專利名稱：通過(guò)激光燒蝕沉積薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)靶的激光燒蝕在襯底上形成薄膜的方法，例如，已知的脈沖激光沉積(“PLD”)技術(shù)。本發(fā)明特別適于金剛石膜的形成，但并不限于此，而是可以應(yīng)用于任何材料的膜的形成中，例如可用于超導(dǎo)膜生長(zhǎng)工藝中、光電子和半導(dǎo)體電子中。
背景技術(shù)：
在高質(zhì)量薄膜的生成中采用PLD的各種技術(shù)已經(jīng)研究了多年。
PLD包括將脈沖激光引導(dǎo)到放在室中的靶材料上，該室通常是真空室。激光的能量使靶表面的材料燒蝕并蒸發(fā)成為煙柱。煙柱包括原子、離子、分子和微?；蛟訄F(tuán)的混合物。隨著材料被燒蝕，煙柱擴(kuò)散到室中。煙柱中的蒸發(fā)物的能量范圍通常從幾個(gè)eV到幾百eV的數(shù)量級(jí)。通過(guò)在煙柱傳播的方向中放置襯底，燒蝕的材料在襯底的各層沉積為層，從而形成薄膜。
用于產(chǎn)生薄膜的PLD的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)很好地被證明，但是，該工藝具有不能形成高質(zhì)量薄膜的缺點(diǎn)。在煙柱中存在的微粒降低了合成薄膜的質(zhì)量。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種減少煙柱中的微粒和減少沉積在襯底上的微粒的方法。
國(guó)際專利公開(kāi)WO99/13127介紹了通過(guò)激光脈沖在真空室中蒸發(fā)靶的方法，聚焦到最佳的強(qiáng)度，以便消除煙柱中的微粒。最佳強(qiáng)度由激光脈沖持續(xù)時(shí)間和靶材料的特性限定。預(yù)先確定激光脈沖的重復(fù)速率，以便在襯底處產(chǎn)生連續(xù)的蒸發(fā)材料的氣流。脈沖重復(fù)速率一般在千赫到幾百兆赫的范圍內(nèi)；脈沖持續(xù)時(shí)間優(yōu)選為皮秒或飛秒。該申請(qǐng)介紹了通過(guò)蒸發(fā)石墨靶形成薄膜。薄膜是sp3和sp2鍵合的無(wú)定形碳的混合物，并且?guī)缀鯖](méi)有顆粒。
關(guān)于PLD的論文由WO99/13127的發(fā)明人Rode等人在Journal ofApplied Physics 85，No.8(1999年4月15日)的第4222頁(yè)發(fā)表。
國(guó)際專利公開(kāi)WO00/22184介紹了采用短脈沖激光(100皮秒或更短)的薄膜，特別是類金剛石碳膜的PLD方法。采用這種激光據(jù)稱能產(chǎn)生含有不成團(tuán)的單個(gè)原子離子的煙柱。使用高平均功率飛秒激光使沉積速率達(dá)到了25μm/hr。
美國(guó)專利5,858,478介紹了薄膜的PLD方法，其中用脈沖激光燒蝕靶表面的材料。在靶和襯底之間的直線上放置屏蔽物，并用磁場(chǎng)使被燒蝕的材料的煙柱中的離子向著襯底轉(zhuǎn)彎，而中性微粒繼續(xù)通過(guò)襯底。該方法避免了大的中性微粒沉積到襯底上。
美國(guó)專利5,411,722介紹了用激光燒蝕靶來(lái)形成薄膜的方法。襯底通常平行于燒蝕材料煙柱的傳播方向放置。沉積室包括惰性或活潑氣體的低背景壓力，以利于煙柱的徑向擴(kuò)散(相對(duì)于煙柱的傳播方向)。大的、重的微粒沒(méi)有明顯的徑向擴(kuò)散，不太可能沉積到襯底上。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)選擇所需的蒸發(fā)物能量來(lái)生產(chǎn)高質(zhì)量薄膜的改進(jìn)的方法。所生產(chǎn)的薄膜最好基本上沒(méi)有微粒。
在第一方面，本發(fā)明提供一種在襯底上沉積薄膜的方法，該方法包括激光燒蝕靶的表面，以產(chǎn)生從靶的表面沿傳播方向擴(kuò)散的蒸發(fā)物的煙柱；以及在煙柱的傳播方向上放置襯底，從而煙柱中的蒸發(fā)物沉積在襯底上；其中激光束聚焦在靶表面之前的有限距離中，從而使所述聚焦產(chǎn)生的光束的最小橫截面在煙柱中，由此將增加的能量賦予在煙柱中的蒸發(fā)物。
有利地，由激光束實(shí)現(xiàn)激光燒蝕。在可選實(shí)施例中，激光束為第二激光束，所述激光燒蝕由第一激光束進(jìn)行。
