ITO薄膜溅射工艺方法及ITO薄膜溅射设备

摘要

本发明公开了一种ITO薄膜溅射工艺方法及ITO薄膜溅射设备。所述方法包括以下步骤：在向反应腔内通入工艺气体之前，控制直流溅射电源的输出电压为预定电压，并通过直流溅射电源对靶材施加预定功率；在预定时间之后向反应腔内通入工艺气体，以使工艺气体在反应腔内启辉；在启辉之后，通过直流溅射电源对靶材施加溅射功率以进行溅射，溅射功率大于等于所述预定功率且小于等于所述溅射电源的额定功率。本发明的ITO薄膜溅射工艺方法，能够大幅减小启辉电压，减小启辉瞬间粒子能量过高对GaN层的轰击，有效的减小对GaN层的损伤。而且，由于不需要增加新的机构，增加了稳定性，同时方便工艺进行调整，薄膜沉积均匀性提高。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种ITO薄膜溅射工艺方法及ITO薄膜溅射设备。

背景技术

近年来，由于发光二极管(LED)的巨大市场需求，GaN基LED被广泛应用于大功率照明 灯、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芯片制造过程中，由于P型GaN的低掺杂和P型欧姆金属接触的低透光率会引 起较高接触电阻和低透光率，严重影响了LED芯片整体性能的提高。为提高出光效率和降 低接触电阻，需要开发适用于P型GaN的透明导电薄膜。ITO薄膜（掺锡氧化铟： IndiumTinOxide）作为一种透明导电薄膜具有可见光透过率高、导电性好、抗磨损、耐腐 蚀等优点，且ITO薄膜和GaN之间粘附性好，由于这些特性，ITO被广泛的应用于GaN基 芯片的电极材料。

ITO薄膜的制备方法包括喷涂法、化学气相沉积、蒸发镀膜、磁控溅射法等。其中磁控 溅射方法制备的ITO薄膜具有低的电阻率、较高的可见光透过率以及较高的重复性，因此 得到广泛的应用。

现有技术中的直流磁控溅射设备具有反应腔体、真空泵系统、承载晶片的基台、密封 在反应腔体上的靶材。溅射时DC电源会施加偏压至靶材，以致反应腔体内工艺气体放电而 产生等离子体。当等离子体的能量足够高时，会使金属原子逸出靶材表面并沉积在晶片上。

在传统的磁控溅射设备和工艺中，启辉阶段和溅射阶段反应腔体内的工艺气体的压力 通常为2-5mTorr（毫托，1Torr=133Pa），而且在启辉阶段靶材的负偏压非常高。

现有技术中的磁控溅射设备和工艺，启辉过程中直流溅射电源输出电压高造成粒子能 量较大，对P型GaN膜层的轰击较大，损伤GaN膜层，导致ITO与GaN层较高的接触电阻。 高的接触电阻会导致LED芯片高的驱动电压和产生更多的热，并衰减LED器件性能。另外， 由于ITO靶材在沉积过程中易发生靶材“中毒”而产生节瘤。

传统溅射工艺中，直流溅射电源在靶材上施加功率并启辉溅射。直流溅射电源为常用 的溅射电源，输出功率最大可到2000W，额定电压为800V，额定电流为5A，其中工艺参数 为：启辉及溅射气压：2-5mTorr；溅射功率：650W；靶材功率密度：0.5W/cm2。

通过检测可知，溅射电源对靶材输出功率650W进行启辉，启辉瞬间靶材电压约1000V， 由于较高的瞬间电压会造成溅射粒子的能量过高，造成GaN膜层的损伤，从而造成LED器 件正向电压（VF）值过高，严重时可造成VF值升高至6.5V以上（业界标准一般为2.9-3.5V）， 导致器件性能严重下降。

为此，现有技术中，提出了在靶材和基台之间设置挡板，通入工艺气体，然后在靶材 上施加功率启辉。这时启辉瞬间形成的高能粒子将轰击在挡板上，因此对GaN膜层无损伤。 待启辉数秒后，移开挡板进行正常的溅射。但是，增加挡板机构还会降低TIO薄膜的均匀 性，而且设备的结构和操作复杂，成本增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ITO薄膜溅射工艺方法及ITO薄膜溅射设备，它们能够实 现在溅射沉积ITO薄膜过程中大幅减小启辉电压，减小启辉瞬间粒子能量过高对GaN层的 轰击，有效的减小对GaN层的损伤。而且，由于不需要增加新的机构，增加了稳定性，同 时方便工艺进行调整，薄膜沉积均匀性提高。

