CN114703455B - 组合薄膜制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种组合薄膜制备方法及装置，方法包括：在靶台上安装至少一个靶材，在基片台上安装基片；采用至少一个激光束轰击所述靶材以产生沉积物；控制所述激光束在扫描路径上的扫描速率以改变所述基片不同沉积区域的沉积时间，以此控制所述靶材的对应成分在所述基片不同沉积区域上的沉积物含量，在所述基片上形成厚度沿所述基片表面任一方向变化的薄膜。本发明提供的组合薄膜制备方法，通过精确控制激光束在扫描路径上的扫描速率，可以提高组合薄膜的厚度均匀性，保证不同沉积区域化学组分精细可控，进而提高薄膜性能。

Description

组合薄膜制备方法及装置
技术领域
本发明涉及薄膜沉积技术领域，特别涉及一种组合薄膜制备方法及装置。
背景技术
组合薄膜（Combinatorial films）是由不同组分构成的薄膜，通过对前驱材料的选取可获得具有各种功能的薄膜，例如超导、铁电、介电等拥有丰富相变的材料。因其材料相图丰富，应用前景广阔，也已成为业内关注的重点。现有技术中常采用组合激光分子束外延技术制备组合薄膜，组合激光分子束外延技术采用不同材料制成的靶材，通过准分子激光轰击相应的靶材，溅射出相应的前驱组分，从而使前驱组分沉积在基片上。通过依次对不同材料的靶材进行周期性溅射，使基片上形成组合薄膜。
现有技术中，通常通过掩膜控制激光束照射靶材形成的羽辉体与基片之间的沉积时间，来控制基片不同沉积区域的薄膜沉积。但采用这种方式沉积组合薄膜时，对于大尺寸的组合薄膜的沉积存在膜厚分布不均匀的情况。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种组合薄膜制备方法及装置，通过控制激光束在靶材表面的扫描路径上的扫描速率的变化情况，来控制基片不同沉积区域的沉积时间，进而精确控制薄膜厚度的生长情况，提高组合薄膜的厚度均匀性。
根据本发明的一方面，提供一种组合薄膜的制备方法，包括：在靶台上安装至少一个靶材，在基片台上安装基片；采用至少一个激光束轰击所述靶材以产生沉积物；控制所述激光束在扫描路径上的扫描速率以改变所述基片不同沉积区域的沉积时间，以此控制所述靶材的对应成分在所述基片不同沉积区域上的沉积物含量，在所述基片上形成厚度沿所述基片表面任一方向变化的薄膜。
可选地，控制所述激光束在扫描路径上的扫描速率以改变所述基片不同沉积区域的沉积时间的步骤之后还包括：更换靶材，重复上述沉积过程，从而在所述基片上形成多个不同的靶材的沉积物以获得组合薄膜。
可选地，所述靶台上安装有多个靶材，多个靶材分别对应所述基片的至少一部分沉积区域，相邻靶材之间通过掩模板相互隔离。
可选地，所述激光束的扫描路径对应所述基片的半径或直径时，控制所述激光束在所述扫描路径上的扫描速率逐渐增大和/或逐渐减小。
可选地，所述基片上沉积物的含量沿所述基片的半径或直径连续变化。
可选地，所述激光束的扫描路径对应所述基片的直径时，控制所述激光束在所述扫描路径上的扫描速率逐渐增大或逐渐减小。
可选地，所述基片沿中心旋转，以改变所述多个靶材对应的沉积区域。
可选地，所述基片沿中心旋转的运动规律包括运动方向和运动速度，所述运动方向包括：顺时针转动、逆时针转动；所述运动速度包括：匀速转动、非匀速转动。
可选地，所述激光束的扫描路径沿所述基片表面的至少一个方向。
可选地，所述激光束在所述扫描路径上的扫描速率的变化规律至少包括增大和减小中的一个。
可选地，所述至少一个激光束包括多个激光束，在所述多个靶材中的相应靶材处于与所述基片相对的溅射位置的情形下，所述多个激光束交替轰击或同时轰击所述相应靶材。
根据本发明的另一方面，提供一种组合薄膜制备设备，包括：反应腔，以及位于所述反应腔内的靶台和基片台，所述靶台上用于安装靶材，所述基片台用于安装基片，其中，通过控制激光束在扫描路径上的扫描速率以改变所述基片不同沉积区域的沉积时间，以此控制所述靶材对应成分在所述基片不同沉积区域上的沉积物含量。
可选地，还包括：多个激光器，位于所述反应腔外，分别用于产生轰击对应靶材的激光束；电机组，位于所述反应腔外，与所述靶台、所述基片台和所述激光器连接，用于控制所述靶台、所述基片台和所述激光器移动。
