一種氧化矽膜材料及其製備方法

2023-05-28 07:43:26

一種氧化矽膜材料及其製備方法
【專利摘要】本發明提供了一種氧化矽膜材料及其製備方法：將襯底置於高密度等離子體增強化學氣相沉積設備腔體中，通入O2氣體和SiH4氣體作為反應氣體，通入氬氣作為載體和保護氣體，進行氣相沉積，獲得氧化矽膜材料；其中，控制高密度等離子體增強化學氣相沉積設備腔體的工作溫度為200～260℃，工作壓力為1～3Pa，功率為120～200W；其中，所述氣相沉積的時間為4～6min；所述SiH4氣體與O2氣體的體積比為8～12，所述SiH4氣體與氬氣的體積比為0.5～2。本發明在四英寸矽基體上製備得到的氧化矽膜材料的厚度為101-102nm，薄膜不均勻性低於0.5％。
【專利說明】一種氧化矽膜材料及其製備方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於光學、半導體和微電子器件【技術領域】，具體涉及一種超薄氧化矽膜材 料，所述膜材料具有良好的均勻性，厚度約為l〇〇nm，其具有良好的絕緣性、穩定性和機械特 性，可以作為絕緣層、保護膜或光學膜，廣泛應用於半導體、微波、光電子以及光學器件等領 域。

【背景技術】
[0002] 薄膜是一種特殊的物質形態，由於其在厚度這一特定方向上尺寸很小，只是微觀 可測的量，而且在厚度方向上由於表面、界面的存在，使物質連續性發生中斷，由此使得薄 膜材料產生了與塊狀材料不同的獨特性能。
[0003] 光學薄膜是由薄的分層介質構成的，通過界面傳播光束的一類光學介質材料，廣 泛用於光學和光電子【技術領域】，製造各種光學儀器。光學薄膜技術在理論、設計、計算和工 藝方面已形成了完整的體系，一些新型微觀結構的功能薄膜被不斷開發出來，這些功能薄 膜的相繼出現，使得光學薄膜技術廣泛地滲透到各個新興的科學研究領域中。氧化矽薄膜 是一種重要的精細陶瓷薄膜材料，具有良好的絕緣性能、光學性能、鈍化性能、穩定性和機 械性能，在微電子、光電和材料表面改性等領域有著廣泛的應用前景。
[0004] 隨著薄膜的應用越來越廣泛，薄膜的製備技術也逐漸成為高科技產品加工技術中 的重要手段。薄膜的製備方法很多，如氣相生長法、液相生長法（或氣、液相外延法）、氧化 法、擴散與塗布法、電鍍法等等，而每一種制膜方法中又可分為若干種方法。等離子體化學 氣相沉積（PECVD)法由於其靈活性、沉積溫度低，重複性好的特點，提供了在不同基體上制 備各種薄膜的可能性，成為製備氧化矽薄膜最常用的方法之一。
[0005] 薄膜的均勻性是薄膜製備過程中首先需要解決的關鍵問題和挑戰。薄膜厚度的不 均勻性，反映了待鍍基片上所沉積的薄膜厚度依基片在真空室裡所處位置的變化而變化的 情況。膜厚不均勻性包括兩個方面：①在同一組鍍制過程中處於不同基片位置沉積的薄膜 有近似的膜厚分布；②獲得的每片薄膜只存在一定範圍內的膜厚誤差分布。膜厚不均勻性 的方面①保證了產業化的鍍膜效率，方面②保證了每個成品的性能。因此，膜厚不均勻性是 衡量鍍膜裝置性能和薄膜質量的一項重要指標，直接影響到鍍膜器件的可靠性、穩定性，以 及產品的一致性。對光學、光電等器件生產的成品率影響很大。
[0006] 因此，本領域需要尋求一種具有良好均勻性的百納米氧化矽膜材料。


【發明內容】

[0007] 為了克服現有技術中氧化矽薄膜不均勻性較大的缺陷，本發明的目的之一在於提 供了一種氧化矽膜材料，所述氧化矽膜材料的厚度為101-102nm ;且在四英寸基底範圍內， 薄膜不均勻性低於0.5% ;
