TWI496915B - Indium tin oxide thin film sputtering method and indium tin oxide thin film sputtering equipment - Google Patents

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Description

氧化銦錫薄膜濺鍍方法及氧化銦錫薄膜濺鍍設備
本發明係關於半導體領域，特別是關於一種氧化銦錫薄膜濺鍍方法及氧化銦錫薄膜濺鍍設備。
近年來，由於發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)的巨大市場需求，氮化鎵基LED(GaN-basedLED)被廣泛應用於大功率照明燈、汽車儀錶顯示、大面積的戶外顯示幕、信號燈，以及普通照明等不同領域。
在氮化鎵基LED晶片製造過程中，由於P型氮化鎵的低摻雜和P型歐姆金屬接觸的低透光率會引起較高接觸電阻和低透光率，這嚴重影響了LED晶片整體性能的提高。為了提高出光效率和降低接觸電阻，需要開發適用於P型氮化鎵的透明導電薄膜。由於氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)薄膜 作為一種透明導電薄膜具有可見光透過率高、導電性好、抗磨損、耐腐蝕等優點，且氧化銦錫薄膜和氮化鎵之間附著性(adherence)好，，因此，氧化銦錫被廣泛的應用於氮化鎵基LED晶片的電極材料。
氧化銦錫薄膜的製備方法包括噴塗、化學氣相沉積、蒸發鍍膜及磁控濺鍍等方法。其中，採用磁控濺鍍方法製備的氧化銦錫薄膜由於具有較低的電阻率、較高的可見光透過率以及較高的製程重複性，因此得到廣泛的應用。
現有技術的直流磁控濺鍍設備主要包括反應腔體、真空幫浦系統、承載晶片的基台、直流濺鍍電源以及密封在反應腔體上的靶材。其中，直流磁控濺鍍所採用的製程參數通常為：啟輝及濺鍍氣壓：2.8 毫托(mTorr)，1托(Torr)=133帕(Pa)；濺鍍功率：650瓦(W)；靶材功率密度：0.5瓦每平方公分(W/cm2 )。在採用該直流磁控濺鍍設備進行濺鍍的過程中，直流濺鍍電源會向靶材施加濺鍍功率，以在靶材上形成負偏壓，從而使反應腔體內的工作氣體輝光放電而產生等離子體。當等離子體的能量足夠高時，會使金屬原子逸出靶材表面並沉積在晶片上。
然而，在採用上述直流磁控濺鍍設備進行濺鍍在實際應用中會出現以下問題：靶材在啟輝階段的負偏壓非常高，換言之，直流濺鍍電源在啟輝階段的輸出電壓高於直流濺鍍電源的預設電壓值，例如，若直流濺鍍電源採用650W的輸出功率進行啟輝，則靶材的瞬間啟輝電壓約1000伏特(V)。由於較高的瞬間啟輝電壓會造成濺鍍粒子的能量過高，這使得濺鍍粒子對P型氮化鎵層的轟擊力度較大，造成氮化鎵層的損傷，從而造成氧化銦錫與氮化鎵層的接觸電阻過大，過大的接觸電阻會提高LED晶片的驅動電壓、產生更多的熱並衰減LED工件的性能。此外，氮化鎵層的損傷還會造成LED工件的正向電壓(VF)值過高，嚴重時可造成VF值升高至6.5V以上(業界標準一般為2.9至3.5V)，導致器件性能嚴重下降。另外，由於氧化銦錫靶材在沉積過程中易發生靶材“中毒”，導致靶材產生節瘤。
為此，現有技術中，提出了在靶材和基台之間設置擋板。在直流濺鍍電源在靶材上施加功率進行啟輝時，啟輝瞬間形成的高能粒子將轟擊在擋板上，因此可以避免損傷氮化鎵層。待啟輝數秒後，移開擋板，並進行正常的濺鍍。但是增設擋板不僅會降低氧化銦錫薄膜的均勻性，而且還會使設備的結構和操作複雜並使成本增加。
有鑒於上述現有技術之缺點，本發明之目的在於有效減輕於啟輝瞬間產生的具有過高能量之濺鍍粒子對氮化鎵層造成的損傷，並可省去擋板相關機構的設置及操作步驟，進而提高氧化銦錫薄膜的均勻性並降低設備及人力成本。