为实现本发明的目的而提出一种启辉电压降低的ITO薄膜溅射工艺方法。

为实现本发明的目的而提出一种直流溅射电源在启辉时输出电压减低的ITO薄膜溅射 设备。

根据本发明的ITO薄膜溅射工艺方法，包括以下步骤：1）在向反应腔内通入工艺气体 之前，控制直流溅射电源的输出电压为预定电压，并通过所述直流溅射电源对靶材施加预 定功率；2）在预定时间之后向所述反应腔内通入工艺气体，以使所述工艺气体在所述反 应腔内启辉；和3）在所述启辉之后，通过所述直流溅射电源对所述靶材施加溅射功率以 进行溅射，所述溅射功率大于等于所述预定功率且小于等于所述溅射电源的额定功率。

本发明的ITO薄膜溅射工艺方法，适用但不限于LED芯片的制造，采用磁控溅射工艺 将ITO薄膜沉积在GaN层上，在沉积工艺过程中，具体而言，在反应腔内无工艺气体的前 提下，限制直流溅射电源的输出电压，同时通过直流溅射电源施加一定功率，使靶材具有 较高的电压，持续一定时间后再向反应腔内通入工艺气体和氧气完成启辉，启辉瞬间的电 压峰值大大降低，进而大幅度降低溅射出的粒子能量，减小对GaN层的轰击损伤，改善ITO 薄膜与GaN层的接触电阻，降低芯片驱动电压，整体提高芯片的性能。而且，由于不需要 增加新的机构，增加了稳定性，同时方便工艺进行调整，薄膜沉积均匀性提高。

另外，根据本发明的ITO薄膜溅射工艺方法，还可以具有如下附加技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述预定功率为300W。

在本发明的一个实施例中，所述直流溅射电源的预定电压为800V。

在本发明的一个实施例中，所述直流溅射电源的预定电压为300V。

在本发明的一个实施例中，所述启辉过程中的启辉电压为324V。

在本发明的一个实施例中，所述预定时间为3-6秒。

在本发明的一个实施例中，在所述启辉和所述溅射过程中，所述反应腔内的工艺气体 压力为2-5毫托。

在本发明的一个实施例中，所述工艺气体压力为2.8毫托。

根据本发明的ITO薄膜溅射设备，包括：反应腔，所述反应腔包含顶壁、基片支撑 部件和靶材，所述靶材设置于所述顶壁且与设在所述反应腔室底部的基片支撑部件相 对，直流溅射电源，所述直流溅射电源耦接于所述靶材，其中在向所述反应腔内通入 工艺气体之前，控制直流溅射电源的输出电压为预定电压，所述直流溅射电源对靶材施加 预定功率，在预定时间之后向所述反应腔内通入工艺气体，以使所述工艺气体在所述反应 腔内启辉，以及在所述启辉之后通过所述直流溅射电源对所述靶材施加溅射功率以进行溅 射，所述溅射功率大于等于所述预定功率且小于等于所述溅射电源的额定功率。

本发明的ITO薄膜溅射设备，可将ITO薄膜均匀地沉积在GaN层上，采用无工艺气体 的前提下，对靶材施加预定电压一定时间后再通入工艺气体的启辉方式，从而大幅度降低 溅射出的粒子能量，减小对GaN层的轰击损伤，改善ITO薄膜与GaN层的接触电阻。而且， 由于不需要增加新的机构，增加了ITO薄膜溅射设备的稳定性，同时方便工艺进行调整， 薄膜沉积均匀性提高。

在本发明的一个实施例中，所述预定功率为300W。

在本发明的一个实施例中，，所述直流溅射电源的预定电压为800V。

在本发明的一个实施例中，所述直流溅射电源的预定电压为300V。

在本发明的一个实施例中，所述启辉过程中的启辉电压为324V。

在本发明的一个实施例中，所述预定时间为3-6秒。

在本发明的一个实施例中，在所述启辉和所述溅射过程中，所述反应腔内的工艺气体 压力为2-5毫托。

在本发明的一个实施例中，所述工艺气体压力为2.8毫托。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显 和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的ITO薄膜溅射工艺方法的流程图；