[0008] 其中，所述不均勻性的計算方法為：薄膜不均勻性=(最大值-最小值V(平均 值X 2) X 100%，四英寸基底範圍內，所測不同點數不少於17個。
[0009] 其中，所述最大值為氮化矽膜材料測試點厚度的最大值；最小值為氮化矽膜材料 測試點厚度的最小值；平均值為氮化矽膜材料測試點厚度的平均值，計算公式為：平均值 =測試點厚度之和/測試點個數。
[0010] 優選地，所述氧化矽膜材料的組分為SiOx，其中1彡X彡2。
[0011] 本發明提供的氧化矽膜材料的薄膜不均勻性低於〇. 5%。
[0012] 本發明的目的之二在於提供了一種目的之一所述的氧化矽膜材料的製備方法，所 述方法為：
[0013] 將襯底置於高密度等離子體增強化學氣相沉積設備腔體中，通入〇2氣體和SiH 4氣 體作為反應氣體，通入氬氣作為載體和保護氣體，進行氣相沉積，獲得氧化矽膜材料；
[0014] 其中，控制高密度等離子體增強化學氣相沉積設備腔體的工作溫度為200? 260°C，工作壓力為1?3Pa，功率為120?200W ;
[0015] 其中，所述氣相沉積的時間為4?6min ;所述SiH4氣體與02氣體的體積比為8? 12, SiH4氣體與氬氣的體積比為0. 5?2。
[0016] 對於採用高密度等離子體增強化學氣相沉積設備製備氧化矽膜材料的方法，操作 條件較多，包括溫度、壓力、功率、時間、通入氣體比例等，且相互之間有著密切的相互關係， 不是獨立的單一變量，因此如何尋找一個合適的操作條件，對於本領域技術人員來講是具 有一定難度的。
[0017] 採用高密度等離子體增強化學氣相沉積設備製備氧化矽膜材料的操作條件中，通 過將高密度等離子體增強化學氣相沉積設備腔體的工作溫度設置在200?260°C，工作壓 力設置在1?3Pa，功率設置為120?200W ;且控制氣相沉積的時間為4?6min ;控制通入 的SiH4氣體與02氣體的體積比為8?12,控制通入的SiH 4氣體與氬氣的體積比為0. 5? 2,實現了控制厚度為100nm左右的氧化矽膜材料薄膜不均勻性低於0. 5%的目的。
[0018] 本發明所述的採用高密度等離子體增強化學氣相沉積設備製備氧化矽膜材料 的操作條件中，所限定的數值包括任何在所述範圍內的數值，例如，高密度等離子體增強 化學氣相沉積設備腔體的工作溫度可以為200°c、217°C、228°C、259°C等，工作壓力可以 為 1. 2Pa、l. 8Pa、2. 0Pa、2. 3Pa、2. 7Pa、2. 9Pa 等，功率可以為 120W、159W、163W、175W、187W、 193W、198W 等，氣相沉積的時間可以為 4min、4. 2min、4. 8min、5min、5. 5min、6min 等，通入的 SiH4氣體與02氣體的體積比可以為8. 4、10、11. 8、12等。
[0019] 本發明所述襯底為P型摻雜單晶矽、N型摻雜單晶矽或金屬中的任意1種；或在上 述襯底上製備一層均勻的金屬或非金屬薄膜作為該實驗的襯底。
[0020] 優選地，所述P型摻雜單晶矽或N型摻雜單晶矽襯底進行如下預處理：用HF酸浸 泡後用去離子水清洗，然後乾燥；
[0021] 優選地，所述冊酸的質量濃度為2?10%，例如3%、5%、7%、8.3%、9%等，進一 步優選為5% ;
[0022] 優選地，所述用HF酸浸泡的時間為0. 5?lOmin，例如lmin、1. 4min、3min、5min、 7min、8. 4min、9min、等，進一步優選為 3min〇
