CN101880862B - 多功能离子束溅射设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能离子束溅射设备，包括：一真空腔室；一溅射工件台，设置于该真空腔室的顶部正中位置，其下表面与水平面平行；二溅射靶台，设置于该真空腔室的下部，左右对称于该溅射工件台的中垂线所在方向；二溅射离子源，设置于该真空腔室的中部，左右对称于该溅射工件台的中垂线所在方向，发射的离子束与溅射靶台上装载的一个靶材表面成45°角；一辅助清洗离子源，设置于该真空腔室的中部，发射的离子束与该溅射工件台下表面成30°角。该设备兼备各种功能，可用于高质量多层超薄介质和金属薄膜材料的溅射沉积、刻蚀、抛光减薄和热处理。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜沉积设备技术领域，具体地说，涉及一种多功能离子束溅射设备。
背景技术
离子束溅射沉积(IBSD)是半导体工艺中薄膜制备的重要方式之一，根据溅射原理，利用低能量聚焦离子束对靶材表面进行轰击，溅射的靶材淀积到衬底表面并牢固地附着在衬底表面。离子枪中的灯丝在高压下产生热电子，热电子使氩气电离成Ar+，在电场下加速从而形成离子束。
在局部氧压或氧离子束轰击下可以进行反应离子束溅射沉积(RIBD)，以制备氧化物薄膜。
在薄膜淀积过程中，采用离子束轰击正在淀积的薄膜，可以将结合力不强的成分去掉，改变薄膜的机械和电特性，从而形成质量更好的薄膜，这就是离子束辅助溅射沉积(IASD)。
离子束溅射主要用于制备金属、半导体、绝缘体的单质、合金和化合物薄膜，主要优点包括：高致密膜层结构、薄膜特性对环境稳定、较高而且稳定的膜层沉积速率、薄膜纯度高且化学成分稳定、可沉积超薄薄膜、电离辐射和损伤较小(溅射所需的电压比电子束蒸发小一个数量级)。
离子束刻蚀(IBE)是半导体刻蚀工艺中的一种，主要是物理刻蚀，根据溅射原理，利用低能量平行离子束对基片表面进行轰击，表面上未被掩膜覆盖部分的材料被溅射出，从而达到刻蚀的目的，主要用于集成电路、元器件、传感器等领域的微细图形制备。通常的离子束刻蚀采用的是惰性气体离子如Ar+，属于纯物理刻蚀，因而可以刻蚀任何材料，可将三维掩模图形高保真地转移为衬底表面三维图形；而反应离子束刻蚀(RIBE)则是通入反应气体形成反应离子进行刻蚀。离子束刻蚀属于原子级加工手段，特别是Ar+刻蚀不存在侧向腐蚀，具有顶级刻蚀分辨率，理论上认为可以刻蚀几个原子尺寸的结构，而且可以实现优秀的刻蚀均匀性。
离子束还可以实现清洗功能，通过离子束轰击衬底、靶材表面可以去除表面层，离子束清洗是材料表面净化的最彻底的方法，可以获得原子级清洁表面。对于清洗金属材料不存在任何问题；对于清洗合金、化合物和多元材料，采用改变离子束入射角和添加其它气体，可以在保持清洗材料表面元素化学标准配比不变条件下快速减薄和抛光表面，离子束抛光可以获得极低的材料表面微粗糙度。
由于离子束具有离子束溅射沉积、离子束辅助溅射、离子束刻蚀、离子束清洗、离子束抛光、离子束减薄等多种功能，国际上多家真空设备生产商都在对离子束溅射沉积和刻蚀设备进行开发生产，但所研制生产的设备大多功能单一，如不具备共溅射功能、加温功能、不能同时溅射和刻蚀等。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提出一种多功能离子束溅射设备，同时具有离子束溅射/共溅射沉积、离子束共溅射、离子束辅助溅射、通入反应气体的反应离子束溅射、溅射中的衬底加温和原位退火、离子束刻蚀、反应离子束刻蚀、化学辅助离子束刻蚀、衬底反溅清洗、离子束抛光、离子束减薄等功能，可用于高质量、多层、超薄的介质和金属薄膜材料的溅射沉积、刻蚀加工、抛光减薄和热处理。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种多功能离子束溅射设备，该设备包括：
一真空腔室；
一溅射工件台，用于装载基片，设置于该真空腔室的顶部正中位置，其下表面与水平面平行；
二溅射靶台，设置于该真空腔室的下部，左右对称于该溅射工件台的中垂线所在方向，用于装载靶材；
二溅射离子源，设置于该真空腔室的中部，左右对称于该溅射工件台的中垂线所在方向，采用射频离子源或直流离子源发射离子源，发射的离子束与溅射靶台上装载的一个靶材表面成45°角；
