專利名稱：用于磁控濺射裝置中的環(huán)狀陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于將材料沉積到具有低缺陷標準的襯底上的磁控濺射裝置，其中，在襯底上沉積的膜具有預定的厚度分布。更具體地，本發(fā)明涉及用在磁控濺射裝置中的環(huán)狀陰極以及合并其的磁控濺射裝置。
背景技術(shù)：
濺射鍍膜是一種廣泛使用的用于在襯底上沉積材料薄膜的技術(shù)。在濺射沉積工藝中，離子通常由在輝光放電中的氣體原子和電子之間的碰撞產(chǎn)生。離子通過電場被加速到陰極處的涂層材料的靶中，使靶材料的原子從靶表面彈射出。襯底放置在適當?shù)奈恢蒙希沟盟鼣r截彈射出的原子的一部分。因此，靶材料的涂層沉積在襯底的表面上。在反應濺射中，氣態(tài)物種也存在于襯底表面處，并與來自靶表面的原子起反應，且在一些實施例中與來自靶表面的原子組合，以形成所需涂層材料。在操作中，當濺射氣體例如氬被導入鍍膜室時，施加在陰極和陽極之間的直流 (DC)電壓將氬電離成等離子體，且?guī)д姷臍咫x子被吸引到帶負電的陰極。離子使用相當大的能量撞擊陰極前面的靶，并使靶原子或原子簇從靶中濺射。一些靶粒子撞擊并沉積在待鍍膜的晶片或襯底材料上，從而形成膜。為了獲得增加的沉積速率并降低操作壓力，使用磁性增強的陰極。在平面磁控管中，陰極包括布置在閉環(huán)中并相對于涂層材料的平坦靶板安裝在固定位置上的永久磁鐵的陣列。因此，磁場使電子在通常稱為“跑道”的閉環(huán)中行進，該閉環(huán)建立發(fā)生靶材料的濺射或腐蝕所沿著的路徑或區(qū)域。在磁控陰極中，磁場約束輝光放電等離子體，并增加在電場的影響下移動的電子的路徑長度。這導致氣體原子-電子撞擊概率的增加，從而導致比在沒有使用磁約束的情況下得到的濺射速率高得多的濺射速率。此外，濺射工藝可在低得多的氣體壓力下實現(xiàn)。一般，磁控濺射系統(tǒng)在濺射期間在2*10~-?！?*10~-中3的壓力處操作。為了建立這個壓力，室一般被抽氣降壓到< 1*10~_4的壓力，且被控制氣體流一一般是氬氣(且在反應濺射的情況下是氬氣和氧氣)一被饋送到室中以維持所需壓力。在二極管系統(tǒng)的情況下，即，當不使用磁鐵時，需要能夠點燃并維持等離子體的> 2Pa的壓力。高壓具有平均自由程極大地減小的缺點，這造成大范圍的氣體擴散。這導致霧蒙蒙的的涂層。希望創(chuàng)建一種磁控濺射系統(tǒng)，其能增加從一個襯底到另一襯底和從一次操作到另一操作的鍍膜速率并產(chǎn)生整個單獨的襯底的均勻性。陰極幾何結(jié)構(gòu)，特別是陰極形狀、位置和尺寸與待鍍膜的物體之間的關(guān)系對沉積速率和所鍍膜的區(qū)域以及產(chǎn)品質(zhì)量和一致性有明顯的影響。整個襯底的層厚度的變化被稱為流失量(runoff)。通過建?？深A測流失量。希望在大直徑襯底上提供良好的膜厚度均勻性和低流失量。在很多鍍膜裝置中，使用掩蔽將鍍膜速率變化減小到可接受的水平。但隨著時間的推進，掩模一般積聚大量的涂層材料。一旦掩模上的材料達到臨界厚度，它就可能剝落并促成危害涂層質(zhì)量的粒子。此外，修整和維持這樣的掩模是精細的工藝。另外，當掩模被鍍膜時，它們逐漸改變其形狀，這連續(xù)改變了涂層分布。在一些情況下，濺射粒子的相當大的一部分被屏蔽，這減小了材料利用率。在現(xiàn)有技術(shù)中，需要阻擋高達40%的涂層材料的重掩蔽來實現(xiàn)在整個IOOmm晶片上的+/-1.5%的可接受的厚度分布(流失量)。需要穩(wěn)定的系統(tǒng)來提供從一次操作到另一操作的均勻性。希望提供不使用掩模的裝置。陽極提供與帶負電的陰極不同的電荷。這可以與被提供到室壁的電荷一樣簡單地被提供。然而，濺射材料也沉積在暴露于濺射原子的任何表面上。如果涂層是電絕緣材料例如金屬氧化物，材料在濺射裝置的其它部分上的積聚可能引起問題。特別是，絕緣涂層在陽極上的積聚干擾陽極從等離子體移除電子的能力，如維持等離子體的電荷平衡所需要的。這使等離子體不穩(wěn)定，并干擾沉積控制。涂層積聚將使陽極位置移動到系統(tǒng)中的另一表面。這個不穩(wěn)定性影響涂層質(zhì)量。很多現(xiàn)有技術(shù)中的陽極被提議克服陽極被涂層材料鍍膜的問題。很多現(xiàn)有技術(shù)中的陽極在非常高的電壓處運行，這也增加了電弧問題，損害了涂層質(zhì)量?？商峁┓€(wěn)定的陽極位置的低電壓陽極對確保一致的涂層質(zhì)量很重要。增加的涂層容量可通過沉積速率的增加或負荷尺寸的增加或兩者組合來實現(xiàn)。為了增加沉積速率，必須增加靶處的功率密度。然而，較高的功率密度導致電弧形成的增加， 并且，在一些靶例如硅中，導致靶裂開的增加。較大的靶允許較高的材料移除速率，而不增加功率密度。沉積膜的較大的氧化效率也可增加反應濺射的沉積速率。維持流失量限制是對增加負荷大小的挑戰(zhàn)。