[0023] 優選地，所述金屬襯底進行如下預處理：用丙酮和異丙醇酸分別超聲清洗，然後幹 燥；所述超聲時間優選為5min。
[0024] 作為最優選，本發明所述氧化矽膜材料的製備方法中，控制高密度等離子體增強 化學氣相沉積設備腔體的工作溫度為230°C，工作壓力為2Pa，功率為171W ;所述氣相沉積 的時間為4?6min ;所述SiH4氣體與02氣體的體積比為10, SiH4氣體與氬氣的體積比為 1. 0。
[0025] 作為優選技術方案，本發明所述均勻性良好的厚度在100nm左右的氧化矽膜材料 製備方法包括如下步驟：
[0026] (1)將襯底置於高密度等離子體增強化學氣相沉積設備腔體中，抽真空使背底真 空度為1X 1〇_4?1X l〇_6Pa，加熱襯底到200?260°C ;
[0027] (2)按1: (8?12)的體積比通入02氣體和SiH4作為反應氣體，通入氬氣作為載氣 和保護氣體，調整工作氣壓為1?3Pa，功率為120?200W，進行化學氣相沉積4?6min ;
[0028] (3)在保護性氣體的氣氛下，降至室溫，得到權利要求1或2所述的氧化矽膜材料。
[0029] 優選地，步驟3)所述的保護性氣體為惰性氣體；所述惰性氣體優選氬氣。
[0030] 本發明的目的之三在於提供了目的之一所述的氧化矽膜材料的用途，所述氧化矽 膜材料作為絕緣層、保護膜或光學膜，應用於半導體、微波、光電子以及光學器件等領域。
[0031] 與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
[0032] (1)本發明提供的氧化矽膜材料的厚度在lOOnm左右，且具有良好的均勻性，在四 英寸基底範圍內，薄膜不均勻性低於〇. 5% ;其較現有磁控濺射法和電子束蒸鍍法得到的氧 化娃I旲材料的均勻性有明顯提商；
[0033] (2)本發明使用的襯底採用P(或N)型摻雜單晶矽、金屬或上述襯底上製備一層金 屬或非金屬薄膜，可以在不同材料界面製備具有良好均勻性的，厚度為lOOnm左右的氧化 矽膜材料；
[0034] (3)本發明提供的具有良好均勻性百納米的矽化合物薄膜材料製備工藝簡單易 行，具有極大的應用潛力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035] 圖1為本發明實施例1性能表徵測試點厚度的分布圖。

【具體實施方式】
[0036] 為便於理解本發明，本發明列舉實施例如下。本領域技術人員應該明了，所述實施 例僅僅是幫助理解本發明，不應視為對本發明的具體限制。
[0037] 實施例1
[0038] -種氧化矽膜材料，通過如下方法製備得到：
[0039] (1)以拋光的P型（100)摻雜單晶矽做襯底，並進行如下預處理：首先將所述襯底 用5wt%的HF酸浸泡3min，再用去離子水清洗，最後乾燥其表面；
[0040] (2)將步驟（1)獲得的預處理後的襯底放入高密度等離子體增強化學氣相沉積設 備腔體中，並將沉積室抽真空，使背底真空度在lXl(T 5Pa左右，並加熱襯底到230°C ;
[0041] (3)以純度均大於99.99%的5迅氣、02氣和41^氣為氣源；其中，3迅氣、0 2氣 為反應氣體，Ar2氣為載氣和保護氣，供給的Ar2氣、0 2氣和SiH4氣流量分別為：125. 6SCCm、 12. 9sCCm、129. 8SCCm ;控制沉積室的工作氣壓為2Pa，功率為171W，進行化學氣相沉積 5. 5min ；
[0042] (4)在八1"2氣氣氛下，降溫至室溫，獲得均勻性良好的，厚度為lOOnm左右的510 2膜 材料；