本發(fā)明部分地基于具有寬能量范圍的蒸發(fā)物并不總是適用于薄膜的沉積這樣一種觀察。已知為了在沉積膜中獲得所需種類的鍵，必須在襯底上沉積只在相關(guān)能量范圍內(nèi)的蒸發(fā)物。例如，對(duì)于碳膜中的sp3鍵，蒸發(fā)物的相關(guān)能量范圍為100eV到200eV的數(shù)量級(jí)。較低能量的微粒或蒸發(fā)物將主要產(chǎn)生sp2鍵并具有一些sp3鍵。另一方面，具有較高能量的微?；蛘舭l(fā)物可能破壞在膜中已存在的鍵并產(chǎn)生sp3和sp2鍵的混合物。蒸發(fā)物的動(dòng)能的范圍依賴于靶上的激光通量、激光波長(zhǎng)以及靶材料。為了在石墨靶和510nm波長(zhǎng)激光的情況下獲得能量范圍為50eV到100eV的蒸發(fā)物，在靶表面上的最佳激光通量在5×108-109W/cm2的范圍內(nèi)。但是，單獨(dú)調(diào)整這些參數(shù)不是產(chǎn)生所需能量范圍的粒子所必需的。
本發(fā)明也是由以下知識(shí)所激發(fā)的，在激光輻射與靶相互作用期間，可能在煙柱內(nèi)得到蒸發(fā)物區(qū)，在該煙柱中能夠有效吸收激光的能量。在該區(qū)域中蒸發(fā)物的密度稱作臨界密度。該臨界密度n依賴取決于激光波長(zhǎng)λ(μm)，并可以由公式n＝1.1×1021/λ2來(lái)量化。只有當(dāng)激光通量接近1010W/cm2或更高時(shí)，由蒸發(fā)物吸收的能量才變得明顯。在臨界密度區(qū)中激光能量的輸入將產(chǎn)生在4π的立體角中擴(kuò)散的“沖擊波”。為了在該點(diǎn)得到激光能量的最有效的輸入，激光脈沖持續(xù)時(shí)間必須大于電子熱傳導(dǎo)時(shí)間(大約1ns)。
當(dāng)在煙柱中預(yù)定距離(用cm表示)處的蒸發(fā)物的密度達(dá)到臨界密度(如這里所定義的)時(shí)，在煙柱中產(chǎn)生沖擊波d＝1.38×106(ε/A)1/2Δt其中ε是微粒的能量，用eV度量A是微粒的原子量Δt是激光脈沖的上升時(shí)間(s)在靶表面的前面，在脈沖持續(xù)期間最好在激光通量達(dá)到最大時(shí)并且激光束最好聚焦在臨界密度區(qū)中，由此發(fā)生碰撞吸收。
蒸發(fā)物的煙柱優(yōu)選地包括臨界密度區(qū)(如這里所定義的)，并且優(yōu)選地激光束聚焦在臨界密度區(qū)中，從而在煙柱中產(chǎn)生沖擊波。臨界密度取決于激光的波長(zhǎng)，并優(yōu)選地在4×1021蒸發(fā)物/cm3以上。在預(yù)定時(shí)間內(nèi)傳播到臨界密度區(qū)以外的煙柱中的蒸發(fā)物被沖擊波向著襯底加速，而在預(yù)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有傳播到臨界密度區(qū)以外的煙柱中的蒸發(fā)物被沖擊波向著靶的表面加速。形成薄膜所需要的能量根據(jù)靶材料和要形成的膜而變化。
為此，本發(fā)明提供了在襯底上通過(guò)靶的激光燒蝕以產(chǎn)生沉積煙柱來(lái)形成薄膜的工藝，其中調(diào)整在煙柱中的最高密度區(qū)中的激光束通量，以獲得蒸發(fā)物的有效能量吸收，以便蒸發(fā)物獲得足夠的能量來(lái)沉積到襯底上。放置襯底從而能量水平在預(yù)定范圍以外的蒸發(fā)物不能沉積到襯底上。
光束的最小橫截面最好基本包括光束的整個(gè)聚焦區(qū)。光束由透鏡聚焦，并且光束的焦點(diǎn)區(qū)定義為在透鏡的光學(xué)焦點(diǎn)緊前和緊后面的激光束的區(qū)域。焦點(diǎn)區(qū)的中點(diǎn)偏移到靶表面的前方。距離依賴于靶材料和激光通量，但通常在1μm到10mm的范圍內(nèi)。
最好在靶上的激光束的橫截面大于激光束的最小橫截面。使用較短焦距的透鏡可以在焦點(diǎn)區(qū)得到更強(qiáng)的通量，從而增加在煙柱最濃密區(qū)域吸收的能量。優(yōu)選地焦距小于35cm。
應(yīng)當(dāng)理解，在煙柱中的燒蝕蒸發(fā)物具有一定的速度范圍。在優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)蒸發(fā)物施加預(yù)定的速度分量，以由預(yù)定的速度分量使煙柱中的蒸發(fā)物移動(dòng)更慢，從而偏離傳播方向，并防止沉積到襯底上。該速度取決于靶材料，但通常大于2000rev/min，更優(yōu)選的大于5000rev/min，并可以達(dá)到40,000rev/min。
