反应溅射系统技术方案

本发明专利技术提供了一种反应溅射系统，包括真空腔室、与真空腔室相连的反应气体管路、载气管路和气体控制系统。在反应气体管路上安装有由电信号控制开度的阀门。气体控制系统包括由管路与真空腔室连通的气体成分分析仪、计算机和控制器。气体成分分析仪在计算机控制下测算出反应气体分压值，并进一步换成与其成正比的电信号值。控制器内设定有与标准的反应气体分压值相对应的电信号值，再结合从气体成分分析仪接收的电信号值计算得出电信号的偏移量，根据计算结果调节阀门的开度，从而使真空腔室内的反应气体分压值保持在设定值水平。使用本发明专利技术的系统能大幅度提高溅射工艺的稳定性及可重复性；同时能溅射出传统设备无法制备的金属化合物薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于制备半导体薄膜的反应溅射系统。
技术介绍
传统的反应溅射系统结构包括真空腔室、溅射电源以及分别与真空腔室相连的 抽真空系统、晶圆传递系统和气体控制系统。其中在真空腔室内底部中央位置设有晶圆载 台，该晶圆载台上面放置相当于阳极的需要被溅射的晶圆。在真空腔室的顶部设有靶材装 置，该靶材装置包括放置靶材的基座、连接在基座上的阴极靶材以及旋转的强磁铁阵列。溅 射工艺在一定的真空环境下进行，当真空腔室内通入一定量的氩气，并在阴极和阳极之间 加上电压，则会产生气体自激放电，这种带电的气体离子在电场的加速下轰击阴极靶材，使 得靶材金属离子化并通过电场加速沉积在阳极(待溅射的晶圆)上。期间反应气体，如02，n2 等会在等离子体的轰击下变成离子，从而和金属离子发生反应，在晶圆上形成所需要的金 属化合物薄膜。所生成的薄膜的成分由真空腔室内的反应气体分压(即反应气体的浓度) 决定，尤其是对一些具有多种价态的金属化合物，其最主要的价态就取决于通入反应气体 的流量大小。现有的这种溅射系统存在一个很大的问题，即对于一些导电性能比较差的化 合物材料，随着反应气体的增加，一部分化合物会反溅到靶材上，形成一层导电性能比较差 的薄膜，这减小了溅射电流，降低了溅射速度。溅射电流的减小进一步促使反应气体分压增 力口，从而导致了更多的导电差的化合物薄膜形成在靶材上，从而使溅射电流进一步降低，形 成恶性循环，最终导致溅射工艺停止。所以采用传统的反应溅射系统具有相当大的局限性， 甚至无法获得所需要的金属价态成分的薄膜。下面以制备二氧化钒(VO2)薄膜为例进一步说明采用传统反应溅射系统的局限 性。通常靶材采用纯钒金属靶材或者用V2O3，利用氩气(Ar)作为载气，再通入O2作为反应 气体。在一定的温度以及等离子溅射环境下，反应气体O2和离子态的钒结合，形成钒的氧 化物沉积在晶圆上。钒具有多种价态，如纯钒(钒0价)、VO (钒+2价)、V2O3 (钒+3价)、 VO2 (钒+4价)、V205(银+5价)，钒还具有许多其他的中间价态。其中晶态的V2O5虽有较高 的TCR，但因其微溶于水，且电阻率大，与其他工艺不兼容等缺点，不适合用于制作测微辐射 热计的材料。而VO以及V2O3则因为TCR太小不能用。二氧化钒(VO2)在室温下具有较高 的电阻系数(Temperature Coefficient of Resistivity，简称TCR)和较低的电阻率，是一 种极佳的制作测微辐射热计的材料。所以通常工艺的主要目的是获得高纯度的VO2薄膜。参见图1。图1表示溅射过程中反应气体流量与真空腔室内反应气体分压(反应 气体浓度)之间关系变化的示意图；由于真空腔室内反应气体分压与金属氧化物钒的各种 价态之间具有一一对应关系，所以图1中的曲线显示了在不同的反应气体流量条件下获得 的钒的氧化物的成分变化。可以看出，当反应气体(O2)流量为零的时候，我们获得的是纯钒 这种材料；当氧气流量增加，我们获得钒的低价氧化物；当氧气流量超过一定值，获得的钒 的价位突然增加而马上进入钒的高价位状态。期间留给工艺控制的窗口非常小，氧气流量 稍有变化，便无法获得所需要的+4价位的钒的氧化物材料。因此，即VO2 (钒+4价)处于反应比较剧烈，而且非常不稳定的状态。要获得VO2薄膜必须制备过程中需要严格地控制 氧气的含量，而传统的反应溅射系统很难精确控制氧气的流量，所以难以获得VO2薄膜；同 时在生产其他薄膜时，因为反应气体分压控制不精确，所生成薄膜的成分也不纯净。另外， 图1中有两条曲线，位于上面的曲线表示获得的钒的氧化物的成分随反应气体流量的增加 的变化过程；位于下面的曲线表示获得的钒的氧化物的成分随反应气体流量的减少的变化 过程。可见该两种曲线并不是重合的，也就是说即使真空腔室内的反应气体分压相同，但在 反应气体流量处于增加或减少过程的不同状态下所获得的钒的氧化物的成分并不相同。