专利名称：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
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，非制冷红外探測器技术飞速发展，其核心技术之一就是电阻热敏材料的选择和性能改进。氧化钒薄膜是ー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吋，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)，且薄膜制备エ艺与集成电路エ艺兼容。目前，大约有70%的非制冷红外探測器使用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)薄膜沉积エ艺窗ロ非常狭窄， 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帯的能量或动量吋，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02+，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。这种方法比较简単，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。本发明的另ー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O)、主源(3)、辅源G)、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)組成，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)分別与第二进气阀门(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 )连接，控制气体流量；所述的反应腔(1)还设有进气ロ(15)，反应腔(1)通过该进气ロ(1 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。进一歩，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( 与第二进气阀门( 相连，通过第二进气阀门( 与第三质量流量计连接。Speedflo 是ー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，在エ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满量程流量的士 1 %的流量精度，如果使用量程为20. Osccm 的MFC，控制精度可以达到士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，控制エ艺腔体氧分压，调节氧分压的气体进气ロ(1 。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ロ(1 的氧气流量，保证氧分压稳定。采用上述进ー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，进而可以保证エ艺的稳定性。一种制备氧化钒薄膜的方法，其具体步骤如下步骤ー调整样品台(14)和靶座⑵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-5I^以下，加热样品台(14)，使样品温度控制在150 250°C。步骤ニ 对晶圆进行离子铣从辅源(4)通入Ar气体，流量在5. Osccm 15. Osccm 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 30人 50A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. Osccm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( 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. Osccm之间，从辅源(4)通入氧气，MFC和Speedflo 多通道的闭环控制系统控制氧气的流量在5. 0 15. Osccm,同时从进气ロ(1 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. Osccm之间；待通入反应气体使腔体压强升至1E-2I^ 4E-2I^，后移开挡板，对晶圆(1 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，结束丄乙ο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CN 102534472 A
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，均勻性变好， 同时提高TCR的数值；增加工艺控制的自由度，使得可以从多个參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測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，减少了エ艺靶材预溅射时间，提高了靶材的使用寿命；
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、进气ロ
具体实施例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。非均勻 fc计算方法lsigma/mean。TCR计算公式半导体电阻与温度的关系可以用Meinhart-Hart方程表示 1- = C1 + C2 · LnR(T)Cl和C2是与温度无关的Meinhart-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Meinhart-Hart方程，电阻的温度系数可以根据如下公式计算