在陰極和行星驅(qū)動裝置共享公共中心點的同心系統(tǒng)中，對較大的或較大數(shù)量的襯底，增大行星驅(qū)動系統(tǒng)需要拋距的增加。這通過增加粒子撞擊的概率一也稱為“平均自由程的減小”一而增加了氣體擴散的問題。結(jié)果是涂層的表面粗糙度的增加，其被理解為擴散或薄霧的增加。希望對于3微米厚的應用將吞吐量增加到大于 3600cm2/hr,同時維持+/-0. 5%的流失量。對于一些工業(yè)，鍍膜300mm襯底的容量是必要的。希望增加容量，而不犧牲涂層質(zhì)量。還希望維持低溫工藝，而不管增加的功率輸入，以便能夠處理溫度敏感材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用在磁控濺射鍍膜裝置中的環(huán)狀陰極，該磁控濺射鍍膜裝置具有在大表面積上提供快速鍍膜同時維持高涂層質(zhì)量并最小化材料浪費的幾何結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一目的是提供包括環(huán)狀陰極幾何結(jié)構(gòu)的、產(chǎn)生高質(zhì)量涂層而不使用掩模的磁控濺射鍍膜裝置。本發(fā)明的目的是結(jié)合低電壓陽極容器提供具有環(huán)狀陰極的磁控濺射鍍膜裝置。本發(fā)明的目的是提供用在磁控濺射鍍膜裝置中的環(huán)狀陰極，所述環(huán)狀陰極具有在陰極環(huán)的中心處的陽極容器。本發(fā)明的另一目的是提供用在磁控濺射鍍膜裝置中的環(huán)狀陰極，所述環(huán)狀陰極具有在陰極環(huán)的中心處的反應氣體出口。本發(fā)明的目的是提供用在磁控濺射鍍膜裝置中的環(huán)狀陰極，所述環(huán)狀陰極具有在陰極環(huán)的中心處的陽極容器，該陰極環(huán)可傳送活性反應氣體。本發(fā)明提供在具有行星驅(qū)動系統(tǒng)的磁控濺射裝置中增加鍍膜區(qū)域和靶材料效率的環(huán)狀陰極幾何結(jié)構(gòu)，其中陰極軸相對行星驅(qū)動裝置偏移。環(huán)狀陰極幾何結(jié)構(gòu)和襯底的偏心雙重旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)允許實現(xiàn)整個大襯底的良好的鍍膜均勻性，而不使用掩蔽。通過降低陰極上的功率密度來維持低缺陷標準。因此，本發(fā)明提供了一種磁控濺射裝置，其包括行星驅(qū)動系統(tǒng)，其具有用于主旋轉(zhuǎn)的中央旋轉(zhuǎn)軸C，并支持多個行星，每個行星具有在行星中心點cs處的次級旋轉(zhuǎn)軸，且每個行星代表由行星半徑rw描述的鍍膜區(qū)域，行星驅(qū)動系統(tǒng)具有從中央旋轉(zhuǎn)軸C到行星中心點Cs的托架半徑；環(huán)狀陰極，其包括環(huán)狀靶，所述靶包括用于形成鍍層的材料，陰極具有中心點Ce、 大于行星半徑的外徑r2(r2 > rff)和大于外徑的四分之一的內(nèi)徑巧(r2 > T1 > l/4*r2)；其中陰極中心點C。被設(shè)置在離中央旋轉(zhuǎn)軸C偏移距離rT處，所述偏移距離rT在托架半徑 rc 的 2/3 和 4/3 之間(2/3*rc < rT < 4/3*rc)；以及偏移距離rT大于陰極的外徑的一半(rT > l/2*r2)；以及其中垂直地從靶表面到行星表面的拋距h在陰極的外徑r2的三分之一和陰極的外徑的一倍之間(l/3*r2 < h < r2)；室，其用于容納陰極和行星驅(qū)動系統(tǒng)，適合于在操作中被排空；以及氣體輸送系統(tǒng)，其用于將濺射氣流提供到室中。磁控濺射裝置，其用于將濺射涂層提供到襯底，而不使用掩模。磁控濺射裝置，還包括用于反應氣體的活性源。如上所述的磁控濺射裝置，其中所述用于反應氣體的活性源位于環(huán)狀陰極的中心。磁控濺射裝置，還包括用于將電壓差提供到陰極的陽極，使得陽極是電子的優(yōu)選返回路徑，陽極包括容器的內(nèi)導電表面，容器具有與室壁電隔離的絕緣外表面，容器具有與室內(nèi)部相通的開口，開口明顯比容器的圓周小，以屏蔽內(nèi)導電表面而避免最受濺射的材料。磁控濺射裝置，其中濺射氣體源耦合到容器中，用于通過開口將濺射氣體提供到室中，且開口的尺寸被設(shè)置，以允許氣體流將陽極容器內(nèi)的壓力局部地增加到排空的室的壓力之上。磁控濺射裝置還包括用于反應氣體的活性源。磁控濺射裝置，其中陽極包括用于濺射氣體的源，所述陽極被定位，使得與室內(nèi)部相通的容器的開口在環(huán)狀陰極的中心處。磁控濺射裝置，包括用于反應氣體的活性源，其中陽極被定位，使得與室內(nèi)部相通的容器的開口在環(huán)狀陰極的中心處。磁控濺射裝置，包括作為濺射氣體的源的陽極，其中，用于反應氣體的活性源位于環(huán)狀陰極的中心。磁控濺射裝置，包括作為濺射氣體的源的陽極，其中，陽極還包括用于反應氣體的源，所述源耦合到容器中，用于通過開口提供活性氣體及濺射氣體進入室中。磁控濺射裝置，包括作為濺射氣體和反應氣體的源的陽極，其中，進入包括陽極的容器的室的開口位于環(huán)狀陰極的中心。磁控濺射裝置，包括作為濺射氣體和位于環(huán)狀陰極的中心的活性氣體的源的陰極，還包括與陰極存在距離的輔助的活性反應源。磁控濺射裝置，其中內(nèi)徑巧大于外徑r2的二分之一，使得r2 > Γι > l/2*r2。磁控濺射裝置，其中內(nèi)徑巧大于外徑r2的0. 70，使得r2 >巧> 0. 70打2。磁控濺射裝置，其中0. 95*r2 > rl > 0. 6*r2。
