CN113614275B - 用于沉积金属氮化物的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

通过以下步骤来在工件上形成包括金属氮化物层的结构：在将所述工件安置在包括金属靶的腔室中之前，通过将氮气及惰性气体以第一流率比流动到所述腔室中，及在所述腔室中点燃等离子体，来预调节所述腔室；在所述预调节步骤之后将所述腔室排气；在所述预调节步骤之后将所述工件安置在所述腔室中的工件支撑件上；及通过将氮气及所述惰性气体以第二流率比流动到所述腔室中，及在所述腔室中点燃等离子体，来在所述腔室中的所述工件上执行金属氮化物层的物理气相沉积。所述第二流率比小于所述第一流率比。

Description

用于沉积金属氮化物的方法及装置
技术领域
本揭示内容涉及用于处理工件以沉积金属氮化物(特别是适合作为超导材料的金属氮化物)的反应器。
背景技术
在超导电性的背景脉络下，临界温度(TC)指的是一种温度，低于该温度，材料变得超导。氮化铌(NbN)是可以用于超导应用(例如用于量子信息处理、CMOS中的缺陷分析、LIDAR等等的超导纳米线单光子检测器(SNSPD))的材料。氮化铌的临界温度取决于材料的结晶结构及原子比。例如，参照图1，立方δ相的NbN由于其相对“高”的临界温度(例如9.7-16.5K)而具有一些优点。
可以通过物理气相沉积(PVD)将氮化铌沉积于工件上。例如，可以在存在氮气的情况下使用铌靶来执行溅射操作。可以通过在容纳靶及工件的反应器腔室中诱发等离子体来执行溅射。
发明内容
在一个方面中，一种在工件上形成包括金属氮化物层的结构的方法包括：在将该工件安置在包括金属靶的腔室中之前，通过将氮气及惰性气体以第一流率比流动到该腔室中，及在该腔室中点燃等离子体，来预调节该腔室；在该预调节步骤之后将该腔室排气；在该预调节步骤之后将该工件安置在该腔室中的工件支撑件上；及通过将氮气及该惰性气体以第二流率比流动到该腔室中，及在该腔室中点燃等离子体，来在该腔室中的该工件上执行金属氮化物层的物理气相沉积。该第二流率比小于该第一流率比。
在另一个方面中，一种物理气相沉积系统包括：腔室壁，形成腔室；支撑件，用来将工件固持在该腔室中；真空泵，用来将该腔室排气；气体供应器，用来向该腔室输送氮气及惰性气体；电极，用来支撑金属靶；电源，用来向该电极施加电力；及控制器。该控制器被配置为：在将上面要沉积金属氮化物层的工件安置在该腔室中之前，使该气体源将氮气及该惰性气体以第一流率比流动到该腔室中，并使该电源施加足以在该腔室中点燃等离子体的电力，以预调节该腔室；及在将该工件安置在该腔室中之后，使该气体源将氮气及该惰性气体以第二流率比流动到该腔室中，并使该电源施加足以在该腔室中点燃等离子体的电力，以通过物理气相沉积在该工件上沉积金属氮化物层。该第二流率比小于该第一流率比。
在另一个方面中，一种用于制造具有金属氮化物层的器件的群集工具包括：装载锁定腔室，用来接收固持工件的输送盒；中央真空腔室；多个沉积腔室，以群集阵形围绕该中央真空腔室布置且耦接到该中央真空腔室；机器人，用来在该真空腔室与该装载锁定腔室和多个沉积腔室之间搬运工件；及控制器。该多个沉积腔室包括具有第一靶的第一沉积腔室、具有第二靶的第二沉积腔室、及具有第三靶的第三沉积腔室。该控制器被配置为：使该机器人将该基板搬运到该第一沉积腔室，及使该第一沉积腔室在该工件上沉积缓冲层；使该机器人将该基板从该第一沉积腔室搬运到该第二沉积腔室，及使该第二沉积腔室在该缓冲层上沉积在超过8K的温度下适合用作超导体的金属氮化物层；及使该机器人将该基板从该第二沉积腔室搬运到该第三沉积腔室，及使该第三沉积腔室在该金属氮化物层上沉积覆盖层。
