CN113718219B - 薄膜沉积方法及薄膜沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例公开了一种薄膜沉积方法和薄膜沉积设备，所述薄膜沉积方法方法包括：往反应腔室内通入原子量大于氩气的惰性气体；在往所述反应腔室内通入所述惰性气体的过程中，在所述反应腔室内的靶材和基片之间施加电离电压，使所述惰性气体电离产生惰性气体离子轰击所述靶材；当所述反应腔室内的气体压强达到预设值时，停止通入所述惰性气体；向所述反应腔室内施加磁场，以在所述磁场的作用下使所述靶材电离产生的等离子体中的带电粒子轰击所述靶材，以使所述靶材的组成粒子沉积在所述基片上。
Description
技术领域
本公开实施例涉及半导体技术领域，特别涉及一种薄膜沉积方法及设备。
背景技术
相变存储器(PCRAM)是近年来兴起的一种新型存储技术，它利用相变薄膜材料在光电脉冲作用下实现晶态和非晶态之间可逆相变来实现数据存储。因为不仅满足非易失存储器的各种要求且制作工艺也相对简单，引起广泛的关注。相变存储薄膜一般使用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)方式进行薄膜生长，其中物理气相沉积的方式因为优异的薄膜特性而更广泛的采用。
物理气相沉积技术是在真空条件下，采用物理方法将材料源(靶材固体或液体)表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜，还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。其中，磁控溅射的方法最适合得到质量较高的相变材料。
而相关技术中，通过磁控溅射的方法沉积的相变材料薄膜的质量不高，影响相变材料薄膜的电学性能和其它物理性能，进而影响相变存储器的性能。因此，如何提高沉积相变材料薄膜的质量，成为亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种薄膜沉积方法及薄膜沉积设备。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种薄膜沉积方法，包括：
往反应腔室内通入原子量大于氩气的原子量惰性气体；
在往所述反应腔室内通入所述惰性气体的过程中，在所述反应腔室内的靶材和基片之间施加电离电压，使所述惰性气体电离产生惰性气体离子轰击所述靶材；
当所述反应腔室内气体压强达到预设值时，停止通入所述惰性气体；
向所述反应腔室内施加磁场，以在所述磁场的作用下使所述靶材电离产生的等离子体中的带电粒子轰击所述靶材，以使所述靶材的组成粒子沉积在所述基片上。
在一些实施例中，在停止通入所述惰性气体之后，所述方法还包括：
在所述靶材和所述基片之间施加偏压，以在所述偏压的作用下使所述带电粒子轰击所述靶材。
在一些实施例中，所述偏压范围为：300V至10000V。
在一些实施例中，所述当所述反应腔室内的气体压强达到预设值时，停止通入所述惰性气体，包括：
检测所述反应腔室内的气体压强，，并将检测到的所述气体压强与所述预设值进行比较；
当检测到的所述气体压强达到所述预设值时，停止通入所述惰性气体。
在一些实施例中，所述预设值的范围为：0.1Pa至10Pa。
在一些实施例中，在所述靶材和所述基片之间施加电离电压的时间为：1s至10s；
和/或，
在往所述反应腔室内通入原子量大于氩气的原子量的所述惰性气体之前，所述方法还包括：将所述反应腔室抽真空。
在一些实施例中，所述靶材包括金属合金相变材料；
和/或，
所述惰性气体包括以下至少之一：氪气；氙气；氡气。
在一些实施例中，所述向所述反应腔室内施加磁场，包括：
向环绕在所述反应腔室外壁的电磁线圈中通入电流，以使所述反应腔室内产生所述磁场。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种薄膜沉积设备，包括：
反应腔室；
承载装置，位于所述反应腔室内，用于承载基片；
阴极板，位于所述反应腔室顶部，用于与靶材相连；
阳极板，位于所述反应腔室底部，与所述承载装置相连，以使所述靶材与所述基片相对布置；
进气管，与所述反应腔室的内部连通，用于向所述反应腔室内通入原子量大于氩气的原子量的惰性气体；其中，所述惰性气体电离产生惰性气体离子轰击所述靶材，使所述靶材电离产生带电粒子
电磁线圈，环绕在所述反应腔室的外壁；当所述电磁线圈通电时，通电的所述电磁线圈用于在所述反应腔室内产生磁场，以使所述带电粒子在所述磁场作用下轰击所述靶材，使所述靶材电离；