剛—ザ=-“实施案例1 步骤ー调整样品台(14)和靶座O)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lE-5Pa，加热样品台(14)，使样品温度控制在200°C。步骤ニ 对晶圆进行离子铣从辅源⑷通入Ar气体，使用MFC控制Ar气体的流量在lO.Osccm，施加IOOV的电压，使Ar气体离子化，用离子铣掉40A的表面层。步骤三靶材预溅射从主源C3)通入Ar气体，使用MFC控制Ar气体的流量在 15. Osccm，_ 1000V的电压将Ar气体离化成Ar+离子，对金属钒靶靶座( 进行;Min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-Osccm，从辅源(4)通入氧气，使用MFC和Speedflo 多通道的闭环控制系统控制氧气的流量在12. Osccm,同时从进气ロ(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. Osccm;使反应腔(1)压强升至2E-2I^;然后移开挡板，对晶圆(1 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， ロ束丄乙。沉积薄膜的方块电阻的非均勻性为1. 8% (1 sigma/mean)，TCR为-2. 8% (20°C )， 膜厚非均勻性为1. 5% (1 sigma/mean)。实施案例2 步骤ー调整样品台(14)和靶座O)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 lE-6Pa以下，加热样品台(14)，使样品温度控制在250°C。步骤ニ 对晶圆进行离子铣从辅源⑷通入Ar气体，使用MFC控制Ar气体的流量在5. Osccm,施加50V的电压，使Ar气体离子化，用离子铣掉30A的表面层。步骤三靶材预溅射从主源C3)通入Ar气体，使用MFC控制Ar气体的流量在 10. Osccm，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⑵ 进行；Bmin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. Osccm，从辅源(4)通入氧气，使用MFC和Speedflo 多通道的闭环控制系统控制氧气的流量在5. Osccm，同时从进气ロ(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-2I^ ；然后移开挡板，对晶圆(1 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 ェ艺。沉积薄膜的方块电阻的非均勻性为1. 5% (1 sigma/mean)，TCR为-2. 7% (20°C )， 膜厚非均勻性为1. 3% (1 sigma/mean)。实施案例3 步骤ー调整样品台(14)和靶座O)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 lE-6Pa，加热样品台(14)，使样品温度控制在150°C。步骤ニ 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. Osccm,施加200V的电压，使Ar气体离子化，用离子铣掉50A的表面层。步骤三靶材预溅射从主源C3)通入Ar气体，使用MFC控制Ar气体的流量在 20. Osccm,加上800V的电压将Ar气体离化成Ar+离子，对金属钒靶靶座( 进行!Bmin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. Osccm，从辅源(4)通入氧气，使用MFC和Speedflo 多通道的闭环控制系统控制氧气的流量在15. Osccm,同时从进气ロ(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. Osccm ；使腔体压强升至4E-2I^ ；然后移开挡板，对晶圆(1 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，结束エ 艺。沉积薄膜的方块电阻的非均勻性为2. 0% (1 sigma/mean)，TCR为-2. 7% (20°C )， 膜厚非均勻性1. 8% (1 sigma/mean)。上述三个实施案例，沉积的VOx薄膜方块电阻均勻型，膜厚非均勻性，重复性都小于3% (1 sigma/mean)，TCR绝对值都大于2. 0% (20°C )，沉积的VOx薄膜可用于非制冷红外探測器生产。 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。
权利要求
1.一种双离子束反应溅射沉积设备，主要包括反应腔、辅源、主源、进气阀门，其特征在干，所述的辅源(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连接；所述的反应腔(1)还设有进气ロ( 15)，反应腔(1)通过该进气ロ(15)与第二质量流量计相连，第二质量流量计与RGA反馈控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的双离子束反应溅射沉积设备，其特征在干，所述的辅源(4)通过第一进气阀门(6)与第一质量流量计连接。
3.根据权利要求1所述的双离子束反应溅射沉积设备，其特征在干，所述的主源(3)通过第二进气阀门(5)与第三质量流量计连接。
4.一种制备氧化钒薄膜的方法，具体步骤如下步骤一调整双离子束反应溅射沉积设备的样品台(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，并加热样品台(14)；步骤ニ 对晶圆进行离子铣从辅源(4)通入Ar气体，施加离子电压，使Ar气体离子化，用离子束对圆片进行离子铣，离子铣结束后停止通入Ar气体；步骤三靶预溅射离子铣结束后，从主源(3)通入Ar气体，待气体流量稳定后，施加电压，将Ar气体离化成Ar+离子，对金属钒靶靶座(2)进行预溅射；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，从辅源(4)通入反应氧气，同时从进气ロ(15)通入辅助氧气，反应腔(1)气压升高，而后对晶圆(13)进行 VOx薄膜的离子束反应溅射沉积，待薄膜厚度达到预设目标后，结束溅射沉积。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在干，在步骤一中所述加热样品台指温度控制在 150 250°C。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在干，步骤三和步骤四中所述从主源(3)通入Ar 气体的流量在10. 0 20. Osccm之间。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在干，步骤四中所述的反应腔(1)气压升高到 lE-2Pa 4E-2Pa。
8.根据权利要求4至7任一项所述的方法，其特征在干，在步骤ニ中所述的对晶圆进行离子铣，铣掉晶圆表面层厚度为30 A 50A.。
9.根据权利要求4至7任一项所述的方法，其特征在干，步骤三所述施加800V 1200V 电压使Ar气体离化成Ar+离子。
10.根据权利要求4至7任一项所述的方法，其特征在干，步骤四所述从辅源(4)通入的02，流量为5. 0 15. Osccm，从进气ロ(15)通入的氧气，流量在0. 2 5. Osccm之间。
全文摘要
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。
文档编号C23C14/34GK102534472SQ20121000600
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者孙瑞山, 杨水长, 王宏臣, 甘先锋 申请人:烟台睿创微纳技术有限公司