CN102486465B - 多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，包括：离子束溅射与刻蚀室、物性分析室、样品交换真空腔室；一溅射沉积与刻蚀工件台，设置于溅射与刻蚀室的顶部正中位置；一刻蚀离子源，设置于溅射与刻蚀室的底部正中位置；二溅射靶台，设置于溅射与刻蚀室的下部；二溅射离子源，设置于溅射与刻蚀室的中部；一辅助清洗离子源，设置于溅射与刻蚀室的中部；一套X射线光电子能谱分析系统，设置于物性分析室中；样品交换真空腔室用于实现样品在溅射与刻蚀室和物性分析室之间的交换与传输。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、热处理及样品的原位物性分析。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜沉积、加工与分析设备技术领域，具体地说，涉及一种多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统。
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。
材料的制备和加工很关键，而材料应用于器件中时，材料的成分、结构等性能的表征和控制也同样是决定器件性能好坏的关键。X射线光电子能谱(XPS)是研究材料表面化学状态的一种十分重要的方法，它所应用的基本物理理论是爱因斯坦光电效应，其原理是使几乎单色的X射线入射到待分析样品上，当入射光子的能量hv明显超过样品原子的内层电子结合能(束缚能)Eb时，样品就会发射出光电子，光电子的动能为Ek＝hv-Eb-是谱仪的功函数，通过能量分析器测量并分析这些光电子的能量、强度等信息，就可以了解样品表面的元素、化学状态(价态)、电子结构和组成等。XPS能谱图是以结合能为横坐标，以光电子计数率为纵坐标。由于每种元素的电子结构是独特的，测定一个或多个光电子的结合能就可以判断元素的类型。当原子处于不同的环境(价态、晶体结构、近邻数)时，其内层电子的束缚能发生改变，在XPS谱上，表现为谱峰相对于其纯元素峰的位移，称为化学位移。根据XPS谱峰强度还可以定量计算不同元素之间的相对含量。出射光电子在样品内的非弹性散射平均自由程λ很短，通常在几个纳米以内，探测深度d＝3λsinα，改变光电子出射角α，就可以探测到不同表层深度的信息，这就是XPS的角分辨工作方式。XPS也可以用来进行深度剖析，用Ar+轰击剥蚀样品表面，并记录XPS谱随深度的变化，可分析不同深度处元素的含量或价态的变化情况。
在离子束沉积与刻蚀系统中加入XPS功能，可以实现材料生长和样品刻蚀后在真空腔中的原位检测。在传统的XPS检测中，通常是在薄膜材料制备结束后从真空腔中取出样品，再传送至XPS的分析腔进行分析，这样样品就会暴露于大气，材料的表面会有氧化、沾污等改性情况产生，从而影响材料本身的分析。现有的设备都无法同时满足上述要求。
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与刻蚀及原位物性分析系统，以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、离子束减薄以及材料和样品的元素类型、化学价态、薄膜厚度、元素含量、电子结构、界面信息等物性的原位测量分析等功能，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、抛光减薄和热处理及离子束溅射沉积薄膜材料和离子束刻蚀样品的原位XPS物性分析。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，该设备包括：
一离子束溅射与刻蚀真空腔室；
一溅射沉积与刻蚀工件台，用于装载基片，设置于离子束溅射与刻蚀真空腔室的顶部正中位置，其下表面与水平面平行；
一刻蚀离子源，设置于离子束溅射与刻蚀真空腔室的底部正中位置，与溅射沉积与刻蚀工件台相对，采用射频离子源或直流离子源，竖直向上发射离子束，并且离子束与该溅射沉积与刻蚀工件台下表面垂直；
二溅射靶台，设置于离子束溅射与刻蚀真空腔室的下部，左右对称于该刻蚀离子源发射的离子束，用于装载靶材；
二溅射离子源，设置于离子束溅射与刻蚀真空腔室的中部，左右对称于该刻蚀离子源发射的离子束，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，设置于离子束溅射与刻蚀真空腔室的中部，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沉积与刻蚀工件台下表面成30°角；
一物性分析真空腔室；
一套X射线光电子能谱(XPS)分析系统，设置于物性分析真空腔室中；
一单色X光源，设置于物性分析真空腔室的顶部右上方；
一多通道半球形电子能量分析器，设置于物性分析真空腔室的顶部；
一样品对准辅助光学装置，设置于物性分析真空腔室的顶部；
一电荷中和电子枪，设置于物性分析真空腔室的顶部左上方；
一物性分析样品台，设置于物性分析真空腔室的下部；
一样品交换真空腔室，位于离子束溅射与刻蚀真空腔室和物性分析真空腔室之间，并用于实现样品在离子束溅射与刻蚀真空腔室和物性分析真空腔室之间的交换与传输。
(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与刻蚀及原位物性分析系统，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、离子束减薄以及材料和样品的元素类型、化学价态、薄膜厚度、元素含量、电子结构、界面信息等物性的原位测量分析等功能，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、抛光减薄和热处理及离子束溅射沉积薄膜材料和离子束刻蚀样品的原位XPS物性分析。
