專利名稱：多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜沉積設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種多功能離子束濺射沉積 與刻蝕設(shè)備。
背景技術(shù)：
離子束濺射沉積(IBSD)是半導體工藝中薄膜制備的重要方式之一，根據(jù)濺射原 理，利用低能量聚焦離子束對靶材表面進行轟擊，濺射的靶材淀積到襯底表面并牢固地附 著在襯底表面。離子槍中的燈絲在高壓下產(chǎn)生熱電子，熱電子使氬氣電離成Ar+，在電場下 加速從而形成離子束。在局部氧壓或氧離子束轟擊下可以進行反應離子束濺射沉積(RIBD)，以制備氧化 物薄膜。在薄膜淀積過程中，采用離子束轟擊正在淀積的薄膜，可以將結(jié)合力不強的成分 去掉，改變薄膜的機械和電特性，從而形成質(zhì)量更好的薄膜，這就是離子束輔助濺射沉積 (IASD)。離子束濺射主要用于制備金屬、半導體、絕緣體的單質(zhì)、合金和化合物薄膜，主要 優(yōu)點包括高致密膜層結(jié)構(gòu)、薄膜特性對環(huán)境穩(wěn)定、較高而且穩(wěn)定的膜層沉積速率、薄膜純 度高且化學成分穩(wěn)定、可沉積超薄薄膜、電離輻射和損傷較小(濺射所需的電壓比電子束 蒸發(fā)小一個數(shù)量級)。離子束刻蝕(IBE)是半導體刻蝕工藝中的一種，主要是物理刻蝕，根據(jù)濺射原理， 利用低能量平行離子束對基片表面進行轟擊，表面上未被掩膜覆蓋部分的材料被濺射出， 從而達到刻蝕的目的，主要用于集成電路、元器件、傳感器等領(lǐng)域的微細圖形制備。通常的 離子束刻蝕采用的是惰性氣體離子如Ar+，屬于純物理刻蝕，因而可以刻蝕任何材料，可將 三維掩模圖形高保真地轉(zhuǎn)移為襯底表面三維圖形；而反應離子束刻蝕(RIBE)則是通入反 應氣體形成反應離子進行刻蝕。離子束刻蝕屬于原子級加工手段，特別是Ar+刻蝕不存在 側(cè)向腐蝕，具有頂級刻蝕分辨率，理論上認為可以刻蝕幾個原子尺寸的結(jié)構(gòu)，而且可以實現(xiàn) 優(yōu)秀的刻蝕均勻性。離子束還可以實現(xiàn)清洗功能，通過離子束轟擊襯底、靶材表面可以去除表面層，離 子束清洗是材料表面凈化的最徹底的方法，可以獲得原子級清潔表面。對于清洗金屬材料 不存在任何問題；對于清洗合金、化合物和多元材料，采用改變離子束入射角和添加其它氣 體，可以在保持清洗材料表面元素化學標準配比不變條件下快速減薄和拋光表面，離子束 拋光可以獲得極低的材料表面微粗糙度。由于離子束具有離子束濺射沉積、離子束輔助濺射、離子束刻蝕、離子束清洗、離 子束拋光、離子束減薄等多種功能，國際上多家真空設(shè)備生產(chǎn)商都在對離子束濺射沉積和 刻蝕設(shè)備進行開發(fā)生產(chǎn)，但所研制生產(chǎn)的設(shè)備大多功能單一，如不具備共濺射功能、加溫功 能、不能同時濺射和刻蝕等。
發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的主要目的在于提出一種多功能離子束濺 射沉積與刻蝕設(shè)備，同時具有離子束濺射/共濺射沉積、離子束共濺射、離子束輔助濺射、 通入反應氣體的反應離子束濺射、濺射中的襯底加溫和原位退火、離子束刻蝕、反應離子束 刻蝕、化學輔助離子束刻蝕、襯底反濺清洗、離子束拋光、離子束減薄等功能，可用于高質(zhì) 量、多層、超薄的介質(zhì)和金屬薄膜材料的濺射沉積、刻蝕加工、拋光減薄和熱處理。