化学计量介电薄膜的高速反应溅射的制作方法
【专利说明】
[0001]发明背景
技术领域
[0002]本申请总体上涉及一种反应溅射方法和装置，更具体地涉及一种用于实现化学计量介电薄膜的高速沉积并且使在靶与阳极或者真空系统的其它部分之间出现的电弧放电最小化的方法和装置。
【背景技术】
[0003]介电薄膜(尤其是氧化物和氮化物)被广泛使用于大范围的用途中，诸如半导体芯片、磁和光记录、平板显示器、喷墨打印机头、太阳能电池、集成光学、光学薄膜和硬保护膜。与在氩气-氧气或者氩气-氮气气体混合物中对金属靶进行溅射有关的反应磁控溅射是一种形成这些薄膜的常用沉积方法。然而，用于使沉积速率或薄膜形成最大化并且获得适当的薄膜化学计量的、对这种反应溅射工艺的控制却是难以实现的。
[0004]反应溅射是非常多用途的涂覆技术，该技术使种类广泛的化合物材料的制备成为可能。然而，该技术传统上具有一个主要缺点。当反应性气体(例如，氧气或氮气)的分压达到正确水平以便在基底表面上形成金属化合物(例如，氧化物或氮化物)的化学计量薄膜时，该反应性气体也在金属革G表面上形成相同的金属化合物。由于来自金属革G的化合物部分的金属原子的溅射产额较低，因而相应地导致薄膜沉积速率显著降低。另外，在所采用的高靶功率密度下(例如，在大功率脉冲磁控溅射期间)，在这些条件下可以在靶上观察到相当大的电弧放电，从而导致低质量的沉积薄膜。电弧放电表明由于绝缘薄膜在靶上堆积所导致的靶(阴极)与阳极的短路或者真空系统的电接地的产生。存在用于对金属靶进行反应溅射从而使化合物薄膜沉积的两种操作“模式”。在反应性气体进入真空室的流速为较低的情况下，靶仍然是金属性的。在反应性气体的流速为较高的情况下，靶被该化合物覆盖。与“覆盖(中毒)模式”相比，在“金属模式”中获得高得多的(通常5至10倍)沉积速率。当改变反应性气体的流速时，在金属模式与显示滞后的覆盖模式之间存在着过渡；SP，沉积速率(和靶电压)的差异取决于是否在相同工艺条件下从金属模式或者从覆盖模式进入特定的溅射状态。为了高速地形成高质量的化学计量介电薄膜，反应溅射必须在金属模式与覆盖模式之间的过渡区中进行。
[0005]得到广泛认可的磁控溅射技术的最新进展是大功率脉冲磁控溅射(HiP頂S)，其特征是在较短的电压脉冲期间(通常40 μ s至200 μ s)内施加大约kWcm 2级的靶功率密度。该高靶功率密度导致非常稠密的放电等离子体的产生，并且具有高电离度的溅射原子。因此，可以在高度电离的靶材料原子流中实施薄膜沉积。这对于定向沉积入高长宽比沟槽并且经由用于基底涂层界面工程设计的结构和薄膜的离子辅助生长具有重大意义。虽然有这些系统在介电薄膜的反应溅射沉积中的若干成功应用，但仍然存在着在高靶功率密度的沉积工艺期间的电弧放电以及沉积速率低的显著问题。
[0006]因此，在HiP頂S的领域，对于提供对反应溅射工艺的有效且可靠的控制从而实现化学计量介电薄膜的高速沉积并且使电弧放电最小化的方法和装置存在着需求。
【发明内容】
[0007]本发明通过提供在由电源所保持的恒定靶电压下控制进入真空室的脉冲反应性气体流速以便促进介电化学计量薄膜在金属模式与覆盖(中毒)模式之间的过渡区中的高速沉积的反应溅射处理系统和方法而克服了上述问题，甚至在使用大功率脉冲磁控溅射金属靶时。