因此，反应溅射工艺的溅射薄膜成分控制困难，甚至某些特定成分的薄膜无法溅射是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术旨在克服上述现有技术的不足，提供一种能有效控制真空腔室内反应气体 分压的反应溅射系统。本专利技术的反应溅射系统，包括真空腔室、设置在该真空腔室内底部中央位置的晶 圆载台以及分别与所述真空腔室连通的反应气体管路、载气管路和气体控制系统。在所述 反应气体管路上安装有由电信号控制开度的阀门。所述气体控制系统包括气体成分分析 仪、分别与气体成分分析仪相连的计算机和控制器。所述气体成分分析仪与所述真空腔室 之间连通有气体采样管路。所述真空腔室内由反应气体和载气组成的混合气体经气体采样 管路进入到所述气体成分分析仪内。所述气体成分分析仪在计算机控制下测算出反应气体 分压值，进一步将该反应气体分压值转换成与其成正比的电信号值，输出到控制器。所述控 制器内设定有与理想的反应气体分压值相对应的电信号值，所述控制器根据该设定的电信 号值和从所述气体成分分析仪接收的电信号值计算得出电信号的偏移量，并进一步根据计 算结果调节所述阀门的开度，从而使所述真空腔室内的反应气体分压值保持在所述设定值 水平。所述控制器是比例_积分_微分控制器。其中在所述反应气体管路上安装有反应气体质量流量计。所述阀门是电磁气体阀门或者压阻气体阀门。其中还包括设置在所述晶圆载台上方的圆环，该圆环的内侧均勻设置有若干个出 气孔；所述反应气体管路与该圆环连通。本专利技术的反应溅射系统的优点和积极效果在于本专利技术中由于设有由控制器、计 算机和气体成分分析仪构成的气体控制系统，在反应溅射过程中能够在线监控真空腔室内 的反应气体(氧气)分压，一旦检测到氧气的分压偏离设定值，则通过控制器控制阀门的开 度从而增加或者减少输入到真空腔室内的反应气体的流量，使得真空腔室内反应气体分压 始终维持在设定值水平，大幅度提高了溅射工艺的稳定性及可重复性；同时能够溅射出传 统设备无法制备的金属化合物薄膜，如二氧化钒(VO2)薄膜等。附图说明图1表示溅射过程中反应气体流量与真空腔室内反应气体分压之间关系变化的 示意图2是本专利技术的反应溅射系统的结构示意图。其中，附图标记说明如下 2.强磁铁阵列；3.基座；4.靶材；5.真空腔室；6.圆环；7.晶圆载台；8.晶圆； 9.载气管路；10.反应气体管路；11.载气质量流量计；12.气体采样管路；13.气体成分分 析仪；14.计算机；15.控制器；16.阀门；17.反应气体质量流量计；18.抽真空系统；19.晶 圆传递系统；21.溅射电源。具体实施例方式如图2所示，本专利技术的反应溅射系统，包括真空腔室5和气体控制系统。真空腔室 5内底部中央位置设有晶圆载台7，待溅射的晶圆8放置于晶圆载台7上。晶圆载台7可以 内置加热装置，用于将晶圆加热到所需的温度。晶圆载台由金属制成，通常采用不锈钢材 料。真空腔室5的上方为靶材装置，该靶材装置包括放置靶材的基座3、连接在基座3上的 靶材4以及旋转的强磁铁阵列2。靶材在溅射过程中需要通过冷却水循环装置实现冷却。 靶材的基座由导电好、导电强的材料，如铜制成。电气连接至具有可控恒定功率输出的溅射 电源21。真空腔室5连接一个晶圆传递系统19，用于手动或者自动传递待溅射薄膜的晶圆 8。真空腔室5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反应溅射系统，包括真空腔室（５）、设置在该真空腔室（５）内底部中央位置的晶圆载台（７）以及分别与所述真空腔室（５）连通的反应气体管路（１０）、载气管路（９）和气体控制系统，其特征在于，在所述反应气体管路（１０）上安装有由电信号控制开度的阀门（１６），所述气体控制系统包括气体成分分析仪（１３）、分别与气体成分分析仪（１３）相连的计算机（１４）和控制器（１５），所述气体成分分析仪（１３）与所述真空腔室（５）之间连通有气体采样管路（１２），所述真空腔室（５）内由反应气体和载气组成的混合气体经气体采样管路（１２）进入到所述气体成分分析仪（１３）内，所述气体成分分析仪（１３）在计算机（１４）控制下测算出反应气体分压值，进一步将该反应气体分压值转换成与其成正比的电信号值，输出到控制器；所述控制器（１５）内设定有与理想的反应气体分压值相对应的电信号值，所述控制器（１５）根据该设定的电信号值和从所述气体成分分析仪（１３）接收的电信号值计算得出电信号的偏移量，并进一步根据计算结果调节所述阀门（１６）的开度，从而使所述真空腔室（５）内的反应气体分压值保持在所述设定值水平。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭俊，雷述宇，
申请(专利权)人：北京广微积电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]