[0043] 性能表徵：
[0044] 將獲得的Si02膜材料進行光譜橢偏儀（設備型號為SE850)測試，測試條件為：室 溫，200?930nm波長範圍掃描，選取17個測試點，所述17個測試點的分布為1個中心點， 8個半徑為r的圓周點，8個半徑為2r的圓周點，所述圓周點均勻分布於所在圓周上，其中， r的取值小於基片的最短邊長的1/4(圖1為測試點的示意圖）；測試結果如圖1所示；通過 計算其不均勻性為0.407%。
[0045] 實施例2
[0046] -種氧化矽膜材料，通過如下方法製備得到：
[0047] (1)在拋光的P型（100)摻雜單晶矽片上製備200nm厚的Ti膜，並以此做為襯底， 並進行如下預處理：首先用丙酮和異丙醇各超聲5min，再用去離子水清洗，最後乾燥其表 面；
[0048] (2)將步驟（1)獲得的預處理後的襯底放入高密度等離子體增強化學氣相沉積設 備腔體中，並將沉積室抽真空，使背底真空度在1 X l(T5Pa左右，並加熱襯底到50°C ;
[0049] (3)以純度均大於99. 99%的SiH4氣、02氣和Ar2氣為氣源；其中，SiH4氣、0 2氣 為反應氣體，Ar2氣為載氣和保護氣，供給的Ar2氣、0 2氣和SiH4氣流量分別為：135. 6SCCm、 12. 9sccm、149. 8sccm ;控制沉積室的工作氣壓為2Pa，功率為126W，進行化學氣相沉積 6min ；
[0050] (4)在八1"2氣氣氛下，降溫至室溫，獲得均勻性良好的，厚度為lOOnm左右的的Si 304 膜材料；
[0051] 將獲得的Si304膜材料進行光譜橢偏儀（設備型號為SE850)測試，測試方法與實 施例1的性能表徵方法相同；過計算其不均勻性為0. 42%。
[0052] 實施例3
[0053] -種氧化矽膜材料，通過如下方法製備得到：
[0054] (1)以拋光的藍寶石做襯底，並進行如下預處理：首先將所述襯底用丙酮和異丙 醇各超聲5min，再用去離子水清洗，最後乾燥其表面；
[0055] (2)將步驟（1)獲得的預處理後的襯底放入高密度等離子體增強化學氣相沉積設 備腔體中，並將沉積室抽真空，使背底真空度在lXl(T 6Pa左右，並加熱襯底到260°C ;
[0056] (3)以純度均大於99. 99%的SiH4氣、02氣和Ar2氣為氣源；其中，SiH4氣、0 2氣 為反應氣體，Ar2氣為載氣和保護氣，供給的Ar2氣、0 2氣和SiH4氣流量分別為：125. 6SCCm、 15. 8sccm、129. 8sccm ;控制沉積室的工作氣壓為2. 5Pa，功率為155W，進行化學氣相沉積 5min，獲得一層厚度為lOOnm左右的的SiO薄膜；
[0057] (4)在八1"2氣氣氛下，降溫至室溫，獲得均勻性良好的，厚度為100nm左右的SiO膜 材料；
[0058] 將獲得的SiO膜材料進行光譜橢偏儀（設備型號為SE850)測試，測試方法與實施 例1的性能表徵方法相同；通過計算其不均勻性為〇. 48%。
[0059] 申請人:聲明，本發明通過上述實施例來說明本發明的詳細方法，但本發明並不局 限於上述詳細方法，即不意味著本發明必須依賴上述詳細方法才能實施。所屬【技術領域】的 技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的 添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護範圍和公開範圍之內。
【權利要求】