優(yōu)選地，速度的預(yù)定分量通過(guò)靶的移動(dòng)，例如圓柱形靶的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)賦予。更優(yōu)選地，速度的預(yù)定分量基本上沿靶表面的切線方向。
在第二方面，本發(fā)明提供了一種在襯底上沉積薄膜的方法，該方法包括激光燒蝕靶，以產(chǎn)生蒸發(fā)物煙柱，在該煙柱中的蒸發(fā)物具有一定的速度范圍，該煙柱沿傳播方向從靶的表面延伸；在靶表面的前面的有限距離處聚焦激光束，從而定位光束的最小橫截面，由此在煙柱中產(chǎn)生所述聚焦，而此賦予煙柱中蒸發(fā)物以增加的能量；在煙柱的傳播方向中放置襯底；以及賦予蒸發(fā)物預(yù)定的速度分量；其中在距離靶表面預(yù)定的距離處放置襯底，由該預(yù)定的速度分量使煙柱中以較低速移動(dòng)的蒸發(fā)物偏離傳播方向并被防止沉積到襯底上。
有利地，激光燒蝕由激光束進(jìn)行。在可選實(shí)施例中，激光束為第二激光束，所述激光燒蝕由第一激光束進(jìn)行。
用本發(fā)明的方法產(chǎn)生的典型的膜厚度范圍從原子級(jí)的厚度(超薄膜)直到由沉積速度和沉積時(shí)間限制的膜厚度。
在第三方面，本發(fā)明提供了一種在襯底上沉積薄膜的方法，該方法包括激光燒蝕靶，以產(chǎn)生蒸發(fā)物煙柱，在該煙柱中的蒸發(fā)物具有一定的速度范圍，煙柱沿傳播方向從靶的表面延伸；在煙柱的傳播方向中放置襯底；以及賦予蒸發(fā)物預(yù)定的速度分量；其中在距離靶表面預(yù)定的距離處放置襯底，由該預(yù)定的速度分量使煙柱中以較低速移動(dòng)的蒸發(fā)物偏離傳播方向并被防止沉積到襯底上。
在另一方面，本發(fā)明提供其上沉積薄膜的襯底，根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)方面在襯底上沉積薄膜。在本發(fā)明的這一方面中，最好襯底涂覆金剛石薄膜。
在又一方面中，本發(fā)明提供用于根據(jù)本發(fā)明的方法的各方面之一在襯底上沉積的薄膜。最好該膜為金剛石膜。
本發(fā)明還提供了用于實(shí)施本發(fā)明的各方面的方法的裝置(如在附圖中所定義的)。


現(xiàn)在參考附圖通過(guò)例子的方式介紹本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的PLD方案的圖示；圖2是圖1中的焦點(diǎn)區(qū)和激光煙柱的放大圖；圖3示出了采用旋轉(zhuǎn)靶表面對(duì)靶表面的燒蝕蒸發(fā)物的速度過(guò)濾；以及圖4為采用本發(fā)明的實(shí)施例的方法得到的薄膜的喇曼光譜。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，激光器10產(chǎn)生脈沖光束12，由光學(xué)器件(未示出)引導(dǎo)，并由透鏡14在靶16前面小的但有限的距離處聚焦。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，激光器10為10kHz、20ns、銅蒸汽激光器(CVL)，脈沖能量為2mJ每脈沖，激光束的波長(zhǎng)為510nm。靶16和襯底20放在室22中，該室優(yōu)選為真空室。真空度優(yōu)選為10-3Torr的數(shù)量級(jí)或更高。對(duì)于金剛石或類金剛石膜的生產(chǎn)，靶16由石墨制成。
有利地，靶16為圓柱形(圖3)，并繞其垂直于入射激光束12的軸延伸的縱軸旋轉(zhuǎn)。靶16的旋轉(zhuǎn)避免了連續(xù)的激光脈沖打擊靶表面17的同一個(gè)位置(消除彈坑的形成)。激光束12或靶16可以額外地或交替地在垂直于激光束軸的平面中被掃描，以避免形成彈坑。
入射光束可以一定的角度被引導(dǎo)到靶表面17上。在優(yōu)選實(shí)施例中，靶16的直徑為40mm，并以104rev/min的速率繞其軸旋轉(zhuǎn)。應(yīng)當(dāng)理解，靶16可以是多種適當(dāng)形狀中的任一個(gè)(適當(dāng)?shù)男螤钜话惆?，例如，矩形、球形或圓柱形)，并且以本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所理解的任何常規(guī)方式被移動(dòng)或掃描。