為了可達到前述之發明目的，本發明所採取的一技術手段為提供一種氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其步驟包括：S1，向反應腔體內通入工作氣體，並設定所述反應腔體內的工作氣體壓力，使其高於能夠使工作氣體輝光放電的預定壓力； S2，開啟直流濺鍍電源，以向靶材施加濺鍍功率，並限制所述直流濺鍍電源的輸出電壓，使其小於或等於預設電壓值；以及S3，將所述反應腔體內的工作氣體壓力降低到所述預定壓力以下，所述直流濺鍍電源向靶材施加濺鍍功率，以進行濺鍍製程。
本發明之氧化銦錫薄膜濺鍍方法，於其採用磁控濺鍍將氧化銦錫薄膜沉積在氮化鎵層的過程中，係藉由設定反應腔體內的工作氣體使其高於能夠使工作氣體輝光放電的預定壓力；以及，限制直流濺鍍電源的輸出電壓使其小於或等於預設電壓值，達到啟輝的目的及效果。在啟輝過程中，藉由限制直流濺鍍電源的輸出電壓使其小於或等於預設電壓值之步驟，除了可避免在啟輝過程中啟輝電壓過高，從而可以降低啟輝瞬間之濺鍍粒子的能量，進而可以減輕濺鍍粒子對氮化鎵層的轟擊損傷以外，還可以降低氧化銦錫薄膜與氮化鎵層的接觸電阻及晶片驅動電壓，進而提高晶片的整體性能。此外，還可省去擋板相關機構的設置及操作步驟，進而提高氧化銦錫薄膜的均勻性、簡化設備的結構和操作並降低設備及人力成本。
較佳的是，在所述步驟S3中，包含：將所述反應腔體內的工作氣體壓力降低到所述預定壓力以下，增大所述直流濺鍍電源的濺鍍功率的功率值，使其大於所述步驟S2中的濺鍍功率的功率值，以進行濺鍍製程。
較佳的是，在所述步驟S2中，所述預設電壓值為300伏特(V)。
較佳的是，在所述步驟S2中，所述濺鍍功率的取值範圍在100至300瓦(W)。
較佳的是，所述直流濺鍍電源的濺鍍功率的取值範圍在600至2000W。
較佳的是，在所述步驟S3中，所述直流濺鍍電源的輸出電壓的取值範圍在300至800V。
較佳的是，在所述步驟S1中，所述預定壓力為5毫托(mTorr)。
較佳的是，在所述步驟S1中，將所述反應腔體內的工作氣體壓力設定為10 mTorr。
較佳的是，在所述步驟S1中，所述預定壓力為15mTorr。
較佳的是，在所述步驟S1中，將所述反應腔體內的工作氣體壓力設定為20 mTorr。
為了可達到前述之發明目的，本發明所採取的一技術手段為提供一種氧化銦錫薄膜濺鍍設備，其中包括：一反應腔體，所述反應腔體包含一頂壁、一基片支撐部件和一靶材，所述靶材設置於所述頂壁上，所述基片支撐部件設置於所述反應腔體底部，且所述靶材與所述基片支撐部件相對設置；以及一直流濺鍍電源，所述直流濺鍍電源耦接於所述靶材，用於向靶材施加濺鍍功率；其中，所述氧化銦錫薄膜濺鍍設備是基於前述氧化銦錫薄膜濺鍍方法進行薄膜濺鍍。
本發明提供的氧化銦錫薄膜濺鍍設備，其透過將直流濺鍍電源耦接於靶材，並採用本發明提供的上述氧化銦錫薄膜濺鍍，不僅可以避免在啟輝瞬間因粒子能量過高而造成對氮化鎵層的轟擊力度過大，從而可以有效減小對氮化鎵層的損傷。而且，由於不需要增加新的機構，這不僅可以提高薄膜沉積的均勻性，而且還會簡化設備的結構和操作，從而可以降低設備的製造和人力成本。
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在圖式中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面配合圖式描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，並非用於對本發明作進一步的限制。
在本發明的描述中，需要理解的是，所述 “中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關係為基於圖式所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，並非用於對本發明作進一步的限制。