1. 一種氧化矽膜材料，其特徵在於，所述氧化矽膜材料的厚度為101-102nm;且在四英 寸基底範圍內，薄膜不均勻性低於0.5% ; 其中，所述不均勻性的計算方法為：薄膜不均勻性=(最大值-最小值V(平均 值X 2) X 100%，四英寸基底範圍內，所測不同點數不少於17個。
2. 如權利要求1所述的氧化矽膜材料，其特徵在於，所述氧化矽膜材料的組分為SiOx， 其中1彡X彡2。
3. -種如權利要求1或2所述的氧化矽膜材料的製備方法，其特徵在於，所述方法為： 將襯底置於高密度等離子體增強化學氣相沉積設備腔體中，通入〇2氣體和SiH4氣體作 為反應氣體，通入氬氣作為載體和保護氣體，進行氣相沉積，獲得百納米氧化矽膜材料； 其中，控制高密度等離子體增強化學氣相沉積設備腔體的工作溫度為200?260°C，工 作壓力為1?3Pa，功率為100?200W ; 其中，所述氣相沉積的時間為4?6min ;所述SiH4氣體與02氣體的體積比為8?12， SiH4氣體與氬氣的體積比為0. 5?2。
4. 如權利要求3所述的氧化矽膜材料的製備方法，其特徵在於，所述襯底為P型摻雜單 晶矽、N型摻雜單晶矽或金屬中的任意1種；或在上述襯底上製備一層均勻的金屬或非金屬 薄膜作為襯底。
5. 如權利要求4所述的氧化矽膜材料的製備方法，其特徵在於，所述P型摻雜單晶矽、 N型摻雜單晶矽襯底進行如下預處理：用HF酸浸泡後用去離子水清洗，然後乾燥； 優選地，所述HF酸的質量濃度為2?10 %，進一步優選為5 % ; 優選地，所述用HF酸浸泡的時間為0. 5?lOmin，進一步優選為3min。
6. 如權利要求4所述的氧化矽膜材料的製備方法，其特徵在於，所述金屬襯底進行如 下預處理：用丙酮和異丙醇酸分別超聲清洗，然後乾燥；所述超聲時間優選為5min。
7. 如權利要求3?6之一所述的氧化矽膜材料的製備方法，其特徵在於，步驟2)所述 矽烷、氬氣和氨氣的純度均大於99. 99%，其中矽烷為95%氬氣混合的氣體；所述氧化矽膜 材料的製備方法中，控制高密度等離子體增強化學氣相沉積設備腔體的工作溫度為230°C， 工作壓力為2Pa，功率為171W ;所述氣相沉積的時間為4?6min ;所述SiH4氣體與02氣體 的體積比為10,所述SiH4氣體與氬氣的體積比為1. 0。
8. 如權利要求3?7之一所述的氧化娃膜材料的製備方法，其特徵在於，所述方法包括 如下步驟： (1) 將襯底置於高密度等離子體增強化學氣相沉積設備腔體中，抽真空使背底真空度 為1 X ΚΓ4?1 X l(T6Pa，加熱襯底到200?260°C ; (2) 按1: (8?12)的體積比通入02氣體和SiH4作為反應氣體，通入氬氣作為載氣和 保護氣體，調整工作氣壓為1?3Pa，功率為120?200W，進行化學氣相沉積4?6min ; (3) 在保護性氣體的氣氛下，降至室溫，得到權利要求1或2所述的氧化矽膜材料。
9. 如權利要求3?8之一所述的氧化矽膜材料的製備方法，其特徵在於，步驟3)所述 的保護性氣體為惰性氣體；所述惰性氣體優選氬氣。
10. -種如權利要求1或2所述的氧化矽膜材料的用途，其特徵在於，所述氧化矽膜材 料作為絕緣層、保護膜或光學膜，應用於半導體、微波、光電子以及光學器件等領域。
【文檔編號】C23C16/52GK104099581SQ201410353783
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月23日 優先權日:2014年7月23日
【發明者】宋志偉, 褚衛國 申請人:國家納米科學中心