化學(xué)計(jì)量介電薄膜的高速反應(yīng)濺射的制作方法
【專利說明】
[0001]發(fā)明背景
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本申請(qǐng)總體上涉及一種反應(yīng)濺射方法和裝置，更具體地涉及一種用于實(shí)現(xiàn)化學(xué)計(jì)量介電薄膜的高速沉積并且使在靶與陽極或者真空系統(tǒng)的其它部分之間出現(xiàn)的電弧放電最小化的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0003]介電薄膜(尤其是氧化物和氮化物)被廣泛使用于大范圍的用途中，諸如半導(dǎo)體芯片、磁和光記錄、平板顯示器、噴墨打印機(jī)頭、太陽能電池、集成光學(xué)、光學(xué)薄膜和硬保護(hù)膜。與在氬氣-氧氣或者氬氣-氮?dú)鈿怏w混合物中對(duì)金屬靶進(jìn)行濺射有關(guān)的反應(yīng)磁控濺射是一種形成這些薄膜的常用沉積方法。然而，用于使沉積速率或薄膜形成最大化并且獲得適當(dāng)?shù)谋∧せ瘜W(xué)計(jì)量的、對(duì)這種反應(yīng)濺射工藝的控制卻是難以實(shí)現(xiàn)的。
[0004]反應(yīng)濺射是非常多用途的涂覆技術(shù)，該技術(shù)使種類廣泛的化合物材料的制備成為可能。然而，該技術(shù)傳統(tǒng)上具有一個(gè)主要缺點(diǎn)。當(dāng)反應(yīng)性氣體(例如，氧氣或氮?dú)?的分壓達(dá)到正確水平以便在基底表面上形成金屬化合物(例如，氧化物或氮化物)的化學(xué)計(jì)量薄膜時(shí)，該反應(yīng)性氣體也在金屬革G表面上形成相同的金屬化合物。由于來自金屬革G的化合物部分的金屬原子的濺射產(chǎn)額較低，因而相應(yīng)地導(dǎo)致薄膜沉積速率顯著降低。另外，在所采用的高靶功率密度下(例如，在大功率脈沖磁控濺射期間)，在這些條件下可以在靶上觀察到相當(dāng)大的電弧放電，從而導(dǎo)致低質(zhì)量的沉積薄膜。電弧放電表明由于絕緣薄膜在靶上堆積所導(dǎo)致的靶(陰極)與陽極的短路或者真空系統(tǒng)的電接地的產(chǎn)生。存在用于對(duì)金屬靶進(jìn)行反應(yīng)濺射從而使化合物薄膜沉積的兩種操作“模式”。在反應(yīng)性氣體進(jìn)入真空室的流速為較低的情況下，靶仍然是金屬性的。在反應(yīng)性氣體的流速為較高的情況下，靶被該化合物覆蓋。與“覆蓋(中毒)模式”相比，在“金屬模式”中獲得高得多的(通常5至10倍)沉積速率。當(dāng)改變反應(yīng)性氣體的流速時(shí)，在金屬模式與顯示滯后的覆蓋模式之間存在著過渡；SP，沉積速率(和靶電壓)的差異取決于是否在相同工藝條件下從金屬模式或者從覆蓋模式進(jìn)入特定的濺射狀態(tài)。為了高速地形成高質(zhì)量的化學(xué)計(jì)量介電薄膜，反應(yīng)濺射必須在金屬模式與覆蓋模式之間的過渡區(qū)中進(jìn)行。
[0005]得到廣泛認(rèn)可的磁控濺射技術(shù)的最新進(jìn)展是大功率脈沖磁控濺射(HiP頂S)，其特征是在較短的電壓脈沖期間(通常40 μ s至200 μ s)內(nèi)施加大約kWcm 2級(jí)的靶功率密度。該高靶功率密度導(dǎo)致非常稠密的放電等離子體的產(chǎn)生，并且具有高電離度的濺射原子。因此，可以在高度電離的靶材料原子流中實(shí)施薄膜沉積。這對(duì)于定向沉積入高長(zhǎng)寬比溝槽并且經(jīng)由用于基底涂層界面工程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和薄膜的離子輔助生長(zhǎng)具有重大意義。雖然有這些系統(tǒng)在介電薄膜的反應(yīng)濺射沉積中的若干成功應(yīng)用，但仍然存在著在高靶功率密度的沉積工藝期間的電弧放電以及沉積速率低的顯著問題。
[0006]因此，在HiP頂S的領(lǐng)域，對(duì)于提供對(duì)反應(yīng)濺射工藝的有效且可靠的控制從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)計(jì)量介電薄膜的高速沉積并且使電弧放電最小化的方法和裝置存在著需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明通過提供在由電源所保持的恒定靶電壓下控制進(jìn)入真空室的脈沖反應(yīng)性氣體流速以便促進(jìn)介電化學(xué)計(jì)量薄膜在金屬模式與覆蓋(中毒)模式之間的過渡區(qū)中的高速沉積的反應(yīng)濺射處理系統(tǒng)和方法而克服了上述問題，甚至在使用大功率脈沖磁控濺射金屬靶時(shí)。