激光束12與靶16的表面17的相互作用產(chǎn)生燒蝕材料的激光煙柱18(圖2)，該煙柱向襯底20傳播并沉積在該襯底20上。圖1所示的區(qū)19示出了煙柱18向襯底20的傳播方向。襯底20放在與靶16相距95mm的便利位置上。下面說(shuō)明選擇該距離的基礎(chǔ)。靶到襯底的典型距離在幾cm到20cm的范圍內(nèi)。可選對(duì)襯底20進(jìn)行加熱，以幫助膜的沉積層粘附到襯底上。但是，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，不需要加熱。
本發(fā)明部分地基于以下觀察為了產(chǎn)生高質(zhì)量的薄膜，特別是金剛石膜，需要高質(zhì)量的煙柱。在被靶的固體表面吸收之后，形成包含例如原子、分子、電子、離子、分子團(tuán)和微尺寸固體顆粒的高能核素的混合物的等離子體煙柱。大量微尺寸顆粒的存在通常不利于本工藝的最佳結(jié)果。因此，高質(zhì)量的煙柱包含較少的微尺寸顆粒，并且其中的原子和離子所具有的能量級(jí)適于膜的形成。例如，建議為了得到金剛石結(jié)構(gòu)的sp3碳-碳鍵，燒蝕的原子和離子應(yīng)當(dāng)具有100eV到200eV數(shù)量級(jí)的能量，優(yōu)選在70-200eV范圍內(nèi)。
為了實(shí)現(xiàn)靶材料的蒸發(fā)和燒蝕，激光脈沖的通量能量最好大于預(yù)定的閾值。已經(jīng)證明，用于石墨蒸發(fā)的閾值通量能量為30MW/cm2(Danilov等人，1988年12月的Sov.J.Quantum Electron.18(12)第1610頁(yè))。在靶材料是石墨的情況下，過(guò)低的脈沖能量通量將導(dǎo)致石墨結(jié)構(gòu)或其他非金剛石碳膜的形成，而過(guò)高的脈沖能量通量將導(dǎo)致材料的污染顆粒從靶的表面噴出并沉積到襯底上，或襯底被顆粒的高能碰撞損壞。在本發(fā)明的靶材料為石墨的實(shí)施例中，在靶表面的脈沖能量通量?jī)?yōu)選在5×108-109W/cm2。
圖2示出了用低脈沖能量和納秒脈沖持續(xù)時(shí)間的脈沖激光器10產(chǎn)生高質(zhì)量煙柱。用透鏡14在靶表面17處得到激光通量，并在靶表面17前面的有限距離d處聚焦激光束12。距離d優(yōu)選為1μm到10mm的范圍，最優(yōu)選在靶表面前面大約0.46mm處。距離d取決于激光通量和其它參數(shù)。
將透鏡14的焦點(diǎn)設(shè)置在靶表面17的前面有利地將光束的焦點(diǎn)區(qū)24放在激光煙柱18中。光束12的焦點(diǎn)區(qū)24定義為在透鏡14的光學(xué)焦點(diǎn)的緊前和緊后面的激光束12的區(qū)域，在該區(qū)域中光束的橫截面大致等于在光學(xué)焦點(diǎn)處光束的直徑。光束12的橫截面一般為圓形或橢圓形。結(jié)果，在靶表面處激光束大于最小橫截面，并由此小于最大能量密度。靶材料被激光脈沖蒸發(fā)和燒蝕，但是在煙柱本身中的被燒蝕的蒸發(fā)物的能量沒(méi)有高到足以形成金剛石膜的程度。
將光束14的焦點(diǎn)區(qū)24定位在靶表面17的前面為蒸發(fā)物提供了額外的能量，從而能夠形成金剛石膜。在這種情況下，焦點(diǎn)區(qū)24增加了激光煙柱18的等離子體溫度，并且在煙柱中的蒸發(fā)物變得更加活躍(后面進(jìn)一步的討論)。即，在激光煙柱18中的蒸發(fā)物具有由激光脈沖打擊到靶表面17所提供的初始能量。然后通過(guò)激光煙柱18與透鏡14的焦點(diǎn)區(qū)24的相互作用使該能量增加。
在燒蝕材料的煙柱中存在蒸發(fā)物的密度為“臨界密度”的區(qū)域。在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“臨界密度”定義為蒸發(fā)物足以允許在煙柱中激光的能量被有效的吸收的密度。臨界密度n取決于激光波長(zhǎng)λ(μm)，并可通過(guò)公式n＝1.1×1021/λ2來(lái)確定其值。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，蒸發(fā)物的臨界密度為4×1021蒸發(fā)物/cm3。只有當(dāng)激光通量接近1010W/cm2或更高時(shí)，蒸發(fā)物的能量吸收才變得明顯。
在臨界密度區(qū)中激光能量的輸入將產(chǎn)生“沖擊波”效應(yīng)或在4π立體角中延伸的等離子體波，并在透鏡14的光學(xué)焦點(diǎn)處集中。在沖擊波的中心處，即在激光的焦點(diǎn)處和在臨界密度區(qū)中的蒸發(fā)物吸收激光的能量并且能量變得更高。通過(guò)臨界密度區(qū)的較快的、高能的蒸發(fā)物被沖擊波的前端加速離開(kāi)靶表面。沒(méi)有到達(dá)焦點(diǎn)的較慢的、能量較低的微粒的能量增加，但受沖擊波的后端作用并被推回到靶表面。