磁控濺射裝置，其中陰極 半徑巧等于或大于行星半徑的111倍(r2 > 1. ll*rw)。磁控濺射裝置，其中陰極包括在與陰極的靶材料相對側(cè)上的永久磁鐵材料的內(nèi)同心環(huán)和外同心環(huán)，內(nèi)同心環(huán)和外同心環(huán)具有相反的極性，用于提供接近于靶的表面的磁場， 內(nèi)同心環(huán)和外同心環(huán)的軸垂直于靶的表面。如權(quán)利要求1所述的磁控濺射裝置還包括在室內(nèi)的一個或多個交替的環(huán)狀陰極， 其包括環(huán)狀靶，環(huán)狀靶包括用于形成鍍層的材料，其中偏移距離巧大于外徑巧的一倍(rT> l*r2)。磁控濺射裝置還包括用于調(diào)節(jié)靶表面平面和物體平面之間的拋距的裝置。有利地，本發(fā)明增加優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的在流失量和行星到行星結(jié)果中的涂層均勻性。明顯放寬了對垂直和水平定位中的機械偏差的容差。因此由于緊密的機械控制，可實現(xiàn)行星到行星均勻性的明顯提高。這個質(zhì)量控制可在相對大的襯底(300mm)上被維持，且盡管對增加的負荷按比例增加，仍然同時維持相對短的拋距。根據(jù)本發(fā)明，這個均勻性可在不使用掩模的情況下實現(xiàn)。


現(xiàn)在根據(jù)附圖描述本發(fā)明的示例性實施例，其中圖1是移除部分外壁的本發(fā)明的鍍膜系統(tǒng)的等軸測視圖；圖2A是相對于待鍍膜的行星襯底，結(jié)合了陽極容器的環(huán)狀陰極的橫截面示意圖， 該環(huán)狀陰極包括位于其中心處的活性反應氣體源；圖2B是相對于待鍍膜的行星襯底，具有圖2A的活性反應氣體源的陰極和陽極的俯視示意圖；圖2C是具有分離的徑向定位的活性反應氣體源的陰極和陽極的俯視示意圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實施例的環(huán)狀陰極靶和行星襯底的俯視示意圖；圖3B是環(huán)狀陰極靶和行星襯底驅(qū)動裝置的側(cè)視示意圖；圖4A是環(huán)狀陰極的俯視圖；圖4B是沿圖4A的IV-IV線截取的環(huán)狀陰極的橫截面，其示出靶材料、磁鐵和磁力線.
一入 ，圖5是在磁控濺射裝置中使用的陽極容器的橫截面；圖6是所計算的流失量與環(huán)狀陰極的可變內(nèi)徑與外徑比的曲線；圖7A是所計算的流失量和高度與相對托架半徑和陰極位置的關(guān)系曲線；圖7B是所計算的襯底數(shù)量與相對托架半徑和陰極位置的曲線；圖8A是所計算的流失量與歸一化托架半徑r。/rT的關(guān)系曲線；圖8B是所計算的拋距與歸一化托架半徑r。/rT的關(guān)系曲線；圖9A是對于陰極環(huán)尺寸IVr2的范圍，所計算的流失量與相對襯底尺寸rw/r2的關(guān)系曲線；圖9B是所計算的歸一化拋距h/r2與相對襯底尺寸rw/r2的關(guān)系曲線；圖IOA所計算的流失量與相對行星尺寸rw/r2的關(guān)系曲線；圖IOB是所計算的相對拋距h/r2與相對行星尺寸rw/r2的關(guān)系曲線；圖11是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置的所測量的流失量曲線。
具體實施例方式圖1示出磁控濺射鍍膜裝 置10的鍍膜室2的等軸測視圖。泵8排空鍍膜室2，以使鍍膜室2在真空條件下操作，這被理解為意味著其中壓力在大氣壓之下。室壁32接地并與帶正電的陽極20和帶負電的陰極12隔離。在圖3A和3B中更詳細看到的行星驅(qū)動裝置 14包括繞著中央旋轉(zhuǎn)軸C可旋轉(zhuǎn)的托架16或支架，多個(例如7或8個)行星17被徑向支撐在中央旋轉(zhuǎn)軸C周圍。托架半徑r。被限定在中央軸C和行星軸Cs之間。圖中示出環(huán)狀陰極12 (在本實施例中是兩個陰極12)，每個陰極具有從行星驅(qū)動裝置14的中央軸C偏移的中央軸Ce。陽極20 (陽極20的形式為容器，該容器具有與鍍膜室2相通的開口)被屏蔽而避免涂層材料，并避免沿直線直接到達陰極12的靶材料。活性反應氣體源36被示為在陰極12的中心處。這些位置可以反轉(zhuǎn)成為如下形式36包括在陰極12的中心處的陽極，而20為布置在離陰極12的一段距離處的活性反應源。