控制器，用于在所述反应腔室内的气体压强达到预设值时，控制停止向所述反应腔室通入惰性气体，并控制所述电磁线圈产生所述磁场。
在一些实施例中，所述设备还包括：
工作电源，分别与所述控制器以及所述阴极板和阳极板电连接，用于在接收到所述控制器的开启指令时，在所述阴极板和所述阳极板之间施加范围为300V至10000V的偏压。
本公开实施例通过往反应腔室内通入原子量大于氩气的原子量的惰性气体作为工作气体，并在反应腔室内气体压强达到预设值时，停止通入惰性气体，大大地减少了惰性气体的用量和反应腔室内惰性气体的浓度，降低了惰性气体原子残留在沉积的膜层中的几率，有利于提高沉积的膜层的性能，进而提高器件的性能。
此外，通过在反应腔室内形成磁场，一方面，可使反应腔室内由于惰性气体电离产生的电子的运动复杂化，延长了电子的运动路线，增加了惰性气体原子与电子的碰撞几率，提高了反应腔室内惰性气体的离化率，从而电离出更多的惰性气体离子轰击靶材，对靶材进行电离，促进对靶材溅射反应的发生。
另一方面，在磁场的作用下，能提高带电粒子的能量，有利于激发出更多的靶材等离子体并轰击靶材，如此，即使停止通入惰性气体，也可利用霸道电力产生的等离子体维持溅射反应的持续进行。
附图说明
图1为根据一示例性实施例示出的磁控溅射镀膜方法示意图；
图2为根据一示例性实施例示出的溅射反应示意图；
图3为根据一示例性实施例示出的一种薄膜沉积方法流程图；
图4为根据一示例性实施例示出的一种薄膜沉积设备示意图；
图5a和5b为根据一示例性实施例示出的另一种薄膜沉积设备示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图及具体实施例对本公开的技术方案做进一步的详细阐述。
在本公开实施例中，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。
在本公开实施例中，术语“A与B接触”包含A与B直接接触的情形，或者A、B两者之间还间插有其它部件而A间接地与B接触的情形。
在本公开实施例中，术语“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可以在下方或上方结构的整体之上延伸，或者可以具有小于下方或上方结构范围的范围。此外，层可以是厚度小于连续结构厚度的均质或非均质连续结构的区域。例如，层可位于连续结构的顶表面和底表面之间，或者层可在连续结构顶表面和底表面处的任何水平面对之间。层可以水平、垂直和/或沿倾斜表面延伸。并且，层可以包括多个子层。
可以理解的是，本公开中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示其“在”某物“上”且其间没有居间特征或层(即直接在某物上)的含义，而且还包括“在”某物“上”且其间有居间特征或层的含义。
需要说明的是，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。
磁控溅射是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的一种，可用于制备金属、半导体、绝缘体等多种材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。
磁控溅射通常采用氩气作为工作气体，将氩气电离成氩离子，在电场作用下加速轰击靶材表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。
参照图1所示，在真空腔室内，镀膜靶材固定于负极，基片固定于正极，往真空镀膜腔室内通入低气压的氩气，氩气经过电离形成氩正离子，在电场的加速下飞向位于负极的镀膜靶材，使靶材原子溅射出来沉积在基片上形成产品。在镀膜靶材背离基片的一侧设置有磁体，以在镀膜靶材靠近基片的一侧附近形成磁场，增加等离子体密度，提高镀膜靶材的溅射率，从而提高基片上薄膜的沉积速率。
磁控溅射反应是一个复杂的反应，当高能量的入射离子(例如氩正离子)轰击镀膜靶材表面时，会产生一系列反应，溅射出一系列粒子。参照图2所示，在溅射沉积过程中，当入射离子轰击镀膜靶材表面时，将产生一系列复杂的物理或化学变化过程，如使靶材原子产生溅射，或注入到靶材内部引起结构重排，或产生二次电子等，被靶材吸附的气体也会因离子轰击而释放或分解。
在溅射镀膜过程中，存在一个重要的效应是工作气体荷能离子(如氩正离子)在靶面上被电中和形成原子后反弹回来飞向基片。由于这些反弹回来飞向基片的原子不带电荷，因而不受靶材附近电磁场的作用，从而形成了对基片表面生长的膜面产生轰击作用的荷能粒子流。另外，在基片表面附近被散射的工作气体原子(如氩原子)也可能飞向基片，对基片表面生长的膜面产生轰击。