在另一个方面中，一种物理气相沉积系统包括：腔室壁，形成腔室；第一靶支撑件，用来固持第一靶；第二靶支撑件，用来固持第二靶；及第三靶支撑件，用来固持第三靶；可动屏蔽物，定位在该腔室中且具有通过该可动屏蔽物的开口；致动器，用来移动该屏蔽物；工件支撑件，用来将工件固持在该腔室的下部中；真空泵，用来将该腔室排气；气体供应器，用来向该腔室输送氮气及惰性气体；电源，用来选择性地向该第一靶、该第二靶或该第三靶施加电力；及控制器。该控制器被配置为：使该致动器移动该屏蔽物以将该开口定位成与该第一靶相邻；使该气体源将第一气体流动到该腔室中；及使该电源施加足以在该腔室中点燃等离子体的电力，以造成在该工件支撑件上的该工件上沉积第一材料的缓冲层；使该致动器移动该屏蔽物以将该开口定位成与该第二靶相邻；使该气体源将第二气体流动到该腔室中；及使该电源施加足以在该腔室中点燃等离子体的电力以造成在该缓冲层上沉积第二材料的器件层，该第二材料是在超过8K的温度下适合用作超导体的金属氮化物，该第一材料的组成与该第二材料不同；使该致动器移动该屏蔽物以将该开口定位成与该第三靶相邻；使该气体源将第三气体流动到该腔室中；及使该电源施加足以在该腔室中点燃等离子体的电力以造成在该器件层上沉积第三材料的覆盖层，该第三材料的组成与该第一材料及该第二材料不同。
这些方面可以包括以下特征中的一或更多者。
金属靶可以包括铌或铌合金。金属氮化物层可以包括氮化铌或铌合金氮化物。金属靶可以实质上是纯的铌，且金属氮化物层可以实质上是纯的氮化铌。金属氮化物层可以是δ相NbN。等离子体可以溅射金属靶的金属。
第二流率比可以比第一流率比小2-30％。第一流率比可以是4:100到1:1，而第二流率比可以是3:100到48:52。可以将腔室排气到低于10-8托的压力。
预调节可以包括将挡板盘安置在基板支撑件上。机器人被配置为将挡板盘定位到腔室中以用于腔室的预调节。预调节可以包括将挡板盘加热到一温度，且执行物理气相沉积可以包括将工件加热到相同的温度。该温度可以是200-500℃。在预调节时点燃等离子体的步骤及在沉积时点燃等离子体的步骤可以使用相同的功率水平。
可以用光学传感器来测量等离子体中的氮离子浓度。可以响应于由传感器所测量到的氮离子浓度，调整氮气及/或惰性气体的流率，以使氮离子浓度达到所需的浓度。传感器定位在腔室外部，且其中腔室壁包括窗口以为传感器提供通往腔室的光学通路。
溅射屏蔽物可以定位在腔室中。溅射屏蔽物可以具有开口以为传感器提供对等离子体的清晰视线。
可以在形成金属氮化物层之前将缓冲层形成于工件上。可以将金属氮化物层直接沉积在缓冲层上。缓冲层可以是与靶的金属不同的金属的金属氮化物。缓冲层可以是氮化铝。
可以将覆盖层形成于金属氮化物层上。覆盖层可以包括碳、硅、与靶的金属不同的金属、或与靶的金属不同的材料的氮化物。覆盖层可以是碳、氮化硅或氮化钛。
第一靶可以是第二靶的金属以外的金属。第一气体可以包括氮气。第二靶可以包括铌。第二气体可以包括氮气。第三靶可以包括碳、硅、或第二靶的金属以外的金属。
屏蔽物可以是可旋转的，且可以将致动器配置为旋转屏蔽物。
一些实施方式可以提供以下优点中的一或更多者。工艺容许可靠地或稳定地沉积具有高临界温度的高品质NbN。这容许制造在较高温度下操作的器件(例如SNSPD)，因此使得此类器件更实用。器件可以被制造为具有较高的量子效率及低的暗电流。器件也可以被制造为具有减少的定时抖动及较快的检测响应。可以通过单个工具来沉积缓冲层、超导膜、及覆盖层而不需从真空移除工件。这可以显著改善工艺稳定性及可制造性，及减少污染(例如氧化)的风险，这也有助于保留高的临界温度。
一或更多个实施方式的细节被阐述在附图及以下的说明中。其他潜在的特征、方面及优点将由说明书、附图及权利要求书而变得显而易见。
附图说明
图1是绘示氮化铌的相与处理温度及原子百分比氮的关系的图。
图2是用来沉积金属氮化物的反应器的示意截面侧视图。
图3是绘示靶上的电压与氮气流量及针对各种氮气流量值所测量到的临界温度的关系图。
图4是用于沉积金属氮化物的工艺的流程图。
图5是器件的示意截面图，该器件包括在操作期间用作超导材料的金属氮化物层。
图6是用于制造器件的工艺的流程图，该器件包括用作超导材料的金属氮化物层。
图7是用来沉积种晶层、金属氮化物及覆盖层的群集工具的示意俯视图。
图8是用来沉积不同组成的多个层的处理腔室的示意侧视图。
图9是图8的处理腔室的示意俯视图。
