一种双离子束反应溅射沉积设备和制备氧化钒薄膜的方法

摘要

本发明涉及一种改进的双离子束反应溅射沉积设备，该设备添加了多通道的闭环控制系统和RGA反馈控制装置，提高了反应气体的流量控制精度，并稳定了反应气体氧的分压，保证沉积氧化钒(VOx)薄膜方块电阻、厚度和TCR等参数的稳定性和重复性；另外，氧气从腔室的辅源通入，消除了靶材与氧反应造成“靶中毒”的风险，提高了靶的使用寿命和设备的利用率。以及应用此设备制备氧化钒薄膜的方法，其方法为：首先对衬底圆片进行离子铣；其次使用改进的双离子束反应溅射沉积的方法制备氧化钒薄膜。

说明书

技术领域

本发明涉及电子材料技术领域，尤其涉及一种改进的双离子束反 应溅射设备以及应用此设备制备氧化钒薄膜的方法。

背景技术

自从发现氧化钒具有高的电阻温度特性以来，人们对氧化钒薄膜 的研究就从未停止过。尤其近二十年来，非制冷红外探测器技术飞速 发展，其核心技术之一就是电阻热敏材料的选择和性能改进。氧化钒 薄膜是一种优良的电子功能材料，具有良好的热敏特性，在红外探测 和热成像领域有广阔的应用。当受到外界红外辐射照射时，吸收层和 介质层吸收红外辐射，导致氧化钒热敏材料的温度发生改变，从而导 致氧化钒热敏材料的电阻发生变化。由此可以把外界的红外辐射信号 转换为电信号，应用于红外探测和热成像。氧化钒(VOx)薄膜由于 其具有高的电阻温度系数(TCR，Temperature Coefficient of  Resistance)，且薄膜制备工艺与集成电路工艺兼容。目前，大约有70％ 的非制冷红外探测器使用VOx薄膜作为热敏材料。

随着微型测辐射热计在军事和民用领域的广泛应用，对VOx薄 膜质量的要求也越来越高。不仅要具有高的TCR，还要具有合适的 方块电阻，致密的微观相结构，稳定的加工重复性和平滑的电阻温度 特性曲线。但由于钒呈现多种稳定的化学价态，其氧化物在自然界中 有多达13种不同的相结构，半导体性质的氧化钒(VOx)薄膜沉积 工艺窗口非常狭窄，薄膜性质很容易在金属-半导体-绝缘介质之间变 化。因此要制备具有重复性高，稳定性好，满足一定TCR的氧化钒 薄膜就变得非常的困难。离子束溅射沉积技术(IBSD，Ion Beam  Sputter Deposition)是制备高品质薄膜的常用方法，其相对于传统的 磁控溅射技术来说，具有一定的优势。轰击靶材表面的离子在转移自 身携带的能量或动量时，引起靶表面层原子的级联碰撞，使靶原子脱 离表面形成溅射原子。如果在溅射原子通量内设置衬底，则携带一定 能量的溅射原子沉积于衬底表面，随着溅射与沉积过程的持续，沉积 原子在衬底表面经过成核及晶粒生长，以岛状方式、层状方式或无序 原子堆等方式形成和生长成薄膜。

现有的技术大都使用单离子源溅射，钒靶作为溅射靶材，轰击气 体Ar和反应气体O₂通过离子源离化成Ar+和O₂+，通过加速栅加速 后轰击金属钒靶，并在金属钒靶的表面反应生成VOx，VOx再被溅 射到衬底上，形成离子束反应溅射沉积。这种方法比较简单，但沉积 的薄膜致密度较低，不容易控制，重复性和稳定差。更容易造成金属 钒靶材的过度氧化，发生“靶中毒”现象。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足提供一种改进的双离子束反应溅 射设备。

本发明的另一目的是提供了一种制备氧化钒薄膜的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种改进的双离子束 反应溅射设备(如图1)，主要包括反应腔(1)、靶座(2)、主源 (3)、辅源(4)、第二进气阀门(5)、分子泵(9)、晶圆(13)、 干泵(11)、样品台(14)第一进气阀门(6)等设备；其中反应腔 (1)内部主要由主源(3)、辅源(4)、样品台(14)、晶圆(13)、 靶座(2)组成，反应腔(1)外接的干泵(11)、分子泵(9)用于 抽真空；晶圆(13)固定在样品台(14)上，主源(3)、辅源(4) 分别与第二进气阀门(5)、第一进气阀门(6)连接，用于气体的进 入；其中所述辅源(4)与第一质量流量计连接，通过第一质量流量 计与多通道的闭环控制系统(如Speedflo^TM)连接，控制气体流量； 所述的反应腔(1)还设有进气口(15)，反应腔(1)通过该进气口 (15)与第二质量流量计相连，第二质量流量计与RGA(Residual Gas  Analyser)反馈控制系统连接。

进一步，所述辅源(4)与第一进气阀门(6)相连，通过第一进 气阀门(6)与第一质量流量计连接；主源(3)与第二进气阀门(5) 相连，通过第二进气阀门(5)与第三质量流量计连接。