在基片表面沉积膜层的过程中，由于生长膜面处于非平衡状态，沉积原子在膜面的活动能力增强，这种荷能粒子流对膜面轰击的结果使膜面温度升高，并使反弹工作气体原子进入并最终残留在膜内，使薄膜生长过程、微观结构和性能发生变化，从而影响薄膜电学性能和其它物理性能。例如，采用磁控溅射的方法形成相变存储器的相变材料层(例如Ge-Sb-Te合金材料)时，工作气体氩气的原子由于上述效应会残留在相变材料层的薄膜里，对相变材料层造成污染，影响相变材料层的性能，进而影响相变存储器的性能。
图3是根据一示例性实施例示出的一种薄膜沉积方法流程图，该方法应用于薄膜沉积设备，所述设备包括：反应腔室、位于反应腔室顶部的靶材和位于反应腔室底部的基片。参照图3所示，所述方法包括以下步骤：
S110：往反应腔室内通入原子量大于氩气的原子量惰性气体；
S120：在往反应腔室内通入惰性气体的过程中，在反应腔室内的靶材和基片之间施加电离电压，使惰性气体电离产生惰性气体离子轰击靶材；
S130：当反应腔室内气体压强达到预设值时，停止通入惰性气体；
S140：向反应腔室内施加磁场，以在磁场的作用下使靶材电离产生的等离子体中的带电粒子轰击靶材，以使靶材的组成粒子沉积在基片上。
惰性气体具有稳定的化学性质，与靶材之间为惰性反应，几乎不与靶材发生化学反应，可作为溅射镀膜的工作气体。
示例性地，本公开实施例采用原子量大于氩气原子量的惰性气体作为工作气体，包括：氪气(Kr)、氙气(Xe)、氡气(Rn)或其组合气体。
示例性地，步骤S120中，可将靶材与工作电源的阴极相连，基片与工作电源的阳极相连，往反应腔室内通入惰性气体的过程中，在溅射反应开始前，在阴极靶材和基片之间施加电离电压，例如在阴极靶材与阳极基片之间施加一个直流电压或射频电压，使惰性气体起辉放电，产生惰性气体离子。
示例性地，在靶材和基片之间施加电离电压可通过将阳极基片接地，并对阴极靶材施加负偏压实现，以在靶材与基片之间产生强电场，电场方向由基片指向靶材，可控制电离产生的惰性气体离子中带正电荷的离子的向靶材运动轰击靶材。
可以理解的是，当运动速度相同时，原子量较大的原子具有更大的动能。相较于氩气作为工作气体，相同用量的大原子量(大于氩气的原子量)的惰性气体具有更高的轰击能量。示例性地，相较于以氩气作为工作气体产生的轰击能量，同样的气体流量的大原子量(大于氩气的原子量)的惰性气体产生的轰击能量可能高达2至1000倍。因此，在溅射镀膜的初期阶段，极少量的大原子量(大于氩气的原子量)的惰性气体即可引发溅射反应，并溅射出更多的靶材原子和靶材离子，提高靶材的溅射率，从而获得较高的薄膜沉积效率。
此外，当需要的轰击能量相同时，相较于在整个溅射过程中持续通入氩气作为工作气体，本公开实施例采用原子量大于氩气的原子量的惰性气体作为工作气体，只需较少的用量即可，如此，可减少惰性气体的用量。
步骤S130中所述的预设值，相较于以氩气作为工作气体时反应腔室内的气体压强值更低。
示例性地，可在通入惰性气体的过程中，执行S140。
优选地，可在停止通入惰性气体之后，执行S140。
需要强调的是，在执行上述薄膜沉积方法的过程中，在停止通入惰性气体之后执行S140，以使靶材的组成粒子沉积在基片上(即对基片进行镀膜)，可大大减少惰性气体的用量，并且大大减小在执行S140的过程中反应腔室内惰性气体的浓度，进而大幅降低了惰性气体离子在靶材表面被电中和后反弹至基片表面的几率，也大幅降低了惰性气体原子被散射至基片表面的几率，因而大幅降低了惰性气体进入并残留在基片表面膜层中的几率，有利于提高基片表面膜层的纯度，进而提高了基片表面沉积膜层的质量。
例如，当采用上述方法制备相变存储器的相变材料层的膜层时，可极大地减小惰性气体原子进入相变材料层的膜层中，并能减少膜层中空穴的产生，从而得到更稳定的薄膜材料，使得相变材料层在工作时的体积变化率降低，电性能提升，物理性能更优化，进而得到更低操作电压和功耗的薄膜，实现存储单元的低压、低功耗，有效地降低存储单元的驱动电流，减小存储电压间的串扰，实现高密度的存储阵列。
S140中，沉积在基片上的靶材的组成粒子可包括：靶材电离产生的等离子体中的不带电元素，和/或，被该带电粒子轰击靶材时直接从靶材上轰击出来的不带电元素。可以理解的是，靶材的组成元素包括上述两种不带电元素。
本公开实施例通过往反应腔室内通入原子量大于氩气的原子量的惰性气体作为工作气体，并在反应腔室内气体压强达到预设值时，停止通入惰性气体，大大地减少了惰性气体的用量和反应腔室内惰性气体的浓度，降低了惰性气体原子残留在沉积的膜层中的几率，有利于提高沉积的膜层的性能，进而提高器件的性能。