2、利用本发明制造的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，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与刻蚀及原位物性分析系统的结构示意图(顶视图)；
图2是多功能离子束溅射与刻蚀系统的布局图(前视图)
图3是六子台式行星式结构样品工件台的结构示意图(顶视图)；
图4是物性分析系统的主要部件的结构示意图(前视图)；
图5是多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统的正面三维机械设计图。
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是本发明提供的具有样品交换真空腔室、采用六子台式行星式结构样品工件台和三套抽真空装置的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统的结构示意图(顶视图)。图中数字所对应的部件名称为：1溅射/刻蚀真空腔室，2物性分析真空腔室，3样品交换真空腔室，4溅射/刻蚀真空腔室与样品交换真空腔室之间的样品传输部件，5物性分析真空腔室与样品交换真空腔室之间的样品传输部件，6溅射/刻蚀真空腔室与样品交换真空腔室之间的闸板阀，7物性分析真空腔室与样品交换真空腔室之间的闸板阀，8闸板阀，9型分子泵，10机械泵，11闸板阀，12分子泵，13机械泵，14闸板阀，15离子泵，16法兰，17升华泵，18闸板阀，19分子泵，20机械泵，21六子台式行星式结构样品工件台，22溅射沉积样品子台，23刻蚀样品子台，24-27其它被遮住的子台，28-29溅射/共溅射用离子枪及电源，30清洗或辅助轰击用离子枪及电源，31刻蚀用离子枪及电源，32物性分析真空腔室样品台，33样品交换真空腔室样品台，34-36观察窗，37引入Ar的法兰接口，38引入O2的法兰接口，39引入反应性气体的法兰接口，40用于引入电阻加热器的引线法兰，41用于引入照明的引线法兰，42-44放气截止阀。
图2是多功能离子束溅射与刻蚀系统的布局图(前视图)，该多功能离子束溅射与刻蚀系统包括：
一真空腔室；
一溅射沉积与刻蚀工件台，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；
一刻蚀离子源，设置于该真空腔室的底部正中位置，与溅射沉积与刻蚀工件台相对，采用射频离子源或直流离子源，竖直向上发射离子束，并且离子束与该溅射沉积与刻蚀工件台下表面垂直；
二溅射靶台，设置于该真空腔室的下部，左右对称于该刻蚀离子源发射的离子束，用于装载靶材；
二溅射离子源，设置于该真空腔室的中部，左右对称于该刻蚀离子源发射的离子束，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，并且离子束与该溅射沉积与刻蚀工件台下表面成30°角。
图3是一种六子台式行星式结构样品工件台的结构示意图的顶视图。溅射沉积与刻蚀工件台为多子台行星结构，每个子台都能够公转和自转。溅射沉积与刻蚀工件台安装有电阻加热器用于实现加热功能，并安装有水冷装置用于实现水冷功能。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。图3中最下面的一个子台用于溅射，溅射时其它子台被遮住以防污染。图3中最上面的一个子台用于刻蚀，刻蚀时其它子台被遮住以防污染。
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：
1)、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
2)、通过所述第一溅射离子源或第二溅射离子源通入；或者
3)、通过所述辅助清洗离子源通入。
从所述刻蚀离子源中通入惰性气体氩气能够实现普通的氩离子束刻蚀；从所述刻蚀离子源中通入反应性气体O2、CHF3、SF6中的一种或几种时能够实现反应离子束刻蚀；在氩离子束刻蚀过程中从所述真空腔室腔壁中的气路法兰接口通入反应性气体O2、CHF3、SF6中的一种或几种至真空腔室中能够实现化学辅助离子束刻蚀。
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。
图4是物性分析系统的主要部件的结构示意图(前视图)，该物性分析系统包括：
一单色X光源设置于物性分析真空腔室的顶部右上方；
一多通道半球形电子能量分析器设置于物性分析真空腔室的顶部；
一样品对准辅助光学装置设置于物性分析真空腔室的顶部；
一电荷中和电子枪设置于物性分析真空腔室的顶部左上方；
一物性分析样品台设置于物性分析真空腔室的下部；
通过上述多功能离子束溅射与刻蚀系统和原位物性分析系统的协同使用，能够实现离子束溅射制备的材料及离子束刻蚀厚的样品在真空腔中的原位XPS检测，测量材料和样品的元素类型、化学价态、薄膜厚度、元素含量、电子结构、界面信息，并能够避免材料及样品的表面的氧化、沾污等改性情况的产生，从而准确地分析材料和样品本身的本征物性。
通过上述多功能离子束溅射与刻蚀系统和原位物性分析系统的协同使用，利用刻蚀离子束源或辅助清洗离子源能够对所需进行XPS分析的样品进行不同深度的刻蚀，从而得到材料或样品的不同深度处的元素类型、化学价态、薄膜厚度、元素含量、电子结构、界面信息。
图5是多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统的正面三维机械设计图，图5中的部件均已包含在图1中。
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 (12)
1.一种多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，其特征在于，该系统包括：
一离子束溅射与刻蚀真空腔室；
一溅射沉积与刻蚀工件台，用于装载基片，设置于离子束溅射与刻蚀真空腔室的顶部正中位置，其下表面与水平面平行；
