半导体工艺设备和磁控溅射工艺的制作方法

1.本技术属于半导体加工技术领域，具体涉及一种半导体工艺设备和磁控溅射工艺。


背景技术：

2.随着科学发展对计算需求的提高，超导量子计算由于计算速度快和系统集成度高等优点而成为目前重要的研究方向。目前主要通过磁控溅射物理气相沉积技术对超导材料薄膜进行制备，超导材料薄膜的沉积质量直接关系到器件制备工艺的整合过程与器件的使用性能。随着集成电路技术的发展与计算需求的提高，应力作为超导材料薄膜的沉积质量的重要指标之一，应力可调的高性能超导材料薄膜的沉积技术成为迫切需求。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的是公开一种半导体工艺设备和磁控溅射工艺，所公开的磁控溅射工艺能够实现采用磁控溅射物理气相沉积技术得到应力可调的超导材料薄膜。
4.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：
5.第一方面，本技术实施例公开一种磁控溅射工艺，所公开的磁控溅射工艺包括：在基材上以溅射的方式沉积多层超导材料薄膜；其中，通过控制磁控溅射直流电源的第一功率和磁控溅射射频电源的第二功率的实际比值，以调整溅射形成的每一层所述超导材料薄膜的应力。
6.第二方面，本技术实施例公开一种实施第一方面所述的磁控溅射工艺的半导体工艺设备，所公开的半导体工艺设备包括反应腔体和溅射系统，所述溅射系统包括磁控溅射直流电源、磁控溅射射频电源、磁控管、磁控溅射靶材和控制器，所述磁控溅射靶材设于所述反应腔体的顶部，且与所述反应腔体围成工艺腔室，所述磁控溅射直流电源和所述磁控溅射射频电源均与所述磁控溅射靶材电连接，所述磁控管设于所述工艺腔室的顶部，且与所述磁控溅射靶材相对设置，所述控制器分别与所述磁控溅射直流电源和所述磁控溅射射频电源相连，所述控制器用于在磁控溅射工艺时控制所述磁控溅射直流电源的第一功率与所述磁控溅射射频电源的第二功率的实际比值，以使所述实际比值达到预设比值。
7.本技术采用的技术方案能够达到以下有益效果：
8.本技术实施例公开的磁控溅射工艺通过在磁控溅射工艺中同时运用磁控溅射直流电源和磁控溅射射频电源，且使得磁控溅射直流电源的第一功率与磁控溅射射频电源的第二功率之间形成不同的实际比值，从而能够通过第一功率与第二功率之间形成的不同实际比值，用以得到不同应力的超导材料薄膜，即能够实现通过磁控溅射物理气相沉积技术得到应力可调(即可变化)的多层超导材料薄膜。并且，可以控制第一功率与第二功率的实际比值实现连续地变化，从而使得多层超导材料薄膜之间的应力变化较为连续，即获得应力渐变的多层超导材料薄膜，有利于提升多层超导材料薄膜形成堆叠结构的稳定性与电学性能。
附图说明
9.图1是本技术实施例公开的半导体工艺设备的结构示意图；
10.图2是本技术实施例公开的磁控溅射工艺过程中第一功率与第二功率不同的实际比值对应得到的超导材料薄膜的应力值的曲线图；
11.图3是本技术实施例公开的磁控溅射工艺的流程图。
12.附图标记说明：
13.100-反应腔体；
14.200-溅射系统、210-磁控溅射直流电源、220-磁控溅射射频电源、230-磁控管、240-磁控溅射靶材、250-控制器、260-壳体、270-容纳腔、280-去离子冷却水；
15.300-工艺腔室、310-基座；
16.400-基材。
具体实施方式
17.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
18.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
19.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例公开的磁控溅射工艺进行详细地说明。
20.如图1至图3所示，本技术实施例公开一种磁控溅射工艺，所公开的磁控溅射工艺包括：