此外，通过在反应腔室内形成磁场，一方面，可使反应腔室内由于惰性气体电离产生的电子的运动复杂化，延长了电子的运动路线，增加了惰性气体原子与电子的碰撞几率，提高了反应腔室内惰性气体的离化率，从而电离出更多的惰性气体离子轰击靶材，对靶材进行电离，促进对靶材溅射反应的发生。
另一方面，在磁场的作用下，能提高带电粒子的能量，有利于激发出更多的靶材等离子体并轰击靶材，如此，即使停止通入惰性气体，也可利用靶材电离产生的等离子体维持溅射反应的持续进行。
在一些实施例中，如图4所示，应用上述方法的设备配置有环绕在反应腔室的侧壁上的电磁线圈；S140中，向反应腔室内施加磁场，可包括：向环绕在反应腔室外壁的电磁线圈中通入电流，以使反应腔室内产生磁场。
可以理解的是，当给电磁线圈通入电流(包括直流电或交流电)时，会在电磁线圈内部产生磁场(例如，在反应腔室的顶部靶材与底部基片之间产生磁场)。磁场方向取决于电磁线圈中的电流方向，例如，磁场方向可由基片指向靶材，或者由靶材指向基片。磁场强度取决于电流强度。
在另一些实施例中，也可以设置环绕反应腔室的顶部和底部的电磁线圈。或者，同时设置环绕反应腔室侧壁和环绕反应腔室的顶部与底部的电磁线圈。
在一些实施例中，在停止通入该惰性气体之后，所述方法还包括：
在靶材和基片之间施加偏压，以在偏压的作用下使带电粒子轰击靶材。
示例性地，参照图4所示，在反应腔室的底部配置有与阳极相连的基片，在反应腔室的顶部配置有与阴极相连的靶材，基片与靶材平行相对。
即使在停止向反应腔室内通入惰性气体后，大原子量的惰性气体离子在偏压产生的电场作用下，获得高能量轰击靶材，溅射出一系列靶材粒子，包括靶材原子、靶材离子(即上述带电粒子)和电子。其中，靶材原子可溅射至基片表面沉积成膜，靶材离子在电场作用下继续轰击靶材，继续溅射出靶材原子和靶材离子，此时即使没有惰性气体电离，也能使得溅射反应持续进行。
在靶材与基片之间的电场和磁场的作用下，使得惰性气体粒子和上述带电粒子的运动复杂化，例如，在电场力和磁场力的共同作用下，带电粒子入射靶材表面的方向多样化，即从不同的方向入射靶材表面，可增加斜射轰击靶材表面的带电粒子的比例，相较于带电粒子垂直入射靶材表面，斜射轰击靶材的溅射率更高，溅射效果更好，有利于提高沉积膜层的均匀性。
在一些实施例中，上述施加的偏压范围为：300V至10000V。
示例性地，参照图4所示，可通过反应腔室顶部的阴极板和反应腔室底部的阳极板施加偏压，可将阳极板接地，阴极板施加高负偏压(例如2000V、3000V或5000V等)，使得靶材与基片之间产生电势差而形成电场，电场方向由基片指向靶材，促使正离子轰击靶材。
由于原子量大于氩气原子量的惰性气体，其原子质量也相对较大，电离产生的惰性气体离子的质量也较大，在有限的运动路径上获得较高的运动速率则需要更强的电场加速。通过对阴极靶材施加高负偏压，在靶材与基片之间产生足够强的电场，使惰性气体离子获得较大的动能轰击靶材，提高靶材的溅射率，并激发出更多的靶材离子，靶材离子在电场力的作用下继续轰击靶材，继续溅射出靶材原子和靶材离子，即使在停止通入惰性气体的情况下，也能维持靶材溅射反应的持续进行。
本公开实施例，通过将靶材与基片之间偏压设置在合理范围，使得带电粒子具有足够的能量轰击靶材，在提高靶材溅射率的同时，并能使靶材产生自电离反应，维持溅射反应的持续进行。并且，靶材原子是与轰击粒子交换动能后飞溅出来的，因而溅射出来的靶材原子能量高，有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积薄膜的致密程度，使沉积的薄膜与基片具有强的附着力。
在一些实施例中，S130可包括：
检测反应腔室内的气体压强，并将检测到的气体压强与预设值进行比较；
当检测到的气体压强达到预设值时，停止通入惰性气体。
示例性地，在往反应腔室内通入原子量大于氩气的原子量的惰性气体之前，所述方法还包括：将反应腔室抽真空。
在反应腔室内的真空度达到要求后，可在开始通入惰性气体作为工作气体的同时，检测反应腔室内的气体压强。或者，在一些实施例中，也可以在通入惰性气体一段时间后，才开始检测反应腔室内的气体压强。需要强调的是，在开始检测反应腔室内的气体压强之前，反应腔室内的气体压强并未达到预设值。
示例性地，可在检测到反应腔室内的气体压强之后，实时地执行将检测到的气体压强与预设值进行比较的步骤，如此，可更及时的确定出停止通入惰性气体的时刻。