可选地，所述电机组用于控制所述激光器产生的激光束在所述靶材上的扫描路径以及扫描速率。
可选地，所述电机组控制所述激光器与对应所述靶材相对移动，且所述靶材沿所述靶材中心自转以改变所述激光束在所述靶材上的光斑位置。
可选地，所述反应腔上还包括多个窗口，所述激光器产生的激光束经由对应的所述窗口到达相应靶材。
可选地，多个激光器交替启用或同时启用。
本发明提供的组合薄膜制备方法及装置，在沉积大面积组合薄膜的过程中，通过控制激光束扫描靶材时的扫描速率，来控制基片不同沉积区域的沉积时间，形成沿基片的径向厚度发生梯度变化的薄膜，同时可以控制组合薄膜的厚度分布，提高组合薄膜的性能。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据现有技术的组合薄膜的厚度分布图；
图2示出了根据现有技术的组合薄膜制备设备；
图3a和图3b示出了本发明第一实施例的组合薄膜的沉积图；
图4a和图4b示出了本发明第一实施例的组合薄膜的俯视图和截面图；
图5示出了本发明第二实施例的组合薄膜的沉积图；
图6示出了本发明第二实施例的组合薄膜的俯视图；
图7示出了本发明实施例的组合薄膜的厚度分布图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
图1示出了根据现有技术的组合薄膜的厚度分布图。
现有技术中，在大面积沉积薄膜时，由于基片和/或靶材的旋转，以及激光束的扫描路径，最终形成的薄膜在厚度方面存在不均匀的现象，如图1所示，形成的薄膜在基片的不同沉积区域，由于各种因素使得薄膜的厚度存在一些误差，需要对薄膜进行膜厚方面的补偿，才能得到一个厚度均匀的薄膜。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图2示出了根据现有技术的组合薄膜制备设备；图3a和图3b示出了根据本发明实施例的组合薄膜的厚度分布图；图4a和图4b示出了根据本发明实施例的组合薄膜的示意图。
如图2所示，本申请的组合薄膜制备设备100包括：反应腔110，基片台120，靶台130，窗口140。其中，基片台120位于反应腔110内的上部，靶台130位于反应腔110内的下部，基片台120与靶台130在反应腔110内相对设置。窗口140位于反应腔110的上部侧壁，激光束141经由窗口140到达靶台130。靶台130上固定有靶材131，基片台120上固定有基片121，当激光束141经由窗口140到达靶台130上的靶材131时，产生等离子体羽辉132，等离子体羽辉132在基片121的表面沉积形成薄膜。
进一步地，还包括第一电机122和第二电机143，第一电机122与基片台120连接，可以用于控制基片121旋转；第二电机143与靶台130连接，用于控制靶材131旋转。
此外，组合薄膜制备设备100还包括：激光器（图中未示出）和控制台（图中未示出），控制台用于控制激光束在靶材131表面的光斑的扫描路径以及扫描速率。
在本发明实施例中，组合薄膜例如由A材料和B材料两种材料组成，在其他实施例中，组合薄膜还可以是其他不少于两种的材料组成。
图3a和图3b分别示出了一种本发明第一实施例的组合薄膜的沉积图。其中，第一实施例的组合薄膜为由基片的中心向边缘的方向上，A材料或B材料的厚度沿半径发生连续变化。
参考图3a，在第一实施例中，靶材131例如为B材料，在形成组合薄膜时，基片121沿中心进行匀速旋转，基片121页沿中心进行匀速旋转，激光器产生的激光束141在靶材131表面产生的光斑沿靶材131的半径做往复运动。因此，激光束照射靶材131形成的等离子体羽辉132在基片121的把表面形成薄膜。
进一步地，为了形成材料梯度变化的组合薄膜，可以控制激光束照射在靶材131的中心区域时，扫描速率较长，且激光束照射靶材131的扫描速率沿靶材131的中心向边缘逐渐减少，从而可以获得膜厚沿基片中心向边缘逐渐减少的薄膜。例如，图3a及以下附图中通过等离子体羽辉132的线条粗细来表示激光束的扫描速率，线条粗的，表示扫描速率长，线条细的，表示扫描速率短。