21.s103：在基材400上以溅射的方式沉积多层超导材料薄膜。
22.其中，通过控制磁控溅射直流电源210的第一功率与磁控溅射射频电源220的第二功率的实际比值，以调整溅射形成的每一层超导材料薄膜的应力。
23.在上述磁控溅射工艺过程中，即s103中，基材400上的多层超导材料薄膜需要通过多次控制第一功率与第二功率的实际比值得到，换句话说，沉积每一层超导材料薄膜需要确定不同的第一功率与第二功率的实际比值。具体的，在其他工艺条件一定的情况下，第一功率与第二功率之间的比值会对磁控溅射工艺得到的超导材料薄膜的应力产生影响，由图2可知，经过试验，在第二功率与第一功率之间的比值从0到1的过程中，得到的超导材料薄膜的应力大概在 500兆帕到-1000兆帕之间，从而能够对超导材料薄膜的应力实现大范围地调节，即本技术中通过调节第一功率与第二功率之间的实际比值，从而能够得到多层不同应力的超导材料薄膜，即能够得到多层应力可调的超导材料薄膜。
24.本技术实施例公开的磁控溅射工艺通过对相关技术中的磁控溅射工艺进行改进，
通过在磁控溅射工艺中同时运用磁控溅射直流电源210和磁控溅射射频电源220，且使得磁控溅射直流电源210的第一功率与磁控溅射射频电源220的第二功率之间形成不同的实际比值，进而能够通过第一功率与第二功率之间形成的不同实际比值，用以得到不同应力的超导材料薄膜，即能够实现通过磁控溅射物理气相沉积技术得到应力可调(即可变化)的多层超导材料薄膜。并且，可以控制第一功率与第二功率的实际比值实现连续地变化，从而使得多层超导材料薄膜之间的应力变化较为连续，即获得应力渐变的多层超导材料薄膜，有利于提升多层超导材料薄膜形成堆叠结构的稳定性与电学性能。
25.在本技术公开的磁控溅射工艺中，s103的工艺条件包括：磁控溅射靶材240与基材400之间的间距为130mm-160mm，磁控溅射直流电源210的第一功率为1000～6000w，磁控溅射射频电源220的第二功率为0～3000w，工艺气压为2～5mtorr。在本技术中，基材400可以蓝宝石、氧化镁、单晶硅以及石英等，本技术不对基材400的种类进行具体限制。磁控溅射靶材240与基材400之间的间距、第一功率、第二功率以及工艺气压的具体数值均可根据实际工艺情况进行预设，本技术不对磁控溅射靶材240与基材400之间的间距、第一功率、第二功率以及工艺气压的数值进行具体限定。
26.在本技术公开的磁控溅射工艺中，在基材400上以溅射的方式沉积多层超导材料薄膜，即进行s103时，在沉积每层超导材料薄膜的过程中，第一功率和第二功率之和可以相等。
27.在具体的工艺过程中，由于在其他工艺条件相同的情况下，加载到磁控溅射靶材240上的功率对磁控溅射工艺的沉积速率有影响，通常情况下，加载到磁控溅射靶材240上的功率越大，磁控溅射工艺的沉积速率越大，而较大的沉积速率有利于减少超导材料薄膜在沉积过程中引入的杂质，从而能够提升超导材料薄膜的沉积质量。
28.在本技术中，可以通过后文中所述的半导体工艺设备中的控制器250控制第一功率和第二功率具有不同的实际比值的情况下，同时，可以通过控制器250控制第一功率和第二功率之和始终相等。也就是说，本技术公开的磁控溅射工艺可以通过控制器250将第一功率和第二功率之和始终控制在一个较大的功率，例如，控制第一功率和第二功率之和始终为6000w，且在此基础上，对第一功率与第二功率之间的比值进行调整，从而使得每层超导材料薄膜在实现应力变化的同时，能够确保每层超导材料薄膜的沉积速率一致，从而能够获得沉积速率相同的不用应力的超导材料薄膜。
29.与此同时，沉积速率相同的超导材料薄膜有利于不同应力的超导材料薄膜之间实现整合，尤其是相邻的两层超导材料薄膜之间，相同的沉积速率使得相邻的两层超导材料薄膜之间具有良好的黏附性，从而能够避免相邻的两层超导材料薄膜之间容易出现剥落或是开裂等问题。
30.在本技术实施例公开的磁控溅射工艺中，磁控溅射工艺还可以包括：
