CN1800441A - 等离子体增强薄膜沉积方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体增强薄膜沉积装置及薄膜沉积方法。其中，该装置包括：一密闭腔室；一电磁装置，用以于该腔室内预定的等离子体发生区域产生预定强度的磁场；一微波装置，用以产生微波并发射微波至该等离子体发生区域；一对溅射靶，彼此相对设置于该腔室内的等离子体发生区域两侧，各溅射靶分别与一阴极接触；及一固持器，用以固持待处理的工件；其中，该微波的频率匹配该磁场强度足以产生电子回旋共振，藉此产生高能离子轰击该溅射靶，使得靶材原子激发出来并沉积于工件表面形成薄膜。本发明具有靶材来源广，薄膜质量优良之特点。另外，本发明还揭示一种利用等离子体沉积薄膜的方法。

Description

等离子体增强薄膜沉积方法及装置
【技术领域】
本发明是关于一种借助等离子体增强溅射沉积薄膜的方法及装置，尤指一种借助微波等离子体增强溅射形成薄膜的方法及设备。
【背景技术】
等离子体(plasma)被称为“物质第四态”，是由各种可流动的带电粒子构成的体系。目前，人为产生的等离子体主要是通过气体放电方法得到，主要由电子、离子、中性粒子或粒子团组成。由于等离子体是通过电磁能激发产生，不同于以前利用热能活化，所以，可利用等离子体降低反应温度，可称为低温等离子体技术。低温等离子体技术已在材料、微电子、化工、机械及环保等众多学科领域中得到广泛应用，并已初步形成等离子体工业体系。其应用范围包括：在材料学科中，采用等离子体物理气相沉积技术以及化学气相沉积技术合成功能薄膜材料；在微电子工业中，采用等离子体刻蚀技术对超大规模集成电路进行加工；在化工学科中，采用等离子体聚合技术，可以制备出一些高分子薄膜材料。
低温等离子体产生方法主要是辉光放电法，可分为直流辉光放电(DirectCurrent Glow Discharge)、射频放电(Radio-Frequency Glow Discharge)、以及微波放电(Microwave Discharge)等几种。典型直流辉光放电法是在一密封的石英玻璃中充满待要放电的气体，气压约为0.1～10托(Torr)，并插入两金属电极。当管内气压处于上述气压范围某一固定值，且当电源电压高于气体的击穿电压时，气体开始电离，形成辉光放电。辉光放电法的优点在于设备结构简单，造价较低。但是，其缺点是电离度低，电极容易受等离子体中带电粒子轰击，使得电极使用寿命减少，并且从电极溅射出来的原子会对等离子体产生污染。射频放电法一般是采用频率为13.56MHz的射频放电产生等离子体，这种方法可产生较纯净的等离子体，适用于化学气相沉积法制备薄膜。微波放电是将微波能量转换为气体的内能，使其激发、电离形成等离子体的放电方法，通常采用波导管或天线将微波电源产生的微波耦合至放电管内，管内气体的少量初始电子被微波电场加速，与气体分子发生非弹性碰撞并使之电离。微波放电可获得高密度等离子体，所以，其应用范围较前述两种方法更广泛。
微波电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance，ECR)装置是一种用于获得高密度等离子体的微波放电等离子体产生设备，其利用微波(Microwave)的高频率振动来增加离子与原子团在等离子体内的浓度。
如图1所示，1985年1月8日公告的美国专利第4,492,620号揭示一种微波ECR等离子体沉积设备以及沉积方法。其中，该设备包括放电室1及工作室2；微波源是一磁电管(magnetron)(图未示)，其产生频率为2.45GHz的微波，通过波导管4传输并透过石英窗口3进入放电室1内；另外，相对该石英窗口3设置有等离子体导出口5，用以将等离子体流6导出至基底7；工作室2与一真空系统相连，藉此控制工作室2的气体压力。磁线圈10环绕该放电室1以在该放电室1内产生足够磁场强度使其内可以形成电子回旋共振(ECR)，因为微波频率为2.45GHz，所以，放电室1内应当形成磁通量为875高斯(G)的磁场。此外，该磁线圈10形成的磁场还可扩展至工作室2，形成扩散磁场(Diverging Magnetic Field)，其磁场强度由等离子体导出口5至基底7逐渐减弱。