一种改进的载气团簇源发生方法与装置与流程

本发明涉及薄膜的沉积，更具体地说，涉及成簇束的源。

背景技术：

在基板上沉积薄膜是许多领域中重要的制造和研究工具。例如，通过将连续的膜层沉积到基底上以获得复合材料的特定电子性能来制备微电子器件。通过将光敏材料的薄膜沉积到基板上来制造光敏设备(如vidicon和太阳能电池)。通过在其表面上沉积薄膜可以改善镜片的光学性能。当然，这些例子仅说明了薄膜沉积技术的数千种应用。

在需要高质量薄膜的应用中，典型的高度受控的薄膜沉积方法是通过连续沉积薄膜的单层来形成薄膜，每一层为一个原子厚。沉积过程的力学最好用原子的术语来考虑。通常，在这样的过程中，必须小心地清洁衬底的表面，因为较小的污染物质量甚至污染物原子会显着阻碍所需的高度完美的膜的沉积。然后通过为各种应用而开发的许多技术之一来沉积膜的材料，例如，气相沉积，电子束蒸发，溅射或化学气相沉积，仅举几例。

在另一种沉积薄膜的技术中，原子的电离簇在簇沉积设备中形成。这些簇通常每个具有大约1000-2000个原子。簇被电离，然后通过电势向衬底目标加速，该电势将等于加速电压乘以簇的电离能级的能量赋予簇。到达基材表面后，这些团簇在撞击下会分解成自由在表面上移动的原子。分解后剩余的每个原子碎片的能量等于团簇的总能量除以团簇中的原子数。因此，在分解之前的团簇具有相对较高的质量和能量，而在分解之后剩余的每个原子具有相对较低的质量和能量。沉积在表面上的原子的能量使其在表面上具有流动性，因此它可以移动到表面上可能存在的纽结或孔洞。沉积的原子停留在缺陷中，从而消除缺陷并增加了薄膜的完美度和密度。已经开发了使用簇的其他方法，并且使用簇束的薄膜沉积是有前途的商业膜制造技术。

产生簇的簇源是簇束沉积设备的关键部件。团簇源应产生高质量的选定尺寸范围的团簇，并表现出很高的团簇形成效率。也就是说，簇束应具有束的质量的大部分而不是原子，否则会丢失使用簇的有益效果。群集源还应提供一个群集束，其中群集处于适当的能量状态。

一种类型的团簇源是载气团簇源，其中要被冷凝成团簇的原子流从坩埚发射到气体混合室中。在气体混合室中，载气与原子流混合，使原子淬灭至过饱和并形成团簇。从源头出来的团簇进入真空，被电离并朝目标加速。

载气团簇源比表面增长团簇源(另一类最重要的源)具有两个重要优势。载气团簇源具有更高的团簇形成效率，导致团簇束的质量中有很大一部分是团簇而不是原子。其次，载气团簇源可用于形成熔点极高的材料(例如难熔金属)的团簇束，这是表面生长团簇源无法实现的。

然而，已经通过实验观察到，使用常规载气团簇源沉积的膜倾向于颗粒状和粗糙。结果，该膜不适用于许多类型的要求苛刻的应用，例如微电子器件。期望改善从载气团簇源获得的沉积膜的质量，同时保留这些源目前享有的效率和通用性方面的优势。本发明满足了这一需求，并且进一步提供了相关的优点。

技术实现要素：

本发明目的是，提供了一种改进的载气团簇源，其产生了经调节以在基板上沉积高质量的膜的团簇。该源保留了高的簇形成效率，因为形成过程没有实质性改变。该源还能够产生高温材料簇。改进后的构造与现有的团簇沉积系统完全兼容，并且可以经济地构造。

根据本发明，用于向目标提供簇的载气簇源包括用于产生簇束的束源装置，该束源装置包括发射原子束的蒸发源和气体混合体积，其中载气与原子束混合形成簇束，该束的原子簇与载气流混合。调节装置，用于调节簇束，使得基本上所有簇都处于液态。发射装置，用于在将全部已调整的束处于液态之前，在撞击目标之前，将调节后的束的束发射到目标。

