CN111139439B - 一种在大面积衬底上磁控溅射制备薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在大面积衬底上磁控溅射制备薄膜的方法。所述方法包括：采用直径为2英寸的靶材在直径为6英寸的衬底上制备薄膜，所述靶材和衬底的距离≤17cm，靶材相对衬底的夹角≤90°，得到薄膜厚度的非均匀性≤5％。本发明使用2英寸靶材，通过调节靶材相对衬底夹角和靶基距等因素，实现6英寸薄膜制备，得到薄膜厚度的非均匀性≤5％，较现有的2英寸靶材只能满足4英寸薄膜制备有明显的提升，且成膜质量、效率以及节约成本等方面有明显提高；其次，本发明可以在不同材料界面制备具有良好均匀性的6英寸膜材料；本发明整体结构简单，功能全面，为小靶材大基片磁控溅射镀膜提供一种研究方法，且提高了镀膜效率、降低了镀膜成本。
Description
技术领域
本发明属于磁控溅射系统领域，具体涉及一种在大面积衬底上磁控溅射制备薄膜的方法。
背景技术
集成电路是由数层材质不同的薄膜组成，而使这些薄膜覆盖在硅晶片上的技术，便是所谓的薄膜沉积及薄膜成长技术。薄膜沉积技术的发展，从早期的蒸镀开始至今，已经发展成为两个主要的方向：化学气相沉积技术(CVD)和磁控溅射镀膜技术(PVD)。
磁控溅射镀膜技术是一种使用最为广泛的沉积镀膜方法。由于其具有降低工作压强和工作电压，提高溅射速率和沉积速率，降低基片温度，减小等离子体对膜层的破坏等优点，特别适合于大面积镀膜生产，因此广泛应用到光学、材料、半导体、电子等领域。
所谓溅射，是指在相对稳定的真空状态下，在阴阳极间施加一定的电压就会产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中正离子受阴极负电位加速运动而撞击阴极靶材，将其原子等粒子溅出，溅出的粒子沉积在阳极基板上而形成薄膜。磁控溅射是以磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量，使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。其优点在于能在较低的温度下制备高熔点材料的薄膜，并且在制备合金和化合物的过程中保持原组成不变，所以在半导体器件和集成电路制造中已获得广泛的应用。
磁控溅射镀膜尽管存在许多优点，但也存在一些缺点，如：(1)制备薄膜中氧含量较高；(2)例如2英寸的靶材只能保证4英寸基底的均匀性等。
CN208604202U公开了一种磁控溅射装置，可实现攻坚的自传与公转，且靶基距、偏心距以及转速比均可调节，为小靶材大基片多工位磁控溅射镀膜膜厚均匀性的研究与分析奠定基础，但是其并未具体指出如何实现小靶材制备大基片的具体制备方法以及制备的原理。
CN109580325A公开了一种沉积制备薄膜样品的方法，涉及薄膜制备领域，沉积制备薄膜方法采用了特殊的导流罩结构，能够减少沉积制备薄膜样品过程中的真空污染，获得高质量薄膜。但是所述方法无法满足较大面积衬底膜材料的均匀性要求。
因此，本领域需要开发一种新型的薄膜制备方法，所述方法能够满足小靶材制备大基片的均匀性要求，且制备工艺简单易于操作。
发明内容
为了克服现有磁控溅射系统2英寸靶材不能满足6英寸衬底制备薄膜材料均匀性的缺陷，本发明的目的在于提供一种在大面积衬底上磁控溅射制备薄膜的方法。所述方法能够实现2英寸靶材制备6英寸薄膜，且制备工艺简单，得到的薄膜均匀性较好。本发明所述“大面积衬底”为6英寸衬底。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种在大面积衬底上磁控溅射制备薄膜的方法，所述方法包括：采用直径为2英寸的靶材在直径为6英寸的衬底上制备薄膜，所述靶材和衬底的距离≤17cm(例如6cm、6.5cm、7cm、7.5cm、8cm、8.5cm、9cm、16.5cm、9.5cm、10cm、10.5cm、11cm、11.5cm、12cm、12.5cm、13cm、13.5cm、14cm、14.5cm、15cm、15.5cm或16cm等)，靶材相对衬底的夹角≤90°(例如55°、60°、65°、68°、70°、72°、75°、78°、80°、82°、85°或88°等)，得到薄膜厚度的非均匀性≤5％(例如1％、2％、3％、4％或5％等)。
