專利名稱：反應(yīng)濺射系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制備半導體薄膜的反應(yīng)濺射系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的反應(yīng)濺射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括真空腔室、濺射電源以及分別與真空腔室相連的 抽真空系統(tǒng)、晶圓傳遞系統(tǒng)和氣體控制系統(tǒng)。其中在真空腔室內(nèi)底部中央位置設(shè)有晶圓載 臺，該晶圓載臺上面放置相當于陽極的需要被濺射的晶圓。在真空腔室的頂部設(shè)有靶材裝 置，該靶材裝置包括放置靶材的基座、連接在基座上的陰極靶材以及旋轉(zhuǎn)的強磁鐵陣列。濺 射工藝在一定的真空環(huán)境下進行，當真空腔室內(nèi)通入一定量的氬氣，并在陰極和陽極之間 加上電壓，則會產(chǎn)生氣體自激放電，這種帶電的氣體離子在電場的加速下轟擊陰極靶材，使 得靶材金屬離子化并通過電場加速沉積在陽極(待濺射的晶圓)上。期間反應(yīng)氣體，如02，n2 等會在等離子體的轟擊下變成離子，從而和金屬離子發(fā)生反應(yīng)，在晶圓上形成所需要的金 屬化合物薄膜。所生成的薄膜的成分由真空腔室內(nèi)的反應(yīng)氣體分壓(即反應(yīng)氣體的濃度) 決定，尤其是對一些具有多種價態(tài)的金屬化合物，其最主要的價態(tài)就取決于通入反應(yīng)氣體 的流量大小。現(xiàn)有的這種濺射系統(tǒng)存在一個很大的問題，即對于一些導電性能比較差的化 合物材料，隨著反應(yīng)氣體的增加，一部分化合物會反濺到靶材上，形成一層導電性能比較差 的薄膜，這減小了濺射電流，降低了濺射速度。濺射電流的減小進一步促使反應(yīng)氣體分壓增 力口，從而導致了更多的導電差的化合物薄膜形成在靶材上，從而使濺射電流進一步降低，形 成惡性循環(huán)，最終導致濺射工藝停止。所以采用傳統(tǒng)的反應(yīng)濺射系統(tǒng)具有相當大的局限性， 甚至無法獲得所需要的金屬價態(tài)成分的薄膜。下面以制備二氧化釩(VO2)薄膜為例進一步說明采用傳統(tǒng)反應(yīng)濺射系統(tǒng)的局限 性。通常靶材采用純釩金屬靶材或者用V2O3，利用氬氣(Ar)作為載氣，再通入O2作為反應(yīng) 氣體。在一定的溫度以及等離子濺射環(huán)境下，反應(yīng)氣體O2和離子態(tài)的釩結(jié)合，形成釩的氧 化物沉積在晶圓上。釩具有多種價態(tài)，如純釩(釩0價)、VO (釩+2價)、V2O3 (釩+3價)、 VO2 (釩+4價)、V205(銀+5價)，釩還具有許多其他的中間價態(tài)。其中晶態(tài)的V2O5雖有較高 的TCR，但因其微溶于水，且電阻率大，與其他工藝不兼容等缺點，不適合用于制作測微輻射 熱計的材料。而VO以及V2O3則因為TCR太小不能用。二氧化釩(VO2)在室溫下具有較高 的電阻系數(shù)(Temperature Coefficient of Resistivity，簡稱TCR)和較低的電阻率，是一 種極佳的制作測微輻射熱計的材料。所以通常工藝的主要目的是獲得高純度的VO2薄膜。參見圖1。圖1表示濺射過程中反應(yīng)氣體流量與真空腔室內(nèi)反應(yīng)氣體分壓(反應(yīng) 氣體濃度)之間關(guān)系變化的示意圖；由于真空腔室內(nèi)反應(yīng)氣體分壓與金屬氧化物釩的各種 價態(tài)之間具有一一對應(yīng)關(guān)系，所以圖1中的曲線顯示了在不同的反應(yīng)氣體流量條件下獲得 的釩的氧化物的成分變化?？梢钥闯?，當反應(yīng)氣體(O2)流量為零的時候，我們獲得的是純釩 這種材料；當氧氣流量增加，我們獲得釩的低價氧化物；當氧氣流量超過一定值，獲得的釩 的價位突然增加而馬上進入釩的高價位狀態(tài)。