在另一些实施例中，在往反应腔室内通入所述惰性气体的过程中，在检测到反应腔室内的气体压强之后，也可以在固定的时段执行将检测到的气体压强与预设值进行比较的步骤。
例如，可以取固定的时间间隔，在检测到反应腔室内的气体压强之后，周期性地将检测到的气体压强与预设值进行比较。
又如，可以取可变的时间间隔，在检测到反应腔室内的气体压强之后，周期性地将检测到的气体压强与预设值进行比较。
在一些实施例中，可以根据检测到的气体压强与预设值之间的差值，调整进行该比较步骤的可变的时间间隔。
例如，在当前检测到的气体压强与预设值之间的差值，小于上一次检测到的气体压强与预设值之间的差值时，可以在上一次执行该比较步骤和当前执行该比较步骤的时间间隔的基础上缩短一定时长，以作为下一次执行该比较步骤与当前执行比较步骤的时间间隔。
又如，在当前检测到的气体压强与预设值之间的差值，大于上一次检测到的气体压强与预设值之间的差值时，可以在上一次执行该比较步骤和当前执行该比较步骤的时间间隔的基础上增加一时长，以作为下一次执行该比较步骤与当前执行比较步骤的时间间隔。
在一些实施例中，所述方法还包括：根据检测到的气体压强与预设值之间的差值，调整通入该惰性气体的速度。
例如，当检测到的气体压强与预设值之间的差值逐渐减小时，该反应腔室内的气体压强逐渐接近预设值，此时，可降低通入该惰性气体的速度。
在一些实施例中，所述方法还包括：根据检测到的气体压强与预设值之间的差值，调整执行检测所述反应腔室内的气体压强步骤的频率。
例如，当检测到的气体压强与预设值之间的差值逐渐减小时，该反应腔室内的气体压强逐渐接近预设值，此时，可增大执行检测所述反应腔室内的气体压强步骤的频率，以提高确定反应腔室内的气体压强增大至等于预设值的时刻的准确性。
本公开实施例中，可无需持续向反应腔室内通入惰性气体，只需在起始阶段提供一定量的惰性气体作为工作气体引发溅射反应(例如，起到点火作用)，随后可通过激发靶材原子的自电离等一系列次反应维持溅射反应的持续进行。如此，在节约惰性气体的用量的同时，还可降低惰性气体原子残留在基片上生长的膜层中的几率。
在一些实施例中，步骤S130中所述预设值的范围为：0.1Pa至10Pa。
真空环境中通入稀薄的惰性气体在电场的作用下容易发生电离，当反应腔室内惰性气体压力较大时，电离难度增加，并且粒子间的散射作用加强，使得靶材的溅射率低，不利于薄膜的沉积。
在一些实施例中，步骤S120中，在靶材和基片之间施加电离电压的时间为：1s至10s。
在溅射镀膜的起始阶段，需要对反应腔室内的惰性气体进行点火电离，通过施加电离电压时惰性气体电离出惰性气体离子轰击靶材，形成溅射。若施加电离电压的时间过短，惰性气体的离化率过低，产生的离子较少，靶材溅射率低，导致镀膜效率低。若施加电离电压的时间过长，通过延长点火电离时间并不能持续提高惰性气体的离化率，且功耗增大，不利于提高效率和节约成本。
本公开实施例中，通过设置合理的施加电离电压的时间，可使惰性气体产生足够浓度的等离子体引发溅射反应，进而通过反应腔室内施加的偏压和磁场，激发并维持靶材的自电离反应。在沉积膜层过程中，即使停止通入惰性气体，亦能使靶材的溅射反应持续进行。
在一些实施例中，靶材包括金属合金相变材料。
示例性地，靶材的组成材料可包括GST(Ge-Sb-Te)合金材料，GST合金材料在晶态和非晶态时具有明显不同的阻值，可用于相变存储器的相变存储层来存储数据。
图5a和图5b是根据一示例性实施例示出的薄膜沉积设备100的结构示意图。结合图5a和图5b所示，薄膜沉积设备100包括：
反应腔室10；
承载装置12，位于反应腔室内，用于承载基片13；
阴极板14，位于反应腔室10顶部，用于与靶材11相连；
阳极板15，位于反应腔室10底部，与承载装置12相连，以使靶材11与基片13相对布置；
进气管16，与反应腔室10的内部连通，用于向反应腔室10内通入原子量大于氩气的原子量惰性气体；其中，惰性气体电离产生惰性气体离子轰击靶材11，使靶材11电离产生带电粒子；
电磁线圈17，环绕在反应腔室10的外壁(参照图5b所示)；当电磁线圈17通电时，通电的电磁线圈17用于在反应腔室10内产生磁场，以使上述带电粒子在该磁场作用下轰击靶材11，使靶材11电离；
控制器，用于在反应腔室10内气体压强达到预设值时，控制停止向反应腔室10通入惰性气体，并控制电磁线圈17产生磁场。
示例性地，参照图5a所示，阴极板14与阳极板15分别位于反应腔室10的顶部和底部，并平行相对。靶材11固定于阴极板14上，基片13置于承载装置12上，承载装置12位于阳极板15上。