Speedflo^TM是一种多通道的闭环控制系统，通常在反应溅射中用 于快速调节反应气体的流量。这种系统使用先进的数字化控制方式， 相对于传统的模拟PID控制来说更加适合于质量流量计(MFC：Mass  Flow Controller)的精确性控制要求。该系统在PC网络和监控程序的 控制下工作，在工艺腔的一侧安装有独立的控制器，系统的控制算法 嵌入该控制器内，可以快速精确控制MFC满量程流量的±1％的流量 精度，如果使用量程为20.0sccm的MFC，控制精度可以达到±0.2sccm， 从而保证辅源反应气体流量波动的快速稳定。

通过RGA(Residual Gas Analyser)反馈控制系统装置，控制工 艺腔体氧分压，调节氧分压的气体进气口(15)。RGA监控氧分压， 当监控的气体分压发生波动时，通过闭环反馈控制系统自动调节进气 口(15)的氧气流量，保证氧分压稳定。

采用上述进一步方案的有益效果是使反应气体流量波动快速稳 定，从而使气体分压更加稳定，进而可以保证工艺的稳定性。

一种制备氧化钒薄膜的方法，其具体步骤如下：

步骤一：调整样品台(14)和靶座(2)的角度，使晶圆(13) 位于溅射钒原子或钒离子通道的正对面上，对反应腔(1)抽真空， 使真空度达到1E-5Pa以下，加热样品台(14)，使样品温度控制在 150～250℃。

步骤二：对晶圆进行离子铣：从辅源(4)通入Ar气体，流量 在5.0sccm～15.0sccm的范围之间，施加50～200V的离子电压，使 Ar气体离子化，进行晶圆表面的离子铣，铣掉的表面层。

步骤三：靶材预溅射：从主源(3)通入Ar气体，使用MFC控 制Ar气体的流量在10.0～20.0sccm之间，使用800～1200V的电压 将Ar气体离化成Ar+离子，对金属钒靶靶座(2)进行预溅射；预溅 射前使用挡板遮挡住晶圆。

步骤四：制备氧化钒薄膜：预溅射结束后，从主源(3)继续通 入Ar气体，使用MFC控制Ar气体的流量在10.0～20.0sccm之间， 从辅源(4)通入氧气，MFC和Speedflo^TM多通道的闭环控制系统控 制氧气的流量在5.0～15.0sccm，同时从进气口(15)通入辅助氧气， 使用质量流量计与RGA反馈控制系统同时控制其流量在0.2～5.0sccm 之间；待通入反应气体使腔体压强升至1E-2Pa～4E-2Pa，后移开挡板， 对晶圆(13)进行VOx薄膜的双离子束反应溅射沉积，同时装载晶 圆的转盘以20转/分进行转动，待薄膜厚度达到预设目标后，结束工 艺。

采用上述方案的有益效果是：改善了氧化钒薄膜沉积质量，增强 了氧化钒薄膜在晶圆表面上的附着力，减少了杂质对薄膜的污染；提 高了薄膜沉积的重复性和稳定性，使沉积的氧化钒薄膜组分可控，沉 积的氧化钒薄膜电阻率、厚度、TCR的重复性高，均匀性变好，同 时提高TCR的数值；增加工艺控制的自由度，使得可以从多个参数 去改善沉积的质量；能够使沉积的氧化钒薄膜用于非制冷红外探测器 和其他光学器件的生产制造。同时在一定程度上保护靶材，防止“靶 中毒”现象，减少了工艺靶材预溅射时间，提高了靶材的使用寿命；

附图说明

图1为双离子束反应溅射沉积设备腔体结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、反应腔，2、靶座，安装有金属钒靶，3、主源，4、辅源，5、 第二进气阀门，6、第一进气阀门，7、排气阀，8、高阀，9、分子 泵，10、级阀门，11、干泵，12、干泵阀门，13、晶圆，14、样品台， 15、进气口

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于 解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

测试方法说明：方块电阻使用4探针进行测试，25点/片，边缘 5mm排除。非均匀性计算方法：1sigma/mean。

TCR计算公式：半导体电阻与温度的关系可以用Steinhart-Hart 方程表示：

$\frac{1}{2}=C_1+C_2·\mathrm{LnR}\left(T\right)$

C1和C2是与温度无关的Steinhart-Hart系数，因此LnR(T)与1/T 是线性关系，斜率为1/C2。

根据上述的Steinhart-Hart方程，电阻的温度系数可以根据如下 公式计算：

$\mathrm{TCR}\left(T\right)=\frac{d\left[\mathrm{LnR}\left(T\right)\right]}{\mathrm{dT}}=-\frac{1}{C_2}·\frac{1}{T^2}$

实施案例1：

步骤一：调整样品台(14)和靶座(2)的角度，靶座角度为27 °，使晶圆(13)位于溅射钒原子或钒离子通道的正对面上，对反应 腔(1)抽真空，使本底真空达到1E-5Pa，加热样品台(14)，使样 品温度控制在200℃。

