良的电性能和光性能，提升LED芯片的良率；通过后续阶段在靶材上加载直流功率，能够提高金属膜层的沉积速率，提高LED芯片的产能。
实施例2：
本实施例提供一种金属膜层沉积设备，如图5所示，包括沉积腔室6和设置在沉积腔室6顶部的靶材7，还包括射频功率源8、直流功率源9和第一切换模块10，射频功率源8和直流功率源9均连接第一切换模块10，第一切换模块10连接靶材7，第一切换模块10用于在沉积金属缓冲层时，切换为射频功率源8向靶材7加载射频功率；在金属缓冲层沉积完成后，切换为直流功率源9向靶材7加载直流功率。
其中，射频功率源8通过第一匹配器13加载到靶材7上。
通过设置射频功率源8、直流功率源9和第一切换模块10，能够实现在沉积开始的预设时间内向靶材7上加载射频功率，从而使沉积腔室6内能通过容性感应形成等离子体，且形成的等离子体电流密度更高，因而在相同输入功率下射频功率能使靶材7上的负偏压显著降低，靶材7电压的降低能使溅射粒子的动能更小，较小能量的溅射粒子会减小对外延层表面结构的破坏，从而减小金属膜层沉积过程中溅射粒子对基片5表面外延层的损伤；进而能使外延层与金属膜层之间形成良好的欧姆接触，外延层与金属膜层良好接触后能够获得更加优良的电性能和光性能，提升LED芯片的良率；同时能够实现在后续阶段向靶材7上加载直流功率，从而能够提高金属膜层的沉积速率，提高LED芯片的产能。
本实施例中，金属膜层沉积设备还包括设置在沉积腔室6底部的基台11和第二射频源12，第二射频源12连接基台11，用于在待剥离膜层图形上沉积金属膜层时向基台11上加载射频功率，以在基台上形成负偏压。其中，第二射频源12通过第二匹配器14加载到基台11上。
由于在外延层上先形成待剥离膜层图形，然后再沉积形成金属膜层，待剥离膜层图形底部与外延层之间形成切角，因此通过设置第二射频源12，能在待剥离膜层图形上沉积金属膜层时向基台11上加载射频功率，射频功率能在基台上形成负偏压，通过该负偏压能够控制大部分溅射粒子的运动方向，使大部分溅射粒子以更垂直于基台11的方向运动，从而改变大部分带电溅射粒子的运动轨迹，牵引它们以更准直的角度沉积于基台11上的基片5之上，进而减少甚至避免溅射粒子进入待剥离膜层图形底部与外延层之间形成的切角部位，最终避免沉积形成的金属膜层在切角部位黏连，改善待剥离膜层图形的剥离工艺效果。
实施例2的有益效果，实施例2中所提供的金属膜层沉积设备，通过设置射频功率源、直流功率源和第一切换模块，能够实现在沉积开始的预设时间内向靶材加载射频功率，从而使沉积腔室内能通过容性感应形成等离子体，且形成的等离子体电流密度更高，因而在相同输入功率下射频功率能使靶材上的负偏压显著降低，靶材电压的降低能使溅射粒子的动能更小，较小能量的溅射粒子会减小对外延层表面结构的破坏，从而减小金属膜层沉积过程中溅射粒子对基片表面外延层的损伤；进而能使外延层与金属膜层之间形成良好的欧姆接触，外延层与金属膜层良好接触后能够获得更加优良的电性能和光性能，提升LED芯片的良率；同时能够实现在后续阶段向靶材上加载直流功率，从而能够提高金属膜层的沉积速率，提高LED芯片的产能。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种金属膜层沉积方法，用于通过磁控溅射沉积方法在基片表面的外延层上沉积所述金属膜层，其特征在于，所述方法包括：
步骤S101：在预设时间内，向靶材加载射频功率，在所述外延层上沉积金属缓冲层；
步骤S102：向所述靶材加载直流功率，直至在所述外延层上沉积预定厚度的所述金属膜层；
在所述步骤S101之前还包括：在所述外延层上形成待剥离膜层图形；所述待剥离膜层图形底部与所述外延层之间形成切角；
当在所述待剥离膜层图形上沉积所述金属膜层时，在承载所述基片的基台上加载射频功率，所述射频功率能在所述基台上形成负偏压，以使所述金属膜层在所述切角位置断开。
2.根据权利要求1所述的金属膜层沉积方法，其特征在于，所述金属缓冲层的厚度范围为20～30nm。
3.根据权利要求2所述的金属膜层沉积方法，其特征在于，所述金属膜层的厚度范围为90～110nm。
4.根据权利要求1所述的金属膜层沉积方法，其特征在于，所述金属膜层包括多个，当在所述外延层上沉积第一个所述金属膜层时，执行所述步骤S101；当在所述外延层上沉积第一个所述金属膜层的后续各个所述金属膜层时，执行所述步骤S102。
5.根据权利要求1所述的金属膜层沉积方法，其特征在于，所述金属膜层包括多个，当在所述外延层上沉积第一个所述金属膜层时，依次执行所述步骤S101和所述步骤S102；当在所述外延层上沉积第一个所述金属膜层的后续各个所述金属膜层时，向所述靶材加载所述直流功率。
6.根据权利要求1所述的金属膜层沉积方法，其特征在于，加载到所述基台上的射频功率范围为100～500W。
7.根据权利要求1所述的金属膜层沉积方法，其特征在于，所述外延层采用氮化镓材料。
8.一种金属膜层沉积设备，所述金属膜层沉积设备采用权利要求1-7任一项所述的金属膜层沉积方法沉积所述金属膜层，所述金属膜层沉积设备包括沉积腔室和设置在所述沉积腔室顶部的靶材，其特征在于，还包括射频功率源、直流功率源和第一切换模块，所述射频功率源和所述直流功率源均连接所述第一切换模块，所述第一切换模块连接所述靶材，所述第一切换模块用于在沉积金属缓冲层时，切换为所述射频功率源向所述靶材加载射频功率；在所述金属缓冲层沉积完成后，切换为所述直流功率源向所述靶材加载直流功率；
所述金属膜层沉积设备还包括设置在所述沉积腔室底部的基台和第二射频源，所述第二射频源连接所述基台，用于在待剥离膜层图形上沉积所述金属膜层时向所述基台上加载射频功率。
9.根据权利要求8所述的金属膜层沉积设备，其特征在于，还包括设置在所述沉积腔室底部的基台和第二射频源，所述第二射频源连接所述基台，用于在待剥离膜层图形上沉积所述金属膜层时向所述基台上加载射频功率，以在所述基台上形成负偏压。
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