[0008]對(duì)于給定的靶材料和反應(yīng)性工藝氣體而言，將同時(shí)由工藝控制器所及時(shí)監(jiān)測(cè)的兩個(gè)工藝參數(shù)(即，在一段時(shí)間的脈沖電源中的靶電流或平均靶電流、或者真空室中的反應(yīng)性氣體分壓)中的一個(gè)工藝參數(shù)選為工藝參數(shù)。對(duì)于給定的標(biāo)稱靶功率、靶材料和反應(yīng)性工藝氣體而言，優(yōu)化的恒定靶電壓、非反應(yīng)性氣體(氬氣)分壓、流入真空室的總反應(yīng)性氣體流速和反應(yīng)性氣體導(dǎo)管系統(tǒng)的構(gòu)造、以及所選擇控制工藝參數(shù)的臨界值，使用控制反應(yīng)濺射工藝的裝置基于所感測(cè)到的控制參數(shù)的時(shí)間相關(guān)值而經(jīng)驗(yàn)性地確定。該確定是基于沉積速率的測(cè)量和沉積薄膜的特性?？刂茀?shù)的臨界值通過進(jìn)入真空室中的受控的脈沖反應(yīng)性氣體流速來限定真空室中的一系列反應(yīng)性氣體分壓，從而允許實(shí)施介電化學(xué)計(jì)量薄膜在金屬模式與覆蓋(中毒)模式之間的過渡區(qū)中的穩(wěn)定化的高速反應(yīng)性磁控沉積。
[0009]本發(fā)明的一個(gè)重要方面是所設(shè)計(jì)的方法和裝置能夠利用在化學(xué)計(jì)量介電薄膜的高速沉積中在較短的靶電壓脈沖期間(通常40 μ s至200 μ s)靶功率密度高達(dá)數(shù)kWcm 2的HiP頂S放電的益處。
[0010]具體地，本發(fā)明涉及一種用于對(duì)與反應(yīng)性氣體和用作陰極的靶中所包含材料之間的反應(yīng)有關(guān)的濺射沉積工藝進(jìn)行控制的方法，所述方法包括以下步驟:
[0011]選擇用于給定的靶材料和反應(yīng)性工藝氣體的控制工藝參數(shù)；
[0012]建立用于給定的標(biāo)稱靶功率水平的反應(yīng)濺射沉積工藝的操作方案；和
[0013]利用受控制的進(jìn)入真空室的脈沖反應(yīng)性氣體流速，在金屬模式與覆蓋模式之間的過渡區(qū)中實(shí)施化學(xué)計(jì)量介電薄膜的穩(wěn)定化的高速反應(yīng)性沉積。
[0014]可基于由所述控制工藝參數(shù)的所述臨界值所限定的真空室中的一系列反應(yīng)性氣體的分壓，來確定在金屬模式與覆蓋模式之間的過渡區(qū)。
[0015]靶可以是金屬，并且在反應(yīng)中所形成的化合物可以是介電化學(xué)計(jì)量材料。
[0016]將化合物濺射沉積到基底上，可以在大體相同功率條件下，在不存在所述反應(yīng)性氣體情況下的操作相對(duì)應(yīng)的金屬模式中，以靶材料沉積速率的至少大約40%的速率實(shí)施。
[0017]所述化合物可以是選自氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、硫化物、氟化物、氯化物、硼化物、及其混合物。
[0018]控制工藝參數(shù)可以是靶電流(在連續(xù)DC濺射的情況下)、或者在一段時(shí)間的脈沖電源期間的平均靶電流(在脈沖濺射的情況下)、或者真空室中的反應(yīng)性氣體分壓。
[0019]確定了靶電流(在連續(xù)DC濺射的情況下)或者在一段時(shí)間的脈沖電源期間的平均靶電流(在脈沖濺射的情況下)以及真空室中的反應(yīng)性氣體分壓對(duì)在恒定靶電壓下在相同放電條件下進(jìn)入真空室的反應(yīng)性氣體的恒定流速脈沖的敏感度。換句話說，實(shí)施工藝表征，并且確定上述參數(shù)如何對(duì)在恒定靶電壓下在相同放電條件下反應(yīng)性氣體進(jìn)入真空室的恒定流速脈沖作出響應(yīng)。
[0020]可將對(duì)在恒定靶電壓下在相同放電條件下進(jìn)入真空室中的反應(yīng)性氣體的恒定流速脈沖顯示最高靈敏度的參數(shù)選為控制工藝參數(shù)。
[0021]可基于對(duì)(優(yōu)化的)恒定靶電壓、非反應(yīng)性氣體(例如氬氣)的分壓、進(jìn)入真空室中的總反應(yīng)性氣體流速、和反應(yīng)性氣體導(dǎo)管系統(tǒng)的構(gòu)造以及所選擇控制工藝參數(shù)的臨界值的確定而建立操作方案，從而在低于給定水平的電弧放電的情況下，獲得所形成薄膜的給定沉積速率和期望的物理性質(zhì)。
[0022]這導(dǎo)致了在最小化的電弧放電情況下所形成的高沉積速率和期望的元素組成及薄膜的物理性質(zhì)。對(duì)以上數(shù)量的確定是基于反應(yīng)性磁控濺射領(lǐng)域中的基礎(chǔ)知識(shí)、沉積速率的測(cè)量、沉積薄膜的特性、和對(duì)放電不穩(wěn)定性(電弧)的檢測(cè)。
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