[发明专利]基于震荡式反应气体控制的反应溅射系统

说明书

技术领域

本发明涉及采用物理溅射方法制备金属化合物薄膜的技术，具体地说是一种基于震荡式反应气体控制的反应溅射系统。

背景技术

反应溅射方法是常用的一种制备金属化合物薄膜的方法，其工作原理是在溅射的过程中通入一定浓度的反应气体，使得金属离子在溅射的过程中和反应气体反应，从而获得所需要的化合物。

传统的反应溅射系统结构包括：真空腔室、溅射电源、真空泵组系统、晶圆传递系统、气路以及控制系统等。真空腔室内设有晶圆载台用于放置被溅射的晶圆。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磁控溅射系统所需要的旋转的强磁铁阵列。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。期间如果通入反应气体如O₂、N₂等，这些气体就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。反应溅射所生成的金属化合物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。

现有的这种反应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加，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，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。钒的四价氧化物二氧化钒(VO₂)在室温下具有较高的电阻系数(Temperature Coefficient ofResistivity，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。

图1表示了上述制备二氧化钒(VO₂)薄膜的一个实验结果的示意图。实验中，按照一定的时间间隔，分别在不同的时间注入不同的反应气体流量。刚开始的时间，反应气体为零，对应的溅射出来的物质为金属纯钒，对应的化学价位为0价；第10秒钟后，改变反应气体流量，溅射出来的为一价钒氧化物，反应结果稳定；第20秒以后，再次改变反应气体流量，溅射出来的为二价钒氧化物，反应结果稳定；以此类推；但到了第40秒以后，改变反应气体流量，溅射结果不再稳定，初始时化合物成分为四价钒化合物，随着时间增加，几秒钟以后化合物就成为钒的五价氧化物，即五氧化二钒。由此可见，采用传统的溅射方法不可能获得高质量的四价钒氧化物，即VO₂薄膜。因此，传统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。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种基于震荡式反应气体控制的反应溅射系统，该反应溅射系统能够溅射出成分稳定的金属化合物薄膜。

按照本发明的技术方案：一种基于震荡式反应气体控制的反应溅射系统，包括真空腔室及分别与所述真空腔室相连通的反应气体管路与载气管路，所述真空腔室内设置有相对的阳极晶圆载台与阴极靶材；所述反应溅射系统还包括气体流量控制系统，所述气体流量控制系统包括计算机、流量控制器、反应气体质量流量计及载气质量流量计，所述反应气体质量流量计与所述载气质量流量计分别设置在所述反应气体管路与所述载气管路中，所述反应气体质量流量计及所述载气质量流量计分别与所述流量控制器相连，所述流量控制器与所述计算机相连；所述计算机通过所述流量控制器控制所述反应气体质量流量计，使从所述反应气体管路进入所述真空腔室的反应气体流量为周期性震荡流量。

所述阳极晶圆载台设置于所述真空腔室的底部，所述阴极靶材设置于所述真空腔室的顶部，所述反应气体管路与所述载气管路分别设置于所述真空腔室的侧壁上。