各种附图中的类似的附图标记及符号指示类似的构件。
具体实施方式
如上所述，氮化铌(特别是δ相NbN)作为超导材料具有一些优点。然而，可能难以用令人满意的品质沉积δ相NbN。例如，可能需要高度真空(10-9托或更低)以及高迁移率的物种(高温、高尖峰功率、及脉冲式DC的低占空比)。虽然半导体级沉积工具可以提供良好的均匀性，但它们一般被配置为用于最低为约10-8托的真空。然而，增加的泵容量及用于较小原子量的气体(例如水蒸气)的额外捕集器可以改善真空性能。
另一个问题是，(超)导电层下方的缓冲层(例如氮化铝(AlN)层)可以帮助改善金属氮化物层的临界温度。类似地，(超)导电层上方的覆盖层(例如碳层或氮化硅层)可以帮助保护金属氮化物层，例如以防止氧化。覆盖层及缓冲层一般会由单独的沉积工具提供。不幸地，从用于沉积金属氮化物的工具移除工件可能造成污染或氧化，因此降低了临界温度。然而，可以将群集工具配置为具有多个腔室，这些腔室中的每一者均可以沉积一个层而不需从真空环境移除工件，或可以将单个腔室配置为沉积层中的每一者，由此避免移除工件的需要。
又另一个问题是，即使在良好的沉积条件下，可靠地沉积具有尽可能高的临界温度的膜也可能是困难的。然而，已经发现，为氮含量的函数的氮化铌的临界温度展现了滞后效应；取决于氮含量是否升高或降低，可以获得不同的临界温度。通过在工件上沉积层之前使用氮气来执行腔室的预调节，工艺可以遵循此滞后效应的更有利的曲线。其结果是，可以更可靠地获得较高的临界温度。
沉积系统
现参照图2，物理气相沉积(PVD)反应器100包括真空腔室110。腔室110由腔室壁所包封，这些腔室壁包括侧壁112、底板114及顶壁116。工件支撑件120(例如托座或承载器)可以定位在腔室110内部。工件支撑件120具有顶表面120a以将工件10支撑在腔室110内部。支撑件120可以在底板114上方升高。
在一些实施方式中，温度控制系统可以控制支撑件120的温度。例如，温度控制系统可以包括电阻式加热器及电源，该电阻式加热器嵌入在工件支撑件120的表面120a中或安置在该表面上，该电源电耦接到该加热器。替代性或附加性地，可以将冷却剂通道形成于工件支撑件120中，且来自冷却剂供应器的冷却剂可以流动(例如泵送)通过这些通道。
在一些实施方式中，工件支撑件120的垂直位置是可调整的，例如通过垂直致动器而可调整。
开口118(例如狭缝阀)可以形成于腔室110的壁中。终端受动器(未示出)可以延伸通过开口118以将基板10安置到升降销(未示出)上以将基板降下到工件支撑件120的支撑面120a上。
在一些实施方式中，支撑件120或支撑件内的导电电极121(参见图8)接地。或者，可以使用外部电源136(参见图8)(例如DC或RF电源)来向支撑件120或支撑件120内的导电电极121施加偏压电压或RF电力，且因此向工件10施加偏压电压或RF电力。可选地，电源136可以通过RF匹配网络137耦接到电极121(参见图8)。
可以将溅射屏蔽物126定位在腔室110内部以防止材料溅射到腔室侧壁112上。
电极130形成顶壁116的一部分，且可以由电极130支撑靶140。电极130电耦接到电源132。可以将电源132配置为施加脉冲式DC电压。电源132可以通过RF匹配网络133耦接到电极10。所施加的功率可以是500W到20kW，电压可以是200V到600V，频率可以是50kHz到250kHz，而占空比可以是60-100％。
靶140是由金属所形成的主体(例如盘)，要从该主体沉积金属氮化物。在安装时，靶可以实质上是纯的金属，例如实质纯铌的主体。然而，在处理期间，氮可以与靶的表面起反应，从而形成金属氮化物的表面层。
真空泵150耦接到腔室110，例如通过在工件支撑件120下方的区域中(例如底板112中)具有开口的通路耦接，以将腔室110排气。真空泵的示例包括具有节流阀或隔离阀的排气泵、由机械泵支援的低温泵及涡轮泵。虽然图2绘示单个真空泵，但在一些实施方式中，也可以使用多个泵来增大真空水平。一或更多个真空泵150的组件可以使腔室降低到小于8x10-9托的真空。真空泵150可以在升高的沉积温度下维持小于50纳托/分钟的上升速率。