步骤二：对晶圆进行离子铣：从辅源(4)通入Ar气体，使用 MFC控制Ar气体的流量在10.0sccm，施加100V的电压，使Ar气 体离子化，用离子铣掉的表面层。

步骤三：靶材预溅射：从主源(3)通入Ar气体，使用MFC控 制Ar气体的流量在15.0sccm，加1000V的电压将Ar气体离化成Ar+ 离子，对金属钒靶靶座(2)进行3min的预溅射；预溅射前需要开启 晶圆(13)前的挡板，遮挡住晶圆。

步骤四：制备氧化钒薄膜：预溅射结束后，从主源(3)通入Ar 气体流量仍为15.0sccm，从辅源(4)通入氧气，使用MFC和Speedflo^TM多通道的闭环控制系统控制氧气的流量在12.0sccm，同时从进气口 (15)通入辅助氧气，使用MFC与RGA反馈控制系统控制其流量 在3.0sccm；使反应腔(1)压强升至2E-2Pa；然后移开挡板，对晶 圆(13)进行VOx薄膜的双离子束反应溅射沉积，同时装载晶圆的 转盘以20转/分进行转动，沉积时间为20min，结束工艺。

沉积薄膜的方块电阻的非均匀性为1.8％(1sigma/mean)，TCR为 -2.8％(20℃)，膜厚非均匀性为1.5％(1sigma/mean)。

实施案例2：

步骤一：调整样品台(14)和靶座(2)的角度，靶座角度为27 °，使晶圆(13)位于溅射钒原子或钒离子通道的正对面的切向面上， 对反应腔(1)抽真空，使本底真空达到1E-6Pa以下，加热样品台(14)， 使样品温度控制在250℃。

步骤二：对晶圆进行离子铣：从辅源(4)通入Ar气体，使用 MFC控制Ar气体的流量在5.0sccm，施加50V的电压，使Ar气体 离子化，用离子铣掉的表面层。

步骤三：靶材预溅射：从主源(3)通入Ar气体，使用MFC控 制Ar气体的流量在10.0sccm，待气体稳定后施加1200V的电压将 Ar气体离化成Ar+离子，对金属钒靶靶座(2)进行3min的预溅射； 预溅射前需要开启晶圆(13)前的挡板，遮挡住晶圆。

步骤四：制备氧化钒薄膜：预溅射结束后，从主源(3)通入Ar 气体流量仍为10.0sccm，从辅源(4)通入氧气，使用MFC和Speedflo^TM多通道的闭环控制系统控制氧气的流量在5.0sccm，同时从进气口 (15)通入辅助氧气，MFC与RGA反馈控制系统控制其流量在 0.2sccm；使反应腔(1)压强升高至1E-2Pa；然后移开挡板，对晶圆 (13)进行VOx薄膜的双离子束反应溅射沉积，同时装载晶圆的转 盘以20转/分进行转动，沉积时间为20min，结束工艺。

沉积薄膜的方块电阻的非均匀性为1.5％(1sigma/mean)，TCR为 -2.7％(20℃)，膜厚非均匀性为1.3％(1sigma/mean)。

实施案例3：

步骤一：调整样品台(14)和靶座(2)的角度，靶座角度为27 °，使晶圆(13)位于溅射钒原子或钒离子通道的正对面的切向面上， 对反应腔(1)抽真空，使本底真空达到1E-6Pa，加热样品台(14)， 使样品温度控制在150℃。

步骤二：对晶圆进行离子铣：从辅源(4)通入Ar气体，使用 MFC控制Ar气体的流量在15.0sccm，施加200V的电压，使Ar气 体离子化，用离子铣掉的表面层。

步骤三：靶材预溅射：从主源(3)通入Ar气体，使用MFC控 制Ar气体的流量在20.0sccm，加上800V的电压将Ar气体离化成 Ar+离子，对金属钒靶靶座(2)进行3min的预溅射；预溅射前需要 开启晶圆13前的挡板，遮挡住晶圆。

步骤四：制备氧化钒薄膜：预溅射结束后，从主源(3)通入Ar 气体流量仍为20.0sccm，从辅源(4)通入氧气，使用MFC和Speedflo^TM多通道的闭环控制系统控制氧气的流量在15.0sccm，同时从进气口 (15)通入辅助氧气，使用MFC与RGA反馈控制系统控制其流量 在5.0sccm；使腔体压强升至4E-2Pa；然后移开挡板，对晶圆(13) 进行VOx薄膜的双离子束反应溅射沉积，同时装载晶圆的转盘以20 转/分进行转动，沉积时间为22min，结束工艺。

沉积薄膜的方块电阻的非均匀性为2.0％(1sigma/mean)，TCR为 -2.7％(20℃)，膜厚非均匀性1.8％(1sigma/mean)。

上述三个实施案例，沉积的VOx薄膜方块电阻均匀型，膜厚非 均匀性，重复性都小于3％(1sigma/mean)，TCR绝对值都大于2.0％ (20℃)，沉积的VOx薄膜可用于非制冷红外探测器生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。