(二)技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，該設(shè)備包括一真空腔室；一濺射沉積與刻蝕工件臺，用于裝載基片，設(shè)置于該真空腔室的頂部正中位置，其 下表面與水平面平行；一刻蝕離子源，設(shè)置于該真空腔室的底部正中位置，與濺射沉積與刻蝕工件臺相 對，采用射頻離子源或直流離子源，豎直向上發(fā)射離子束，并且離子束與該濺射沉積與刻蝕 工件臺下表面垂直；二濺射靶臺，設(shè)置于該真空腔室的下部，左右對稱于該刻蝕離子源發(fā)射的離子束 所在的方向，用于裝載靶材；二濺射離子源，設(shè)置于該真空腔室的中部，左右對稱于該刻蝕離子源發(fā)射的離子 束所在的方向，采用射頻離子源或直流離子源發(fā)射離子束，發(fā)射的離子束與濺射靶臺上裝 載的一個靶材表面成45°角；一輔助清洗離子源，設(shè)置于該真空腔室的中部，用于基片的清洗或濺射過程中的 輔助轟擊，采用射頻離子源或直流離子源，輔助清洗離子源斜向上發(fā)射離子束，并且發(fā)射的 離子束與該濺射沉積與刻蝕工件臺下表面成30°角。上述方案中，所述濺射沉積與刻蝕工件臺為多子臺行星結(jié)構(gòu)，每個子臺都能夠公 轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。上述方案中，所述濺射沉積與刻蝕工件臺安裝有電阻加熱器用于實現(xiàn)加熱功能， 并安裝有水冷裝置用于實現(xiàn)水冷功能。上述方案中，所述電阻加熱器在單一離子束濺射、離子束共濺射、離子束輔助濺射 過程中開啟能夠?qū)崿F(xiàn)濺射中的襯底加溫，在濺射完成后開啟能夠?qū)崿F(xiàn)濺射生長的薄膜材料 的原位退火。上述方案中，所述二濺射靶臺包括第一可旋轉(zhuǎn)四靶臺和第二可旋轉(zhuǎn)四靶臺，二者 均可同時裝載4片靶材。上述方案中，所述二濺射離子源包括第一濺射離子源和第二濺射離子源，采用射 頻離子源來濺射介質(zhì)薄膜，或者采用直流離子源來濺射金屬薄膜；第一濺射離子源斜向下 發(fā)射離子束，離子束與第一可旋轉(zhuǎn)四靶臺的一個靶材表面成45°角；第二濺射離子源斜向 下發(fā)射離子束，離子束與第二可旋轉(zhuǎn)四靶臺的一個靶材表面成45°角。上述方案中，單獨開啟所述第一濺射離子源和第二濺射離子源其中之一能夠?qū)崿F(xiàn) 單一離子束濺射，同時開啟所述第一濺射離子源和第二濺射離子源能夠?qū)崿F(xiàn)離子束共濺射，同時開啟所述輔助清洗離子源、第一濺射離子源和第二濺射離子源能夠?qū)崿F(xiàn)離子束輔 助濺射。上述方案中，所述單一離子束濺射或離子束共濺射在通入02、N2反應性氣體中的 一種或幾種時能夠?qū)崿F(xiàn)反應離子束濺射，反應性氣體通過以下三種方式中的任意一種通 入 通過所述真空腔室腔壁中的氣路法蘭通入至真空腔室中；或者通過所述第一濺射離子源或第二濺射離子源通入；或者通過所述輔助清洗離子源通入。上述方案中，從所述刻蝕離子源中通入惰性氣體氬氣能夠?qū)崿F(xiàn)普通的氬離子束刻 蝕；從所述刻蝕離子源中通入反應性氣體02、CHF3、SF6中的一種或幾種時能夠?qū)崿F(xiàn)反應離 子束刻蝕；在氬離子束刻蝕過程中從所述真空腔室腔壁中的氣路法蘭接口通入反應性氣體 02、chf3、SF6中的一種或幾種至真空腔室中能夠?qū)崿F(xiàn)化學輔助離子束刻蝕。上述方案中，單獨開啟所述輔助清洗離子源或者所述刻蝕離子源能夠?qū)崿F(xiàn)基片的 反濺清洗、拋光或減薄。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、利用本發(fā)明制造的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，同時具有離子束濺射/ 共濺射沉積、離子束共濺射、離子束輔助濺射、通入反應氣體的反應離子束濺射、濺射中的 襯底加溫和原位退火、離子束刻蝕、反應離子束刻蝕、化學輔助離子束刻蝕、襯底反濺清洗、 離子束拋光、離子束減薄等功能，可用于高質(zhì)量、多層、超薄的介質(zhì)和金屬薄膜材料的濺射 沉積、刻蝕加工、拋光減薄和熱處理。2、利用本發(fā)明制造的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制 造、成本低的優(yōu)點，非常適合于大規(guī)模生產(chǎn)，非常有利于本發(fā)明的廣泛推廣和應用。