图2是根据本发明另一个实施例的ITO薄膜溅射工艺方法的流程图；

图3是根据本发明再一个实施例的ITO薄膜溅射工艺方法的流程图；

图4是根据本发明一个实施例的ITO薄膜溅射设备的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、 “宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、 “水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位 置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是 指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能 理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要 性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以 明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个 或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固 定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接； 可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可 以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述 术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下” 可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通 过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上 面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第 二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特 征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明是基于发明人对以下发现提出的：在ITO薄膜溅射中，由于启辉过程中的电压 高造成粒子能量较大，对P型GaN膜层的轰击较大，损伤GaN膜层，导致ITO与GaN层较 高的接触电阻。因此，只要能够降低启辉过程中的电压就可以解决上述技术问题。

发明人发现：在启辉前先不通入工艺气体，同时可通过降低和限制溅射电源的输出电 压，一定时间后再通入工艺气体的启辉方式完成启辉，能够获得更小的启辉电压。因此， 可以避免启辉瞬间粒子能量过高对GaN层的轰击，有效地减小对GaN层的损伤。

下面参照图1-图4详细描述本发明的ITO薄膜溅射工艺方法。

参照图1和图4，该ITO薄膜溅射工艺方法包括以下步骤：

1）在向反应腔内通入工艺气体之前，控制直流溅射电源的输出电压为预定电压，并通 过所述直流溅射电源对靶材施加预定功率（S1）；

2）在预定时间之后向所述反应腔内通入工艺气体，以使所述工艺气体在所述反应腔内 启辉（S2）；和

3）在所述启辉之后，通过所述直流溅射电源对所述靶材施加溅射功率以进行溅射，所 述溅射功率大于等于所述预定功率且小于等于所述直流溅射电源的额定功率（S3）。

具体而言，参照图1和图4所示，本发明的ITO薄膜溅射工艺方法，首先在向反应腔 内通入工艺气体之前，控制直流溅射电源的输出电压为预定电压，例如限制直流溅射电源 （图未示出）的输出电压，使该输出电压例如低于直流溅射电源的额定电压，由于此时无 工艺气体，同时降低了输出电压例如低于额定电压（如300V），因此间接地降低了启辉时 的电压峰值，从而避免启辉瞬间粒子能量过高对GaN层的轰击，有效地减小对GaN层的损 伤。

在预定时间后，即在反应腔内无工艺气体的前提下，保持直流溅射电源向靶材施加预 定功率预定时间后，向反应腔内通入工艺气体（例如氩气Ar）和氧气，以使工艺气体在反 应腔内启辉。可以理解的是，由于在前一步骤中是在反应腔内无工艺气体的情况下，限制 了直流溅射电源的输出电压，因此，启辉过程中瞬时电压峰值大大降低，从而避免启辉瞬 间粒子能量过高对GaN层的轰击，有效的减小对GaN层的损伤。

最后，在启辉之后，直流溅射电源可对靶材施加溅射功率以进行溅射沉积工艺，所述 溅射功率（例如600W）大于等于所述预定功率（例如300W）且小于等于所述溅射电源的额 定功率（例如2000W）。

可以理解的是，由于相对于现有技术，在反应腔内无工艺气体的前提下，控制直流溅 射电源的输出电压为预定电压例如800V（当然也可为300V），同时由直流溅射电源对靶材 施加预定功率例如300W，此时靶材上具有较高的电压例如大约800V，该过程持续预定时间 例如3-6s后，向反应腔内通入工艺气体和氧气即可完成启辉，此时启辉电压例如大约324V 相比现有技术（传统上，起辉时的工艺气体压力为2-5毫托，例如2.8毫托，启辉时输入 电压为800V，启辉瞬间该电压达到1000V）会大大减低，从而避免启辉瞬间粒子能量过高 对GaN层的轰击，有效地减小对GaN层的损伤。