31.s104：对沉积完多层超导材料薄膜的基材400实施冷却。
32.由于基材400上在进行沉积多层超导材料薄膜的工艺后，基材400上的温度较高，此时，取放基材400的过程中会造成一定的不便或危险，为避免危险的情况发生，可在后文所述的半导体工艺设备的工艺腔室300中设置对基材400的冷却时长，具体的，冷却时长可以为10秒。当然，冷却时长还可以是12秒或15秒等，本技术不对基材400在工艺腔室300内的冷却时长进行具体限制。
33.为较为彻底地对沉积完多层超导材料薄膜的基材400实现冷却，在进一步的磁控溅射工艺中，对沉积完多层超导材料薄膜的基材400实施冷却，即，s104，包括：
34.将沉积有多层超导材料薄膜的基材400传输至冷却腔室内并冷却30-100s。
35.在磁控溅射工艺中，工艺腔室300中可以设置有基座310，基材400可以放置在基座310上，基座310在工艺腔室300中具有工艺位置和非工艺位置，当在工艺腔室300中进行磁控溅射工艺时，基座310可以带动基材400移动至工艺位置处。并且，冷却腔室为对基材400专门进行冷却的腔室，将沉积有多层超导材料薄膜的基材400传输至冷却腔室中，有利于将工艺腔室300中的基座310上的位置空余出来，用以对其它的新的基材400实现以溅射的方式沉积多层超导材料薄膜的工艺过程，即对其它的新的基材400施行s103，有利于提升工艺腔室300的产能。
36.在本技术实施例公开的磁控溅射工艺过程中，在基材400上以溅射的方式沉积多层超导材料薄膜之前，即在s103之前，磁控溅射工艺还包括：
37.s101，在除气腔室中为基材400实施加热处理，以达到除气目的。
38.基材400暴露于空气中时，基材400的表面会吸附杂质气体以及水等，若直接对吸附有杂质气体或是水的基材400进行磁控溅射工艺，会使得最终得到的超导材料薄膜的纯净度较差，而对超导材料薄膜的质量产生影响，因此，在s103之前，要对基材400进行加热除气，即进行s101。具体的，在s101中，对基材400的加热温度可以为250℃至400℃，加热时间可以为30至100秒。可选的，在s101中，对基材400的加热温度可以为300℃，加热时间可以为50秒，本技术不对s101中对基材400的加热温度和加热时间的数值进行具体限制。除气时间与基材400的类型有关。一种可选的方案中，除气腔室内的温度可以为350℃，除气时间可以为30s。除气腔室与s103进行工艺的工艺腔室不同，在具体进行的过程中，可以通过机械手等传输设备对基材400进行传输。
39.在本技术实施例公开的磁控溅射工艺中，在基材400上以溅射的方式沉积多层超导材料薄膜之前，即在s103之前，磁控溅射工艺还可以包括：
40.s102，将沉积盘放入后文中所述的半导体工艺设备的工艺腔室300内，以溅射的方式在沉积盘进行沉积作业，以对磁控溅射靶材240进行清洗。
41.部分种类的磁控溅射靶材240的化学性质较为活泼，从而使得磁控溅射靶材240上较为容易吸附工艺腔室300或是空气中的杂质气体，因此，在基材400上以溅射的方式沉积多层超导材料薄膜之前，即在s103之前，需要对磁控溅射靶材240进行清洗，即s102。
42.在s102中，工艺腔室300的本底真空度可以小于5
×
10-8
mtorr，此时，基材400还没有放置在基座310上(基材400还没有被传输至工艺腔室300内)，从而可将沉积盘放置于基座310上，并将基座310移动至工艺位置处，并向工艺腔室300中通入绝缘气体，例如氩气。通过控制器250控制磁控溅射射频电源220先对磁控溅射靶材240施加较低的电压起辉，例如可以是300w，后通过控制器250控制磁控溅射直流电源210对磁控溅射靶材240施加较高的电压，例如500～6000w；同时，通过控制器250控制磁控溅射射频电源220对磁控溅射靶材240同样施加较高的电压，例如500～3000w，用以实现对磁控溅射靶材240的清洗。