圖1是本發(fā)明提供的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備的布局圖(前視圖)；圖2是六子臺式行星式結(jié)構(gòu)樣品工件臺的結(jié)構(gòu)示意圖(頂視圖)；圖3是采用預真空室和六子臺式行星式結(jié)構(gòu)樣品工件臺并采用兩套抽真空裝置 的的離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖(頂視圖)。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。圖1是本發(fā)明提供的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備的布局圖(前視圖)，該多 功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備包括一真空腔室；一濺射沉積與刻蝕工件臺，用于裝載基片，設(shè)置于該真空腔室的頂部正中位置，其 下表面與水平面平行；一刻蝕離子源，設(shè)置于該真空腔室的底部正中位置，與濺射沉積與刻蝕工件臺相對，采用射頻離子源或直流離子源，豎直向上發(fā)射離子束，并且離子束與該濺射沉積與刻蝕工件臺下表面垂直；二濺射靶臺，設(shè)置于該真空腔室的下部，左右對稱于該刻蝕離子源發(fā)射的離子束 所在的方向，用于裝載靶材；二濺射離子源，設(shè)置于該真空腔室的中部，左右對稱于該刻蝕離子源發(fā)射的離子 束所在的方向，采用射頻離子源或直流離子源發(fā)射離子束，發(fā)射的離子束與濺射靶臺上裝 載的一個靶材表面成45°角；—輔助清洗離子源，設(shè)置于該真空腔室的中部，用于基片的清洗或濺射過程中的 輔助轟擊，采用射頻離子源或直流離子源，輔助清洗離子源斜向上發(fā)射離子束，并且離子束 與該濺射沉積與刻蝕工件臺下表面成30°角。圖2是一種六子臺式行星式結(jié)構(gòu)樣品工件臺的結(jié)構(gòu)示意圖的頂視圖。濺射沉積與 刻蝕工件臺為多子臺行星結(jié)構(gòu)，每個子臺都能夠公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。濺射沉積與刻蝕工件臺安裝 有電阻加熱器用于實現(xiàn)加熱功能，并安裝有水冷裝置用于實現(xiàn)水冷功能。電阻加熱器在單 一離子束濺射、離子束共濺射、離子束輔助濺射過程中開啟能夠?qū)崿F(xiàn)濺射中的襯底加溫，在 濺射完成后開啟能夠?qū)崿F(xiàn)濺射生長的薄膜材料的原位退火。圖2中最下面的一個子臺用于 濺射，濺射時其它子臺被遮住以防污染。圖2中最上面的一個子臺用于刻蝕，刻蝕時其它子 臺被遮住以防污染。二濺射靶臺包括第一可旋轉(zhuǎn)四靶臺和第二可旋轉(zhuǎn)四靶臺，二者均可同時裝載4片 靶材。二濺射離子源包括第一濺射離子源和第二濺射離子源，采用射頻離子源來濺射介 質(zhì)薄膜，或者采用直流離子源來濺射金屬薄膜；第一濺射離子源斜向下發(fā)射離子束，離子束 與第一可旋轉(zhuǎn)四靶臺的一個靶材表面成45°角；第二濺射離子源斜向下發(fā)射離子束，離子 束與第二可旋轉(zhuǎn)四靶臺的一個靶材表面成45°角。單獨開啟所述第一濺射離子源和第二濺射離子源其中之一能夠?qū)崿F(xiàn)單一離子束 濺射，同時開啟所述第一濺射離子源和第二濺射離子源能夠?qū)崿F(xiàn)離子束共濺射，同時開啟 所述輔助清洗離子源、第一濺射離子源和第二濺射離子源能夠?qū)崿F(xiàn)離子束輔助濺射。