本发明的ITO薄膜溅射工艺方法，适用但不限于LED芯片的制造，采用磁控溅射工艺 将ITO薄膜沉积在GaN层上，在沉积工艺过程中，具体而言，在反应腔内无工艺气体的前 提下，限制直流溅射电源的输出电压，同时通过直流溅射电源施加一定功率，使靶材具有 较高的电压，持续一定时间后再向反应腔内通入工艺气体和氧气完成启辉，启辉瞬间的电 压峰值大大降低，进而大幅度降低溅射出的粒子能量，减小对GaN层的轰击损伤，改善ITO 薄膜与GaN层的接触电阻，降低芯片驱动电压，整体提高芯片的性能。而且，由于不需要 增加新的机构，增加了稳定性，同时方便工艺进行调整，薄膜沉积均匀性提高。

在本发明的一个实施例中，预定功率为300W，也就是说，在上述步骤S1中，在向反应 腔内通入工艺气体之前，通过直流溅射电源对靶材施加300W的功率。在该实施例中，溅射 功率可为650W，也就是说，在上述步骤S3中，在启辉之后通过直流溅射电源对靶材施加 650W的溅射功率以进行溅射沉积工艺。

在本发明的一个实施例中，直流溅射电源的预定电压为800V，启辉过程中的启辉电压 为324V。换言之，在上述步骤S1和S2中，在向反应腔内通入工艺气体之前，控制直流溅 射电源的输出电压为800V，一定时间后通入工艺气体以使工艺气体在反应腔内完成启辉， 启辉电压为324V。

优选地，直流溅射电源的预定电压为300V。由此，在启辉前采用限制直流溅射电源的 输出电压，可以更好地降低启辉电压，从而避免启辉瞬间粒子能量过高对GaN层的轰击， 有效的减小对GaN层的损伤。

在本发明的一个实施例中，预定时间为3-6秒，由此，可以保证工艺气体在反应腔内 顺利启辉。进一步地，在启辉和溅射过程中，反应腔内的工艺气体压力为2-5毫托，优选 为2.8毫托，由此，可以保证工艺气体在反应腔内顺利启辉。

图2示出了本发明一个优选实施例的ITO薄膜溅射工艺方法。具体来讲，在向反应腔 内通入工艺气体之前，直流溅射电源可在800V的额定电压下向靶材施加650W的功率并且 持续3-6秒，然后向反应腔内通入工艺气体例如氩气，在反映腔内的工艺气体压力达到2.8 毫托时，工艺气体可在反应腔内完成启辉。在启辉后，直流溅射电源仍可保持输出650W的 额定功率以进行沉积溅射工艺。

图3示出了本发明另一个优选实施例的ITO薄膜溅射工艺方法。具体来讲，在向反应 腔内通入工艺气体之前，限制直流溅射电源的输出电压，例如300V，并且持续3-6秒，然 后向反应腔内通入工艺气体例如氩气，在反映腔内的工艺气体压力达到2.8毫托时，工艺 气体可在反应腔内完成启辉。在启辉后，直流溅射电源可以650W的溅射功率进行沉积溅射 工艺。

总体而言，根据本发明实施例的ITO薄膜溅射工艺方法，采用启辉前先不通入工艺气 体，对靶材输出功率和电压，等待数秒后再通入工艺气体的启辉方式能够获得更小的启辉 电压，经实际测量，采用本发明的ITO薄膜溅射工艺方法启辉电压大约为传统工艺方法启 辉电压的三分之一，从而大幅度降低溅射出的粒子能量，减小对GaN层的轰击损伤，改善 ITO薄膜与GaN层的接触电阻，降低芯片驱动电压，整体提高芯片的性能。

下面参考图4描述本发明的ITO薄膜溅射设备。

根据本发明一个实施例的ITO薄膜溅射设备，包括反应腔和直流溅射电源。

其中反应腔1包含顶壁11、腔体12、基片支撑部件13和靶材2，靶材2设置于顶壁 11且与设在反应腔1室底部的基片支撑部件13相对。

具体而言，腔体12可为圆筒形腔体，基片支撑部件13例如基台设在腔体12的内底部， 用于支撑基片7。靶材2密封在腔体12的顶部，顶壁11设在靶材2上，顶壁11和靶材2 之间可设有去离子水3。

如图4所示，腔体12外还设有工艺气体源4，用于向腔体12内供入工艺气体例如氩气， 在工艺气体源4与腔体12之间还可设有流量计5，用于检测气体流量。另外，腔体12外 还设有真空泵系统6，真空泵系统6可对腔体12内抽气。可以理解的是，关于基片支撑部 件13、工艺气体源4、真空泵系统6等均已为现有技术，且为本领域的技术人员所熟知， 这里不再详细描述。