雖然活性反應源36的優(yōu)選位置在離C的徑向位置re處，如在圖2C中看到的。圖2A和2B示出了可選的實施例，其中陽極容器20’位于環(huán)狀陰極12的中心處，也用作反應氣體源。如果陽極20’是在陰極的中心處的活性反應氣體源(圖1中的36)，輔助活性氧氣源可位于圖1中的20處，以實現(xiàn)較高的沉積速率。磁控濺射鍍膜裝置10包括用于裝入或卸下襯底的負荷鎖1或用于鍍膜的其它物體23。這允許鍍膜室2—直保持在真空條件下。該裝置在這里被描繪為向上濺射配置。 然而，本發(fā)明的幾何結(jié)構(gòu)同樣適用于向下濺射的、水平的或其它的方位。脈沖DC磁控濺射是優(yōu)選的工藝?？蛇x地，本發(fā)明也可在DC磁控、AC磁控濺射和 rf磁控濺射中實現(xiàn)。很多光學涂層在其頻譜響應中具有可區(qū)別的特征。例如，用于顏色分離的邊緣濾波器讓一種顏色通過，同時抑制其它顏色。為了本公開的目的，在整個200mm或300mm襯底上，對涂層的精度要求被假定為0. 5%。對于上面的例子，如果邊緣在500nm處，這將轉(zhuǎn)變?yōu)?. 5nm的絕對邊緣位置變化。頻譜特征的位置與涂層設(shè)計中的層的厚度有關(guān)。因此，在整個襯底上的鍍膜速率的變化需要在0.5%之下。如果多個襯底在同一批中被鍍膜，從一個襯底到另一襯底的變化需要是該值的一部分。頻譜特征的位置變化也稱為流失量。在圖3A和3B中示意性地更詳細示出行星驅(qū)動裝置14和環(huán)狀陰極12。行星驅(qū)動裝置14包括中央軸C和多個次級軸Cs，所述傳動系統(tǒng)繞著中央軸C旋轉(zhuǎn)，每個行星17獨立地繞著多個次級軸Cs旋轉(zhuǎn)。中央軸C和次級軸Cs之間的距離是托架半徑r。。每個行星 17具有半徑rw，該半徑rw限定最大可用鍍膜區(qū)域。由所需的行星17的數(shù)量和尺寸確定行星驅(qū)動裝置14的尺寸和裝置10的容量。在行星涂層幾何結(jié)構(gòu)中的行星17被支撐在離中央旋轉(zhuǎn)軸C的公共距離r。處。通常為了最佳地使用涂層材料，希望盡可能緊密地布置行星17。每個行星17可支撐單個或多個襯底、光學棱鏡、透鏡或其它物體23。待鍍膜的物體23可包括安裝在支撐襯底上的多個較小的分離的部分。行星半徑^僅僅是限定每個行星17的可使用的鍍膜區(qū)域。行星17 本身在結(jié)構(gòu)上不需要是該尺寸，但需要能夠支撐這個半徑的襯底23，或在這個區(qū)域內(nèi)鍍膜的多個物體23。在優(yōu)選實施例中，大物體(例如大型光學裝置)可具有高達32mm的厚度。 使用被控制的高度調(diào)節(jié)，被良好地限定的靶表面到物體表面的距離導致最小的流失量。獨立的行星旋轉(zhuǎn)可以包括相對于繞著中央旋轉(zhuǎn)軸C的旋轉(zhuǎn)的協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)速率。次級軸Cs優(yōu)選地平行于 中央旋轉(zhuǎn)軸C，但可以成某個其它角度。每個行星17被設(shè)置成實質(zhì)上經(jīng)歷與每個其它行星17相同的條件。在圖3B中清楚地看到，物體平面46被示為在襯底或其它物體23的涂層表面處。在物體平面46和陰極12的靶表面平面44之間的拋距h被測量。環(huán)狀陰極12具有大于行星半徑rw的大半徑r2。根據(jù)對所選的待鍍膜的行星尺寸和數(shù)量，陰極半徑r2可被優(yōu)化以維持所需的流失量。一個其它因素是環(huán)寬度。陰極具有內(nèi)徑環(huán)越窄，即，IyV2越大，支架或襯底17就可以越大，以實現(xiàn)相同的均勻性。較大的陰極半徑需要較低的功率密度來實現(xiàn)高沉積速率，而不管陰極12中的高總功率。這最小化了在靶24上的電荷積聚和因而產(chǎn)生的電弧形成。陰極12的中央軸C。從中央軸C平移一段偏移距離rT。該平移或偏移距離rT等于托架半徑r。的2/3和4/3之間。最優(yōu)選的偏移等于托架半徑r。(rT = ，而在托架半徑的0. 7到1. 3倍的范圍實現(xiàn)類似的流失量控制。這些值隨著陰極環(huán)寬度IVr2和所確定的流失量限制而改變，如可在圖8A中看到的。偏移距離根據(jù)待鍍膜的襯底的尺寸或數(shù)量而改變。陰極12具有在靶的腐蝕區(qū)處測量的內(nèi)徑T1和外徑r2，這在圖4B中清楚地示出。 這些半徑一起限定優(yōu)選的窄的環(huán)。涂層材料的陰極12和靶24都實質(zhì)上具有相同的圓環(huán)形狀和尺寸。內(nèi)徑可以長達0.98*r2，且應為至少0. 25*r2。而在0. 55*r2處看到改進的結(jié)果。對于300mm襯底，使用0.70或更大的！^/巧的窄陰極環(huán)實現(xiàn)最佳流失量。外徑r2取決于行星17的半徑rw。