[0008]对于给定的靶材料和反应性工艺气体而言，将同时由工艺控制器所及时监测的两个工艺参数(即，在一段时间的脉冲电源中的靶电流或平均靶电流、或者真空室中的反应性气体分压)中的一个工艺参数选为工艺参数。对于给定的标称靶功率、靶材料和反应性工艺气体而言，优化的恒定靶电压、非反应性气体(氩气)分压、流入真空室的总反应性气体流速和反应性气体导管系统的构造、以及所选择控制工艺参数的临界值，使用控制反应溅射工艺的装置基于所感测到的控制参数的时间相关值而经验性地确定。该确定是基于沉积速率的测量和沉积薄膜的特性。控制参数的临界值通过进入真空室中的受控的脉冲反应性气体流速来限定真空室中的一系列反应性气体分压，从而允许实施介电化学计量薄膜在金属模式与覆盖(中毒)模式之间的过渡区中的稳定化的高速反应性磁控沉积。
[0009]本发明的一个重要方面是所设计的方法和装置能够利用在化学计量介电薄膜的高速沉积中在较短的靶电压脉冲期间(通常40 μ s至200 μ s)靶功率密度高达数kWcm 2的HiP頂S放电的益处。
[0010]具体地，本发明涉及一种用于对与反应性气体和用作阴极的靶中所包含材料之间的反应有关的溅射沉积工艺进行控制的方法，所述方法包括以下步骤:
[0011]选择用于给定的靶材料和反应性工艺气体的控制工艺参数；
[0012]建立用于给定的标称靶功率水平的反应溅射沉积工艺的操作方案；和
[0013]利用受控制的进入真空室的脉冲反应性气体流速，在金属模式与覆盖模式之间的过渡区中实施化学计量介电薄膜的稳定化的高速反应性沉积。
[0014]可基于由所述控制工艺参数的所述临界值所限定的真空室中的一系列反应性气体的分压，来确定在金属模式与覆盖模式之间的过渡区。
[0015]靶可以是金属，并且在反应中所形成的化合物可以是介电化学计量材料。
[0016]将化合物溅射沉积到基底上，可以在大体相同功率条件下，在不存在所述反应性气体情况下的操作相对应的金属模式中，以靶材料沉积速率的至少大约40%的速率实施。
[0017]所述化合物可以是选自氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化物、硫化物、氟化物、氯化物、硼化物、及其混合物。
[0018]控制工艺参数可以是靶电流(在连续DC溅射的情况下)、或者在一段时间的脉冲电源期间的平均靶电流(在脉冲溅射的情况下)、或者真空室中的反应性气体分压。
[0019]确定了靶电流(在连续DC溅射的情况下)或者在一段时间的脉冲电源期间的平均靶电流(在脉冲溅射的情况下)以及真空室中的反应性气体分压对在恒定靶电压下在相同放电条件下进入真空室的反应性气体的恒定流速脉冲的敏感度。换句话说，实施工艺表征，并且确定上述参数如何对在恒定靶电压下在相同放电条件下反应性气体进入真空室的恒定流速脉冲作出响应。
[0020]可将对在恒定靶电压下在相同放电条件下进入真空室中的反应性气体的恒定流速脉冲显示最高灵敏度的参数选为控制工艺参数。
[0021]可基于对(优化的)恒定靶电压、非反应性气体(例如氩气)的分压、进入真空室中的总反应性气体流速、和反应性气体导管系统的构造以及所选择控制工艺参数的临界值的确定而建立操作方案，从而在低于给定水平的电弧放电的情况下，获得所形成薄膜的给定沉积速率和期望的物理性质。
[0022]这导致了在最小化的电弧放电情况下所形成的高沉积速率和期望的元素组成及薄膜的物理性质。对以上数量的确定是基于反应性磁控溅射领域中的基础知识、沉积速率的测量、沉积薄膜的特性、和对放电不稳定性(电弧)的检测。
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