此外，所述“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能解釋為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，所述“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本發明所屬技術領域具有通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵之“上”或之“下”可以包括第一和第二特徵直接接觸，也可以包括第一和第二特徵不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特徵接觸。而且，第一特徵在第二特徵“之上”、“上方”和“上面”包括第一特徵在第二特徵正上方和斜上方，或僅僅表示第一特徵水準高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵“之下”、“下方”和“下面”包括第一特徵在第二特徵正下方和斜下方，或僅僅表示第一特徵水準高度小於第二特徵。
本發明是基於以下原理提出的：在氧化銦錫薄膜濺鍍中，由於在啟輝過程中過高的啟輝電壓會造成濺鍍粒子能量較高，這使得濺鍍粒子對P型氮化鎵層的轟擊力度較大，造成氮化鎵層的損傷，從而導致氧化銦錫與氮化鎵層的接觸電阻過高。因此，只要能夠降低上述啟輝電壓就可以解決上述技術問題。發明人發現：在啟輝過程中，通過降低直流濺鍍電源的輸出電壓並且同時提高反應腔體內的工作氣體的壓力，可以在保證等離子體正常啟輝的前提下，避免啟輝瞬間粒子能量過高，從而可以減小濺鍍粒子對氮化鎵層的轟擊力度，進而可以有效減小對氮化鎵層的損傷。上述啟輝電壓是指在等離子體啟輝瞬間，直流濺鍍電源向靶材施加的一個高於預設電壓值的暫態高電壓，待等離子體穩定後，直流濺鍍電源施加在靶材上的電壓恢復為其輸出電壓。
下面參照圖1詳細描述本發明之氧化銦錫薄膜濺鍍方法。
參照圖1所示，該氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其步驟包括：S1，向反應腔體內通入工作氣體，並設定反應腔體內的工作氣體壓力，使其高於能夠使工作氣體輝光放電的預定壓力，該工作氣體可為但不限於氬氣(Ar)；S2，開啟直流濺鍍電源，並限制直流濺鍍電源的輸出電壓，使其小於或等於預設電壓值，直流濺鍍電源向靶材施加濺鍍功率，從而使反應腔體內的工作氣體輝光放電而產生等離子體；所謂預設電壓值，是指根據實際需要而設定的直流濺鍍電源輸出的電壓值，該電壓值應小於或等於直流濺鍍電源的額定電壓值。S3，將反應腔體內的工作氣體壓力降低到所述預定壓力以下，直流濺鍍電源向靶材施加濺鍍功率，以進行濺鍍製程。
具體而言，參照圖1所示，本發明之氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其通過利用直流濺鍍電源向靶材施加濺鍍功率，並限制該直流濺鍍電源的輸出電壓使其小於或等於預設電壓值，降低了直流濺鍍電源的輸出電壓，可以避免在啟輝過程中啟輝電壓過高，從而可以避免啟輝瞬間因濺鍍粒子的能量過高而導致對氮化鎵層的轟擊力度較大，進而可以有效地減小對氮化鎵層的損傷。
其中，由於步驟S1中相對於現有技術降低了直流濺鍍電源的輸出電壓，而降低後的輸出電壓無法滿足啟輝條件，為此，在本發明實施例中，通過在開啟直流濺鍍電源之前，調整反應腔體內的工作氣體壓力，使其高於能夠使工作氣體輝光放電的預定壓力，可以實現順利啟輝。於一實施態樣中，預定壓力為5毫托(現有技術中，能夠使工作氣體輝光放電的工作氣體壓力通常為2至5毫托)，將反應腔體內的工作氣體壓力設定為大於5毫托，例如，將反應腔體內的工作氣體壓力設定為10毫托。於另一實施態樣中，預定壓力為15毫托，例如，將反應腔體內的工作氣體壓力設定為20毫托。
待完成啟輝後，將反應腔體內的工作氣體壓力降低到該預定壓力以下，直流濺鍍電源向靶材施加濺鍍功率，以進行薄膜濺鍍。在該步驟中的濺鍍功率以及工作氣體壓力只要滿足薄膜濺鍍製程上的要求即可。