43.在对磁控溅射靶材240沉积一段时间后，例如60秒后，断开磁控溅射直流电源210、磁控溅射射频电源220与磁控溅射靶材240的连接，用以实现对磁控溅射靶材240的冷却，例如在冷却10秒后，继续通过磁控溅射射频电源220对磁控溅射靶材240施加电压起辉，重复
沉积过程，即实现对磁控溅射靶材240的清洗。
44.在进一步的磁控溅射工艺过程中，以溅射的方式在沉积盘进行沉积作业，即s102，包括：
45.多次以溅射的方式在沉积盘上进行沉积作业，直至磁控溅射靶材240的实际电压在预设电压范围内。
46.本技术后文中公开的半导体工艺设备还可以包括显示器，所述显示器与磁控溅射靶材240电连接，在上述s102中，当利用磁控溅射直流电源210与磁控溅射射频电源220进行沉积工艺时，与磁控溅射靶材240电连接的显示器中会显示当前读取到的磁控溅射靶材240上的电压。需要说明的是，在磁控溅射靶材240的表面上有杂质时，显示器上读取到的磁控溅射靶材240的电压不稳定，会发生波动，而在磁控溅射靶材240的表面上没有杂质时，显示器上读取到的磁控溅射靶材240的电压较为稳定。
47.也就是说，可以通过显示器上读取到的磁控溅射靶材240的电压对磁控溅射靶材240进行清洗的程度进行判断。在读取到的磁控溅射靶材240上的实际电压在预设电压内时，说明磁控溅射靶材240上的实际电压较为稳定，以达到对磁控溅射靶材240清洗的要求，此时，可停止以溅射的方式在沉积盘进行沉积作业，以停止对磁控溅射靶材240进行清洗，即可停止上述s102，并进行磁控溅射工艺过程s103。
48.在本技术实施例公开的磁控溅射工艺中，超导材料薄膜可以为超导铌薄膜或超导铝薄膜。当然，超导材料薄膜还可以是其他种类的超导材料薄膜。
49.在本技术实施例公开的磁控溅射工艺中，在一个具体的实施例中，需要制备的超导铌材料薄膜的沉积厚度为150nm，在s103中，选用的工艺参数具体为：第一功率为4125w，第二功率为1375w，工艺气压为2.5mtorr。在本实施例中，第一功率与第二功率之间的比值为3:1，可得到应力为-45兆帕，沉积速率为1.5nm/s，超导转变温度在9.25k的超导铌材料薄膜。
50.在本技术实施例公开的磁控溅射工艺中，在另一个具体的实施例中，需要制备的超导铌材料薄膜的沉积厚度为150nm，在s103中，选用的工艺参数如下表1所示：
51.表1：超导铌材料薄膜沉积工艺配方
52.步骤123456步骤名称进气起辉稳定沉积1沉积2冷却时间/秒241505010第二功率/瓦0300200022005000第一功率/瓦002000330050000氩气/标准毫升/分钟303030303030工艺位置111111
53.由表1中可知，在s103中，基材400始终在同一位置处实现磁控溅射工艺，工艺位置1也就是上文中所述的工艺位置。在本实施例中，步骤4和步骤5中的工艺参数为得到具有不同应力的不同膜层的超导铌材料薄膜的工艺参数，由两个步骤中的数据可知，第一功率与第二功率之和相等，总功率均为5500w，用以保证步骤4和步骤5中得到的超导铌材料薄膜的沉积速率相等。
54.并且，第一功率与第二功率之间的比值发生了变化，步骤4中，第一功率与第二功
率的比值为3:2，可得到应力为-400兆帕的超导铌材料薄膜；步骤5中，第一功率与第二功率的比值为10:1，可得到应力为 250兆帕的超导铌材料薄膜。可选的，步骤4与步骤5之间以及步骤5与步骤6之间均可以增加较多数量的沉积步骤，并对加入的沉积步骤中的第一功率与第二功率的比值进行适应性调整，以使得第一功率与第二功率的比值实现连续变化，从而得到多层应力逐渐变化的超导铌材料薄膜，用以优化堆叠得到的150nm的超导铌材料薄膜的整体性能。
55.基于上文所述的磁控溅射工艺，如图1所示，本技术实施例公开一种实现上文实施例所述的磁控溅射工艺的半导体工艺设备，所公开的半导体工艺设备包括反应腔体100和溅射系统200。