在臨界點(diǎn)處激光束的通量?jī)?yōu)選從1010watt/cm2到1014watt/cm2。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例中，激光束的通量為1011Watt/cm2的數(shù)量級(jí)。
通過(guò)在煙柱的臨界密度區(qū)中聚焦激光束，產(chǎn)生作為有效的速度過(guò)濾器的沖擊波。具有足以到達(dá)或通過(guò)臨界密度區(qū)的能量的微粒的能量增加并向著襯底加速，而低能量、慢速的蒸發(fā)物被推回到靶表面。為了產(chǎn)生金剛石膜，打擊襯底的蒸發(fā)物的速度最好在3×106cm/s到9×106cm/s之間。特別優(yōu)選的速度為5×106cm/s。
在本實(shí)施例的操作的一個(gè)例子中，在靶表面17的激光通量為1.5×109W/cm2，并且在靶表面17上的點(diǎn)的半徑為4.6×10-3cm。聚焦透鏡14的焦距為15cm，焦點(diǎn)區(qū)的中點(diǎn)距離靶表面0.46mm。在臨界密度區(qū)中蒸發(fā)物的密度為4×1021蒸發(fā)物/cm3，激光通量接近1011W/cm2。
焦點(diǎn)區(qū)的長(zhǎng)度(L)用下式計(jì)算L＝0.414f2·θ/D其中f為透鏡的焦距；θ為光束的散度(divergence)；以及D為透鏡中光束的直徑。
短焦距透鏡的使用，優(yōu)選小于35cm，相對(duì)于長(zhǎng)焦距透鏡對(duì)于石墨的蒸發(fā)能夠得到最佳的激光束通量，在透鏡14的焦點(diǎn)區(qū)24提供高得多的密度，以提高輸入到激光煙柱18中的能量的效力。
圖3示出了在襯底20上沉積蒸發(fā)物。如上所述，激光束12聚焦在距離靶表面17的前面的短距離處。靶16是繞其縱軸旋轉(zhuǎn)的石墨圓柱體。
激光束12與靶表面17的相互作用產(chǎn)生了向襯底20傳播的蒸發(fā)物的煙柱18。沒(méi)有任何屏蔽或外力的影響，一定范圍的蒸發(fā)物沉積到襯底20上，雖然是可選的，但在本發(fā)明的其它實(shí)施例中可以采用屏蔽或外力。應(yīng)當(dāng)注意，移動(dòng)較慢的，即低能蒸發(fā)物為較重的、較大的在高質(zhì)量薄膜的生產(chǎn)中所不想要的微粒，而單個(gè)原子和離子相對(duì)移動(dòng)較快。
除了上述的速度過(guò)濾方法，另一個(gè)限制沉積到襯底20上的蒸發(fā)物的類型的方法是以高速度繞靶的(或一個(gè))縱軸旋轉(zhuǎn)靶16。這種旋轉(zhuǎn)不僅避免了激光脈沖連續(xù)打擊靶表面17的同一個(gè)位置(消除彈坑的形成)，還為蒸發(fā)物賦予了有效的速度分量。燒蝕微粒的該速度分量最好基本沿靶表面17的切線方法。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，靶的旋轉(zhuǎn)速度為104rev/min。該旋轉(zhuǎn)速度使速度小于104cm/s的微粒從襯底偏離。靶的旋轉(zhuǎn)速度最好大于2000rev/min，更優(yōu)選大于5000rev/min，且可以高達(dá)40000rev/min。
應(yīng)當(dāng)理解，靶16的旋轉(zhuǎn)速度可相應(yīng)于襯底到靶表面的距離進(jìn)行調(diào)整。例如，如果襯底離靶較近，則旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)當(dāng)增加。
如圖3所示，速度分量對(duì)低速移動(dòng)的微粒的影響比對(duì)快速移動(dòng)的原子和離子的影響大?？焖僖苿?dòng)的蒸發(fā)物的傳播方向由軌跡26表示，即，這些蒸發(fā)物的方向基本上沒(méi)有受到速度的切向分量的影響。低速移動(dòng)的蒸發(fā)物的軌跡28清楚地顯示出速度的切向分量的影響。這些低速移動(dòng)的微粒偏離了它們的傳播方向，并被引導(dǎo)離開(kāi)襯底20?？蛇x的屏蔽30放置在襯底20的一側(cè)，以便于防止不想要的蒸發(fā)物偏離到襯底20上。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，因?yàn)樵谝r底方向傳播的蒸發(fā)物的數(shù)量減少了，所以在襯底上沉積的蒸發(fā)物的速率也降低了。優(yōu)選的沉積速率在0.5到25/min，更優(yōu)選為2到10/min并且在一個(gè)實(shí)施例中沉積速率為5/min。相信相對(duì)于常規(guī)速率(例如，0.8到6/s)較低的沉積速率還有助于在襯底上形成平坦、光滑的材料層。通過(guò)增加脈沖重復(fù)速率可以增加沉積速率。