这样，放电室1内产生的等离子体即可由该扩散磁场的作用而导出至工作室2。气体供应系统12及13分别供应不同反应气体至放电室1及工作室2。为冷却放电室1，分别设置进水管14及出水口管15以提供循环冷却水。由待溅射材料组成的环状溅射靶16设置于工作室内等离子体导出口5附近，并靠近或与等离子体流6相接触。该溅射靶16附着于一阴极17上，其它未面向等离子体流6的周围被保护电极18包围。该阴极17与直流电源相连。该专利利用微波ECR等离子体沉积设备及方法可于较低温度下实现金属或金属化合物的薄膜沉积，但是，由于受激离子能量受限，大多情况下形成非晶态薄膜，很难实现多晶或单晶薄膜沉积。
2004年1月13日公告的美国专利第6,677,001号揭露一种微波增强化学气相沉积装置及方法。其利用微波电子回旋共振获得等离子体，并采用等离子体增强化学气相沉积法可获得多晶或单晶态的薄膜，例如金刚石膜或类金刚石膜。但是，采用化学气相沉积法需将原料以气体形式(如甲烷，乙烯等含碳气体)输送至等离子体反应室，所以，其原料来源受到限制；另外，大多金属元素是以固态化合物形式存在，并非气态，因而，这种装置的应用范围仅限于硅、碳元素的薄膜沉积，难以适用于其它难熔金属。
有鉴于此，提供一种适用于沉积各种元素的多晶或单晶薄膜的设备及方法实为必要。
【发明内容】
为解决先前技术的等离子体增强沉积装置适用原料有限，以及采用固态原料难以形成晶态薄膜的缺点，本发明之目的在于提供一种等离子体增强沉积装置，其可适用多种原料，并能形成质量优良的晶态薄膜，提高产品质量。
本发明之另一目的在于提供一种利用等离子体增强沉积形成晶态薄膜的方法。
为实现本发明之目的，本发明提供一种等离子体增强薄膜沉积装置，其包括：一密闭腔室，其具有反应气体入口及抽真空系统；一电磁装置，用以于该腔室内预定的等离子体发生区域产生预定强度的磁场；一微波装置，用以产生微波并发射微波至该等离子体发生区域；一对溅射靶，彼此相对设置于该腔室内的等离子体发生区域二侧，各溅射靶分别与一阴极接触；及一固持器，用以固持待处理的工件；其中，该微波的频率匹配该磁场强度足以产生电子回旋共振，藉此产生等离子体离子轰击该溅射靶，使得靶材原子激发出来并沉积于工件表面形成薄膜。
其中，微波的频率可为2.45GHz，对应需匹配磁场强度为875高斯。
进一步，溅射靶与直流磁控管相连，提高沉积速度。
更进一步，固持器围绕一中心轴旋转，以提高薄膜均匀性。
上述装置可获得等离子体密度达到5×1010cm-3至9×1012cm-3。
本发明还提供一种等离子体增强薄膜沉积的方法，其包括步骤：
导入反应气体至一真空反应腔室内，形成预定气压；
将一对溅射靶分别相对设置于该真空反应腔室中预定的等离子体产生区域二侧；
沿一方向发射预定频率的微波至该真空反应腔室内；
于该真空反应腔室内该预定的等离子体产生区域建立磁场，且磁场的强度足够匹配该微波的频率以于预定等离子体产生区域产生微波电子回旋共振，产生高密度等离子体；
等离子体离子轰击该溅射靶激发产生溅射原子；
靶材原子沉积于基底表面形成薄膜。
相对于现有技术，由于本发明采用高密度等离子体轰击、激发相互面对设置的靶材，有效提高靶材原子能量，形成晶态薄膜，另外，本发明可适用于各种金属、金属化合物或硅化物、碳化物等物质，其适用原料广泛，均能形成相应多晶或单晶薄膜，并提高薄膜产品质量。
【附图说明】
图1是现有技术的等离子体增强薄膜沉积设备示意图；
图2是本发明实施例的等离子体增强薄膜溅射沉积装置示意图；
图3是本发明实施例的等离子体增强薄膜溅射沉积方法流程图。
【具体实施方式】
下面以具体实施例来说明本发明的实施方式。
请参阅图2，本发明实施例的等离子体增强薄膜沉积装置30主要包括：一反应腔室31，其是密闭的空腔体，该反应腔室31一侧开设有通气口(图未标示)，三个气体源51，53及55分别通过流量控制器52，54及56连接至该通气口与该反应腔室相连通；其中，所述气体源51可提供氩气(Ar)，氪气(Kr)或氙气(Xe)；气体源53可提供氩气及氮气(N2)的混合气体；气体源55可提供氩气及氢气(H2)，氩气及甲烷(CH4)或氩气及乙烷(C2H6)的混合气体。上述反应气体可藉由流量控制器来控制其开关及流量。