一辅助清洗离子源，设置于该真空腔室的中部，用于基片的清洗或溅射过程中的辅助轰击，采用射频离子源或直流离子源，辅助清洗离子源斜向上发射离子束，并且发射的离子束与该溅射工件台下表面成30°角。
上述方案中，所述溅射工件台为单工件台结构或多子台行星结构，该溅射工件台能够公转和自转。
上述方案中，所述溅射工件台安装有电阻加热器用于实现加热功能。
上述方案中，所述电阻加热器在单一离子束溅射、离子束共溅射、离子束辅助溅射过程中开启能够实现溅射中的衬底加温，在溅射完成后开启能够实现溅射生长的薄膜材料的原位退火。
上述方案中，所述二溅射靶台包括第一可旋转四靶台和第二可旋转四靶台，二者均可同时装载4片靶材。
上述方案中，所述二溅射离子源包括第一溅射离子源和第二溅射离子源，采用射频离子源来溅射介质薄膜，或者采用直流离子源来溅射金属薄膜；第一溅射离子源斜向下发射离子束，离子束与第一可旋转四靶台的一个靶材表面成45°角；第二溅射离子源斜向下发射离子束，离子束与第二可旋转四靶台的一个靶材表面成45°角。
上述方案中，单独开启所述第一溅射离子源和第二溅射离子源其中之一能够实现单一离子束溅射，同时开启所述第一溅射离子源和第二溅射离子源能够实现离子束共溅射，同时开启所述辅助清洗离子源、第一溅射离子源和第二溅射离子源能够实现离子束辅助溅射。
上述方案中，所述单一离子束溅射或离子束共溅射在通入O2、N2反应性气体中的一种或几种时能够实现反应离子束溅射，反应性气体通过以下三种方式中的任意一种通入：
通过所述真空腔室腔壁中的气路法兰通入至真空腔室中；或者
通过所述第一溅射离子源或第二溅射离子源通入；或者
通过所述辅助清洗离子源通入。
上述方案中，单独开启所述辅助清洗离子源或者所述刻蚀离子源能够实现基片的反溅清洗、抛光或减薄。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明制造的多功能离子束溅射设备，同时具有离子束溅射/共溅射沉积、离子束共溅射、离子束辅助溅射、通入反应气体的反应离子束溅射、溅射中的衬底加温和原位退火、离子束刻蚀、反应离子束刻蚀、化学辅助离子束刻蚀、衬底反溅清洗、离子束抛光、离子束减薄等功能，可用于高质量、多层、超薄的介质和金属薄膜材料的溅射沉积、刻蚀加工、抛光减薄和热处理。
2、利用本发明制造的多功能离子束溅射设备，具有结构简单、易于制造、成本低的优点，非常适合于大规模生产，非常有利于本发明的广泛推广和应用。
附图说明
图1是本发明提供的多功能离子束溅射设备的布局图(前视图)；
图2是采用预真空室和六子台式行星式结构样品工件台并采用两套抽真空装置的的离子束溅射系统的结构示意图(顶视图)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明提供的多功能离子束溅射设备的布局图(前视图)，该多功能离子束溅射设备包括：
一真空腔室；
一溅射工件台，用于装载基片，设置于该真空腔室的顶部正中位置，其下表面与水平面平行；
二溅射靶台，设置于该真空腔室的下部，左右对称于该溅射工件台的中垂线所在方向，用于装载靶材；
二溅射离子源，设置于该真空腔室的中部，左右对称于该溅射工件台的中垂线所在方向，采用射频离子源或直流离子源发射离子源，发射的离子束与溅射靶台上装载的一个靶材表面成45°角；
一辅助清洗离子源，设置于该真空腔室的中部，用于基片的清洗或溅射过程中的辅助轰击，采用射频离子源或直流离子源，辅助清洗离子源斜向上发射离子束，并且发射的离子束与该溅射工件台下表面成30°角。
溅射工件台为单工件台结构或多子台行星结构，该溅射工件台能够公转和自转。溅射工件台安装有电阻加热器用于实现加热功能。电阻加热器在单一离子束溅射、离子束共溅射、离子束辅助溅射过程中开启能够实现溅射中的衬底加温，在溅射完成后开启能够实现溅射生长的薄膜材料的原位退火。
二溅射靶台包括第一可旋转四靶台和第二可旋转四靶台，二者均可同时装载4片靶材。
二溅射离子源包括第一溅射离子源和第二溅射离子源，采用射频离子源来溅射介质薄膜，或者采用直流离子源来溅射金属薄膜；第一溅射离子源斜向下发射离子束，离子束与第一可旋转四靶台的一个靶材表面成45°角；第二溅射离子源斜向下发射离子束，离子束与第二可旋转四靶台的一个靶材表面成45°角。
单独开启所述第一溅射离子源和第二溅射离子源其中之一能够实现单一离子束溅射，同时开启所述第一溅射离子源和第二溅射离子源能够实现离子束共溅射，同时开启所述辅助清洗离子源、第一溅射离子源和第二溅射离子源能够实现离子束辅助溅射。