本发明使用2英寸靶材，通过调节靶材相对衬底的夹角和靶基距等因素，实现6英寸薄膜制备，得到薄膜厚度的非均匀性≤5％，较现有的2英寸靶材只能满足4英寸薄膜制备有明显的提升，且成膜质量、效率以及节约成本等方面有明显提高；其次，本发明可以在不同材料界面制备具有良好均匀性的6英寸大面积膜材料；除此之外，本发明提供的薄膜材料制备工艺简单易行，具有极大的应用潜力。
其中，所述非均匀性的计算方法为：薄膜不均匀性＝(最大值-最小值)/(平均值×2)×100％，六英寸基底范围内所测不同点数不少于22个。
其中，所述最大值为膜材料测试点厚度的最大值；最小值为膜材料测试点厚度的最小值；平均值为膜材料测试点厚度的平均值，计算公式为：平均值＝测试点厚度之和/测试点个数。
优选地，所述靶材为厚度不超过0.25英寸的固态靶材。
本发明对于靶材的材质不做限定，任何材质的靶材皆可应用于本发明，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。
优选地，所述衬底相对靶材为非同轴旋转。
优选地，所述靶材和衬底的距离为6.5～16.5cm，例如7cm、7.5cm、8cm、8.5cm、9cm、16.5cm、9.5cm、10cm、10.5cm、11cm、11.5cm、12cm、12.5cm、13cm、13.5cm、14cm、14.5cm、15cm、15.5cm或16cm等。
本发明所述靶材和衬底的距离为6.5～16.5cm，距离过小，会使得制备均匀薄膜的面积更小，且靶材表面的热量会辐射到衬底使得衬底温度过高；距离过大，而且溅射速率会明显下降，且得到的薄膜材料的均匀性较差。
优选地，所述衬底的转速为1～30转/min，例如2转/min、5转/min、8转/min、10转/min、12转/min、15转/min、18转/min、20转/min、22转/min、25转/min或28转/min等。
优选地，所述靶材相对衬底的夹角范围为60～90°，例如62°、65°、68°、70°、72°、75°、78°、80°、82°、85°或88°等。
本发明所述靶材相对衬底的夹角范围为60～90°，夹角小于60°，改变任何参数，衬底也无法制备得到均匀的薄膜。
优选地，所述方法包括：将直径为2英寸的靶材和直径为6英寸的衬底置于磁控溅射腔体中，所述靶材和衬底的距离为6.5～16.5cm，靶材相对衬底的夹角为60～90°，所述衬底的转速为1～30转/min，所述衬底相对靶材为非同轴旋转，背底抽真空，通入启辉气体，进行薄膜沉积，获得厚度的非均匀性≤5％的6英寸薄膜材料。
对于本发明采用磁控溅射系统制备大面积膜材料的方法，操作条件较多，包括靶基距，靶材相对衬底的角度，衬底相对靶材非同轴旋转等因素，且相互之间有着密切的相互关系，不是独立的单一变量，因此如何寻找一个合适的操作条件，对于本领域技术人员来讲是具有很大难度的，且目前没有使用2英寸靶材可以实现6英寸衬底均匀制备的磁控溅射系统，本发明中薄膜材料的非均匀性可降至3％左右。
优选地，所述磁控溅射沉积设备腔体的工作温度为RT～800℃，例如25℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃或750℃等。
本发明所述RT的温度范围为19～21℃，该设备在超净间，实验室内部温度常年恒温20℃，由于设备工作以及衬底本身温度会使得衬底的室温出现小偏差。
优选地，所述磁控溅射沉积设备腔体的工作压力为0.5～10mtorr，例如0.8mtorr、1mtorr、2mtorr、3mtorr、4mtorr、5mtorr、6mtorr、7mtorr、8mtorr或9mtorr等。
优选地，所述磁控溅射沉积设备腔体的工作功率为1～800W，例如10W、50W、100W、150W、200W、250W、300W、350W、400W、450W、500W、550W、600W、650W、700W或750W等，优选为1～600W。
优选地，所述背底真空抽至3×10-7torr以下(例如2×10-7torr、1×10-7torr、9×10-8torr、8×10-8torr、7×10-8torr、6×10-8torr、5×10-8torr、4×10-8torr、3×10-8torr、2×10-8torr或1×10-8torr等)，优选为3×10-7～1×10-8torr。