示例性地，薄膜沉积设备100还可包括压强检测装置，并与控制器(未图示)连接，用于检测反应腔室10内的气体压强，当压强检测装置检测到反应腔室10内的气体压强达到预设值时，控制器控制供气***停止向反应腔室10通入惰性气体。
在一些实施例中，薄膜沉积设备100还包括：
工作电源18，分别与控制器(未图示)以及阴极板14和阳极板15电连接，用于在接收到控制器的开启指令时，在阴极板14和阳极板15之间施加范围为300V至10000V的偏压。
示例性地，参照图5a所示，工作电源18的阴极与阴极板14电连接，工作电源18的阳极连接到反应腔室10的腔壁，阳极板15与反应腔室10的腔壁接触，通过腔壁与工作电源18的阳极电连接。将阳极板15接地，并对阴极板14施加负偏压，从而阴极板14和阳极板15之间产生电势差形成电场，电场方向由阳极板15指向阴极板14，该电场可以上带正电荷的粒子获得高能量轰击靶材。
示例性地，参照图5b所示(图5b只示出了反应腔室10和电磁线圈17的位置关系)，电磁线圈17环绕在反应腔室10外壁，电磁线圈17用于通入电流以在反应腔室10内形成磁场，使反应腔室10内带电粒子的运动复杂化(例如运动方向多样化)，使带电粒子从不同的方向轰击靶材促进溅射反应的发生，从而溅射出更多的靶材粒子，例如靶材原子和靶材离子。
反应腔室10还包括出气口19，可位于反应腔室10的底部、顶部或者侧壁，出气口19与真空泵(未示出)相连，用于将反应腔室10抽真空和排出反应腔室10内的气体。
本公开实施例提供的薄膜沉积设备，通过往反应腔室内通入原子量大于氩气的原子量的惰性气体作为工作气体，并在反应腔室内气体压强达到预设值时，停止通入惰性气体，大大地减少了惰性气体的用量和反应腔室内惰性气体的浓度，降低了惰性气体原子残留在沉积的膜层中的几率，有利于提高沉积的膜层的性能，进而提高器件的性能。
另一方面，通过对阴极靶材施加高负偏压以在靶材与基片之间产生电场以及设置电磁线圈在反应腔室内产生磁场，使轰击靶材的离子获得较高的轰击能量并以不同的入射角度轰击靶材，并使靶材溅射出更多的靶材原子和靶材离子，靶材原子在基片上沉积形成薄膜，靶材离子在电场作用下继续轰击靶材，促进靶材表面的溅射反应，如此，即使在停止通入惰性气体的情况下，也能维持靶材溅射反应的持续发生，进而持续沉积膜层。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种薄膜沉积方法，其特征在于，包括：
往反应腔室内通入原子量大于氩气的原子量的惰性气体；所述惰性气体包括氙气和/或氡气；
在往所述反应腔室内通入所述惰性气体的过程中，在所述反应腔室内的靶材和基片之间施加电离电压，使所述惰性气体电离产生惰性气体离子轰击所述靶材；
当所述反应腔室内的气体压强达到预设值时，停止通入所述惰性气体；
向所述反应腔室内施加磁场，以在所述磁场的作用下使所述靶材电离产生的等离子体中的带电粒子轰击所述靶材，以使所述靶材的组成粒子沉积在所述基片上；
在所述靶材和所述基片之间施加偏压，以在所述偏压的作用下使所述带电粒子轰击所述靶材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏压范围为：300V至10000V。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述反应腔室内的气体压强达到预设值时，停止通入所述惰性气体，包括：
检测所述反应腔室内的气体压强，并将检测到的所述气体压强与所述预设值进行比较；
当检测到的所述气体压强达到所述预设值时，停止通入所述惰性气体。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设值的范围为：0.1Pa至10Pa。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在所述靶材和所述基片之间施加电离电压的时间为：1s至10s；
和/或，
在往所述反应腔室内通入原子量大于氩气的原子量的所述惰性气体之前，所述方法还包括：将所述反应腔室抽真空。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述靶材包括金属合金相变材料；
所述惰性气体还包括：氪气。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述向所述反应腔室内施加磁场，包括：
向环绕在所述反应腔室外壁的电磁线圈中通入电流，以使所述反应腔室内产生所述磁场。
8.一种薄膜沉积设备，其特征在于，包括：
反应腔室；