半徑r2大于行星半徑(r2 > rff)，且理想地是行星17的半徑的2倍。 陰極半徑可以大于r2>2*rw，雖然這取決于在室中的空間限制。當比較相等寬度的環(huán)(例如，γ2-Γι)時，較大半徑(r2)的環(huán)狀陰極導致更好的涂層均勻性。這可在圖6中看到。注意到單獨的大靶不一定導致良好的均勻性是很重要的。模擬表明，圓形(非環(huán)形)高利用陰極導致差的均勻性。模擬數(shù)據(jù)在圖6中示出。通過數(shù)值建模來預測本發(fā)明的幾何結(jié)構(gòu)的性能。該幾何結(jié)構(gòu)的模擬表明，對于給定的靶和襯底尺寸(外徑)，跑道環(huán)越窄，整個襯底的涂層均勻性就越好，對于內(nèi)徑達到大約0. 98打2的實際限制。進一步觀察到，當比較相等寬度的環(huán)時，較大直徑的環(huán)狀陰極導致更好的涂層均勻性。圖6示出對于襯底尺寸rw/r2 =0.69，半徑流失量與相對環(huán)半徑rl/r2的關(guān)系曲線。隨著環(huán)變窄，該曲線清楚地顯示降低的流失量。在1~1八2>0.25處看到小于2%的流失量。對環(huán)IyV2 >0.55，預測為更好的流失量。理想范圍出現(xiàn)在0.9>1~1八2>0.55之間。在相對的軸上，拋距h依據(jù)相對環(huán)半徑^Vr2被繪制。從ri/r2 = 0. 25到ri/r2 = 0.9,從靶平面44到物體平面46的拋距h從 90mm 增加到 240mm。如圖4A和4B所示，大環(huán)狀陰極12包括內(nèi)磁環(huán)35和外磁環(huán)37。環(huán)狀靶可以被描述為具有內(nèi)跑道半徑和外跑道半徑。磁控陰極的跑道描述材料被噴射的區(qū)域。對該模式的主要貢獻者是在靶24前面的水平磁場強度。磁場由在靶之下的兩個同心環(huán)中的永久磁鐵 35,37產(chǎn)生。內(nèi)磁環(huán)35具有實質(zhì)上等于或小于ri的半徑，而外磁環(huán)37具有實質(zhì)上等于或大于巧的半徑。這兩個磁環(huán)35、37具有相反的極性，其軸垂直于靶24的表面44。由于相對窄的環(huán)，可能實現(xiàn)高磁場，其導致低靶電壓(在-250V到-650V之間)并通常降低沉積層中的應力。在大環(huán)狀陰極中，在環(huán)的內(nèi)部有足夠的空間，以為了更好的靶利用率而包括額外的磁鐵來優(yōu)化磁場形狀?？墒褂萌魏坞娔Ｊ?例如RF、DC、脈沖DC、MF、雙陰極-AC、單陰極 AC)來驅(qū)動陰極。
根據(jù)本發(fā)明的幾何 結(jié)構(gòu)允許鍍膜裝置對更大的容量按比例增大，而對拋距沒有大的增加。這有助于在增加容量的同時維持涂層質(zhì)量。圖7A和8A用圖形展示隨著托架半徑 rc的增加，對表面均勻性的影響。圖7B展示隨著托架半徑r。的增加，行星的數(shù)量，因而襯底的數(shù)量增加的可能。圖8用圖形展示了隨著托架半徑r。的增加，最佳的拋距。在圖7中， 使用陰極的恒定的r2半徑進行計算。在圖8A和8B中，使用固定的靶位置rT進行計算，其中r。= rT被歸一化。從圖8A中的曲線可看到，為了增加負荷大小或襯底尺寸，離這個最佳位置的偏差可被容許，而沒有對流失量的較大影響。圖8B中的曲線示出，對于不同的靶環(huán)尺寸IVr2的拋距h的所需增加，其中也使用對r。= rT歸一化的固定靶位置進行計算。拋距影響鍍膜速率和靶材料的使用效率。它對涂層質(zhì)量也有重要的影響。靶到襯底的距離越大，濺射原子擴散到其余的工作氣體(氬氣和氧氣)中的概率就越高。該擴散導致濺射粒子的能量的減小和方向的改變。這兩種機制對涂層質(zhì)量都有負面影響，導致粗糙的涂層，且在介質(zhì)膜的情況下，導致模糊和光散射。在本發(fā)明中的較低的拋距h對于提高涂層容量和提高較大涂層容量的質(zhì)量是很重要的。圖9A中的曲線展示行星尺寸、對均勻性的影響?？煽吹剑帢O環(huán)越窄，rl/r2 = 0. 90，行星就可以越大，以實現(xiàn)相同的均勻性。對于2%的流失量對于 Γι/Γ2 >= 0. 48, rw < 0. 67*r2 或者對于 rjr2 >= 0. 48, r2 > 1. 50*rw對于 Γι/Γ2 >= 0. 55, rw < 0. 69*r2 或者對于 rjr2 >= 0. 55, r2 > 1. 45*rw對于 Γι/Γ2 >= 0. 76, rw < 0. 80*r2 或者對于 rjr2 >= 0. 76, r2 > 1. 25*rw對于 ri/r2 >= 0. 90，rw < 0. 90*r2 或者對于 rjr2 >= 0. 90，r2 > 1. ll*rw對于5%的流失量對于 Γι/Γ2 >= 0. 48, rw < 0. 50*r2 或者對于 rjr2 >= 0. 48, r2 > 2. 00*rw對于 ri/r2 >= 0. 55, rw < 0. 52*r2 或者對于 rjr2 >= 0. 