优选地，所述启辉气体为惰性气体，优选为氖气、氪气或氩气，优选为氩气。
优选地，所述启辉气体的纯度大于99％，优选为大于99.99％。
优选地，所述衬底为石英玻璃、硅片、金属或非金属。
优选地，所述衬底在进行磁控溅射之前，进行如下预处理：采用丙酮和酒精超声后，用去离子水清洗，然后干燥。
优选地，所述丙酮和酒精超声的时间为3～10min(例如4min、5min、6min、7min、8min或9min等)，优选为5～6min。
作为优选技术方案，本发明所述一种薄膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将直径为2英寸的靶材和直径为6英寸的衬底置于磁控溅射系统腔体中，所述靶材为厚度不超过0.25英寸的固态靶材，调整靶材和衬底的距离为6.5～16.5cm，靶材相对衬底的角度为60～90°，腔体内背底真空抽至3×10-7～1×10-8torr，衬底温度为RT～800℃；
(2)通入启辉气体为氩气，设置衬底旋转速度为1～30转/min，所述衬底相对靶材为非同轴旋转，调整工作气压为0.5～10mtorr，设置功率为1～800W，通过控制沉积时间调整薄膜厚度；
(3)在真空环境下，衬底降至室温，得到厚度的非均匀性≤5％的6英寸薄膜材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明使用2英寸靶材，通过调节靶材和衬底夹角、靶基距以及衬底相对靶材非同轴旋转等因素，实现6英寸薄膜制备，且非均匀性低于5％，较现有的2英寸靶材只能满足4英寸薄膜制备有明显的提升，且成膜质量、效率以及节约成本等方面有明显提高；
(2)本发明使用的衬底采用石英玻璃、硅片、金属、非金属或上述衬底上制备一层金属或非金属薄膜，可以在不同材料界面制备具有良好均匀性的6英寸大面积膜材料；
(3)本发明提供的薄膜材料制备工艺简单易行，具有极大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的氧化锌膜材料厚度表征测试点的分布图；
图2为本发明实施例1提供的氧化锌膜材料的制备示意图；
图3为本发明对比例1提供的金属铬膜材料的制备示意图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种磁控溅射系统制备大面积衬底的方法，通过如下方法制备得到：
(1)将直径为2英寸厚度为0.25英寸的氧化锌靶材装于设备内，调整靶材和衬底的夹角为86°，设置靶基距为9cm，以6英寸单面抛光的硅片做衬底，并进行如下预处理：首先将所述衬底用丙酮和酒精分别超声5min，再用去离子水清洗，最后干燥其表面；
(2)将步骤(1)获得的预处理后的衬底放入磁控溅射设备腔体中，并将沉积室抽真空，使背底真空度在5×10-7torr；
(3)通入纯度99.999％Ar2做为启辉气体，设置衬底旋转速度为15转/min，所述衬底相对靶材为非同轴旋转，控制沉积室的工作气压为5mtorr，功率为100W，进行磁控溅射沉积25min，衬底温度为室温；
(4)用纯氮气破真空，获得均匀性良好，平均厚度为100nm的6英寸氧化锌膜材料，其非均匀性为3.1％。
本实施例所述氧化锌膜材料的制备示意图如图2所示，图中(3)为氧化锌靶材，(4)为衬底。
性能表征：
将获得的6英寸氧化锌薄膜材料进行光谱椭偏仪(设备型号为SE 850)测试，测试条件为：室温，200～930nm波长范围扫描，测试薄膜厚度的结果如图1所示(图中每一个正方形方块代表一个测试点)；
其中，所述非均匀性的计算方法为：薄膜不均匀性＝(最大值-最小值)/(平均值×2)×100％，所述最大值为膜材料测试点厚度的最大值；最小值为膜材料测试点厚度的最小值；平均值为膜材料测试点厚度的平均值，计算公式为：平均值＝测试点厚度之和/测试点个数。
实施例2
(1)将直径为2英寸厚度为0.25英寸的氧化锌靶材装于设备内，调整靶材和衬底的夹角为79°，设置靶基距为8cm，以单抛的6英寸氧化硅做衬底，并进行如下预处理：首先将所述衬底用丙酮和酒精分别超声5min，再用去离子水清洗，最后干燥其表面；