反应腔室31外面顶部附件设置有一对磁线圈32及33，其分别与电源(图未示)连接，通电可用以产生电磁场，为能满足电子回旋共振需要，磁线圈32及33所产生的磁场应达到875高斯(G)；磁线圈32及33应尽可能靠近反应腔室31，使得反应腔室31内的磁场强度尽可能最大。当然，磁线圈32及33也可设置于反应腔室内部，但是，如此设置时，磁线圈32及33有可能被溅射原子污染，需经常清洁。
该反应腔室31内设置有：一固持器40，是设置于该反应腔室31的底部附近，多个待处理的工件41可固定设置于该固持器40上；一天线34设置于反应腔室31的中部，其与微波发生器(图未示)相连接并可将微波发生器产生的频率为2.45GHz的微波发射；一对阴极35分别设置于反应腔室中部相对两侧，其相对的表面分别设置有溅射靶36，该溅射靶36是金属或其它固态物；另外，所述阴极35分别与直流阴极电源37的负极电连接，而阴极电源37的正极接地。
所述反应腔室31底部还开设有气体出口，即抽真空端口(图未标示)，该抽真空端口与抽真空系统(图未标示)相连接，其包括一涡轮泵浦60及一机械泵浦66。一节流阀61设置于该抽真空端口处，藉以控制抽真空端口的开启程度，从而控制抽气流量(Q)及压力(P)；三个抽气阀62，63及64分别设置于连接抽真空端口与该涡轮泵浦60及机械泵浦66之间的管道中。该机械泵浦66可将反应腔室31内部初步抽气降压，然后开启涡轮泵浦60可继续将反应腔室31内部抽真空降压至2×10-6托(torr)或更低。另外，机械泵浦66可作为涡轮泵浦60的备用泵浦。
使用时，首先将反应腔室31内部藉由机械泵浦66初步抽真空，至一定程度之后再开启涡轮泵浦60进一步将反应腔室31内部抽真空至2×10-6托或更低，此时可确保反应腔室内部空气基本抽干净；然后打开流量控制器52、54或56，通入适当反应气体，使得反应腔室31内部形成气压约为0.1～10托；将磁线圈32、33接通电源，使反应腔室内产生至少875高斯的磁场，激发稀薄气体放电，产生等离子体39；再开启微波产生器，经天线34发射出频率为2.45GHz的微波，电子在磁场中因受洛仑兹力(Lorentz)影响，沿磁力线以螺旋轨迹运动，当其环绕频率(Cyclotron Frequency)与所施加的微波频率相等时，电子能量与所施电场间产生共振，微波能量因而有效地传递给自由电子，造成气体高度解离(Dissociation)及离子化(Ionization)，增加等离子体39的离子密度，可达到5×1010cm-3至9×1012cm-3。等离子体39释放的高密度离子轰击侧边的溅射靶36，将靶材原子激发出来，并受磁场扩散作用溅射于工件41的表面，形成溅射薄膜。由于离子密度大，能量高，所以，可溅射沉积形成多晶或单晶态薄膜。固持器40带动工件41作旋转运动，可使薄膜沉积更均匀。
上述实施例中，通过微波电子回旋共振增强等离子体中离子密度并提高其能量，并且将溅射靶36分别设置于靠近等离子体区，所以，有利于等离子体产生的离子直接轰击靶材，离子能量未受损失，动量高，密度大，提高溅射质量。其次，一对溅射靶36互相面对设置于等离子体区两侧，有利于提高溅射原子均匀性。
另一个实施例中，可设置多对磁线圈，以于反应腔室内形成足够强度的磁场。
第三实施例中，可采用直流磁控管(DC Magnetron)替代阴极35，直流磁控管可将低频率的高压直流电转变为高频率的微波，其可进一步提高沉积速率，并且，直流磁控管可将等离子体离子轰击靶材时产生的二次电子吸引回来至靶材表面，以减少或避免二次电子轰击待处理工件的表面，提高沉积薄膜的粘着性(Adhesion)。
本技术领域人员应当了解，本发明并不限于上述实施例，还可有其它变化，例如：磁线圈32、33并不限于上述设置方式，其亦可设置于反应腔室31二外侧，磁线圈的设置仅需满足能够于等离子体发生区形成足够磁场即可，甚至可以用磁铁替代。天线也不必限于上述实施例的设置方式，其设置仅需能够将微波发生器产生的微波传送发射至等离子体发生区以提高等离子体的离子密度即可。