56.反应腔体100为半导体工艺设备的外部结构，用于对半导体工艺设备的内部结构发挥防护作用，也是构成工艺反应空间的构件，溅射系统200用于实现磁控溅射物理气相沉淀的工艺过程。溅射系统200包括磁控溅射直流电源210、磁控溅射射频电源220、磁控管230、磁控溅射靶材240和控制器250，磁控溅射靶材240设于反应腔体100的顶部，且与反应腔体100围成工艺腔室300，基材400放置在工艺腔室300中，用以对基材400上实现超导材料薄膜的沉积工艺。
57.磁控溅射直流电源210和磁控溅射射频电源220均与磁控溅射靶材240电连接，磁控管230设于工艺腔室300的顶部，且与磁控溅射靶材240相对设置，控制器250分别与磁控溅射直流电源210和磁控溅射射频电源220相连，控制器250用于在磁控溅射工艺时控制磁控溅射直流电源210的第一功率与磁控溅射射频电源220的第二功率的实际比值，以使实际比值达到预设比值。预设比值可以预先设定，沉积不同应力的超导材料薄膜时，预设比值需要不同。
58.在本技术中，为保证超导材料薄膜沉积的质量，磁控溅射靶材240选用高纯度(99.995％)的超导材料，磁控溅射直流电源210能够向磁控溅射靶材240施加直流的第一功率，磁控溅射射频电源220能够向磁控溅射靶材240施加射频的第二功率，第一功率与第二功率可以相等，第一功率与第二功率也可以不相等，第一功率比上第二功率均能够得到一个实际比值，根据实验可得，在其他工艺条件一定的情况下，第一功率与第二功率之间的比值会对得到的超导材料薄膜的应力产生影响。
59.具体的，由图2可知，在第二功率与第一功率之间的比值从0到1的过程中，得到的超导材料薄膜的应力大概在 500兆帕到-1000兆帕之间，从而能够实现对超导材料薄膜的应力实现大范围地调节，即本技术中通过调节加到磁控溅射靶材240上的第一功率与第二功率之间的实际比值，从而能够得到多层不同应力的超导材料薄膜，且根据实验数据，可以通过在控制器250中设置预设比值，用以得到具有多层不同应力的超导材料薄膜。由于约瑟夫森结为超导体-势垒-超导体的多层膜结构，在工艺整合中需要调节各膜层的应力，因此本技术在基材400上形成的应力各不相同的超导材料薄膜对约瑟夫森结的性能优化具有重要的影响。
60.本技术实施例公开的半导体工艺设备通过对相关技术中的半导体工艺设备的结构进行改进，通过分别设置磁控溅射直流电源210与磁控溅射射频电源220同时与磁控溅射靶材240实现电连接，从而使得磁控溅射直流电源210与磁控溅射射频电源220上的功率能够同时加到磁控溅射靶材240上，用以对磁控溅射靶材240进行作用。在其他工艺条件一定
的情况下，第一功率与第二功率之间的比值不同，得到的超导材料薄膜的应力不同，能够得到具有较大的应力调节范围的超导材料薄膜，用以满足对超导薄膜应力的大范围调节，有利于实现不同应力的多层超导薄膜的制备以及各层超导薄膜之间的工艺整合。
61.在本技术实施例公开的半导体工艺设备中，溅射系统200还可以包括壳体260，壳体260与磁控溅射靶材240相连以形成容纳腔270，磁控管230设于容纳腔270之内，容纳腔270内填充有去离子冷却水280，从而使得磁控管230直接浸泡于去离子冷却水280中。在上述情况下，磁控溅射靶材240能够与去离子冷却水280实现充分地接触，从而使得在第一功率和第二功率加到磁控溅射靶材240上使得磁控溅射靶材240发热时，去离子冷却水280能够对磁控溅射靶材240中的热量进行吸收，从而使得磁控溅射靶材240能够实现冷却，从而能够避免磁控溅射靶材240中的热量过多而影响后续的磁控溅射工艺过程。
62.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
63.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。