[发明专利]多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜沉积、加工与分析设备技术领域，具体地说，涉及一种多功能离子束溅射与刻蚀及原位物性分析系统。

背景技术

离子束溅射沉积(IBSD)是半导体工艺中薄膜制备的重要方式之一，根据溅射原理，利用低能量聚焦离子束对靶材表面进行轰击，溅射的靶材淀积到衬底表面并牢固地附着在衬底表面。离子枪中的灯丝在高压下产生热电子，热电子使氩气电离成Ar⁺，在电场下加速从而形成离子束。

在局部氧压或氧离子束轰击下可以进行反应离子束溅射沉积(RIBD)，以制备氧化物薄膜。

在薄膜淀积过程中，采用离子束轰击正在淀积的薄膜，可以将结合力不强的成分去掉，改变薄膜的机械和电特性，从而形成质量更好的薄膜，这就是离子束辅助溅射沉积(IASD)。

离子束溅射主要用于制备金属、半导体、绝缘体的单质、合金和化合物薄膜，主要优点包括：高致密膜层结构、薄膜特性对环境稳定、较高而且稳定的膜层沉积速率、薄膜纯度高且化学成分稳定、可沉积超薄薄膜、电离辐射和损伤较小(溅射所需的电压比电子束蒸发小一个数量级)。

离子束刻蚀(IBE)是半导体刻蚀工艺中的一种，主要是物理刻蚀，根据溅射原理，利用低能量平行离子束对基片表面进行轰击，表面上未被掩膜覆盖部分的材料被溅射出，从而达到刻蚀的目的，主要用于集成电路、元器件、传感器等领域的微细图形制备。通常的离子束刻蚀采用的是惰性气体离子如Ar⁺，属于纯物理刻蚀，因而可以刻蚀任何材料，可将三维掩模图形高保真地转移为衬底表面三维图形；而反应离子束刻蚀(RIBE)则是通入反应气体形成反应离子进行刻蚀。离子束刻蚀属于原子级加工手段，特别是Ar⁺刻蚀不存在侧向腐蚀，具有顶级刻蚀分辨率，理论上认为可以刻蚀几个原子尺寸的结构，而且可以实现优秀的刻蚀均匀性。

离子束还可以实现清洗功能，通过离子束轰击衬底、靶材表面可以去除表面层，离子束清洗是材料表面净化的最彻底的方法，可以获得原子级清洁表面。对于清洗金属材料不存在任何问题；对于清洗合金、化合物和多元材料，采用改变离子束入射角和添加其它气体，可以在保持清洗材料表面元素化学标准配比不变条件下快速减薄和抛光表面，离子束抛光可以获得极低的材料表面微粗糙度。

由于离子束具有离子束溅射沉积、离子束辅助溅射、离子束刻蚀、离子束清洗、离子束抛光、离子束减薄等多种功能，国际上多家真空设备生产商都在对离子束溅射沉积和刻蚀设备进行开发生产，但所研制生产的设备大多功能单一，如不具备共溅射功能、加温功能、不能同时溅射和刻蚀等。

材料的制备和加工很关键，而材料应用于器件中时，材料的成分、结构等性能的表征和控制也同样是决定器件性能好坏的关键。X射线光电子能谱(XPS)是研究材料表面化学状态的一种十分重要的方法，它所应用的基本物理理论是爱因斯坦光电效应，其原理是使几乎单色的X射线入射到待分析样品上，当入射光子的能量hv明显超过样品原子的内层电子结合能(束缚能)E_b时，样品就会发射出光电子，光电子的动能为E_k＝hv-E_b-是谱仪的功函数，通过能量分析器测量并分析这些光电子的能量、强度等信息，就可以了解样品表面的元素、化学状态(价态)、电子结构和组成等。XPS能谱图是以结合能为横坐标，以光电子计数率为纵坐标。由于每种元素的电子结构是独特的，测定一个或多个光电子的结合能就可以判断元素的类型。当原子处于不同的环境(价态、晶体结构、近邻数)时，其内层电子的束缚能发生改变，在XPS谱上，表现为谱峰相对于其纯元素峰的位移，称为化学位移。根据XPS谱峰强度还可以定量计算不同元素之间的相对含量。出射光电子在样品内的非弹性散射平均自由程λ很短，通常在几个纳米以内，探测深度d＝3λsinα，改变光电子出射角α，就可以探测到不同表层深度的信息，这就是XPS的角分辨工作方式。XPS也可以用来进行深度剖析，用Ar⁺轰击剥蚀样品表面，并记录XPS谱随深度的变化，可分析不同深度处元素的含量或价态的变化情况。

在离子束沉积与刻蚀系统中加入XPS功能，可以实现材料生长和样品刻蚀后在真空腔中的原位检测。在传统的XPS检测中，通常是在薄膜材料制备结束后从真空腔中取出样品，再传送至XPS的分析腔进行分析，这样样品就会暴露于大气，材料的表面会有氧化、沾污等改性情况产生，从而影响材料本身的分析。现有的设备都无法同时满足上述要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题