CN111349898A - 一种应用于多脉冲激光共沉积的靶材 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于多脉冲激光共沉积的靶材，包括可被独立拆装的圆形靶材模块和环形靶材模块，所述圆形靶材模块置于环形靶材模块中间固定成圆形靶材，圆形靶材模块和环形靶材模块的侧壁设有贯通孔，贯通孔内设有贯通柱，贯通柱的两端露出设置。本发明所提供的靶材结构，包括至少两个可被独立拆装的靶材模块，且该结构与现有的PLD靶托配合使用，解决了多部分可组装靶材在PLD设备中的脱落问题，这样，当某一个靶材模块随着工艺的进行己经消耗至需要更换的程度时，可以仅对该靶材模块进行更换，而其它的靶材模块则可被继续使用。

Description

一种应用于多脉冲激光共沉积的靶材

技术领域

本发明涉及制造和处理半导体领域，具体涉及一种应用于多脉冲激光共沉积的靶材。

背景技术

随着现代科学和技术的发展，薄膜科学已成为近年来迅速发展的学科领域之一，是凝聚态物理学和材料科学的一个重要研究领域。功能薄膜是薄膜研究的主要方面，它不仅具有丰富的物理内涵，而且在微电子、光电子、超导材料等领域具有十分广泛的应用。

长期以来，人们发明了多种制膜技术和方法：真空蒸发沉积、离子束溅射、磁控溅射沉积、分子束外延、金属有机化学气相沉积、溶胶-凝胶法等。上述方法各有优点，并在一些领域得到应用。但由于其各有局限性，仍然不能满足薄膜研究的发展及多种薄膜制备的需要。随着激光技术和设备的发展，特别是高功率脉冲激光技术的发展，脉冲激光沉积(PLD)技术的特点逐渐被人们认识和接受。

PLD也被称为脉冲激光烧蚀(Pulsed laser ablation, PLA)。与其它传统的薄膜沉积方法不同，脉冲激光沉积是一种利用激光对物体进行轰击，然后使被轰击区域的物质烧蚀，烧蚀物(ablated materials)择优沿着靶的法线方向传输，形成一个等离子体羽毛状的发光团——羽辉(plume)，最后烧蚀物沉积到前方的衬底上，形成沉淀薄膜的一种手段。如图1所示，现有的脉冲沉积设备一般为单脉冲沉积，由一个脉冲激光器、一个光路系统(会聚透镜、激光窗等)，沉积系统(真空室、抽真空泵、靶材、靶托、衬底加热台)，辅助设备(测控装置、监控装置)等组成，在沉积的过程中，靶材与衬底相对设置，绕各自的轴心自传，靶材被靶托固定，其实成一定角度倾斜放置。目前靶材结构为圆形的平板式结构，PLD靶托固定靶材的方式如图2所述，将圆形的平板式靶材放入靶托的圆形凹槽中，将靶材盖板盖在靶材上，靶材盖板的螺孔与靶托周垣的螺孔对齐后，利用螺母固定。

公开号为US6489587B2的美国专利，以两束激光同时分别打在两个单元靶材(以下分别称作A靶, B靶)上，从A, B靶中打出的A, B原子同时到达基板表面，所以在基板上形成均质的AB膜，首次提出了一种使A, B原子同时到达基板表面，在基板上形成均质的AB膜的多脉冲共沉积技术。但是现有的多激光共沉积使用多个靶材，多个靶材间距离较远，不同靶材的羽辉之间接触面积小，影响了靶材材料以等离子体状态进行反应或充分接触，直接影响均质的AB膜的均匀性。

公开号为CN103668085A的中国专利，放弃了利用PLD共沉积技术获得均质薄膜，利用PLD获得非化学计量比的薄膜与结构上非均质的薄膜。其将圆盘状靶材分为多种不同材料的扇形体；由于靶材是多种不同单元材料构成的多元靶材，绕中心轴旋转时，脉冲激光光束周期性照射在各单元靶材表面，由各单元靶材产生的等离子羽辉在不同的时间到达基板表面，在基板表面形成叠层薄膜。

在上述PLD设备和方面中，靶材是一个非常重要的部件。首先，靶材属于消耗性部件，当靶材消耗到一定程度之后就要进行更换，而靶材的纯度要求达到5N (99. 999 % )以上，价格非常昂贵，更换成本很高。目前常用的一种靶材结构为圆形的平板式结构，且为同一种材料制成。现有技术中的PLD靶材无法实现两种以上材料的共沉积以获得高质量的均质薄膜，是制约PLD技术发展的关键瓶颈。