在图3a所示的实施例中，沉积的例如为B材料，更换靶材131为A材料后，修改激光束在靶材表面的扫描速率，可以得到如图4a和图4b所示的组合薄膜。其中，在沉积A材料时，激光束沿靶材131的半径做往复运动的过程中，激光束在靶材131的扫描速率沿边缘向中心逐渐减少，形成如图4b所示的边缘厚、中间薄的薄膜A；然后在更换靶材为B材料后，改变激光束在靶材131表面扫描速率与A材料时相反，从而获得厚度变换与薄膜A相反的薄膜B，薄膜A和薄膜B扩散后形成组合薄膜。
进一步地，参考图3b，示出了一种采用多个激光和多个靶材同时形成组合薄膜的沉积方法。其中，在靶台130上安装有多个靶材131，相邻靶材131之间通过掩模板133相隔离。
在图3b所示的实施例中，基片121沿中心转动，多个靶材131的直径不小于基片121的半径，同时多个靶材131在基片121上的投影至少覆盖基片121的圆心到边缘。
在沉积第一实施例的组合薄膜时，多个靶材131采用不同的组分，掩模板133用于隔离相邻靶材131，并防止污染靶材。多束激光同时或交替轰击相应的靶材时，根据靶材组分的不同，相应的激光束在靶材表面的扫描路径的扫描速率也不同，从而改变基片121不同沉积区域的沉积时间。
参考图3b，靶材131a例如为A材料，靶材131b例如为B材料，在形成第一实施例的组合薄膜时，靶材131a上的激光束在靶材131a远离基片121中心处的扫描速率长，且沿基片边缘指向中心的方向上扫描速率逐渐减小，在基片121旋转的情况下，可以在基片121表面形成边缘厚，中心薄的薄膜A。同理，靶材131b上的激光束在靶材131b远离基片121中心处的扫描速率短，且沿基片边缘指向中心的方向上扫描速率逐渐增大，在基片121旋转的情况下，可以在基片121表面形成边缘薄，中心厚的薄膜B。
图3a和图3b分别示出了一种形成第一实施例的组合薄膜的示意图，通过控制激光束在扫描路径上的扫描速率来改变基片不同沉积区域的沉积时间，以形成不同组分在基片表面的厚度连续变化的组合薄膜，同时通过控制激光束的扫描速率，也能够精确控制组合薄膜的厚度均匀性，提高薄膜的性能。
在其他实施例中，激光束在靶材表面的扫描路径可以沿靶材表面的任一方向，或者激光束在靶材表面的扫描路径可以沿靶材表面的多个方向，即激光束的扫描路径可以发生改变；进一步地，激光束在靶材表面的扫描路径的扫描速率可以是增大或减小中的至少一个，同时配合基片的旋转，从而本申请的组合薄膜的制备方法理论上可以是任意方向的。
图5和图6示出了本发明第二实施例的组合薄膜的制备图。与第一实施例相比，第二实施例的组合薄膜中，A材料和B材料在沿基片的一个直径上厚度发生梯度变化。
参考图5，在沉积第二实施例的组合薄膜时，保持基片121不动，控制激光束在靶材131表面上的扫描路径以及扫描速率，以形成组合薄膜。其中，在沉积B材料时，例如在基片121的直径C1-C2上，在C1点对应的靶材131处，控制激光束扫描速率较短，因而在基片121的C1处，B材料沉积的厚度小，随之激光束沿C1到C2方向上的扫描速率的增加，实现沉积薄膜的厚度变化。
在该实施例中，以基片121的C2点为沉积时间最长的沉积区域，通过控制激光束的扫描扫描速率，实现沉积的薄膜B为以C2点为圆心，且沿圆心向外薄膜B的厚度递减。进一步地，在沉积A材料时，例如控制激光束的扫描时间与沉积B材料时相反，从而获得以C1点为圆心，且沿圆心向外厚度低贱的薄膜A。
对由薄膜A和薄膜B组成的组合薄膜进行退火处理，可以获得如图6所示的A材料含量和B材料含量逐渐变化的组合薄膜。
进一步地，图7示出了本发明实施例的组合薄膜的厚度分布图。相比于现有技术的厚度曲线图（参考图1），本申请中由于是通过控制激光束扫描时的扫描速率，使得基片不同沉积区域的沉积时间不同，从而形成厚度有变化的薄膜A和/或薄膜B，在沉积过程中，若发现薄膜在厚度方面不均匀，还可以通过调整激光束在靶材表面对应的区域的扫描速率进行薄膜厚度调整，从而提高薄膜沉积的均匀性。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (14)

1.一种组合薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