一刻蚀离子源，设置于离子束溅射与刻蚀真空腔室的底部正中位置，与溅射沉积与刻蚀工件台相对，采用射频离子源或直流离子源，竖直向上发射离子束，并且离子束与该溅射沉积与刻蚀工件台下表面垂直；
二溅射靶台，设置于离子束溅射与刻蚀真空腔室的下部，左右对称于该刻蚀离子源发射的离子束，用于装载靶材；
二溅射离子源，设置于离子束溅射与刻蚀真空腔室的中部，左右对称于该刻蚀离子源发射的离子束，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，设置于离子束溅射与刻蚀真空腔室的中部，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沉积与刻蚀工件台下表面成30°角；
一物性分析真空腔室；
一套X射线光电子能谱分析系统，设置于物性分析真空腔室中；
一单色X光源，设置于物性分析真空腔室的顶部右上方；
一多通道半球形电子能量分析器，设置于物性分析真空腔室的顶部；
一样品对准辅助光学装置，设置于物性分析真空腔室的顶部；
一电荷中和电子枪，设置于物性分析真空腔室的顶部左上方；
一物性分析样品台，设置于物性分析真空腔室的下部；
一样品交换真空腔室，位于离子束溅射与刻蚀真空腔室和物性分析真空腔室之间，并用于实现样品在离子束溅射与刻蚀真空腔室和物性分析真空腔室之间的交换与传输。
2.根据权利要求1所述的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，其特征在于，所述溅射沉积与刻蚀工件台为多子台行星结构，每个子台都能够公转和自转。
3.根据权利要求1所述的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，其特征在于，所述溅射沉积与刻蚀工件台安装有电阻加热器用于实现加热功能，并安装有水冷装置用于实现水冷功能。
4.根据权利要求3所述的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，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用于实现溅射中的衬底加温，在溅射完成后开启用于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与刻蚀及原位物性分析系统，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5所述的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，其特征在于，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。
7.根据权利要求6所述的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，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用于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用于实现离子束共溅射，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用于实现离子束辅助溅射。
8.根据权利要求7所述的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，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用于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：
通过所述离子束溅射与刻蚀真空腔室腔壁中的气路法兰通入至所述离子束溅射与刻蚀真空腔室中；或者
通过所述第一溅射离子源或第二溅射离子源通入所述离子束溅射与 刻蚀真空腔室；或者
通过所述辅助清洗离子源通入所述离子束溅射与刻蚀真空腔室。
9.根据权利要求1所述的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，其特征在于，从所述刻蚀离子源中通入惰性气体氩气能够实现普通的氩离子束刻蚀；从所述刻蚀离子源中通入反应性气体O2、CHF3、SF6中的一种或几种时能够实现反应离子束刻蚀；在氩离子束刻蚀过程中从所述离子束溅射与刻蚀真空腔室腔壁中的气路法兰接口通入反应性气体O2、CHF3、SF6中的一种或几种至所述离子束溅射与刻蚀真空腔室中能够实现化学辅助离子束刻蚀。
10.根据权利要求1所述的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，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用于实现基片的反溅清洗、抛光或减薄。
11.根据权利要求1所述的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，其特征在于，通过所述的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，用于实现离子束溅射制备的材料及离子束刻蚀厚的样品在真空腔中的原位XPS检测，测量材料和样品的元素类型、化学价态、薄膜厚度、元素含量、电子结构、界面信息，并避免材料及样品的表面的氧化、沾污情况的产生，从而准确地分析材料和样品本身的本征物性。
12.根据权利要求1所述的多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统，其特征在于，该系统利用刻蚀离子束源或辅助清洗离子源对所需进行XPS分析的样品进行不同深度的刻蚀，得到材料或样品的不同深度处的元素类型、化学价态、薄膜厚度、元素含量、电子结构、界面信息。
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