(2)将步骤(1)获得的预处理后的衬底放入磁控溅射设备腔体中，并将沉积室抽真空，使背底真空度在3×10-7torr；
(3)通入纯度99.999％Ar2做为启辉气体，设置衬底旋转速度为10转/min，所述衬底相对靶材为非同轴旋转，控制沉积室的工作气压为5mtorr，功率为100W，进行磁控溅射沉积26min，衬底温度为300℃；
(4)在真空状态下待衬底将至室温，用纯氮气破真空，获得均匀性良好，平均厚度为100nm的6英寸氧化锌膜材料。
采用与实施例1相同的方法进行非均匀性测试，得到的氧化锌膜材料的非均匀性与实施例1相似。
实施例3
(1)将直径为2英寸厚度为0.25英寸的金属铝靶材装于设备内，调整靶材和衬底的夹角为82°，设置靶基距为8.5cm，以单抛的6英寸硅做衬底，并进行如下预处理：首先将所述衬底用丙酮和酒精分别超声3min，再用去离子水清洗，最后干燥其表面；
(2)将步骤(1)获得的预处理后的衬底放入磁控溅射设备腔体中，并将沉积室抽真空，使背底真空度在1×10-7torr；
(3)通入纯度99.999％Ar2做为启辉气体，设置衬底旋转速度为20转/min，所述衬底相对靶材为非同轴旋转，控制沉积室的工作气压为5mtorr，功率为200W，进行磁控溅射沉积6min，衬底温度为200℃；
(4)在真空状态下待衬底将至室温，用纯氮气破真空，获得均匀性良好，平均厚度为100nm的6英寸金属铝薄膜材料。
采用与实施例1相同的方法进行非均匀性测试，得到的金属铝薄膜材料的非均匀性与实施例1相似。
实施例4
(1)将直径为2英寸厚度为0.25英寸的金属铬靶材装于设备内，调整靶材和衬底的夹角为86°，设置靶基距为7.8cm，以双抛的6英寸石英做衬底，并进行如下预处理：首先将所述衬底用丙酮和酒精分别超声3min，再用去离子水清洗，最后干燥其表面；
(2)将步骤(1)获得的预处理后的衬底放入磁控溅射设备腔体中，并将沉积室抽真空，使背底真空度在3×10-7torr；
(3)通入纯度99.999％Ar2做为启辉气体，设置衬底旋转速度为5转/min，所述衬底相对靶材为非同轴旋转，控制沉积室的工作气压为0.5mtorr，功率为150W，进行磁控溅射沉积7min，衬底温度为室温；
(4)用纯氮气破真空，获得均匀性良好，平均厚度为100nm的6英寸金属铬薄膜材料。
采用与实施例1相同的方法进行非均匀性测试，得到的金属铬薄膜材料的非均匀性与实施例1相似。
实施例5
(1)将直径为2英寸厚度为0.25英寸的金属铬靶材装于设备内，调整靶材和衬底的夹角为76°，设置靶基距为16cm，以双抛的6英寸硅片做衬底，并进行如下预处理：首先将所述衬底用丙酮和酒精分别超声3min，再用去离子水清洗，最后干燥其表面；
(2)将步骤(1)获得的预处理后的衬底放入磁控溅射设备腔体中，并将沉积室抽真空，使背底真空度在3×10-7torr；
(3)通入纯度99.999％Ar2做为启辉气体，设置衬底旋转速度为5转/min，所述衬底相对靶材为非同轴旋转，控制沉积室的工作气压为10mtorr，功率为150W，进行磁控溅射沉积6min，衬底温度为室温；
(4)用纯氮气破真空，获得均匀性良好，平均厚度为100nm的6英寸金属铬膜材料。
采用与实施例1相同的方法进行非均匀性测试，得到的金属铬膜材料的非均匀性与实施例1相似。
对比例1
(1)将直径为2英寸厚度为0.25英寸的金属铬靶材装于设备内，调整靶材和衬底的夹角为80°，设置靶基距为19cm，以双抛的6英寸硅片做衬底，并进行如下预处理：首先将所述衬底用丙酮和酒精分别超声3min，再用去离子水清洗，最后干燥其表面；
(2)将步骤(1)获得的预处理后的衬底放入磁控溅射设备腔体中，并将沉积室抽真空，使背底真空度在3×10-7torr左右；
(3)通入纯度99.999％Ar2做为启辉气体，控制沉积室的工作气压为5mtorr，功率为150W，进行磁控溅射沉积13min，衬底温度为室温；
(4)用纯氮气破真空，获得厚度约为100nm的6英寸金属铬膜材料。
采用与实施例1相同的方法进行非均匀性测试，得到的金属铬膜材料的非均匀性为10％。
本对比例所述薄膜材料的制备示意图如图3所示，图中(1)为金属铬靶材，(2)为衬底。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (18)