在靶台上安装多个靶材，在基片台上安装基片，所述基片台位于反应腔的上部，所述靶台位于反应腔的下部，所述基片台和所述靶台相对设置；
采用至少一个激光束轰击所述靶材以产生沉积物；
控制所述激光束在扫描路径上的扫描速率以改变所述基片不同沉积区域的沉积时间，以此控制所述靶材的对应成分在所述基片不同沉积区域上的沉积物含量，
其中，所述多个靶材的对应成分至少包括材料A和材料B，所述材料A在所述基片上形成的薄膜的厚度沿所述基片表面任一方向梯度变化，所述材料B在所述基片上形成的薄膜的厚度变化与所述材料A形成的薄膜的厚度变化相反，从而材料A和材料B形成的组合薄膜厚度均匀；
所述多个靶材分别对应所述基片的至少一部分沉积区域，相邻靶材之间通过掩模板相互隔离。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光束的扫描路径对应所述基片的半径或直径时，控制所述激光束在所述扫描路径上的扫描速率逐渐增大和/或逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述基片上沉积物的含量沿所述基片的半径或直径连续变化。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基片沿中心旋转，以改变所述多个靶材对应的沉积区域。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述基片沿中心旋转的运动规律包括运动方向和运动速度，所述运动方向包括：顺时针转动、逆时针转动；所述运动速度包括：匀速转动、非匀速转动。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述激光束的扫描路径沿所述靶材表面的至少一个方向。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述激光束在所述扫描路径上的扫描速率的变化规律至少包括增大和减小中的一个。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述至少一个激光束包括多个激光束，在所述多个靶材中的相应靶材处于与所述基片相对的溅射位置的情形下，所述多个激光束交替轰击或同时轰击所述相应靶材。
9.一种组合薄膜制备设备，用于执行如权利要求1-8中任一项所述的组合薄膜的制备方法，其特征在于，所述组合薄膜制备设备包括：
反应腔，以及位于所述反应腔内下部的靶台和位于所述反应腔内上部的基片台，所述基片台和所述靶台相对设置，所述靶台上用于安装多个靶材，所述基片台用于安装基片，
其中，通过控制激光束在扫描路径上的扫描速率以改变所述基片不同沉积区域的沉积时间，以此控制所述靶材对应成分在所述基片不同沉积区域上的沉积物含量；
其中，所述多个靶材的对应成分至少包括材料A和材料B，所述材料A在所述基片上形成的薄膜的厚度沿所述基片表面任一方向梯度变化，所述材料B在所述基片上形成的薄膜的厚度变化与所述材料A形成的薄膜的厚度变化相反，从而材料A和材料B形成的组合薄膜厚度均匀；
多个靶材分别对应所述基片的至少一部分沉积区域，相邻靶材之间通过掩模板相互隔离。
10.根据权利要求9中任一项所述的组合薄膜制备设备，其特征在于，还包括：
多个激光器，位于所述反应腔外，分别用于产生轰击对应靶材的激光束；
电机组，位于所述反应腔外，与所述靶台、所述基片台和所述激光器连接，用于控制所述靶台、所述基片台和所述激光器移动。
11.根据权利要求10所述的组合薄膜制备设备，其特征在于，所述电机组用于控制所述激光器产生的激光束在所述靶材上的扫描路径以及扫描速率。
12.根据权利要求11所述的组合薄膜制备设备，其特征在于，所述电机组控制所述激光器与对应所述靶材相对移动，且所述靶材沿所述靶材中心自转以改变所述激光束在所述靶材上的光斑位置。
13.根据权利要求10所述的组合薄膜制备设备，其特征在于，所述反应腔上还包括多个窗口，所述激光器产生的激光束经由对应的所述窗口到达相应靶材。
14.根据权利要求10所述的组合薄膜制备设备，其特征在于，多个激光器交替启用或同时启用。
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