冷凝板152可以位于将腔室110连接到真空泵150的通路中。冷凝板152提供了通路的表面或定位在通路中的表面，该表面冷却到足以使得水冷凝在板152上。因此，冷凝板152用来捕捉捕集的水蒸气以及可以冷凝的其他较低重量的分子，因此防止此类气体形成等离子体的一部分且减少金属氮化物膜中的杂质。
气体源160流体耦接到腔室110。气体源160包括氮气(N2)的来源162及惰性气体(例如氩气或氦气)的来源164。可以通过可独立控制的阀166及质量流量控制器来控制氮气及惰性气体的流率，且因此控制流率的比率。虽然图2绘示进入腔室的单独通路，但气体也可以在进入腔室110之前混合，且也可以使用更复杂的气体分配装置(例如气体分配板或淋喷头、穿过侧壁的径向通路的阵列等等)来将气体分配到腔室110中。
通过电源132用适当的频率及功率向电极130施加电力可以在腔室110中点燃等离子体111。特别地，可以经由电极130向溅射靶140施加脉冲式DC偏压，而工件支撑件120可以电浮动。腔室110中生成的电场离子化溅射气体以形成溅射靶140的溅射等离子体111，从而致使材料沉积在工件10上。等离子体111一般通过施加100瓦与20千瓦之间(例如1-5千瓦)的DC功率水平来产生。电源132可以供应50kHz到250KHz(例如200kHz)的频率的DC脉冲。脉冲的占空比可以是50-100％，例如50-70％或60-100％。
在一些实施方式中，磁体组件170定位在腔室110外部，例如顶壁116上方。磁体组件170可以帮助约束等离子体中的离子及增加基板10上的离子能量。
控制器190(例如具有处理器、存储器及用来储存计算机程序的非瞬态储存介质的可编程的通用计算机)可以耦接到各种部件以控制处理系统100。
可以使用光学发射传感器180来在沉积期间监测等离子体浓度及/或监测气体组成。传感器180可以定位在腔室110外部，但安置在通过腔室的壁(例如侧壁112)的窗口182附近，以查看等离子体111。如果必要的话，可以将孔184形成于屏蔽物126中以将对等离子体111的清晰视线提供给传感器180。光学发射传感器180可以测量等离子体111中的氮离子浓度。在一些实施方式中，光学发射传感器180也可以测量等离子体111中的惰性气体离子浓度。光学发射传感器180可以向控制器190提供这些测量值。
可以将控制器190配置为控制气体源160以响应于测量到的离子浓度而调整氮气及/或惰性气体的流率。例如，控制器190可以用反馈回路操作以控制气体流率，以使氮离子分压达到所需的分压，或使氮离子浓度达到所需的浓度。也可以将控制器190配置为控制气体源160的气体流率以在靶140的表面上维持稳定的等离子体及/或实现所需的条件。
氮化铌的沉积
可以采用工件处理工具100来执行工件上的氮化铌(特别是δ相NbN)的沉积。在一个示例中，工件110包括缓冲层(例如氮化铝)，氮化铌要沉积到该缓冲层上。
图3绘示靶上的电压与氮气流量的关系。向靶施加固定的脉冲式DC电力。相对于接地测量靶的电势。此电势将根据靶的溅射产率及等离子体中的离子浓度而改变。一般而言，靶电压可以是临界温度的代表值(stand-in value)，虽然不是线性关系。
一般而言，较高品质的膜将也展现较高的临界温度。如上所述，已经发现，为氮含量的函数的氮化铌的临界温度展现滞后效应。仍参照图3，若针对相继的工件增大氮气流率，则靶电压遵循曲线202。相信在腔室中存在充足的N2而在靶表面上形成NbN的薄层时，铌靶的表面从金属模式变成“毒化”模式。相比之下，若针对相继的工件减小氮气流率，则靶电压遵循曲线204。再次地，相信随着N2分压减少，靶开始变得“去毒化”且切换回金属模式。
对于两条曲线202、204而言，靶电压刚好在突然下降之前具有最大值。相信这是因为富铌的氮化铌(NbN)膜一般在靶处于金属模式时形成，而具有良好计量比及所需立方相的NbN膜一般在靶处于毒化模式时形成。