單一離子束濺射或離子束共濺射在通入02、N2反應性氣體中的一種或幾種時能夠 實現(xiàn)反應離子束濺射，反應性氣體通過以下三種方式中的任意一種通入1)、通過所述真空腔室腔壁中的氣路法蘭通入至真空腔室中；或者2)、通過所述第一濺射離子源或第二濺射離子源通入；或者3)、通過所述輔助清洗離子源通入。從所述刻蝕離子源中通入惰性氣體氬氣能夠?qū)崿F(xiàn)普通的氬離子束刻蝕；從所述刻 蝕離子源中通入反應性氣體02、CHF3、SF6中的一種或幾種時能夠?qū)崿F(xiàn)反應離子束刻蝕；在 氬離子束刻蝕過程中從所述真空腔室腔壁中的氣路法蘭接口通入反應性氣體02、CHF3, SF6 中的一種或幾種至真空腔室中能夠?qū)崿F(xiàn)化學輔助離子束刻蝕。單獨開啟所述輔助清洗離子源或者所述刻蝕離子源能夠?qū)崿F(xiàn)基片的反濺清洗、拋 光或減薄。圖3是采用預真空室、六子臺式行星式結(jié)構(gòu)樣品工件臺和兩套抽真空裝置的的離 子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖(頂視圖)。圖中數(shù)字所對應的部件名稱為1濺射/刻蝕室，2樣品交換室，3濺射/刻蝕室與交換室之間的樣品傳輸部件，4濺射/刻蝕室 與交換室之間的閘板閥，5閘板閥，6分子泵，7機械泵，8閘板閥，9分子泵，10機械泵，11六 子臺式行星式結(jié)構(gòu)樣品工件臺，12濺射沉積樣品子臺，13刻蝕樣品子臺，14-17其它被遮住 的子臺，18-19濺射/共濺射用離子槍及電源，20清洗或輔助轟擊用離子槍及電源，21刻蝕 用離子槍及電源，22交換室樣品臺，23觀察窗，24觀察窗，25引入Ar的法蘭接口，26引入 O2的法蘭接口，27引入其它反應性氣體的法蘭接口，28用于引入電阻加熱器的引線法蘭，29 用于引入照明的引線法蘭，30-31放氣截止閥。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括一真空腔室；一濺射沉積與刻蝕工件臺，用于裝載基片，設(shè)置于該真空腔室的頂部正中位置，其下表面與水平面平行；一刻蝕離子源，設(shè)置于該真空腔室的底部正中位置，與濺射沉積與刻蝕工件臺相對，采用射頻離子源或直流離子源，豎直向上發(fā)射離子束，并且離子束與該濺射沉積與刻蝕工件臺下表面垂直；二濺射靶臺，設(shè)置于該真空腔室的下部，左右對稱于該刻蝕離子源發(fā)射的離子束所在的方向，用于裝載靶材；二濺射離子源，設(shè)置于該真空腔室的中部，左右對稱于該刻蝕離子源發(fā)射的離子束所在的方向，采用射頻離子源或直流離子源發(fā)射離子束，發(fā)射的離子束與濺射靶臺上裝載的一個靶材表面成45°角；一輔助清洗離子源，設(shè)置于該真空腔室的中部，用于基片的清洗或濺射過程中的輔助轟擊，采用射頻離子源或直流離子源，輔助清洗離子源斜向上發(fā)射離子束，并且發(fā)射的離子束與該濺射沉積與刻蝕工件臺下表面成30°角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，其特征在于，所述濺射 沉積與刻蝕工件臺為多子臺行星結(jié)構(gòu)，每個子臺都能夠公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，其特征在于，所述濺射 沉積與刻蝕工件臺安裝有電阻加熱器用于實現(xiàn)加熱功能，并安裝有水冷裝置用于實現(xiàn)水冷 功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，其特征在于，所述電阻 加熱器在單一離子束濺射、離子束共濺射、離子束輔助濺射過程中開啟能夠?qū)崿F(xiàn)濺射中的 襯底加溫，在濺射完成后開啟能夠?qū)崿F(xiàn)濺射生長的薄膜材料的原位退火。