此外，现有的靶材结构不可避免地存在以下缺陷：激光束高度聚焦于靶材的某一点上。当靶材自传时，若聚焦于圆心位置，则靶材圆心位置被高度消耗，若聚焦于非圆心位置，则靶材以靶托的轴心为圆心呈环形被高度消耗，这样靶材的消耗将产生明显的差异；此外，靶材沉积面上任意一处的材料消耗到极限程度后都必须更换整个靶材，这就无法实现对靶材材料的充分利用，不但造成材料浪费，还会增加企业的成本负担，由于靶材材料的利用率低，势必要频繁地更换靶材，而频繁更换靶材会缩短设备的维护周期，进而影响设备的产能。现有技术中物理气相沉积技术中也存在类似的问题，CN102251221A公开了一种靶材包括至少两个可被独立拆装的环形或圆形靶材模块，各个所述靶材模块之间设置有绝缘层，以解决上述问题。但是若直接将CN102251221A的靶材模块用于PLD设备，会存在以下问题：首先，靶材被靶托固定，成一定角度倾斜放置，CN102251221A的靶材模块无法被现有靶托固定；其次，圆环形消耗不一定位于一个环形靶材模块上，若不在一个环形靶材模块上，同样需要对整个靶材进行更换。

发明内容

本发明提出了一种应用于多脉冲激光共沉积的靶材，能够实现两种以上材料的共沉积且其具有较高的材料利用率，从而能够有效节约成本和工艺流程。

实现本发明的技术方案是：

一种应用于多脉冲激光共沉积的靶材，包括可被独立拆装的圆形靶材模块和环形靶材模块，所述圆形靶材模块置于环形靶材模块中间固定成圆形靶材，圆形靶材模块和环形靶材模块的侧壁设有贯通孔，贯通孔内设有贯通柱，贯通柱的两端露出设置。

所述靶材与靶托配合设置，靶材置于靶托上设置的圆形凹槽内，贯通柱的长度等于圆形凹槽的内直径。为了便于靶材安装，组合后的圆形靶材直径小于靶托的内直径。

其中环形陶瓷靶材模块的内径大于等于圆形陶瓷靶材模块的直径，优选地，多个环形陶瓷靶材模块的环宽相同，且内径依次递增，其内外径尺寸满足多个环形靶材的嵌套关系。

所述圆形靶材模块设置为一个，环形靶材模块设置为一个或多个，圆形靶材模块和环形靶材模块之间或两个环形靶材模块之间设有环形隔离模块，环形隔离模块的设置避免了共沉积过程中对靶材的污染，环形隔离模块的侧壁上设有贯通孔。

所述位于1/2靶材厚度以下的位置，这样能够防止贯通孔过早暴露而造成靶材的报废。

所述贯通柱两端部均记为零刻度线，中间为最大刻度线。

所述环形隔离模块的材质为不锈钢。

贯通柱的材料优选为陶瓷或不锈钢。

所述圆形靶材模块和环形靶材模块为两种或两种以上的陶瓷材料制备。

本发明的有益效果是：

（1）本发明所提供的靶材结构，包括至少两个可被独立拆装的靶材模块，且该结构与现有的PLD靶托配合使用，解决了多部分可组装靶材在PLD设备中的脱落问题，这样，当某一个靶材模块随着工艺的进行己经消耗至需要更换的程度时，可以仅对该靶材模块进行更换，而其它的靶材模块则可被继续使用。因此，本发明所提供的PLD靶材具有较高的材料利用率，从而有效节约生产成本。

（2）本发明所提供的靶材结构与靶材盖板相互配合，能够实现靶材的精准定位，使靶材的圆心与靶托的圆心重合，为实现共沉积提供了可能；若两者不重合，靶材自传后减少形成的环形溅射区域不能保证位于一个独立的靶材模块上，这样共溅射的某些过程会缺少溅射元素，会使共溅射的过程变的不可控。

（3）此外，本发明所提供的靶材结构，当靶材的圆心与靶托的圆心重合时，利用不同的激光，同时聚焦于不同的靶材模块，靶材模块的材料不同，实现了PLD的共沉积，在共溅射的过程中，起辉位置位于同一靶材上，不同材料羽辉间接触机会增多，增加了不同材料以等离子态接触和反应的机会，这样同时形成由多种靶材模块的材料构成的一层薄膜层会更加的均匀。本发明所提供的靶材结构各个靶材模块之间设置有隔离模块，隔离模块的设置能够防止共沉积过程中对不同靶材区域的交叉污染。本发明的靶材利用贯通柱防止靶材脱落能够实现多个靶材模块以水平任意角度设置于腔室内，特别的本发明的靶材于衬底能够在竖直方向上相对设置，靶材能够与水平面平行且待轰击面朝下，待沉积衬底在靶材下方且水平设置，待沉积面朝上，这种设置方式，可以是轰击处的余辉在重力的作用下集中在沉积上，减少了溅射过程中对腔室的污染。此外，在本发明提供的靶材结构，还能够将各个靶材模块设置成不同的材料，并利用一束脉冲激光依次聚焦于各个靶材模块进行独立沉积，以便在基片表面依次形成不同的膜层。因此，应用本发明提供的靶材能够在同一工艺腔室内完成不同组分的薄膜淀积工艺，并可根据工艺的需要实现新的工艺流程，从而有效提高生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的脉冲沉积设备；