在一个优选的实施方案中，载气团簇源包括束源，该束源包括气体混合室和坩埚，该坩埚将团簇材料的原子流发射到混合室中，其中原子流和载气混合从而形成与载气混合的簇状材料的簇状束。漂移管，簇状束和载气在离开束源后通过。用于加热漂移管的加热器；先前的载气簇源产生的簇束以及当此类簇束撞击目标时产生的薄膜的研究表明，至少有一个束中的簇的一部分处于固态。在固态中，如在此使用的那个术语，物质被浓缩成团簇，并且另外表现出块状固体材料的结晶度特性。显然，当此类固体团簇撞击靶标时，该团簇不会崩解而不会以所需方式将原子散布在表面周围。结果，丙烯酸类簇在薄膜上留下颗粒状的表面结构。随着更多簇的沉积，颗粒性得以保留，从而导致薄膜质量下降。

当流动的气流淬灭从蒸气源发出的蒸汽时，在载气簇源中形成簇，从而使蒸汽在气流中变得过饱和并形成簇。淬火必须在低气体温度下迅速进行，否则团簇只会长到不希望的小尺寸。在较低温度下用气体淬火的另一个结果是，团簇表现出固体的结晶性。

在本发明中，团簇在形成后被调理成液态。如本文所用，“液态”是一种术语，是指类似于大块液态物质的其中基本上没有结晶度的物质的冷凝态。

调节团簇的一种方法是提高其温度，在团簇中，温度反映在团簇中原子的随机动能上，而不是随着团簇向目标移动时所产生的有向动能。这种增加的能量克服了簇在低温下变成结晶的趋势。在优选的实施方案中，使团簇通过保持在足够高的温度下的扩散管，以将团簇加热至结晶度消失并且团簇处于液态的温度。加热是通过有效的传导过程完成的，该过程借助于与扩散管内的簇相互混合的载气的存在。

实际上，所有团簇都处于这种液态，但是一些最大的团簇可能没有充分加热以除去结晶度。如果要达到目标，那么大的簇将导致不希望的颗粒感。然而，实际上，通过质量分离器将最大的团簇从团簇束中去除，并且不会对膜的质量造成问题。

在将簇调整为适当的非晶态后，必须将其保存在此状态下，直到影响目标为止。用于实现这种保存的传输装置从束中分离并去除了大部分载气。除去载气后，团簇在接近真空的情况下移动。在这样的真空下，几乎消除了簇的传导和对流热损失。真空中微小簇的辐射热损失也很小。结果是，当簇在真空中通过随后的电离，质量分离器，加速器和聚焦组件(如果有)时，保持在调节装置中的簇的温度状态得以保持。到达目标的簇保持温度和在调节装置中建立的非晶态，松散结合状态。

换句话说，本发明体现在一种提供高质量的聚束以撞击目标的方法中，该方法包括通过将载气与原子流混合而形成聚束的步骤。调节簇束中的簇，使得基本上所有簇都处于液态；并将调节后的簇束发射到目标，并且基本上所有的簇在撞击目标之前都处于液态。

现在将认识到，本发明的簇源在载气簇源的领域中提供了重要的进展。保留了现有载气团簇源的高团簇形成效率和多功能性，但此外，将团簇调解为非晶态液态，从而使沉积的膜光滑且无颗粒状和沉积的其他缺陷。因此，本发明允许载气簇源与其他簇源竞争地使用。通过以下结合附图的更详细的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，所述附图以示例的方式示出了本发明的原理。

附图说明

图1是载气簇束沉积装置的示意图。

图2是根据本发明的载气簇源的侧视截面图。

具体实施方式

图1中示出了典型的簇束沉积设备10。现在参考图1，以说明本发明在其中找到应用的系统类型。沉积设备10包括产生簇束14的簇源12。簇束14由各种尺寸的簇以及一些未聚簇的原子组成。簇束14的簇和原子在电离器16中被电离，该离子发生器通常被调节为使每个簇和原子具有单个电荷。即，具有2000个原子的簇将仅具有单个电荷，与单个原子一样。