55, r2 > 1. 92*rw對于ri/r2 >= 0. 76, rw < 0. 58*r2 或者對于巧/巧 >=0. 76, r2 > 1. 72*rw對于 Γι/Γ2 >= 0. 90, rw < 0. 65*r2 或者對于 rjr2 >= 0. 90, r2 > 1. 54*rw類似地，圖IOA示出對于靶24和陰極12的不同內(nèi)徑T1，均勻性隨著行星尺寸的變化。最窄的環(huán)(最大的巧)再次導致最低的流失量。圖IOB示出相對平坦的拋距與陰極半徑(r2)的比相對于相對行星尺寸的關(guān)系曲線。包括七個150mm半徑rw的襯底和具有290mm的外徑r2的環(huán)狀陰極的這個幾何結(jié)構(gòu)的例子被構(gòu)造。內(nèi)陰極半徑巧是220mm，rl/r2等于0. 76。托架半徑rc在400mm處等于偏移距離rT。圖11示出該原型的數(shù)據(jù)，其展示對于不同的拋距h，相對流失量相對于在整個300mm襯底(rw+150mm)上的位置的曲線。210mm的拋距顯示最佳流失量結(jié)果。在優(yōu)選實施例中，如圖1所示，兩個陰極12被包括在鍍膜室2中，鍍膜室2具有不同的靶24，以提供用于多層涂層的不同材料。每個陰極12被獨立地操作，而空閑的陰極可被遮蔽以避免污染。(未示出的)靶24可以是，例如，用以形成SiO2W硅和用以形成Ta2O5 的鉭靶。為了將兩個陰極12安裝在一個室2中，偏移距離rT必須大于陰極外徑r2。因為該設(shè)計對偏移rT中的小變化相對不敏感，以這種方式可提供額外和不同的靶材料，而不犧牲涂層質(zhì)量。每個陰極12到行星驅(qū)動裝置14的關(guān)系rT是相同的。因此，多個陰極可布置在室中，以提供額外的材料或降低運行時間。在不同靶之間的交叉污染的考慮、在鍍膜室2 中的可用空間和對較大的室的額外泵成本將部分地確定陰極的數(shù)量。
可以對陰極12的位置 進行調(diào)節(jié)，以通過移動陰極12或旋轉(zhuǎn)傳動裝置14或兩者的安裝平臺，來改變拋距。這可手工或通過啟動電動機來完成。也可進行這樣的調(diào)節(jié)來改進對于不同材料的幾何結(jié)構(gòu)，或當靶由于使用而被腐蝕時維持距離。可使用在真空下的處理室來進行該調(diào)節(jié)。在行星驅(qū)動裝置安裝或陰極安裝中的高度調(diào)節(jié)機制允許對不同的襯底或物體厚度進行拋距補償。在操作中，高度調(diào)節(jié)可為靶腐蝕提供連續(xù)的補償，以便維持在整個鍍膜周期中的正確的拋距h。對于大約IOOnm的標準層厚度，行星17的旋轉(zhuǎn)速度應高于300rpm。在非常薄的層 (大約lOnm)的情況下，需要較高的行星旋轉(zhuǎn)速度(> 600rpm)以導致良好的流失量。這假定行星驅(qū)動裝置14以40-80rpm旋轉(zhuǎn)。陽極20提供與帶負電的陰極不同的電荷。在2005年3月7日提交的相關(guān)申請US SNl 1/074, 249中公開了用在本發(fā)明中的圖5中詳細示出的優(yōu)選陽極20，該申請由本發(fā)明的受讓人擁有，并通過引用被并入本申請。現(xiàn)在參考圖5，示出了以具有銅或不銹鋼的內(nèi)導電表面22的容器或器皿的形式的陽極20，該容器具有在第一端處的用于與真空室2相通的開口 21，開口 21直接耦合到真空室2。容器20的外表面26是電絕緣的。在橫截面視圖中， 示出了實質(zhì)上在陽極20周圍的用于在操作中維持陽極的溫度的水冷卻管28。示出了用于提供導管的氣體進口 29，進入導管的濺射氣體可進入陽極容器。開口 21的尺寸和濺射氣體的流量可被選擇成使陽極20局部加壓。陽極主體20可布置在真空鍍膜室2的外部或內(nèi)部。此外，開口 21可位于陽極容器的側(cè)面或端部上。相對小(明顯小于容器圓周)的開口 21和在視線之外的開口 21到靶的位置，防止涂層材料進入并涂覆陽極容器的內(nèi)導電表面。 在操作中，陽極20被使用氬氣加壓，氬氣在存在適當?shù)狞c火電壓和其后的維護電壓時促進鍍膜室2中等離子體的形成。比真空鍍膜室2的其余部分高的容器20內(nèi)的壓力允許較低的陽極電壓和更穩(wěn)定的濺射條件。正電源導線25將電源連接到陽極20的內(nèi)導電壁22。圖 5所示的陽極被設(shè)計成使用低陽極電壓運行而有很少的或沒有電弧形成。大約+15到+60 伏的低陽極電壓對減小工藝變化是優(yōu)選的。陽極20通過絕緣材料33與接地室壁32電絕緣。在優(yōu)選實施例中，陽極包括具有至少d = IOcm的直徑和至少h = 20cm的長度的圓柱形容器，其具有如圖5所示在一端處到真空室2并在相對端處封閉的開口 21。對于低擴散工藝，室壓力低于0. 267Pa(2mTorr.)。在陽極處的較高的壓力由陽極20的狹窄開口 21 和經(jīng)由進口 29進入陽極20的工作氣體的被控制的流實現(xiàn)。最佳開口具有大約20cm2的面積且優(yōu)選地是圓的。