承载装置，位于所述反应腔室内，用于承载基片；
阴极板，位于所述反应腔室顶部，用于与靶材相连；
阳极板，位于所述反应腔室底部，与所述承载装置相连，以使所述靶材与所述基片相对布置；
进气管，与所述反应腔室的内部连通，用于向所述反应腔室内通入原子量大于氩气的原子量的惰性气体；所述惰性气体包括氙气和/或氡气；其中，所述惰性气体电离产生惰性气体离子轰击所述靶材，使所述靶材电离产生带电粒子；
电磁线圈，环绕在所述反应腔室的外壁；当所述电磁线圈通电时，通电的所述电磁线圈用于在所述反应腔室内产生磁场，以使所述带电粒子在所述磁场作用下轰击所述靶材，使所述靶材电离；
控制器，用于在所述反应腔室内的气体压强达到预设值时，控制停止向所述反应腔室通入惰性气体，并控制所述电磁线圈产生所述磁场；
工作电源，分别与所述控制器以及所述阴极板和阳极板电连接，用于在接收到所述控制器的开启指令时，在所述阴极板和所述阳极板之间施加偏压，以在所述偏压的作用下使所述带电粒子轰击所述靶材。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述阴极板和所述阳极板之间施加偏压的范围为300V至10000V。
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|---|---|
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Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2103770A1 (en) * | 1992-08-14 | 1994-02-15 | Simon K. Nieh | Plasma-Enhanced Magnetron-Sputtered Deposition of Materials |
| JP2003328123A (ja) * | 2002-05-14 | 2003-11-19 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | スパッタリング装置およびスパッタリング方法 |
| CN1800441A (zh) * | 2005-01-05 | 2006-07-12 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 等离子体增强薄膜沉积方法及装置 |
| JP2009120868A (ja) * | 2007-11-12 | 2009-06-04 | Eiko Engineering Co Ltd | スパッタリング装置 |
| TWM371726U (en) * | 2009-09-11 | 2010-01-01 | Po-Jen Cheng | Cathode structure device of vacuum sputtering machine |
| CN104164653A (zh) * | 2013-05-17 | 2014-11-26 | 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 | 一种磁控溅射设备及方法 |
| CN109355622A (zh) * | 2018-09-12 | 2019-02-19 | 湘潭大学 | 一种磁控溅射制备铁电薄膜的方法及铁电薄膜 |
| CN109642312A (zh) * | 2016-08-19 | 2019-04-16 | 应用材料公司 | 高密度、低应力非晶碳膜及其沉积方法和设备 |
| CN110965033A (zh) * | 2018-09-28 | 2020-04-07 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 物理气相沉积设备及其方法 |
| CN212357373U (zh) * | 2020-07-17 | 2021-01-15 | 广东鼎泰机器人科技有限公司 | 一种靶材的磁性弯管机构 |
| CN112376024A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-02-19 | 北京北方华创微电子装备有限公司 | 一种氧化物薄膜的制备方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI226082B (en) * | 2003-12-16 | 2005-01-01 | Promos Technologies Inc | Physical vapor deposition process and apparatus thereof |