希望只有大小范围较窄的簇到达目标18。因此，簇束14通过质量分离器20，该质量分离器20分离出明显大于或小于所选尺寸的簇，从而仅允许达到所需大小的簇到达。最后，通过加速器电极21激励簇束14，然后通过透镜和偏转板22聚焦和偏转簇束14，从而可以将簇的图案写在靶18的整个表面上。沉积设备被放置在真空室24中，该真空室将靶和聚束保持在真空中。

本发明体现在簇源中，并在图2中示出。在图2中，将其作为改进的团簇源30。团簇源30包括坩埚32，将要作为团簇被运输到靶材18的材料的供应34放入其中。这样的材料可以是金属或非金属。坩埚32和其中的材料供应34通过任何适当的方式加热，在这里图示为围绕坩埚32的电阻绕组36。坩埚是封闭的容器，除了孔38之外，通过该孔逸出材料的蒸气。坩埚32被隔热罩40围绕，以维持坩埚32的温度并防止加热源30的其他部分散热。

来自坩埚32的蒸发材料的蒸气穿过孔38，隔热罩40中的开口42，并进入气体混合室44，气体混合室的壁保持在大约环境温度。载气流从气体入口46分别引入到气体混合室44中。蒸发的蒸气处于由坩埚32的蒸发确定的温度。载气的温度远低于蒸发的蒸气的温度，通常，在室温下，当蒸气和载气混合时，蒸气原子迅速冷却至过饱和，从而在气体混合室44中以相对较小的体积促进团簇形成。相反，团簇生长到小得多的尺寸。该结果是不希望的，因为在大多数情况下，每个簇优选约2000个原子的簇。

蒸气的快速冷却以形成团簇导致团簇具有较低的温度。即团簇形成具有晶体或部分晶体结构的凝聚块，其在不使用本发明的情况下在撞击到靶18上时不容易崩解。

在混合室44中，由一部分蒸发的质量形成各种大小的簇，而一些蒸发剂保留为未聚簇的原子。蒸发原子，团簇和载气混合在一起形成混合束48，该混合束48从进气口流向真空室24的真空。

混合束48进入漂移管50，该漂移管是空心圆柱管，其在外部被电阻加热器52加热。当混合束通过漂移管50时，对簇进行调节，使得基本上所有簇转变为液态，几乎没有结晶。簇的加热主要通过从漂移管50的加热壁通过混合的载气的介质的传导和对流来实现。

在团簇中达到液态或无序状态所需的温度与组成团簇的材料的整体熔化温度不同。由于其尺寸小，当在通常远低于本体熔化温度的温度下加热时，团簇变成液体。例如，在大约三分之二的本体熔化温度下，预期约有1000个原子的金属簇为液体，而在大约三分之二的熔融温度下，则预期有100个原子的金属簇为液态。因此，当团簇通过漂移管50时必须达到的所需温度取决于团簇的材料以及撞击到靶上的团簇的大小。漂移管50的最高温度优选地保持在液化团簇所需的温度附近，因为较高的温度可能引起原子从团簇中重新蒸发。

特定条件下所需的漂移管工作温度最好通过一组测试来确定，其中簇的结晶度是在飞行中通过衍射手段测量的，或者通过观察沉积膜的质量来确定，因为漂移管的工作温度为逐渐增加。

漂移管50的长度必须足够大以加热团簇，但又不能太大，以使团簇将液滴沉积在漂移管的内壁上。所需的最小长度取决于漂移管50的直径，簇的初始温度和所需的最终温度，簇的性质，簇的大小，载气的性质以及流速。最初在环境温度下，最后在1000°k下，在流速为100厘米/秒的氩气中，对2000个原子的银簇进行了近似计算；与漂移管壁相邻的簇达到壁温度在约0.1厘米之内，并且热量向其余簇的热扩散需要大约等于漂移管直径的距离。因此，将漂移管50的最小长度确定为大约漂移管的直径，以使整个管中的簇达到平衡壁温度。