本发明上述等离子体增强溅射沉积装置可用于沉积形成各种功能性薄膜，采用不同靶材即可形成诸如硅膜、金属膜、金刚石膜、类金刚石膜等。例如，当用于沉积模仁离型膜时，希望能够形成金刚石或类金刚石薄膜，此时可利用含碳的靶材(如石墨)作为溅射靶即可形成所需薄膜。当用于半导体制程时，采用硅化物或金属化合物作为溅射靶即可形成硅或金属薄膜。因此，本发明的应用范围广，靶材来源广泛，突破先前技术仅能利用气态原料以及固态原料难以形成晶态薄膜的限制。
请参见图3，本发明利用等离子体增强溅射沉积薄膜的方法包括以下步骤：
步骤21：导入反应气体。即导入反应气体至一真空反应腔室内，形成预定气压；
步骤22：发射微波。即沿一方向发射预定频率的微波至该真空反应腔室内；
步骤23：建立磁场，产生微波电子回旋共振；即于该真空反应腔室内预定等离子体产生区域建立磁场，且磁场的强度足够匹配该微波的频率以于预定等离子体区域产生微波电子回旋共振，产生高密度等离子体；
步骤24：轰击靶材产生溅射原子。将一对溅射靶分别相对设置靠近等离子体区域，等离子体离子轰击靶材产生溅射原子；
步骤25：溅射沉积形成薄膜。即靶材原子溅射沉积于基底表面形成薄膜。
上述方法中，反应气体的成份可根据反应需要进行选择，如可采用氩气、氪气、氙气或氢氢与甲烷等混合气体，气体压力约为0.1～10托。步骤二中，微波的频率可为2.45GHz，则磁场的强度应为875高斯，以匹配形成电子回旋共振。采用上述方法可获得等离子体离子密度达到5×1010cm-3至9×1012cm-3。靶材可根据需要选择硅、硅化物、石墨碳、碳化物、金属或金属化合物，以对应形成硅膜、碳膜(金刚石膜或类金刚石膜)或金属膜。另外，工件最好随固持器围绕等离子体区域作旋转运动，以提高薄膜均匀性。

Claims (14)

1.一种等离子体增强薄膜沉积装置，其包括：一密闭腔室，其具有反应气体入口及抽真空系统；一电磁装置，用以于该腔室内预定的等离子体发生区域产生预定强度的磁场；一微波装置，用以产生微波并发射微波至该等离子体发生区域；其特征在于，还包括一对溅射靶，彼此相对设置于该腔室内的等离子体发生区域二侧，各溅射靶分别与一阴极接触；及一固持器，用以固持待处理的工件；其中，该微波的频率匹配该磁场强度足以产生电子回旋共振，藉此产生等离子体离子轰击该溅射靶，使得靶材原子激发出来并沉积于工件表面形成薄膜。
2.根据权利要求1所述的等离子体增强薄膜沉积装置，其特征在于，所述电磁装置包括磁线圈。
3.根据权利要求1所述的等离子体增强薄膜沉积装置，其特征在于，所述磁场的强度为875高斯。
4.根据权利要求1所述的等离子体增强薄膜沉积装置，其特征在于，所述微波装置包括微波发生器及天线。
5.根据权利要求4所述的等离子体增强薄膜沉积装置，其特征在于，该天线设置于密闭腔室内部中央。
6.根据权利要求4所述的等离子体增强薄膜沉积装置，其特征在于，该天线发射微波的频率为2.45GHz。
7.根据权利要求1所述的等离子体增强薄膜沉积装置，其特征在于，该溅射靶相互面对设置，该阴极与直流电源的负极相连。
8.根据权利要求1所述的等离子体增强薄膜沉积装置，其特征在于，该阴极包括直流磁控管。
9.根据权利要求1所述的等离子体增强薄膜沉积装置，其特征在于，该固持器是可围绕一中心轴旋转。
10.根据权利要求1所述的等离子体增强薄膜沉积装置，其特征在于，该密闭腔室内气体压力为0.1～10托(torr)。
11.一种等离子体增强薄膜沉积的方法，其包括步骤：
导入反应气体至一真空反应腔室内，形成预定气压；
将一对溅射靶分别相对设置于该真空反应腔室中预定的等离子体产生区域二侧；
沿一方向发射预定频率的微波至该真空反应腔室内；
于该真空反应腔室内该预定的等离子体产生区域建立磁场，且磁场的强度足够匹配该微波的频率以于预定等离子体产生区域产生微波电子回旋共振，产生高密度等离子体；
等离子体离子轰击该溅射靶激发产生溅射原子；
靶材原子沉积于基底表面形成薄膜。
12.根据权利要求11所述的等离子体增强薄膜沉积的方法，其特征在于，等离子体密度达到5×1010cm-3至9×1012cm-3。
13.根据权利要求11所述的等离子体增强薄膜沉积的方法，其特征在于，该反应气体包括氩气、氪气、氙气或氢氢与烷烃混合气体。
14.根据权利要求11所述的等离子体增强薄膜沉积的方法，其特征在于，该溅射靶分别与一阴极接触。
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