1.一种在大面积衬底上磁控溅射制备薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括：采用直径为2英寸的靶材在直径为6英寸的衬底上制备薄膜，所述靶材和衬底的距离≤17cm，靶材相对衬底的夹角≤90°，得到薄膜厚度的非均匀性≤5％；
所述方法包括：将直径为2英寸的靶材和直径为6英寸的衬底置于磁控溅射腔体中，所述靶材和衬底的距离为6.5～16.5cm，靶材相对衬底的夹角为60～90°，所述衬底的转速为1～30转/min，所述衬底相对靶材为非同轴旋转，背底抽真空，通入启辉气体，进行薄膜沉积，获得厚度的非均匀性≤5％的6英寸薄膜材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述靶材为厚度不超过0.25英寸的固态靶材。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁控溅射沉积设备腔体的工作温度为20～800℃。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁控溅射沉积设备腔体的工作压力为0.5～10mtorr。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁控溅射沉积设备腔体的工作功率为1～800W。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述磁控溅射沉积设备腔体的工作功率为1～600W。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述背底真空抽至3×10-7torr以下。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述背底真空范围为3×10-7～1×10-8torr。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述启辉气体为惰性气体。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氖气、氪气或氩气中的任意一种。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述启辉气体的纯度大于99％。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述启辉气体的纯度大于99.99％。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为石英玻璃、硅片或金属。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底在进行磁控溅射之前，进行如下预处理：采用丙酮和酒精超声后，用去离子水清洗，然后干燥。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述丙酮和酒精超声的时间为3～10min。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述丙酮和酒精超声的时间为5～6min。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将直径为2英寸的靶材和直径为6英寸的衬底置于磁控溅射系统腔体中，所述靶材为厚度不超过0.25英寸的固态靶材，调整靶材和衬底的距离为6.5～16.5cm，靶材相对衬底的角度为60～90°，腔体内背底真空抽至3×10-7～1×10-8torr，衬底温度为20～800℃；
(2)通入启辉气体为氩气，设置衬底旋转速度为1～30转/min，所述衬底相对靶材为非同轴旋转，调整工作气压为0.5～10mtorr，设置功率为1～800W，通过控制沉积时间调整薄膜厚度；
(3)在真空环境下，衬底降至室温，得到厚度的非均匀性≤5％的6英寸薄膜材料。
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