采用優(yōu)選實(shí)施例的方法，在硅襯底上很容易得到基本純凈的金剛石(即，sp3鍵碳)薄膜。該膜基本上不存在或幾乎不存在sp2鍵微粒和污染物微粒。
由喇曼顯微分光鏡檢查由申請(qǐng)人生產(chǎn)的薄膜以確認(rèn)沉積膜的化學(xué)特性與人造金剛石的相同。在圖4中示出了這些膜中的一個(gè)的喇曼光譜。
因?yàn)槭睦芏缺人鶞y(cè)量的金剛石的喇曼密度大50倍(用785nm波長(zhǎng))，所以喇曼光譜是檢測(cè)薄膜上存在石墨的非常有效的手段。對(duì)于這里所公布的襯底為石英和硅(100)晶片。
發(fā)現(xiàn)sp3振動(dòng)方式在中心接近1100cm-1的寬范圍上延伸，而表現(xiàn)出振動(dòng)頻率的sp2的位置超過(guò)1600cm-1。對(duì)于圖4所示的光譜，沒(méi)有表現(xiàn)出碳的石墨化(graphitisation)。沒(méi)有觀察到以1333cm-1為中心的單寶石(gem)金剛石晶體的特征強(qiáng)喇曼峰，一個(gè)原因是所觀察的膜上的金剛石為納米尺寸。沒(méi)有觀察到上述特征峰的第二個(gè)原因是膜的厚度至少小于微探針的五倍。
原子力顯微鏡方法(AFM)也用于觀察同一個(gè)樣品的表面形態(tài)。觀察到硅襯底被小晶粒、多晶連續(xù)膜所覆蓋。在樣品的表面上發(fā)現(xiàn)的最高結(jié)晶體的特征為70nm高。對(duì)于200nm厚的膜，所得到的平均表面粗糙度為15nm。也用AFM來(lái)檢查薄膜的導(dǎo)電性。根據(jù)電流的AFM圖像，發(fā)現(xiàn)該膜完全不導(dǎo)電。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，所述方法并不限于金剛石薄膜的生產(chǎn)，也可應(yīng)用在通過(guò)激光燒蝕和沉積技術(shù)生產(chǎn)其它高質(zhì)量薄膜的應(yīng)用中。例如，在上述實(shí)施例中，雖然本發(fā)明的所述方法方面在真空中實(shí)現(xiàn)，但是本發(fā)明的方法也可在用于氮化物膜的生產(chǎn)的氮?dú)夥罩袑?shí)現(xiàn)，或在存在一種或者兩種或多種環(huán)境或引入氣體的組合的多種情形中進(jìn)行。還應(yīng)當(dāng)理解，可以使用其它襯底材料，包括例如塑料、玻璃、石英和鋼。
雖然上述本發(fā)明的實(shí)施例利用了繞自身縱軸旋轉(zhuǎn)的圓柱形、同質(zhì)石墨靶，但本發(fā)明的方法也可以采用其它形狀和材料的靶，以便生產(chǎn)具有所需成分的薄膜。例如，靶可以是完全由一種材料或合成材料制成的矩形厚板。合成靶可以具有例如石墨、銅和鎳的層，或在圓柱形靶的情況下，靶可分為不同材料段。
在靶由多種材料制成的情況下，激光束掃過(guò)每種材料的各自表面，在工藝中產(chǎn)生來(lái)自每種材料的蒸發(fā)物煙柱。同樣地，可以保持激光束固定而掃描靶。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)理解，雖然本發(fā)明的上述介紹說(shuō)明了單個(gè)激光器的使用，本發(fā)明的方法也可以用兩個(gè)或多個(gè)激光器或?qū)⒁粋€(gè)激光器分為多個(gè)光束分量來(lái)實(shí)施。在使用兩個(gè)激光束的情況下，一個(gè)激光束用于從靶表面燒蝕材料，而第二個(gè)激光束可聚焦在煙柱中，用于激發(fā)煙柱中的蒸發(fā)物，如上所述。
當(dāng)使用多組分靶時(shí)，也可以采用多激光束，引導(dǎo)各激光束到各個(gè)材料表面上。在多組分靶上使用多激光束的實(shí)施例中，可選擇各光束的激光通量以適應(yīng)靶的各成分。
應(yīng)當(dāng)理解，在本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)和限定的本發(fā)明延伸到所提到的或由正文或附圖顯而易見(jiàn)的各個(gè)特性的兩個(gè)或多個(gè)的所有可選擇的組合。所有這些不同組合構(gòu)成了本發(fā)明的各個(gè)可選方面。