| GB0608582D0 (en) * | 2006-05-02 | 2006-06-07 | Univ Sheffield Hallam | High power impulse magnetron sputtering vapour deposition |
| US10545258B2 (en) * | 2016-03-24 | 2020-01-28 | Schlumberger Technology Corporation | Charged particle emitter assembly for radiation generator |
-
2021
- 2021-08-30 CN CN202111007035.4A patent/CN113718219B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2103770A1 (en) * | 1992-08-14 | 1994-02-15 | Simon K. Nieh | Plasma-Enhanced Magnetron-Sputtered Deposition of Materials |
| JP2003328123A (ja) * | 2002-05-14 | 2003-11-19 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | スパッタリング装置およびスパッタリング方法 |
| CN1800441A (zh) * | 2005-01-05 | 2006-07-12 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 等离子体增强薄膜沉积方法及装置 |
| JP2009120868A (ja) * | 2007-11-12 | 2009-06-04 | Eiko Engineering Co Ltd | スパッタリング装置 |
| TWM371726U (en) * | 2009-09-11 | 2010-01-01 | Po-Jen Cheng | Cathode structure device of vacuum sputtering machine |
| CN104164653A (zh) * | 2013-05-17 | 2014-11-26 | 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 | 一种磁控溅射设备及方法 |
| CN109642312A (zh) * | 2016-08-19 | 2019-04-16 | 应用材料公司 | 高密度、低应力非晶碳膜及其沉积方法和设备 |
| CN109355622A (zh) * | 2018-09-12 | 2019-02-19 | 湘潭大学 | 一种磁控溅射制备铁电薄膜的方法及铁电薄膜 |
| CN110965033A (zh) * | 2018-09-28 | 2020-04-07 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 物理气相沉积设备及其方法 |
| CN212357373U (zh) * | 2020-07-17 | 2021-01-15 | 广东鼎泰机器人科技有限公司 | 一种靶材的磁性弯管机构 |
| CN112376024A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-02-19 | 北京北方华创微电子装备有限公司 | 一种氧化物薄膜的制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 王洪昌，王占山.极紫外与软X射线多层膜偏振元件研究.同济大学出版社,2017,50. * |
| 肖定全，朱建国，朱基亮.薄膜物理与器件.国防工业出版社,2011,54-55. * |
| 胡传炘.表面处理技术手册 修订版.北京工业大学出版社,2009,669. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113718219A (zh) | 2021-11-30 |
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