然而，若流率相继减小(曲线204)，则靶电压的下降发生在较低的氮气流率下。这可能指示，铌靶去毒化时的分压比铌靶变得毒化时的分压低。
此外，若流率相继减小，则与流率相继增大(曲线202)时相比，靶电压实际上达到了较高的值(指示于206处)。并且，在这些流率下沉积的氮化铌的临界温度的测量值证实，与先前的工艺相比，若氮气流率减小而不是增大，则可以实现较高的临界温度。
可以利用此滞后效应。详细而言，通过在工件上沉积层之前使用氮气来执行腔室的预调节，工艺可以遵循此滞后效应的更有利的曲线。其结果是，可以更可靠地获得较高的临界温度。
参照图2及4，用于制造金属氮化物层的工艺260开始于预调节腔室110(步骤262)。将腔室110排气。可以将挡板盘(例如相较于工件具有大约相同的直径但较厚的金属盘)安置在支撑件120上(上面要沉积层的工件不存在于腔室110中)。气体分配组件160向腔室110供应氮气。
气体分配组件160也可以向腔室100供应惰性气体(例如氩气或氦气)。惰性气体可以用来稀释氮气；这可以增加等离子体密度。气体分配组件160可以建立2到20毫托的总压力(氮气及惰性气体)。在此预调节步骤中，用第一流率(例如15到40sccm，例如20sccm)供应氮气。可以用氮气与惰性气体的第一比率(4:100到1:4，例如4:100到1:1，例如2:1到1:1)(该比率可以是用sccm为单位的流率的比率)供应氮气及惰性气体。例如如上所述地向电极130施加电力，以诱发等离子体111。
可以在例如200-500℃的温度下用挡板盘实现此调节工艺。预调节工艺可以进行例如60-300秒。
在预调节之后，再次将腔室排气(例如抽空到10-9托)，移除虚设基板，且将工件安置到腔室110中及安置到支撑件120上。
现在，可以通过物理气相沉积工艺将金属氮化物形成于工件上(步骤264)。气体分配组件160向腔室110供应氮气，且例如如上所述地向电极130施加电力以诱发等离子体111。电源132可以在沉积期间施加与预调节相同的RF电力、频率及占空比。
在沉积步骤中，以比第一流率低的第二流率供应氮气，而惰性气体的流率保持与预调节步骤相同。例如，氮气的第二流率可以低至少2％，例如低至少10％。例如，第二流率可以低2-30％，例如低10-30％。例如，第二流率可以为15-18sccm。
或者，氮气的流率可以保持恒定，但惰性气体的流率可以增加。
在沉积步骤中，可以用氮气与惰性气体的第二比率(例如3:100到1:6，例如3:100到45:52，例如1.5:1到1:3)(该比率可以是用sccm为单位的流率的比率)供应氮气及惰性气体。第二比率可以比第一比率低，例如低至少2％，例如低至少10％。例如，第二比率可以低2-30％，例如低10-30％。
可以在例如200-500℃的温度下用工件实现此物理气相沉积工艺。可以用与预调节工艺中的挡板盘相同的温度处理工件。该沉积工艺可以进行例如10-600秒。
用适当的频率及占空比向电极130施加电力将在腔室110中点燃等离子体。等离子体将致使材料从靶130溅射到工件10上。由于等离子体中存在氮，因此氮与金属的组合(例如氮化铌)沉积到工件上。预调节工艺可以允许从沉积工艺的开始到结束沉积正确的化学计量及晶体品质的NbN。
用于物理气相沉积以形成δ相NbN的适当处理条件应大约是在上文所论述的范围中，然而工艺腔室配置等等的差异可能造成变化。如果必要的话，可以凭经验确定适当的工艺条件。
最后，再次将腔室110排气，及移除工件。
虽然以上论述聚焦于氮化铌，但这些技术也可以适用于其他的金属氮化物，例如铌与另一种金属的混合物的氮化物，例如NbTiN。
多层器件
图5是器件220中的一些层的示意说明，该器件包括用作超导材料的金属氮化物层226。器件220可以是超导纳米线单光子检测器(SNSPD)、超导量子干涉器件(SQUID)、量子计算机中的电路等等。图6是制造层的方法的流程图。
起初，可以将缓冲层224沉积于基板222上(步骤250)。基板可以例如是硅晶片。虽然绘示为单个块体，但基板222可以包括多个下层。
