一种在大面积衬底上磁控溅射制备薄膜的方法技术

本发明专利技术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％。本发明专利技术使用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，本发明专利技术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；本发明专利技术整体结构简单，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。

【技术实现步骤摘要】
一种在大面积衬底上磁控溅射制备薄膜的方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术所述“大面积衬底”为6英寸衬底。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术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)。本专利技术使用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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术对于靶材的材质不做限定，任何材质的靶材皆可应用于本专利技术，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。本专利技术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。本专利技术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。对于本专利技术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，本专利技术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。本专利技术所述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、5m本文档来自技高网...

【技术保护点】
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％。/n

【技术特征摘要】
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％。


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；
优选地，所述衬底相对靶材为非同轴旋转。


3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述靶材和衬底的距离为6.5～16.5cm。


4.如权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述衬底的转速为1～30转/min。


5.如权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述靶材相对衬底的夹角范围为60～90°。


6.如权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，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。


7.如权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，所述磁控溅射沉积设备腔体的工作温度为RT～800℃；
优选地，所述磁控溅射沉积设备腔体的工作压力为0.5～10mtorr；
优选地，所述磁控溅射沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志伟，褚卫国，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11