在操作中，陽極20可被加壓到大于0. 400Pa(3mTorr.)。這個陽極20 可在幾乎連續(xù)的操作中運行延長的時間段。陽極容器20可方便地位于與陰極12相鄰的室壁32中，如圖1所示，也用作濺射氣體的源。陽極容器20可合并到環(huán)狀陰極的中心，如圖2所示，因為陽極開口相對遠離強磁場。這提高了系統(tǒng)的對稱性，這提高了靶利用率。很多光學涂層需要氧化物或其它化合物的沉積。這樣的材料優(yōu)選地在反應濺射模式中產(chǎn)生，在該模式中，金屬靶被濺射，且氧氣、氮氣或另一反應氣體被添加到該工藝。濺射材料和活性氧物種同時到達襯底。例如對于最佳氧部分壓力，需要找到最佳氧流量。如果氧流量太低，則膜不是化學計量的并具有高吸收損失。如果它太高，則靶表面變得比必要的更氧化，阻止以最高可能的沉積速率的操作。金屬靶的濺射速率可以比完全氧化的靶的濺射速率高10倍。在其基 本形式中，反應氣體流經(jīng)質(zhì)量流量控制器并通過簡單的氣線或復雜的歧管進入鍍膜室。如果氧氣被活化并被導向襯底處，則氧化效率可能增加，因而增加可能的沉積速率。在本發(fā)明的這個方面的優(yōu)選實施例中，感應耦合反應活性源36的輸出口位于環(huán)狀陰極12的中心。實驗表明，當來自靶的濺射材料的羽流以及活化和電離氧氣的羽流重疊并同時到達待鍍膜的襯底時，可以實現(xiàn)低吸收率的金屬氧化物的較高沉積速率。因此，在靶的中心中有反應氣體源36是幾乎理想的解決方案。圖1所述的定向氧氣活化或加速裝置 36的使用幫助化學計量膜的形成，同時最小化靶氧化。這樣的裝置可以是有或沒有提取或加速系統(tǒng)的感應或電容耦合等離子體源。源輸出可以是電離或以另外方式活化的氧物種 (例如，原子氧、臭氧)。實例包括JDSU PAS源、來自Pro Vac的Taurion源、來自Loybold 的APS源或其它市場上可買到的離子或活性源?；钚匝鯕庠?6恰好位于陰極12的中心中的靶表面平面44處。如果活性反應源與陰極分離，則它應被定向成使得陰極12在氧氣源 36和在離濺射靶表面24的視線外部的物體平面46之間，因為防止在氧氣源36處的大量涂層積聚很重要。如圖2C所示，氧氣源36可安裝在離C的半徑r。上，其開口朝著靶平面24 和行星17的方向傾斜。開口應在大于或等于離物體平面46的h的垂直距離處。距離h是優(yōu)選的。如當前幾何結(jié)構(gòu)所實現(xiàn)的，接近于物體平面46移動靶表面平面44允許將氧氣活性源36定位成較接近于襯底23，同時保持它沒有大量涂層積聚。這增加了氧化效率并允許以較高的速率鍍膜。公開了用于氧化物的反應濺射工藝。所有方面可以類似地應用于氮化物或其它反應工藝。在另一優(yōu)選實施例中，發(fā)現(xiàn)陽極容器20是提供活性反應氣體的適當結(jié)構(gòu)。我們觀察到，陽極容器20在其一般布置中包括等離子體。等離子體由來自陰極12并通過陽極20 返回到電源的高密度的電子點燃。離子產(chǎn)生和活性物種的產(chǎn)生的效應類似于在陰極出現(xiàn)的反應高能e-+Ar =彡2e-+Ar+或高能e_+Ar = > e_+Ar*。如果沒有氬原子的這個活化， 這些將不是陽極處的可見等離子體。假如我們決定對將氧氣添加到陽極進行測試，以測試它是否將產(chǎn)生活性和電離氧氣。通過將氧氣供料耦合到陽極容器20’中，我們能夠沉積無雜質(zhì)的SiO2單層。這是使用氬氣和氧氣操作的陽極表現(xiàn)為陽極和活性反應氣體源的清楚指示。此外，我們沒有觀察到陽極的內(nèi)壁的氧化。圖2A中示出該配置。當陽極和氧化源是分離的時，觀察到靶磨損的大變化，其限制了靶利用率。在接近于氧化源的一側(cè)上，由于靶氧化的增加，靶磨損低，而在接近于陽極的一側(cè)上，由于等離子體密度的增加，靶磨損高。通過將陽極20包括在陰極12的中心中，消除了一個不對稱的源。通過將氧氣源與陽極容器 20’一起包括在陰極12的中心中，創(chuàng)建了非常對稱的系統(tǒng)，且預期靶磨損是均勻的。除了實現(xiàn)較高的沉積速率以外，還可設(shè)置位于離陰極12的一段距離處的輔助活性反應源(例如， 在圖1所示的20處)。
權(quán)利要求
1.一種磁控濺射裝置，包括行星驅(qū)動系統(tǒng)，其具有用于主旋轉(zhuǎn)的中央旋轉(zhuǎn)軸C，并支持多個行星，每個行星具有在行星中心點Cs處的次級旋轉(zhuǎn)軸，且所述每個行星代表由行星半徑rw描述的鍍膜區(qū)域，所述行星驅(qū)動系統(tǒng)具有從所述中央旋轉(zhuǎn)軸C到所述行星中心點Cs的托架半徑；環(huán)狀陰極，其包括環(huán)狀靶，所述環(huán)狀靶包括用于形成鍍層的材料，所述陰極具有中心點 C。，大于所述行星半徑的外徑r2，r2 > rw，和大于所述外徑的四分之一的內(nèi)徑r2 > T1 > l/4*r2 ；其中所述陰極中心點C。被設(shè)置在離所述中央旋轉(zhuǎn)軸C的偏移距離rT處，所述偏移距離 rT在所述托架半徑rc的2/3和4/3之間，2/3*rc < rT < 4/3*rc ；以及所述偏移距離rT大于所述陰極的外徑的一半，rT > l/2*r2 ；以及其中垂直地從靶表面到行星表面的拋距h在所述陰極的外徑r2的三分之一和所述陰極的外徑的一倍之間，l/3*r2 < h < r2 ；室，其用于容納所述陰極和所述行星驅(qū)動系統(tǒng)，適合于在操作中被排空；以及氣體輸送系統(tǒng)，其用于將濺射氣體流提供到所述室中。