權(quán)利要求
1.一種在襯底上沉積薄膜的方法，該方法包括激光燒蝕靶的表面，以產(chǎn)生沿傳播方向離開(kāi)靶的表面延伸的蒸發(fā)物的煙柱；在煙柱的傳播方向上放置襯底，從而煙柱中的蒸發(fā)物沉積在襯底上；其中激光束聚焦在靶表面之前的有限距離處，從而使從所述聚焦產(chǎn)生的光束的最小橫截面位于該煙柱中，由此增加在煙柱中的蒸發(fā)物的能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述靶表面的所述激光燒蝕由所述激光束實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中煙柱包括臨界密度區(qū)(如在這里所定義的)，并且激光束聚焦在臨界密度區(qū)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中在煙柱中產(chǎn)生沖擊波。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的方法，其中在預(yù)定時(shí)間內(nèi)傳播到臨界密度區(qū)以外的煙柱中的蒸發(fā)物被沖擊波向著襯底加速，同時(shí)在該預(yù)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有傳播到臨界密度區(qū)以外的煙柱中的蒸發(fā)物被沖擊波向著靶的表面加速。
6.根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求的方法，其中激光束的最小橫截面基本包括激光束的整個(gè)焦點(diǎn)區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述激光束為一個(gè)第二激光束，且所述激光燒蝕由第一激光束實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)上述任何一個(gè)權(quán)利要求的方法，還包括對(duì)蒸發(fā)物賦予預(yù)定的速度分量，以便由該速度分量使煙柱中以較低速移動(dòng)的蒸發(fā)物偏離傳播方向并防止被沉積到襯底上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中預(yù)定的速度分量由靶的運(yùn)動(dòng)來(lái)賦予。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中靶為圓柱形靶，并且靶的運(yùn)動(dòng)包括圓柱形靶的高速旋轉(zhuǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8到10的任何一個(gè)的方法，其中預(yù)定的速度分量基本沿靶表面的切線方向。
12.一種在襯底上沉積薄膜的方法，該方法包括激光燒蝕靶的表面，以產(chǎn)生蒸發(fā)物煙柱，在該煙柱中的蒸發(fā)物具有一定的速度范圍，該煙柱沿傳播方向離開(kāi)靶的表面延伸；在靶表面前面的有限距離處聚焦激光束，從而使從所述聚焦產(chǎn)生的光束的最小橫截面位于該煙柱中，從而賦予煙柱中的蒸發(fā)物增加的能量；在煙柱的傳播方向中放置襯底；以及賦予蒸發(fā)物預(yù)定的速度分量；其中在距離靶表面預(yù)定的距離處放置襯底，以便由該速度分量使煙柱中以較低速移動(dòng)的蒸發(fā)物偏離傳播方向并防止被沉積到襯底上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述靶表面的所述激光燒蝕由所述激光束實(shí)現(xiàn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的方法，其中煙柱包括臨界密度區(qū)(如在這里所定義的)，并且第二激光束被聚焦在該臨界密度區(qū)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中在煙柱中產(chǎn)生沖擊波。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的方法，其中在預(yù)定時(shí)間內(nèi)傳播到臨界密度區(qū)以外的煙柱中的蒸發(fā)物被沖擊波向著襯底加速，同時(shí)在該預(yù)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有傳播到臨界密度區(qū)以外的煙柱中的蒸發(fā)物被沖擊波向著靶的表面加速。