图2为现有的PLD靶托固定靶材的方式；

图3为本发明的靶材结构；

图4为本发明靶材的安装方法示意图；

图5为靶材盖板的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图3所示，一种应用于多脉冲激光共沉积的靶材，其设置于多脉冲激光沉积（PLD）的工艺腔室内，包括可被独立拆装的一个圆形靶材模块101和一个或多个环形靶材模块102，所述圆形靶材模块101置于环形靶材模块102中间固定成圆形靶材，圆形靶材模块101和环形靶材模块102的侧壁设有贯通孔103，贯通孔103内设有贯通柱104，贯通柱104穿过贯通孔103将一个圆形靶材模块101和多个圆环形靶材模块102固定成圆形靶材，贯通柱104的两端露出设置。所述靶材与靶托配合设置，靶材置于靶托上设置的圆形凹槽内，贯通柱104的长度等于圆形凹槽的内直径。

实施例2

如图3所示，一种应用于多脉冲激光共沉积的靶材，圆形靶材模块101和环形靶材模块102之间或两个环形靶材模块102之间设有环形隔离模块105，环形隔离模块105的材料为不锈钢，环形隔离模块105的侧壁上设有贯通孔103，环形隔离模块105的设置避免了共沉积过程中对靶材污染。贯通孔103位于1/2靶材厚度以下的位置，贯通柱104的两端的刻度均记为零刻度线，中间为最大刻度线。为了两种以上材料的共沉积，圆形靶材模块101与圆环形靶材模块102为两种以上陶瓷材料制备，贯通柱104的材料优选为陶瓷或不锈钢。

其余结构同实施例1。

实施例3

如图4所示，适用于实施例1或实施例2的靶托，包含靶材托底201和靶材盖板202（图5），其中靶材托底201周围具有凸起的周垣203和中间圆形凹槽，周垣203上设置有多个螺孔204，靶材盖板202为环形，其环的外径等于靶材托底201的外径，环的宽度大于周垣203的宽度，环的内径小于靶材的外径。靶材盖板202中间镂空部分207用于暴露靶材为激光轰击区域，靶材盖板202上还具有两个相对设置的调节区206，调节区206用于暴露贯通柱104的两端部和/或部分靶材的外侧，便于对靶材的位置进行调节。

其中，靶材托底201和靶材盖板202的材料为不锈钢。

实施例4

一种应用于脉冲激光共沉积的靶材的安装方法，如图3和4所示，步骤如下：

步骤1，将可被独立拆装的一个圆形靶材模块101和一个或多个圆环形靶材模块102和环形隔离模块105组合成圆形靶材，其中圆形靶材模块101和一个或多个圆环形靶材模块102和环形隔离模块侧壁的贯通孔103对齐；

步骤2，贯通柱104穿过圆形靶材模块101和圆环形靶材模块102的贯通孔103，使组合后的靶材一体化，贯通柱104的两端暴露出刻度线；

步骤3，将组合后插入了贯通柱104的靶材放入到靶材托底201的圆形凹槽中，盖上靶材盖板202；

步骤4，将靶材盖板的螺孔与靶托周垣的螺孔对齐后，且使靶材盖板202上的调节区206暴露出贯通柱104的两端部和部分靶材的外侧，利用螺母预固定，此时螺母并未拧紧；

步骤5，调节靶材的位置，使靶材的圆心与圆形凹槽的圆心重合，此时，贯通柱104两端部暴露出的刻度值相同，然后将螺母拧紧，实现靶材的固定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于多脉冲激光共沉积的靶材，包括可被独立拆装的圆形靶材模块（101）和环形靶材模块（102），其特征在于：所述圆形靶材模块（101）置于环形靶材模块（102）中间固定成圆形靶材，圆形靶材模块（101）和环形靶材模块（102）的侧壁设有贯通孔（103），贯通孔（103）内设有贯通柱（104），贯通柱（104）的两端露出设置。

2.根据权利要求1所述的应用于多脉冲激光共沉积的靶材，其特征在于：所述靶材与靶托配合设置，靶材置于靶托上设置的圆形凹槽内，贯通柱（104）的长度等于圆形凹槽的内直径。

3.根据权利要求1所述的应用于多脉冲激光共沉积的靶材，其特征在于：所述圆形靶材模块（101）设置为一个，环形靶材模块（102）设置为一个或多个，圆形靶材模块（101）和环形靶材模块（102）之间或两个环形靶材模块（102）之间设有环形隔离模块（105），环形隔离模块（105）的侧壁上设有贯通孔（103）。

4.根据权利要求1所述的应用于多脉冲激光共沉积的靶材，其特征在于：所述（103）位于1/2靶材厚度以下的位置。

5.根据权利要求1所述的应用于多脉冲激光共沉积的靶材，其特征在于：所述贯通柱（104）两端部均记为零刻度线，中间为最大刻度线。

6.根据权利要求3所述的应用于多脉冲激光共沉积的靶材，其特征在于：所述环形隔离模块（105）的材质为不锈钢。

7.根据权利要求1-6任一项所述的应用于多脉冲激光共沉积的靶材，其特征在于：所述圆形靶材模块（101）和环形靶材模块（102）为两种或两种以上的陶瓷材料制备。

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