期間留給工藝控制的窗口非常小，氧氣流量 稍有變化，便無法獲得所需要的+4價位的釩的氧化物材料。因此，即VO2 (釩+4價)處于反應(yīng)比較劇烈，而且非常不穩(wěn)定的狀態(tài)。要獲得VO2薄膜必須制備過程中需要嚴格地控制 氧氣的含量，而傳統(tǒng)的反應(yīng)濺射系統(tǒng)很難精確控制氧氣的流量，所以難以獲得VO2薄膜；同 時在生產(chǎn)其他薄膜時，因為反應(yīng)氣體分壓控制不精確，所生成薄膜的成分也不純凈。另外， 圖1中有兩條曲線，位于上面的曲線表示獲得的釩的氧化物的成分隨反應(yīng)氣體流量的增加 的變化過程；位于下面的曲線表示獲得的釩的氧化物的成分隨反應(yīng)氣體流量的減少的變化 過程?？梢娫搩煞N曲線并不是重合的，也就是說即使真空腔室內(nèi)的反應(yīng)氣體分壓相同，但在 反應(yīng)氣體流量處于增加或減少過程的不同狀態(tài)下所獲得的釩的氧化物的成分并不相同。因此，反應(yīng)濺射工藝的濺射薄膜成分控制困難，甚至某些特定成分的薄膜無法濺射是亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能有效控制真空腔室內(nèi)反應(yīng)氣體 分壓的反應(yīng)濺射系統(tǒng)。本發(fā)明的反應(yīng)濺射系統(tǒng)，包括真空腔室、設(shè)置在該真空腔室內(nèi)底部中央位置的晶 圓載臺以及分別與所述真空腔室連通的反應(yīng)氣體管路、載氣管路和氣體控制系統(tǒng)。在所述 反應(yīng)氣體管路上安裝有由電信號控制開度的閥門。所述氣體控制系統(tǒng)包括氣體成分分析 儀、分別與氣體成分分析儀相連的計算機和控制器。所述氣體成分分析儀與所述真空腔室 之間連通有氣體采樣管路。所述真空腔室內(nèi)由反應(yīng)氣體和載氣組成的混合氣體經(jīng)氣體采樣 管路進入到所述氣體成分分析儀內(nèi)。所述氣體成分分析儀在計算機控制下測算出反應(yīng)氣體 分壓值，進一步將該反應(yīng)氣體分壓值轉(zhuǎn)換成與其成正比的電信號值，輸出到控制器。所述控 制器內(nèi)設(shè)定有與理想的反應(yīng)氣體分壓值相對應(yīng)的電信號值，所述控制器根據(jù)該設(shè)定的電信 號值和從所述氣體成分分析儀接收的電信號值計算得出電信號的偏移量，并進一步根據(jù)計 算結(jié)果調(diào)節(jié)所述閥門的開度，從而使所述真空腔室內(nèi)的反應(yīng)氣體分壓值保持在所述設(shè)定值 水平。所述控制器是比例_積分_微分控制器。其中在所述反應(yīng)氣體管路上安裝有反應(yīng)氣體質(zhì)量流量計。所述閥門是電磁氣體閥門或者壓阻氣體閥門。其中還包括設(shè)置在所述晶圓載臺上方的圓環(huán)，該圓環(huán)的內(nèi)側(cè)均勻設(shè)置有若干個出 氣孔；所述反應(yīng)氣體管路與該圓環(huán)連通。本發(fā)明的反應(yīng)濺射系統(tǒng)的優(yōu)點和積極效果在于本發(fā)明中由于設(shè)有由控制器、計 算機和氣體成分分析儀構(gòu)成的氣體控制系統(tǒng)，在反應(yīng)濺射過程中能夠在線監(jiān)控真空腔室內(nèi) 的反應(yīng)氣體(氧氣)分壓，一旦檢測到氧氣的分壓偏離設(shè)定值，則通過控制器控制閥門的開 度從而增加或者減少輸入到真空腔室內(nèi)的反應(yīng)氣體的流量，使得真空腔室內(nèi)反應(yīng)氣體分壓 始終維持在設(shè)定值水平，大幅度提高了濺射工藝的穩(wěn)定性及可重復(fù)性；同時能夠濺射出傳 統(tǒng)設(shè)備無法制備的金屬化合物薄膜，如二氧化釩(VO2)薄膜等。


