[发明专利]薄膜沉积设备、物理气相沉积装置以及薄膜沉积方法

说明书

本发明公开了一种薄膜沉积设备、物理气相沉积装置以及薄膜沉积方法，薄膜沉积设备包括用于提供薄膜沉积环境的薄膜沉积腔体，用于固定基片且可实现X、Y、Z三维移动，360度连续旋转并调整角度的样品架，用于在所述基片上沉积薄膜且可伸缩并调整角度的若干沉积模块，用于监测薄膜的生长过程和状态的反馈模块，以及用于接收所述反馈模块的反馈信息并根据所述反馈信息对所述沉积模块和/或样品架进行控制的控制模块。该薄膜沉积设备可实现薄膜沉积和反应参数的自动调整，对沉积条件进行优化，可以自动调节薄膜的生长调节和反应条件从而制备高质量的薄膜，并针对特点的材料选择最优的沉积条件，实现薄膜沉积过程的闭环控制，获得高性能沉积薄膜。

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种薄膜沉积设备，还涉及一种含有该薄膜沉积设备的物理气相沉积装置，并进一步涉及一种薄膜沉积方法。

背景技术

在当前集成电路薄膜沉积领域，通常使用物理气相沉积设备如磁控溅射设备实现薄膜的沉积。尤其是在氧化物薄膜的沉积过程中，各种沉积条件如沉积速率、沉积气压、沉积距离、气体反应条件和沉积角度等对于薄膜的质量起着至关重要的作用。尤其在自旋电子学领域，许多自旋电子相关效应均为界面效应，且氧化物通常在自旋电子学领域扮演着重要的角色，因此沉积界面较为平整的超薄薄膜对于自旋电子学的研究具有重要的意义。

薄膜材料一般按是否可以独立存在分为两种，本文中所述的薄膜指的是可以依附于其他物体表面的二维体系，其厚度往往为纳米量级。薄膜制备是集成电路加工工艺的第一步，真空镀膜是指通过真空泵使封闭腔体达到真空状态，而后将膜材气化并沉积到固体衬底上形成薄膜的技术。此过程大致可分为：靶材气化、真空运动和薄膜生长三个过程。具体的说，真空镀膜中靶材气化的方法很多，比如加热或电子束轰击，可以根据靶材气化的方式来判断真空镀膜的类型；真空镀膜中气化的靶材原子到达基板之后并不是停留在到达位置而是在表面做各种运动；射向基板的原子、分子与表面碰撞，一部分被反射，另一部分在自身能量和基板温度所对应能量的共同作用下在基板表面做跳跃式运动，这一过程称为表面扩散。参与表面扩散的原子有可能从后续到达的原子处吸收能量而离开表面，也有可能吸附在某处或与其他原子结合成原子对。随着与之结合的原子越来越多，原子对可能进一步形成稳定的核，核逐渐长大成为岛，多个岛相互合并形成一种不完整的网状结构，后续到达的原子继续与网状部分结合或填充剩余空洞直到形成连续的薄膜，这种薄膜生长方式称为核生长型。从薄膜的生长方式可知控制薄膜生长过程中的各种参数对于薄膜的生长有着巨大的影响，如图1中所示，在磁控溅射设备中可以通过调节靶基距、倾斜角度和转速等各种沉积参数来控制薄膜的沉积速率、均匀性、粗糙度、附着力和结晶性等薄膜参数。

目前主流的物理气相沉积设备主要有磁控溅射、分子束外延，电子束蒸发和脉冲激光沉积等。其中，分子束外延是指在超高真空环境下，构成晶体的各个组分和掺杂原子以一定的热运动速度，按一定的比例喷射到热衬底表面进行晶体的外延生长。分子束外延设备具有薄膜质量高、沉积温度高、可以实时监测和膜层组分可以迅速调整等优点，但是生长速率较慢，不适合工业领域使用；而电子束蒸发设备主要由发射高速电子的电子枪和使电子做匀速圆周运动的磁场组成，其是将蒸发材料置于水冷坩埚之中，利用电子束直接对材料进行加热，使材料气化形成蒸汽流，而后蒸发材料在衬底上凝结，形成薄膜；此外，脉冲激光沉积属于物理气相沉积，是指将高功率的脉冲激光聚焦于靶材表面，而后材料大量吸收电磁辐射使得靶材物质快速蒸发，在真空中，蒸发的物质实时在靶表面形成等离子体，等离子体定向沉积在衬底上形成薄膜；而磁控溅射设备因其沉积速率快、基片损伤和温升小等优点而被工业现场广泛使用。但是如何获得较高质量的氧化物薄膜一直是困扰业界的一大问题。