本發明提供的氧化銦錫薄膜濺鍍方法，適用但不限於LED晶片的製造，其採用磁控濺鍍將氧化銦錫薄膜沉積在氮化鎵層上。在進行沉積的過程中，係藉由設定反應腔體內的工作氣體使其高於能夠使工作氣體輝光放電的預定壓力；以及，限制直流濺鍍電源的輸出電壓使其小於或等於預設電壓值，達到啟輝的目的及效果。在啟輝過程中，由於降低了直流濺鍍電源的輸出電壓，這可以避免在啟輝過程中啟輝電壓過高，從而可以避免啟輝瞬間因濺鍍粒子的能量過高而導致對氮化鎵層的轟擊力度較大，進而可以減小對氮化鎵層的轟擊損傷，從而不僅可以減小氧化銦錫薄膜與氮化鎵層的接觸電阻，而且還可以降低晶片驅動電壓，進而可以提高晶片的整體性能。而且，由於不需要增加新的機構，這不僅可以提高薄膜沉積的均勻性，而且還會簡化設備的結構和操作，從而可以降低設備的製造和人力成本。
在本發明的一較佳實施例中，在步驟S1中，向反應腔體內通入例如氬氣等的工作氣體，並將反應腔體內的工作氣體壓力設定為20毫托，以保證在進行後續的步驟S2時工作氣體在反應腔體內能夠順利啟輝。在步驟S2中，開啟直流濺鍍電源，以向靶材施加濺鍍功率，並將直流濺鍍電源的輸出電壓限制在300V(即，預設電壓值為300V)；直流濺鍍電源向靶材施加濺鍍功率，從而使反應腔體內的工作氣體輝光放電而產生等離子體。此外，由於直流濺鍍電源的輸出電壓與濺鍍功率之間的對應關係為：濺鍍功率越大，輸出電壓越大；反之，則越小。因此，在步驟S2中，濺鍍功率的取值應儘量小，於一實施態樣中，該濺鍍功率可以根據要求在100至300W的取值範圍內選取。在步驟S3中，將反應腔體內的工作氣體壓力降低到該預定壓力以下，例如，降低至2至5毫托，以確保濺鍍順利進行。
進一步而言，在該較佳實施例中，在步驟S3中，還可以根據需要在不超過該直流濺鍍電源的額定功率值（通常在2000W）的範圍內調整直流濺鍍電源的濺鍍功率，於一實施態樣中，可以增大直流濺鍍電源的濺鍍功率，即，增大步驟S3中的濺鍍功率的功率值，使其大於步驟S2中的濺鍍功率的功率值，但應小於或等於該直流濺鍍電源的額定功率值，以提高濺鍍速率。於另一實施態樣中，該濺鍍功率可以根據要求在600至2000W的取值範圍內選取。
其中，在步驟S3中，由於步驟S1和S2通過降低直流濺鍍電源的輸出電壓而順利完成啟輝，因而在進行步驟S3以進行濺鍍製程時，即使採用較高的輸出電壓，即，解除對直流濺鍍電源的輸出電壓的限制也不會對氮化鎵層產生不良影響。於一實施態樣中，在步驟S3中，將輸出電壓設定為等於直流濺鍍電源的額定電壓值(通常為800V)，也就是說，在步驟S3中，可以將輸出電壓的電壓值由步驟S2中的300V提高至800V。當然，在實際應用中，也可以根據具體情況在步驟S3中仍然對直流濺鍍電源的輸出電壓進行限制，例如：保持步驟S2中的300V不變。
經過多次實際測量，採用該較佳實施例的步驟，在啟輝過程中，啟輝電壓的峰值為380V，遠低於現有技術中1000V的啟輝電壓的峰值，從而避免啟輝瞬間粒子能量過高，從而可以減小濺鍍粒子對氮化鎵層的轟擊力度，進而可以有效減小對氮化鎵層的損傷。
下面配合圖2描述本發明的氧化銦錫薄膜濺鍍設備。該設備是基於本發明提供的上述氧化銦錫薄膜濺鍍方法對基片進行薄膜濺鍍製程。
如圖2所示，氧化銦錫薄膜濺鍍設備包括一反應腔體1和一直流濺鍍電源(圖未示出)。
其中，該反應腔體1包含一頂壁11、一腔體12、一基片支撐部件13和一靶材2。該頂壁11與該腔體12相接且位於該腔體12之頂部，該腔體12可為圓筒形腔體；該基片支撐部件13設在反應腔體1底部；該靶材2設置於頂壁11上且與該基片支撐部件13相對設置；該基片支撐部件13例如基台設在腔體12的底部內側，用於支撐基片7。
如圖2所示，腔體12外還設有工作氣體源4，用於向腔體12內供入工作氣體例如氬氣，在工作氣體源4與腔體12之間還可設有流量計5，用於檢測自工作氣體源4流出的工作氣體的流量。另外，腔體12外還設有真空幫浦系統6，真空幫浦系統6可對腔體12內進行抽氣。其中，關於基片支撐部件13、工作氣體源4、真空幫浦系統6等均已為現有技術所有，於此不再贅述。
該直流濺鍍電源耦接於靶材2，用於向靶材2施加濺鍍功率。
本發明之氧化銦錫薄膜濺鍍設備，其通過將直流濺鍍電源耦接於靶材2，並採用本發明提供的上述氧化銦錫薄膜濺鍍方法對基片進行薄膜濺鍍；藉由利用直流濺鍍電源向靶材2施加濺鍍功率，並限制該直流濺鍍電源的輸出電壓使其小於或等於預設電壓值，降低了直流濺鍍電源的輸出電壓，可以避免在啟輝過程中啟輝電壓過高，從而可以避免啟輝瞬間因濺鍍粒子的能量過高而導致對氮化鎵層的轟擊力度較大，進而可以有效地減小對氮化鎵層的損傷。
