一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法与流程

本发明涉及电子元件制造，特别涉及一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法。

背景技术：

1、在电子和半导体技术中，薄膜材料被使用于越来越多的领域，如金属、合金、半导体和绝缘材料的薄膜可以用于制作导体、记忆装置中的磁性元件、电阻、电容器电极、射线探测器、晶体管和各种光学覆层等。在宇航工业中，薄膜还被用做空间飞行器的控温涂层等。

2、随着集成电路工艺进入亚微米及纳米尺度阶段，对材料的综合性能的要求越来越高，氮化钽薄膜可以应用于多种领域，不同元素比的氮化钽薄膜性质差异比较大，使用领域也不同。氮化钽的力学、电学等性质会随着元素比的变化而变化，不同元素比的氮化钽薄膜应用的领域和参数均有较为明显差异。但对于现有技术而言，氮化钽薄膜的元素比是较难进行稳定的宽范围调节的。薄膜制备过程中，比较容易出现无论如何调节工艺，氮化钽薄膜元素比都较为固定的现象。

3、专利cn109637766公开了一种氮化钽薄膜电阻器阻值的调整方法，通过调整氮化钽薄膜中氮元素和钽元素的元素比，对氮化钽薄膜电阻器等电阻值进行调解。调整方法包括：将氮化钽薄膜电阻器设于原子注入设备的工件放置区内；将原子注入设备的内部做真空处理，当真空压强达到第一真空压强阈值范围内时充入高于氩气纯度阈值的氩气，并保持原子注入设备的内部真空压强在第二真空压强阈值范围内；开启原子注入设备，氩气在电场被电离得到氩离子；在电场加速氩离子移动速率的情况下，氩离子加速撞击金属靶，得到脱离后的金属原子；在电场作用下，脱离后的金属原子持续注入到氮化钽薄膜电阻器的氮化钽薄膜上，以降低氮化钽薄膜电阻器的阻值。采用该发明所提供的调整方法能够实现氮化钽薄膜电阻器阻值由大到小的调整，然而调整的范围及其有限。

4、因此，对现有技术中的工艺进行改进，找到一种能够在确保制备的氮化钽薄膜质量稳定的基础上，可以在较宽范围内调整氮化钽薄膜中氮元素和钽元素的元素比的工艺，是目前需要解决的问题。

技术实现思路

1、本申请的方案基于上述思路，提供了一种使用磁控溅射法制备宽元素比氮化钽薄膜的方法。磁控溅射镀膜法有溅射率高、基片温升低、膜基结合力强、装置性能稳定、操作控制方便、可实现大面积镀膜等优点，能够制备出表面光滑平整、层厚可控纳米金属薄膜。本发明通过调节直流/射频磁控溅射的功率、氮气流量和氩气流量，调节磁控溅射的电压、电流、氮气的离化率和溅射速率，进而调节薄膜内元素比，从而实现表面光滑平整、高致密度、高衬底结合强度和元素比精准可调节的氮化钽薄膜。

2、以上技术目的通过如下技术方案实现：

3、一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、1)选取镀膜衬底，对镀膜衬底进行nmp和纯水超声清洗，吹干，放入超高真空磁控溅射设备基片台上，准备镀膜；

5、2)将金属钽靶材放置于真空室靶台上，通入氩气/氮气混合气流，调节真空室真空度，其中，所述氩气和氮气的流量比为1～12：1～8，开始启辉，对镀膜衬底进行预溅射；

6、3)使用磁控溅射法对镀膜衬底进行溅射镀膜，得到氮化钽薄膜成品。

7、进一步地，所述氩气的流量为10～120sccm/min，所述氮气的流量为10～80sccm/min。通过调节氮气/氩气流量控制启辉气压，间接控制等离子体离子密度，从而调节沉积速率。

8、进一步地，所述磁控溅射法为直流磁控溅射法或射频磁控溅射法。

9、进一步地，所述真空室的本底真空度为5.0*10-5～5*10-4pa。

10、进一步地，所述预溅射和溅射镀膜过程中的真空度为0.2～1.5pa。

11、进一步地，所述预溅射的时间为1～5min。

12、进一步地，所述溅射镀膜的溅射功率为300～1000w。

13、进一步地，所述溅射镀膜的沉积速率为0.05～1.2nm/s，沉积时间为30～3000s。在确定的启辉气压(由氮气/流量调节)下，通过调节沉积功率，间接控制溅射电压，进而控制钽离子能量，从而实现纳米氮化钽薄膜与衬底结合强度的控制。

14、进一步地，所述溅射镀膜的膜层总厚度为5～2000nm，膜层总厚度可以通过沉积速率和沉积时间进行调节。

15、进一步地，所述镀膜衬底为硅、氧化硅、氮化镓、光学玻璃、ito或蓝宝石中的一种。

16、本发明采用直流/射频磁控溅射法，通过对溅射参数的调节，综合控制氮气流量、氮氩比、钽离子能量和沉积速率，进而控制纳米氮化钽薄膜形貌和氮化钽薄膜元素比，同时能够确保氮化钽薄膜的质量，从而实现对纳米银/铝薄膜致密度和电导率的控制，实现精确控制膜厚和元素比，使得制备的氮化钽薄膜成品的氮元素和钽元素的元素比能够实现在较宽的范围内变化，方便有效的调节薄膜微结构、力学性能和电性能。

技术特征：

1.一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，其特征在于，所述氩气的流量为10～120sccm/min，所述氮气的流量为10～80sccm/min。

3.根据权利要求1所述的一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，其特征在于，所述磁控溅射法为直流磁控溅射法或射频磁控溅射法。

4.根据权利要求1所述的一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，其特征在于，所述真空室的本底真空度为5.0*10-5～5*10-4pa。

5.根据权利要求1所述的一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，其特征在于，所述预溅射和溅射镀膜过程中的真空度为0.2～1.5pa。

6.根据权利要求1所述的一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，其特征在于，所述预溅射的时间为1～5min。

7.根据权利要求1所述的一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，其特征在于，所述溅射镀膜的溅射功率为300～1000w。

8.根据权利要求1所述的一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，其特征在于，所述溅射镀膜的沉积速率为0.05～1.2nm/s，沉积时间为30～3000s。

9.根据权利要求1所述的一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，其特征在于，所述溅射镀膜的膜层总厚度为5～2000nm。

10.根据权利要求1所述的一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，其特征在于，所述镀膜衬底为硅、氧化硅、氮化镓、光学玻璃、ito或蓝宝石中的一种。

技术总结
本发明公开了一种宽元素比的氮化钽薄膜制备方法，包括：选取镀膜衬底，对镀膜衬底进行NMP和纯水超声清洗，吹干，放入超高真空磁控溅射设备基片台上，准备镀膜；将金属钽靶材放置于真空室靶台上，通入氩气/氮气混合气流，调节真空室真空度，其中，所述氩气和氮气的流量比为1～12：1～8，开始启辉，对镀膜衬底进行预溅射；使用磁控溅射法对镀膜衬底进行溅射镀膜，得到氮化钽薄膜成品。本发明采用直流/射频磁控溅射法，通过对溅射参数的调节，综合控制氮气流量、氮氩比、钽离子能量和沉积速率，进而控制纳米氮化钽薄膜形貌和氮化钽薄膜元素比，从而实现对纳米银/铝薄膜致密度和电导率的控制，进而制备元素比变化范围较宽的氮化钽薄膜。

技术研发人员：尹志军,王海超,周昊珉
受保护的技术使用者：南京南智先进光电集成技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12