缓冲层224可以是用来帮助改善金属氮化物的临界温度(特别是在金属氮化物层较薄的时候)的材料。替代性或附加性地，缓冲层224可以改善金属氮化物层226与基板222之间的粘着。在器件200的操作温度下，缓冲层224可以是介电或导电的但不是超导的。在一些实施方式中，缓冲层224由与用于层226的金属氮化物不同的金属氮化物形成。例如，缓冲层224可以由氮化铝(AlN)、氮化铪(HfN)、氮化镓(GaN)或氮化铟(InN)形成。或者，缓冲层224可以由碳化物(例如碳化硅)形成。缓冲层可以具有(002)c轴晶体定向。可以通过标准的化学气相沉积或物理气相沉积工艺来沉积缓冲层224。
接下来，将金属氮化物层226沉积于缓冲层上(步骤260)。可以使用上文所论述的两步骤工艺260及系统100来沉积金属氮化物层226。
在沉积金属氮化物层226之后，可以将覆盖层228沉积在金属氮化物层226上(步骤270)。覆盖层228充当保护层，例如以防止金属氮化物层226氧化或其他类型的污染或损伤。在器件200的操作温度下，覆盖层228可以是介电或导电的但不是超导的。在一些实施方式中，覆盖层228是与用于层226的金属氮化物的金属不同的材料的氮化物。在一些实施方式中，覆盖层228是与用于层226的金属氮化物的金属不同的金属。用于覆盖层228的材料的示例包括碳、硅、氮化钛(TiN)及氮化硅(SiN)。可以通过标准的化学气相沉积或物理气相沉积工艺来沉积缓冲层224。
可以使用蚀刻来形成至少通过金属氮化物层226的沟槽230，以形成导线或器件所需的其他结构(步骤280)。虽然图4将沟槽绘示为延伸通过缓冲层224、金属氮化物层226及覆盖层228，但其他的配置也是可能的。例如，若缓冲层224及覆盖层228都是介电的，则蚀刻可以仅延伸通过金属氮化物层226。在此情况下，可以在沉积覆盖层的步骤270之前执行蚀刻步骤280。其结果是，覆盖层228可以直接接触金属氮化物岛状物之间的区域中的缓冲层224。例如，若缓冲层224及覆盖层228都是介电的，则蚀刻可以仅延伸通过金属氮化物层226。举另一个例子，蚀刻可以延伸通过金属氮化物层226及缓冲层224或覆盖层228(但非两者)。
用于多层制造的工具
如上所述，从用于沉积的工具移除工件可能造成污染或氧化，因此降低了临界温度。
避免此问题的一个技术是使用具有多个腔室的群集工具，这些腔室中的每一者均可以沉积一个层而不需要从真空环境移除工件。图7是用来沉积缓冲层、金属氮化物层及覆盖层的群集工具300的示意俯视图。群集工具300包括一或更多个中央真空腔室310、用来接收固持工件的输送盒的一或更多个工厂界面单元315、及一或更多个机器人320，该一或更多个机器人用来从工厂界面单元315向其他处理腔室传输工件、在处理腔室之间传输工件、及从处理腔室将工件传输回工厂界面单元315。
群集工具300的处理腔室包括用于沉积缓冲层(例如用于沉积氮化铝(AlN))的一或更多个物理气相沉积腔室325、用于沉积金属氮化物层的一或更多个物理气相沉积腔室(例如如上所述的物理气相沉积腔室100)、及用于沉积覆盖层(例如用于沉积碳层)的一或更多个物理气相沉积腔室330。可以由适当的狭缝阀分离腔室。可以由控制器350(例如通用可编程计算机)控制群集工具300。
避免需要从真空移除工件的另一个技术是在单个腔室中沉积层中的每一者。图8是用来沉积不同组成的多个层的物理气相沉积反应器400的示意侧视图。例如，可以使用物理气相沉积反应器400来沉积缓冲层、金属氮化物层及覆盖层。图9是物理气相沉积反应器400的俯视图(可以将图8视为沿着图9中的截线8-8)。
物理气相沉积反应器400用与物理气相沉积反应器100类似的方式建构，但包括三个单独的靶140a、140b、140c(若其他的层需要，则可以存在额外的靶)。可以将这些靶支撑在反应器400的腔室110的顶壁116上。每个靶均被支撑在相应的电极130a-130c上。不同的电极130a-130c可以耦接到共同的电源132、或耦接到不同的电源132。