其中，本發明提供之氧化銦錫薄膜濺鍍設備的其他構成例如磁控管等均為現有技術所有，於此不再贅述。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、 “示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
1．．．反應腔體
11．．．頂壁
12．．．腔體
13．．．基片支撐部件
2．．．靶材
4．．．工作氣體源
5．．．流量計
6．．．真空幫浦系統
7．．．基片
圖1是本發明的氧化銦錫薄膜濺鍍方法的流程圖。圖2是本發明的氧化銦錫薄膜濺鍍設備的示意圖。
無。

Claims (11)

  1. 一種氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其步驟包括：S1，向反應腔體內通入工作氣體，並設定所述反應腔體內的工作氣體壓力，使其高於能夠使工作氣體輝光放電的預定壓力；S2，開啟直流濺鍍電源，以向靶材施加濺鍍功率，並限制所述直流濺鍍電源的輸出電壓，使其小於或等於預設電壓值；S3，將所述反應腔體內的工作氣體壓力降低到所述預定壓力以下，所述直流濺鍍電源向靶材施加濺鍍功率，以進行濺鍍製程。
  2. 如請求項1所述的氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其中，在所述步驟S3中，包含：將所述反應腔體內的工作氣體壓力降低到所述預定壓力以下，增大所述直流濺鍍電源的濺鍍功率的功率值，使其大於所述步驟S2中的濺鍍功率的功率值，且小於或等於該直流濺鍍電源的額定功率值。
  3. 如請求項1所述的氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其中，在所述步驟S2中，所述預設電壓值為300V。
  4. 如請求項1所述的氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其中，在所述步驟S2中，所述濺鍍功率的取值範圍在100至300W。
  5. 如請求項1所述的氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其中，在所述步驟S3中，所述直流濺鍍電源的濺鍍功率的取值範圍在600至2000W。
  6. 如請求項1所述的氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其中，在所述步驟S3中，所述直流濺鍍電源的輸出電壓的取值範圍在300至800V。
  7. 如請求項1所述的氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其中，在所述步驟S1中，所述預定壓力為5毫托。
  8. 如請求項7所述的氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其中，在所述步驟S1中，將所述反應腔體內的工作氣體壓力設定為10毫托。
  9. 如請求項1所述的氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其中，在所述步驟S1中，所述預定壓力為15毫托。
  10. 如請求項9所述的氧化銦錫薄膜濺鍍方法，其中，在所述步驟S1中，將所述反應腔體內的工作氣體壓力設定為20毫托。
  11. 一種氧化銦錫薄膜濺鍍設備，其中包括：一反應腔體，所述反應腔體包含一頂壁、一基片支撐部件和一靶材，所述靶材設置於所述頂壁上，所述基片支撐部件設置於所述反應腔體底部，且所述把靶材與所述基片支撐部件相對設置其中；以及一直流濺鍍電源，所述直流濺鍍電源耦接於所述靶材，用於向靶材施加濺鍍功率；其中，所述氧化銦錫薄膜濺鍍設備是基於如請求項1至10中任一項所述的氧化銦錫薄膜濺鍍方法進行薄膜濺鍍。
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