2.如權(quán)利要求1所述的磁控濺射裝置，用于將濺射涂層提供到襯底，而不使用掩模。
3.如權(quán)利要求2所述的磁控濺射裝置，還包括陽極，用于將電壓差提供到所述陰極，使得所述陽極是電子的優(yōu)選返回路徑，所述陽極包括容器的內(nèi)導電表面，所述容器具有與室壁電隔離的絕緣外表面，所述容器具有與所述室內(nèi)部相通的開口，所述開口明顯比所述容器的圓周小，以屏蔽所述內(nèi)導電表面而避免最受濺射的材料。
4.如權(quán)利要求3所述的磁控濺射裝置，其中所述濺射氣體源被耦合到所述容器中，用于通過所述開口將濺射氣體提供到所述室中，且所述開口的尺寸被設(shè)置，以允許氣體流將所述陽極的容器內(nèi)的壓力局部地增加到排空的所述室的壓力之上。
5.如權(quán)利要求2所述的磁控濺射裝置，還包括用于反應氣體的活性源。
6.如權(quán)利要求4所述的磁控濺射裝置，還包括用于反應氣體的活性源。
7.如權(quán)利要求4所述的磁控濺射裝置，其中所述陰極被定位，使得與所述室內(nèi)部相通的所述容器的開口在所述環(huán)狀陰極的中心處。
8.如權(quán)利要求5所述的磁控濺射裝置，其中用于反應氣體的所述活性源位于所述環(huán)狀陰極的中心。
9.如權(quán)利要求6所述的磁控濺射裝置，其中所述陽極被定位，使得與所述室內(nèi)部相通的所述容器的開口在所述環(huán)狀陰極的中心處。
10.如權(quán)利要求6所述的磁控濺射裝置，其中用于反應氣體的所述活性源位于所述環(huán)狀陰極的中心。
11.如權(quán)利要求4所述的磁控濺射裝置，其中所述陽極還包括用于反應氣體的源，所述源被耦合到所述容器中，用于通過所述開口提供活性氣體及所述濺射氣體進入所述室中。
12.如權(quán)利要求11所述的磁控濺射裝置，其中進入包括所述陽極的所述容器的所述室的所述開口位于所述環(huán)狀陰極的中心。
13.如權(quán)利要求12所述的磁控濺射裝置，還包括與所述陰極存在距離的輔助的活性反應源。
14.如權(quán)利要求1所述的磁控濺射裝置，其中所述內(nèi)徑巧大于所述外徑r2的二分之一，使得 r2 > T1 > l/2*r2。
15.如權(quán)利要求1所述的磁控濺射裝置，其中所述內(nèi)徑巧大于所述外徑r2的0.70，使 Hr2 > T1 > 0. 70ΦΓ2。
16.如權(quán)利要求1所述的磁控濺射裝置，其中0.95*r2 > T1 > 0. 6*r2。
17.如權(quán)利要求1所述的磁控濺射裝置，其中所述陰極的半徑巧等于或大于所述行星半徑的 111 倍(r2 > lll*rw)。
18.如權(quán)利要求1所述的磁控濺射裝置，其中所述陰極包括在與所述陰極的靶材料相對側(cè)上的永久磁鐵材料的內(nèi)同心環(huán)和外同心環(huán)，所述內(nèi)同心環(huán)和所述外同心環(huán)具有相反的極性，用于提供接近于所述靶的表面的磁場，所述內(nèi)同心環(huán)和所述外同心環(huán)的軸垂直于所述靶的表面。
19.如權(quán)利要求1所述的磁控濺射裝置，還包括在所述室內(nèi)的一個或多個交替的環(huán)狀陰極，所述環(huán)狀陰極包括環(huán)狀靶，所述環(huán)狀靶包括用于形成鍍層的材料，其中所述偏移距離 rT大于所述外徑r2的一倍(rT > 1打2)。
20.如權(quán)利要求1所述的磁控濺射裝置，還包括用于調(diào)節(jié)靶表面平面和物體平面之間的所述拋距的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括大環(huán)狀陰極的磁控濺射裝置，該環(huán)狀陰極具有限定的內(nèi)徑。環(huán)狀陰極的位置相對于行星驅(qū)動系統(tǒng)的中心點偏移。陽極或反應氣體源可位于環(huán)狀陰極的內(nèi)徑內(nèi)。通過在陰極處的抑制電弧形成的較低的功率密度來獲得較低的缺陷率，同時通過陰極將流失量最小化到行星幾何結(jié)構(gòu)而不使用掩模。
文檔編號C23C14/35GK102220561SQ201110096949
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者喬治·J·歐肯法斯 申請人:Jds尤尼弗思公司