可旋转屏蔽物410定位在腔室110内部，且由所有电极130共用。屏蔽物410可以通过轴杆420从顶壁116悬挂，而该轴杆可以通过致动器422围绕垂直轴线426旋转(由箭头A所示)。在一些实施方式中，致动器422也可以垂直移动屏蔽物410(由箭头B所示)。
可旋转屏蔽物410可具有孔洞412以暴露对应的靶。屏蔽物410有利地限制或消除了多个靶140a-140c之间的交叉污染。可旋转屏蔽物410也可以具有用于未正在溅射的每个靶的凹部414。例如，在一些实施例中，若提供三个电极130，则屏蔽物410可以包括一孔洞412及两个凹部414，该孔洞用来一次暴露一个靶，这些凹部用来收容未正在溅射的靶。通过旋转屏蔽物410，可以暴露及操作不同的靶。
在一些实施例中，物理气相沉积反应器400包括多个接地环430以提供屏蔽物116到顶壁116的改善的接地(例如在屏蔽物410处于回缩位置时)。
三个靶140a、140b、140c由不同的材料(例如待溅射以分别形成缓冲层、金属氮化物层及覆盖层的材料)形成。例如，第一靶140a可以由用于缓冲层的元素或化合物的非氮成分(例如金属)组成。例如，若缓冲层要由氮化铝形成，则第一靶140a可以是铝。第二靶140b可以是用于超导层的化合物的非氮成分(例如金属)。例如，若超导层要由氮化铌形成，则第二靶140a可以是铌。第三靶140c可以是覆盖层中所使用的元素或化合物的非氮成分，例如碳、硅或钛。
操作时，致动器422旋转屏蔽物410，使得孔412与第一靶140a对准，且其他靶被覆盖。真空泵150将腔室110排气，气体源160向腔室110供应溅射气体，而电源132向电极130a施加电力以在腔室中产生等离子体。等离子体可以引起第一靶140a的材料的溅射，造成将缓冲层物理气相沉积到基板10上。若适当，则气体源可以供应将与第一靶140a的材料形成化合物的氮气或另一种气体。例如，若要沉积氮化铝，则第一靶140a可以是铝，而气体源可以供应惰性气体(例如氩气)及氮气。若第一靶140a的材料要沉积为实质纯的元素，则气体可以仅包括惰性元素，例如氩或氙。
在缓冲层的沉积完成时，将腔室110排气，致动器422旋转屏蔽物410，使得开口412与第二靶140b对准，且另两个靶被覆盖。可以依据上述方法来沉积金属氮化物层的材料(例如氮化铌)。
在金属氮化物层的沉积完成时，将腔室110排气，致动器422旋转屏蔽物410，使得开口412与第三靶140c对准。可以用与上文针对缓冲层所描述的方式类似的方式来沉积覆盖层的材料。可以再次将腔室110排气，及例如通过机器人来移除工件。
控制器
控制器(例如控制器190及/或控制器150)可以用数字电子电路系统、或用计算机软件、固件或硬件、或用上述项目的组合来实施。控制器可以包括一或更多个处理器，例如控制器可以是分布式系统。一或更多个计算机程序产品(即有形地实施在机器可读取储存介质中的一或更多个计算机程序)可以由控制器(例如可编程处理器、计算机、或多个处理器或计算机)执行或控制该控制器的操作。可以用任何形式的编程语言(包括编译的或解译的语言)撰写计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、或代码)，且可以用任何形式部署该计算机程序(包括部署为独立程序或部署为模块、元件、子程序或适于用在计算环境中的其他单元)。计算机程序不一定与文件夹对应。可以将程序储存在容纳其他程序或数据的文件夹的一部分中、储存在专用于所讨论的程序的单个文件夹中、或储存在多个协同文件夹(例如储存一或更多个模块、子程序、或代码部分的文件夹)中。可以将计算机程序部署为在一个计算机上执行、或在位于一个场所处或跨多个场所分布且由通信网络互连的多个计算机上执行。
可以通过执行一或更多个计算机程序以通过对输入数据进行运算及产生输出来执行功能的一或更多个可编程处理器，来执行此说明书中所述的控制器的操作。也可以通过以下项目来执行控制器的操作，且也可以将装置实施为以下项目：专用逻辑电路系统(例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(特定用途集成电路))。