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，其特征在于，所述二濺 射靶臺包括第一可旋轉(zhuǎn)四靶臺和第二可旋轉(zhuǎn)四靶臺，二者均可同時裝載4片靶材。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，其特征在于，所述二濺 射離子源包括第一濺射離子源和第二濺射離子源，采用射頻離子源來濺射介質(zhì)薄膜，或者 采用直流離子源來濺射金屬薄膜；第一濺射離子源斜向下發(fā)射離子束，離子束與第一可旋 轉(zhuǎn)四靶臺的一個靶材表面成45°角；第二濺射離子源斜向下發(fā)射離子束，離子束與第二可 旋轉(zhuǎn)四靶臺的一個靶材表面成45°角。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，其特征在于，單獨開啟 所述第一濺射離子源和第二濺射離子源其中之一能夠?qū)崿F(xiàn)單一離子束濺射，同時開啟所述 第一濺射離子源和第二濺射離子源能夠?qū)崿F(xiàn)離子束共濺射，同時開啟所述輔助清洗離子 源、第一濺射離子源和第二濺射離子源能夠?qū)崿F(xiàn)離子束輔助濺射。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，其特征在于，所述單一 離子束濺射或離子束共濺射在通入02、N2反應性氣體中的一種或幾種時能夠?qū)崿F(xiàn)反應離子 束濺射，反應性氣體通過以下三種方式中的任意一種通入通過所述真空腔室腔壁中的氣路法蘭通入至真空腔室中；或者通過所述第一濺射離子源或第二濺射離子源通入；或者通過所述輔助清洗離子源通入。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，其特征在于，從所述刻 蝕離子源中通入惰性氣體氬氣能夠?qū)崿F(xiàn)普通的氬離子束刻蝕；從所述刻蝕離子源中通入反 應性氣體02、CHF3、SF6中的一種或幾種時能夠?qū)崿F(xiàn)反應離子束刻蝕；在氬離子束刻蝕過程 中從所述真空腔室腔壁中的氣路法蘭接口通入反應性氣體02、chf3、SF6中的一種或幾種至 真空腔室中能夠?qū)崿F(xiàn)化學輔助離子束刻蝕。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，其特征在于，單獨開啟 所述輔助清洗離子源或者所述刻蝕離子源能夠?qū)崿F(xiàn)基片的反濺清洗、拋光或減薄。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多功能離子束濺射沉積與刻蝕設(shè)備，包括一真空腔室；一濺射沉積與刻蝕工件臺，設(shè)置于該真空腔室的頂部正中位置，其下表面與水平面平行；一刻蝕離子源，設(shè)置于該真空腔室的底部正中位置，與濺射沉積與刻蝕工件臺相對；二濺射靶臺，設(shè)置于該真空腔室的下部，左右對稱于該刻蝕離子源發(fā)射的離子束所在的方向；二濺射離子源，設(shè)置于該真空腔室的中部，左右對稱于該刻蝕離子源發(fā)射的離子束所在的方向，發(fā)射的離子束與濺射靶臺上裝載的一個靶材表面成45°角；一輔助清洗離子源，設(shè)置于該真空腔室的中部，發(fā)射的離子束與該濺射沉積與刻蝕工件臺下表面成30°角。該設(shè)備兼?zhèn)涓鞣N功能，可用于介質(zhì)和金屬材料的濺射沉積刻蝕拋光減薄和熱處理。
文檔編號C23F4/04GK101880863SQ200910083508
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者劉明, 徐連生, 謝常青, 賈銳, 陳寶欽, 龍世兵 申請人:中國科學院微電子研究所