圖1表示濺射過程中反應(yīng)氣體流量與真空腔室內(nèi)反應(yīng)氣體分壓之間關(guān)系變化的 示意圖2是本發(fā)明的反應(yīng)濺射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，附圖標記說明如下 2.強磁鐵陣列；3.基座；4.靶材；5.真空腔室；6.圓環(huán)；7.晶圓載臺；8.晶圓； 9.載氣管路；10.反應(yīng)氣體管路；11.載氣質(zhì)量流量計；12.氣體采樣管路；13.氣體成分分 析儀；14.計算機；15.控制器；16.閥門；17.反應(yīng)氣體質(zhì)量流量計；18.抽真空系統(tǒng)；19.晶 圓傳遞系統(tǒng)；21.濺射電源。
具體實施例方式如圖2所示，本發(fā)明的反應(yīng)濺射系統(tǒng)，包括真空腔室5和氣體控制系統(tǒng)。真空腔室 5內(nèi)底部中央位置設(shè)有晶圓載臺7，待濺射的晶圓8放置于晶圓載臺7上。晶圓載臺7可以 內(nèi)置加熱裝置，用于將晶圓加熱到所需的溫度。晶圓載臺由金屬制成，通常采用不銹鋼材 料。真空腔室5的上方為靶材裝置，該靶材裝置包括放置靶材的基座3、連接在基座3上的 靶材4以及旋轉(zhuǎn)的強磁鐵陣列2。靶材在濺射過程中需要通過冷卻水循環(huán)裝置實現(xiàn)冷卻。 靶材的基座由導電好、導電強的材料，如銅制成。電氣連接至具有可控恒定功率輸出的濺射 電源21。真空腔室5連接一個晶圓傳遞系統(tǒng)19，用于手動或者自動傳遞待濺射薄膜的晶圓 8。真空腔室5連接有由多級真空泵組成的抽真空系統(tǒng)18，以達到濺射時所需要的真空環(huán) 境。濺射過程中所需要的氣體通過兩路提供一路氣體為反應(yīng)氣體，如氧氣(O2)通過反應(yīng) 氣體管路10通入到真空腔室5內(nèi)，與位于真空腔室5內(nèi)待濺射晶圓8上方的圓環(huán)6連通， 圓環(huán)6的內(nèi)測均勻地分布一定孔徑的小孔。這樣使得接入的反應(yīng)氣體在晶圓8上方形成均 勻的反應(yīng)氣體密度以達到濺射成分均勻的目的。另一路氣體是載氣，如氬氣(Ar)通過載氣 管路9通入真空腔室5內(nèi)，其中有一部分氬氣通入晶圓載臺7，用于加強晶圓8與晶圓載臺 7之間的熱傳遞以在晶圓8上形成均勻的溫度；其他部分氬氣與反應(yīng)氣體混合。在載氣管路 9上可以安裝一個載氣質(zhì)量流量計11，以直觀讀出氬氣流量。在反應(yīng)氣體管路10上可以安 裝有反應(yīng)氣體質(zhì)量流量計17，用于直觀讀出反應(yīng)氣體的流量。另外，在反應(yīng)氣體管路10上 安裝有由電壓或電流等電信號控制的閥門16，該閥門16可以是電磁氣體閥門或者壓阻氣 體閥門，用于控制輸入到真空腔室5的反應(yīng)氣體的流量。本發(fā)明中的氣體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括氣體成分分析儀13、分別與氣體成分分析儀 13相連的計算機14和控制器15。氣體成分分析儀13與真空腔室5之間連通有氣體采樣 管路12。真空腔室5內(nèi)由反應(yīng)氣體和載氣組成的混合氣體經(jīng)氣體采樣管路12進入到氣體 成分分析儀13內(nèi)。氣體成分分析儀13可以采用現(xiàn)有的儀器，如殘余氣體分析儀(Residual Gas Analyzer，簡稱RGA)。該氣體成分分析儀在計算機14控制下可以分析出真空腔室5中各種 氣體的成分含量，特別是反應(yīng)氣體在真空腔室5內(nèi)的含量，即反應(yīng)氣體分壓，進一步將該反 應(yīng)氣體分壓值轉(zhuǎn)換成與其成正比的電信號值，輸出到控制器；控制器15內(nèi)設(shè)定有與理想的真空腔室內(nèi)反應(yīng)氣體分壓值相對應(yīng)的電信號值，該 設(shè)定值可以通過人工設(shè)置?？刂破鞲鶕?jù)該設(shè)定的電信號值和從氣體成分分析儀13接收的 電信號值計算得出電信號的偏移量，并進一步根據(jù)計算結(jié)果調(diào)節(jié)閥門16的開度，從而使真 空腔室5內(nèi)的反應(yīng)氣體分壓值保持在設(shè)定值水平。