虽然已经描述了特定的实施方式，但也可以在不脱离此揭示内容的基本范围的情况下设计其他及另外的实施方式。可以预期，可以有益地将一个实施例的构件及特征并入其他实施例而不需另外详述。然而，要注意，附图仅绘示示例性实施例。本发明的范围是由随附的权利要求书确定的。

Claims (15)

1.一种在工件上形成包括金属氮化物层的结构的方法，所述方法包括：
在将所述工件安置在包括金属靶的腔室中之前，通过将氮气及惰性气体以第一流率比流动到所述腔室中，及在所述腔室中点燃等离子体，来预调节所述腔室；
在所述预调节步骤之后，将所述腔室排气；
在所述预调节步骤之后，将所述工件安置在所述腔室中的工件支撑件上；及
通过将氮气及所述惰性气体以第二流率比流动到所述腔室中，及在所述腔室中点燃等离子体，来在所述腔室中的所述工件上执行金属氮化物层的物理气相沉积，其中所述第二流率比小于所述第一流率比。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述金属靶包括铌或铌合金，且所述金属氮化物层包括氮化铌或铌合金氮化物。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第二流率比比所述第一流率比小2-30％。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一流率比为4:100到1:1，而所述第二流率比为3:100到48:52。
5.如权利要求1所述的方法，其中预调节所述腔室的步骤包括将挡板盘安置在所述基板支撑件上。
6.如权利要求5所述的方法，其中预调节步骤包括将所述挡板盘加热到一温度，且执行物理气相沉积的步骤包括将所述工件加热到相同的温度。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述温度为200-500℃。
8.如权利要求6所述的方法，其中在预调节时点燃等离子体的步骤及在沉积时点燃等离子体的步骤使用相同的功率水平。
9.一种物理气相沉积系统，包括：
腔室壁，形成腔室；
支撑件，用来将工件固持在所述腔室中；
真空泵，用来将所述腔室排气；
气体供应器，用来向所述腔室输送氮气及惰性气体；
电极，用来支撑金属靶；
电源，用来向所述电极施加电力；及
控制器，被配置为：
在将上面要沉积金属氮化物层的工件安置在所述腔室中之前，使所述气体源将氮气及所述惰性气体以第一流率比流动到所述腔室中，及使所述电源施加足以在所述腔室中点燃等离子体的电力，以预调节腔室；及
在将所述工件安置在所述腔室中之后，使所述气体源将氮气及所述惰性气体以第二流率比流动到所述腔室中，及使所述电源施加足以在所述腔室中点燃等离子体的电力，以通过物理气相沉积在所述工件上沉积金属氮化物层，其中所述第二流率比小于所述第一流率比。
10.如权利要求9所述的系统，包括光学传感器，用来至少测量所述腔室中的等离子体中的氮离子浓度。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述传感器定位在所述腔室外部，且其中所述腔室壁包括窗口以为所述传感器提供通往所述腔室的光学通路。
12.如权利要求11所述的系统，进一步包括溅射屏蔽物，所述溅射屏蔽物定位在所述腔室中，且其中所述屏蔽物具有开口以为所述传感器提供对所述等离子体的清晰视线。
13.如权利要求9所述的系统，其中所述第二流率比比所述第一流率比小2到30％。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述第一流率比为4:100到1:1，而所述第二流率比为3:100到48:52。
15.如权利要求9所述的系统，包括机器人，所述机器人被配置为将挡板盘定位到所述腔室中以用于对所述腔室进行所述预调节步骤。
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