直流溅射电源耦接于靶材2，其中在工艺气体源4向反应腔1内通入工艺气体之前， 控制直流溅射电源的输出电压为预定电压，直流溅射电源对靶材2施加预定功率，在预定 时间之后可通过工艺气体源4向反应腔1内通入工艺气体，以使工艺气体在反应腔1内启 辉，以及在启辉之后通过直流溅射电源对靶材2施加溅射功率以进行溅射，所述溅射功率 大于等于所述预定功率且小于等于所述溅射电源的额定功率。

可以理解的是，由于相对于现有技术，在反应腔内无工艺气体的前提下，控制直流溅 射电源的输出电压为预定电压例如800V（当然也可为300V），同时由直流溅射电源对靶材 施加预定功率例如300W，此时靶材上具有较高的电压例如大约800V，该过程持续预定时间 例如3-6s后，向反应腔内通入工艺气体和氧气即可完成启辉，此时启辉电压例如大约324V 相比现有技术（传统上，起辉时的工艺气体压力为2-5毫托，例如2.8毫托，启辉时输入 电压为800V，启辉瞬间该电压达到1000V）会大大减低，从而避免启辉瞬间粒子能量过高 对GaN层的轰击，有效地减小对GaN层的损伤。

根据本发明实施例的ITO薄膜溅射设备，可将ITO薄膜均匀地沉积在GaN层上，采用 无工艺气体的前提下，对靶材2施加预定电压一定时间后再通入工艺气体的启辉方式，从 而大幅度降低溅射出的粒子能量，减小对GaN层的轰击损伤，改善ITO薄膜与GaN层的接 触电阻。而且，由于不需要增加新的机构，增加了ITO薄膜溅射设备的稳定性，同时方便 工艺进行调整，薄膜沉积均匀性提高。

在本发明的一个实施例中，预定功率为300W，也就是说，在向反应腔内通入工艺气体 之前，通过直流溅射电源对靶材施加300W的功率。在该实施例中，溅射功率可为650W， 也就是说，在启辉之后通过直流溅射电源对靶材施加650W的溅射功率以进行溅射沉积工 艺。

在本发明的一个实施例中，直流溅射电源的预定电压为800V，启辉过程中的启辉电压 为324V。换言之，在上述步骤S1和S2中，在向反应腔内通入工艺气体之前，控制直流溅 射电源的输出电压为800V，一定时间后通入工艺气体以使工艺气体在反应腔内完成启辉， 启辉电压为324V。

优选地，直流溅射电源的预定电压为300V。由此，在启辉前采用限制直流溅射电源的 输出电压，可以更好地降低启辉电压，从而避免启辉瞬间粒子能量过高对GaN层的轰击， 有效的减小对GaN层的损伤。

在本发明的一个实施例中，预定时间为3-6秒，由此，可以保证工艺气体在反应腔内 顺利启辉。进一步地，在启辉和溅射过程中，反应腔内的工艺气体压力为2-5毫托，优选 地为2.8毫托，由此，可以保证工艺气体在反应腔内顺利启辉。

例如，在本发明的一个优选实施例中，在向反应腔内通入工艺气体之前，直流溅射电 源可在800V的额定电压下向靶材施加650W的功率并且持续3-6秒，然后可通过工艺气体 源4向反应腔1内通入工艺气体例如氩气，在反映腔内1的工艺气体压力达到2.8毫托时， 工艺气体可在反应腔内1完成启辉。在启辉后，直流溅射电源仍可保持输出650W的额定功 率以进行沉积溅射工艺。

再如，在本发明的另一个优选实施例中，在向反应腔内通入工艺气体之前，限制直流 溅射电源的输出电压，例如300V，并且持续3-6秒，然后向反应腔内通入工艺气体例如氩 气，在反映腔内的工艺气体压力达到2.8毫托时，工艺气体可在反应腔内完成启辉。在启 辉后，直流溅射电源可以650W的溅射功率进行沉积溅射工艺。

需要说明的是，本发明的ITO薄膜溅射设备的其它构成例如磁控管等均已为现有技术， 且为本领域的技术人员所熟知，这里不再详细说明。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具 体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材 料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意 性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点 可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况 下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。