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述激光束為第二激光束，所述激光燒蝕由第一激光束實(shí)現(xiàn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12到17中任何一個(gè)的方法，其中預(yù)定的速度分量由靶的運(yùn)動(dòng)來(lái)賦予。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中靶為圓柱形靶，并且靶的運(yùn)動(dòng)包括該圓柱形靶的高速旋轉(zhuǎn)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19的方法，其中速度分量基本沿靶表面的切線方向。
21.一種在襯底上沉積薄膜的方法，該方法包括激光燒蝕靶，以產(chǎn)生蒸發(fā)物煙柱，在煙柱中的蒸發(fā)物具有一定的速度范圍，該煙柱沿傳播方向離開(kāi)靶的表面延伸；在煙柱的傳播方向中放置襯底；以及賦予蒸發(fā)物預(yù)定的速度分量；其中在距離靶表面預(yù)定的距離處放置襯底，以便由該預(yù)定的速度分量使煙柱中以較低速移動(dòng)的蒸發(fā)物偏離傳播方向并防止被沉積到襯底上。
22.一種在襯底上通過(guò)靶的激光燒蝕以產(chǎn)生沉積煙柱來(lái)形成薄膜的方法，其中調(diào)整在煙柱中最高密度區(qū)中的激光束通量，以獲得蒸發(fā)物的有效能量吸收，從而蒸發(fā)物獲得足夠的能量沉積到襯底上；襯底被設(shè)置成使能量水平在預(yù)定范圍以外的蒸發(fā)物不能沉積到該襯底上。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中激光束聚焦在煙柱中的最高密度區(qū)中。
24.一種襯底，其具有根據(jù)前述任何一個(gè)權(quán)利要求所限定的方法沉積在其上的薄膜。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中薄膜為金剛石膜。
26.由根據(jù)權(quán)利要求1到23中任何一個(gè)的方法制造的金剛石膜。
27.一種用于在襯底上沉積薄膜的裝置，包括靶材料；被引導(dǎo)到靶材料上的激光裝置，用來(lái)從該靶上激光燒蝕材料并產(chǎn)生燒蝕材料的煙柱；襯底裝置，其被放置在煙柱的傳播方向中，從而在襯底上沉積薄膜。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的裝置，還包括用于在煙柱中聚焦激光束的設(shè)備。
29.根據(jù)權(quán)利要求27或28的裝置，還包括用于給蒸發(fā)物賦予速度分量的設(shè)備。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的裝置，其中用于賦予速度分量的設(shè)備包括用于旋轉(zhuǎn)靶的裝置。
全文摘要
一種在襯底(2)上沉積薄膜的方法，包括用激光束(12)燒蝕靶(16)，以產(chǎn)生沿傳播方向離開(kāi)靶的表面(17)延伸的蒸發(fā)物的煙柱(19)。激光束聚焦在靶表面(17)之前并在煙柱(19)中的有限距離(d)處，由此為煙柱(19)中的蒸發(fā)物賦予增加的能量。也可以高速旋轉(zhuǎn)靶，以便賦予蒸發(fā)物預(yù)定的速度分量，該速度分量使以較低速移動(dòng)的蒸發(fā)物偏離傳播方向，并防止被沉積到襯底上。在金剛石膜的形成中該方法很有用，并且已經(jīng)應(yīng)用在微芯片制造、可視顯示單元、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、光學(xué)、光電技術(shù)、保護(hù)表面、醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及切割和鉆孔應(yīng)用等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1461355SQ01816008
公開(kāi)日2003年12月10日 申請(qǐng)日期2001年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月20日
發(fā)明者埃斯特費(fèi)克·塔曼彥, 格利戈里·塔曼彥 申請(qǐng)人:Agt第一股份有限公司