也就是，當實際測得的反應(yīng)氣體分壓值 偏離控制器內(nèi)的設(shè)定值時，控制器會輸出一定的電壓或者電流改變閥門16的開度大小，從而改變輸入真空腔室5內(nèi)反應(yīng)氣體的流量。而真空腔室5內(nèi)反應(yīng)氣體的流量將直接影響真 空腔室5內(nèi)的反應(yīng)氣體分壓。這樣就形成了一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，使得真空腔室內(nèi)的反 應(yīng)氣體分壓達到維持在設(shè)定值的水平，從而達到穩(wěn)定控制濺射薄膜成分的目的。本發(fā)明中 的控制器可以是比例_積分_微分控制器PID控制器，也可以是現(xiàn)有的其他類型控制器。使用本發(fā)明的反應(yīng)濺射系統(tǒng)，在反應(yīng)濺射過程中能夠在線監(jiān)控真空腔室內(nèi)的反應(yīng) 氣體(氧氣)分壓，一旦檢測到氧氣的分壓偏離設(shè)定值，則通過PID控制器控制閥門16的 開度從而增加或者減少輸入到真空腔室5內(nèi)的反應(yīng)氣體的流量，使得真空腔室5內(nèi)反應(yīng)氣 體的分壓始終維持在設(shè)定值水平，不但保證了最終濺射出來的薄膜成分是穩(wěn)定的、單純的， 而且還能濺射出傳統(tǒng)反應(yīng)濺射系統(tǒng)無法獲得的某些金屬價態(tài)成分的薄膜。對比試驗例 使用Varian公司的2000/8型號的真空濺射系統(tǒng)濺射薄膜時，以濺射功率DC900W 為例，當氧氣流量低于臨界點5. 5SCCM的時候，濺射出來的薄膜成分主要為V0，薄膜體積電 阻率為大約0.001 Ω ·_。當氧氣流量超過臨界點5. 5SCCM時，濺射電流急劇降低，最后濺 射出來的薄膜體積電阻率大于1000 Ω ·_，主要成分為ν205。而無法濺射出+4價的釩的氧 化物VO2。依據(jù)本發(fā)明，對該2000/8型號的真空濺射系統(tǒng)進行改造，增加了本發(fā)明中的氣體 控制系統(tǒng)。即在在真空腔室5內(nèi)晶圓載臺的上方加裝一只改善反應(yīng)氣體分布的圓環(huán)；力口 裝一臺MKS公司制造的殘余氣體探測系統(tǒng)HPQ-2(其功能相當于本發(fā)明中的氣體成分分析 儀和計算機)、一臺MKS公司制造的PID控制器250E。并在反應(yīng)氣體管路上加裝了一臺 氧氣氣體流量計和一個電流驅(qū)動的電磁氣體閥門；濺射工藝中，選用的濺射功率為DC300W 至3000W。以濺射功率DC900W為例，調(diào)節(jié)PID控制器250E的延時在0. 5-6秒，增益在 10% _30%，能夠獲得3%左右比較穩(wěn)定的反應(yīng)氣體分壓。這樣濺射出來的薄膜的主要成分 為VO2,體積電阻率在1 Ω · cm，在室溫下具有比較高的TCR，約-2. 5%。雖然已參照幾個典型實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當理解，所用的術(shù)語是說明和示 例性、而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)?質(zhì)，所以應(yīng)當理解，上述實施例不限于任何前述的細節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神 和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán) 利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