单一离子束溅射或离子束共溅射在通入O2、N2反应性气体中的一种或几种时能够实现反应离子束溅射，反应性气体通过以下三种方式中的任意一种通入：
通过所述真空腔室腔壁中的气路法兰通入至真空腔室中；或者
通过所述第一溅射离子源或第二溅射离子源通入；或者
通过所述辅助清洗离子源通入。
单独开启所述辅助清洗离子源或者所述刻蚀离子源能够实现基片的反溅清洗、抛光或减薄。
基片的传送可采用以下两种方式中的一种：
开启和关闭溅射真空腔室的上盖，从而直接放置和取出基片，采用这种方式只需溅射真空腔室这一个腔室，分子泵直接与溅射真空腔室相连；
采用样品交换真空腔室，分子泵直接与样品交换真空腔室相连，样品交换真空腔室再与溅射真空腔室相连，通过样品交换真空腔室中的样品传送装置放置和取出基片。
图2是采用预真空室和六子台式行星式结构样品工件台并采用两套抽真空装置的的离子束溅射系统的结构示意图(顶视图)。图中数字所对应的部件名称为：1溅射室，2样品交换室，3溅射室与交换室之间的样品传输部件，4溅射室与交换室之间的闸板阀，5闸板阀，6分子泵，7机械泵，8闸板阀，9分子泵，10机械泵，11六子台式行星式结构样品工件台，12溅射沉积样品子台，13-17其它被遮住的子台，18-19溅射/共溅射用离子枪及电源，20清洗或辅助轰击用离子枪及电源，21交换室样品台，22-24观察窗，25引入惰性气体Ar的法兰接口，26引入反应性气体O2的法兰接口，27引入反应性气体N2的法兰接口，28用于引入电阻加热器的引线法兰，29用于引入照明的引线法兰，30-31放气截止阀。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多功能离子束溅射设备，其特征在于，该设备包括：
一真空腔室；
一溅射工件台，用于装载基片，设置于该真空腔室的顶部正中位置，其下表面与水平面平行；
二溅射靶台，设置于该真空腔室的下部，左右对称于该溅射工件台的中垂线所在方向，用于装载靶材；
二溅射离子源，设置于该真空腔室的中部，左右对称于该溅射工件台的中垂线所在方向，采用射频离子源或直流离子源发射离子源，发射的离子束与溅射靶台上装载的一个靶材表面成45°角；
一辅助清洗离子源，设置于该真空腔室的中部，用于基片的清洗或溅射过程中的辅助轰击，采用射频离子源或直流离子源，辅助清洗离子源斜向上发射离子束，并且发射的离子束与该溅射工件台下表面成30°角；
其中，所述二溅射离子源包括第一溅射离子源和第二溅射离子源，采用射频离子源来溅射介质薄膜，或者采用直流离子源来溅射金属薄膜；第一溅射离子源斜向下发射离子束，离子束与第一可旋转四靶台的一个靶材表面成45°角；第二溅射离子源斜向下发射离子束，离子束与第二可旋转四靶台的一个靶材表面成45°角。
2.根据权利要求1所述的多功能离子束溅射设备，其特征在于，所述溅射工件台为单工件台结构或多子台行星结构，该溅射工件台能够公转和自转。
3.根据权利要求1所述的多功能离子束溅射设备，其特征在于，所述溅射工件台安装有电阻加热器用于实现加热功能。
4.根据权利要求3所述的多功能离子束溅射设备，其特征在于，所述电阻加热器在单一离子束溅射、离子束共溅射、离子束辅助溅射过程中开启能够实现溅射中的衬底加温，在溅射完成后开启能够实现溅射生长的薄膜材料的原位退火。
5.根据权利要求1所述的多功能离子束溅射设备，其特征在于，所述二溅射靶台包括第一可旋转四靶台和第二可旋转四靶台，二者均可同时装载4片靶材。
6.根据权利要求1所述的多功能离子束溅射设备，其特征在于，单独开启所述第一溅射离子源和第二溅射离子源其中之一能够实现单一离子束溅射，同时开启所述第一溅射离子源和第二溅射离子源能够实现离子束共溅射，同时开启所述辅助清洗离子源、第一溅射离子源和第二溅射离子源能够实现离子束辅助溅射。
7.根据权利要求6所述的多功能离子束溅射设备，其特征在于，所述单一离子束溅射或离子束共溅射在通入O2、N2反应性气体中的一种或几种时能够实现反应离子束溅射，反应性气体通过以下三种方式中的任意一种通入：
通过所述真空腔室腔壁中的气路法兰通入至真空腔室中；或者
通过所述第一溅射离子源或第二溅射离子源通入；或者
通过所述辅助清洗离子源通入。
8.根据权利要求1所述的多功能离子束溅射设备，其特征在于，单独开启所述辅助清洗离子源或者所述刻蚀离子源能够实现基片的反溅清洗、抛光或减薄。
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