漂移管的最大长度受到簇状材料的液滴在加热壁上的凝结的限制。根据对相似系统中团簇凝结的观察，认为该最大长度约为漂移管子直径的五倍。

因此，可以相信，为了最佳的稳态操作，漂移管50的长度应该是漂移管直径的大约一倍至大约五倍。这些设计参数反映了当前优选的方法和实施例，并且不被认为是关键的限制。

在簇通过漂移管50并调节到适当温度之后，必须将簇引入真空室24的真空中，以使该室的泵送能力不会过载，从而使载体在合理可能的范围内，将气体从簇束14分离并去除。团簇气体必须被分离以防止已经在漂移管50中调节的团簇的充分冷却。载气的存在通过传导和对流以及如果存在的话促进热量传递到加热的漂移管50中的团簇。通过从团簇源30到靶18的飞行过程中，相同的机制将促进团簇的热传递。通过从团簇束中除去载气，实际上消除了通过传导和对流从团簇中散失的热量。由于来自小簇的辐射所产生的热量损失很小，因此在它们到达目标的过程中，来自簇的总热量损失可以忽略不计。

通过使集束通过位于漂移管50下游的喷嘴54膨胀而从集束中分离并除去载气。在膨胀中，重团簇的轨迹没有显着改变，并且该集束继续保持不变。另一方面，载气的轻原子或分子的轨迹在自由膨胀中径向向外偏转。从而将先前均匀混合的簇和载气分离成径向分布，其中簇主要位于分布的中心。

随着束分布的改变，可以通过几种技术中的任何一种将载气的原子或分子从束中去除。优选的方法是提供一种撇渣器56，该撇渣器使束的径向向外部分，即载气偏转，并且将偏转的载气引导至泵送端口58。撇渣器56的这种途径不被认为去除了所有来自簇的载气，但是成功地除去了足够量的载气，以将随后的热量从簇减少到可接受的低水平。然后，从簇源30射出的簇束14穿过其余的以前述方式沉积设备。簇的液体状态不会改变或阻碍离子发生器16，质量分离器20，加速器21或偏转板22的功能。

在操作团簇源30时，必须将载气流速作为操作参数进行控制，以维持高团簇形成效率，使得从坩埚32蒸发的材料的大部分质量作为团簇被运输。来自漂移管50的热趋于向气体混合室44向上游扩散(与质量流相反)。这种热扩散提高了蒸发的原子与载气之间的混合温度，降低了团簇形成的效率。另一方面，载气的质量流使热量向下游方向传递。因此，可以近似地通过使上游和下游热扩散率相等来计算最小稳态工作气体流速。对于前面讨论的操作参数，所需的气体流速被计算为约140厘米/秒，这完全在系统的能力范围内。如果载气以较低的速率流动，则预期在上游方向上有净热流向气体混合室44，这将通过提高混合温度并降低团簇形成效率而使稳态操作失败。

通过以脉冲方式操作集束源，可以减少或避免上游的热流问题。通过使用冷却装置(例如放置在混合室44和漂移管50之间的35个可选的冷却管60)防止上游热量流动，可以在较低的载气流速下连续操作源。冷却管60在通过提取热量以与漂移管50相反的方式，否则热量将在上游从气流扩散到冷却室向混合室44的上游扩散。

在特定示例中，通过将银放入坩埚32中并将坩埚32加热至约1500°k以发射蒸发的原子流来完成约埃直径的银团簇的生产。在约0.5torr的压力和约150厘米/秒的流速下引入处于室温的氩气，并在气体混合室44中与银蒸气混合。漂移管的直径为0.6厘米，长为2厘米，并保持在约830°k(熔点的三分之二)。离开源30的簇预期为完全液态的。

因此，本发明的改进的簇源通过调节簇为液体和温度而使簇为液体且基本没有结晶次序，从而改善了使用载气簇源制备的沉积膜的质量。团簇源保留了现有团簇源的高团簇形成效率和多功能性，而团簇显著提高了膜的质量。