一種反應(yīng)濺射系統(tǒng)，包括真空腔室(5)、設(shè)置在該真空腔室(5)內(nèi)底部中央位置的晶圓載臺(7)以及分別與所述真空腔室(5)連通的反應(yīng)氣體管路(10)、載氣管路(9)和氣體控制系統(tǒng)，其特征在于，在所述反應(yīng)氣體管路(10)上安裝有由電信號控制開度的閥門(16)，所述氣體控制系統(tǒng)包括氣體成分分析儀(13)、分別與氣體成分分析儀(13)相連的計算機(14)和控制器(15)，所述氣體成分分析儀(13)與所述真空腔室(5)之間連通有氣體采樣管路(12)，所述真空腔室(5)內(nèi)由反應(yīng)氣體和載氣組成的混合氣體經(jīng)氣體采樣管路(12)進入到所述氣體成分分析儀(13)內(nèi)，所述氣體成分分析儀(13)在計算機(14)控制下測算出反應(yīng)氣體分壓值，進一步將該反應(yīng)氣體分壓值轉(zhuǎn)換成與其成正比的電信號值，輸出到控制器；所述控制器(15)內(nèi)設(shè)定有與理想的反應(yīng)氣體分壓值相對應(yīng)的電信號值，所述控制器(15)根據(jù)該設(shè)定的電信號值和從所述氣體成分分析儀(13)接收的電信號值計算得出電信號的偏移量，并進一步根據(jù)計算結(jié)果調(diào)節(jié)所述閥門(16)的開度，從而使所述真空腔室(5)內(nèi)的反應(yīng)氣體分壓值保持在所述設(shè)定值水平。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)濺射系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器(15)是比例-積分-微 分控制器。
3.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)濺射系統(tǒng)，其特征在于，在所述反應(yīng)氣體管路(10)上安裝 有反應(yīng)氣體質(zhì)量流量計(17)。
4.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)濺射系統(tǒng)，其特征在于，所述閥門(16)是電磁氣體閥門或 者壓阻氣體閥門。
5.如權(quán)利要求1-4之任一所述的反應(yīng)濺射系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在所述晶圓 載臺(7)上方的圓環(huán)(6)，該圓環(huán)(6)的內(nèi)側(cè)均勻設(shè)置有若干個出氣孔；所述反應(yīng)氣體管路 (10)與該圓環(huán)(6)連通。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種反應(yīng)濺射系統(tǒng)，包括真空腔室、與真空腔室相連的反應(yīng)氣體管路、載氣管路和氣體控制系統(tǒng)。在反應(yīng)氣體管路上安裝有由電信號控制開度的閥門。氣體控制系統(tǒng)包括由管路與真空腔室連通的氣體成分分析儀、計算機和控制器。氣體成分分析儀在計算機控制下測算出反應(yīng)氣體分壓值，并進一步換成與其成正比的電信號值?？刂破鲀?nèi)設(shè)定有與標準的反應(yīng)氣體分壓值相對應(yīng)的電信號值，再結(jié)合從氣體成分分析儀接收的電信號值計算得出電信號的偏移量，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)節(jié)閥門的開度，從而使真空腔室內(nèi)的反應(yīng)氣體分壓值保持在設(shè)定值水平。使用本發(fā)明的系統(tǒng)能大幅度提高濺射工藝的穩(wěn)定性及可重復(fù)性；同時能濺射出傳統(tǒng)設(shè)備無法制備的金屬化合物薄膜。
文檔編號C23C14/54GK101864558SQ20091013086
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者郭俊, 雷述宇 申請人:北京廣微積電科技有限公司