[发明专利]连续或半连续激光沉积的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及通过激光蒸发沉积材料的方法和系统。该方法包括提供第一激光器，提供沉积腔室，在所述沉积腔室内提供基本上激光蒸发材料的靶，在所述沉积腔室内提供衬底(substrate)，将所述沉积腔室抽空至低于大气压，操作所述第一激光器从而引导第一激光束指向靶以便形成激光蒸发材料的云(cloud)，将所述衬底至少部分设置在所述激光蒸发材料的云内，并在所述衬底上沉积所述激光蒸发材料。

背景技术

所述方法可从例如US 2004/0033702-A1中获知。与已知方法关联的问题是对烧蚀工艺的控制水平相对低，这妨碍形成高质量的膜。例如，根据已知方法，在激光烧蚀靶的过程中，产生激光烧蚀靶材料的气缕(plume)，其包含理想情况下不应产生的微粒，这些微粒应明显较少地沉积在衬底上，因为它们对膜的质量有负面影响。为了防止所述微粒沉积在衬底上，US 2004/0033702-A1使用旋转靶以赋予烧蚀材料预定的速度分量，使得较重的且较慢移动的蒸发物从传播方向偏离，并被防止沉积在衬底上。虽然该具体实例表明对烧蚀工艺的控制度低，但其能够以该方式处理，显然优选采用激光沉积方法，其首先不产生任何微粒。

发明内容

因此，本发明的目的是提供通过激光蒸发沉积材料的方法，其使得对烧蚀工艺的控制度高于已知方法所提供的控制度。

为了该目的，本发明提供了根据上述类型的方法，其特征在于所述第一激光器是连续或半连续激光器，其中半连续激光器是脉冲激光器，其脉冲频率小于1kHz，脉冲宽度为至少0.0001秒。

已知的激光沉积方法通常被称为脉冲激光沉积(PLD)，其采用脉冲激光，该脉冲激光产生相对短的光脉冲，脉冲持续时间为纳秒、皮秒量级或甚至更短持续时间。由于烧蚀靶材料所需的所有或至少大部分能量通过这些相对短的激光脉冲转移到靶材料，激光脉冲通常具有相对高的能量。因此，靶材料表面的激光烧蚀发生在相当剧烈的状况下，包括高温和高压，及其急剧升降的梯度。撞击靶材料的高功率激光脉冲串(train)可引起靶材料分子结构的分解，和/或靶材料的升华(即，材料直接从其固态气化)，因而理想情况不出现在烧蚀材料云中的微粒脱离靶。而且，脉冲激光沉积的猛烈性质可干扰精确稳定的沉积速率。为了达到对烧蚀工艺和烧蚀材料云成分的更好控制，根据本发明的方法使用连续或半连续地将能量转移到靶的激光。这样的激光以比上述已知方法中使用的脉冲激光低的功率发射其能量。因此，不太可能分解靶材料的分子结构，或升华靶。通过使用连续或半连续激光，在靶表面形成所谓的“熔化”：液体或液化靶材料的局部池，通过向其提供能量，所述材料可从该池中以良好控制的方式蒸发。根据本发明的方法因此考虑到一种烧蚀方法，通过该方法靶材料首先形成液体或液化状态，然后由该状态蒸发。精确控制从熔化状态蒸发靶材料的速率例如可以通过改变半连续激光的脉冲宽度和/或脉冲频率实现，或通过改变激光波长实现。上述方法可广泛应用。其可用于激光沉积任何可激光蒸发的材料，如金属或半导体如硅。

根据本发明另一方面，根据本发明的方法进一步包括在所述沉积腔室中提供气体环境。

通过提供气体环境，除靶材料以外的元素可引入到沉积材料中和/或膜中。所谓前躯气体的分子和/或原子例如可与激光蒸发的靶材料化学反应，或者在靶材料沉积之前，或者在沉积后在衬底上。即使通过激光获得的高生长速率诱导蒸发沉积，这也会发生。反应性气体也可用来从沉积腔室中消除污染材料。例如，清扫气体(scavenger gas)如硅烷(SiH4)可用来有效地消除任何氧气(O₂)，氧气可通过氧化沉积材料而影响沉积过程。而且，非反应性气体也是有用的，例如用于减少在抽真空后仍在沉积腔室内存在的残余气体(如水蒸气和氧气)的影响，从而促进激光蒸发材料的扩散，和/或通过改变沉积腔室内气体环境压力来控制激光蒸发材料的云尺寸。

根据本发明的更详尽的细节，所述气体环境是氢气气体环境。

氢气气体环境在待沉积的靶材料要被氢化时是特别有用的。例如，其可以是在形成非晶硅(a-Si)膜的情况下，从而减小自由键(dangling bond)密度。

根据本发明的更详尽的细节，根据本发明的方法进一步包括提供用于将气体环境包括的至少部分气体分解为等离子体的装置，和操作所述装置以便使所述至少部分气体分解为等离子体。