CN100537833C - 一种具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有在线清洗功能和预防离子刻蚀清洗过程污染的磁控溅射靶系统及其应用方法。其磁控溅射靶的靶材可绕其中心轴线旋转，通过内部磁场控制，形成两组溅射跑道，并且，在局部空间中设置清洗阳极和布气装置，充入惰性气体，主溅射电源连接于靶材与镀膜机主阳极之间，进行溅射镀膜，辅助清洗电源连接于靶材与局部空间内的清洗阳极之间，对靶材表面溅射刻蚀清洗。由于靶材连续旋转而两组溅射跑道的相对方位不变，从而达到对整个靶面的连续在线清洗，从而保持靶面的溅射工作状态稳定，提高了化合物薄膜在工件上的沉积速率，基本保持了工艺重现性；本发明还便于对靶材进行离子刻蚀清洗，防止了工件表面污染和靶材之间的交叉污染。

Description

一种具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统及其应用方法
技术领域
本发明属于物理气相沉积技术领域，具体地说属于溅射，特别是磁控溅射的系统及其应用方法。
背景技术
在反应溅射镀膜过程中，反应性气体在靶材表面逐渐生成化合物薄膜，改变靶材的正常工作状态，甚至引起靶材表面中毒；另外在靶材表面预先溅射清洗过程中，易于造成被镀工件表面污染以及在多靶预先溅射清洗过程中引起靶材之间的交叉污染等等，一系列问题困扰着溅射镀膜的研究、发展及产业化应用，目前尚未找到一个简单有效的解决办法。
发明内容
为解决上述悬而未决的问题，本发明提出一种具有在线清洗功能和预防预先溅射清洗过程污染的磁控溅射靶系统及其应用方法。
为实现上述目的，本发明的主要内容是：具有可绕其中心轴线旋转的靶材，在旋转所经过的部分圆周区域用屏蔽壁形成局部空间，其中充入惰性气体；靶材上的各溅射部分及其附近的部分区域在反应溅射镀膜工作过程中，可周期性地进入局部空间内被惰性气体离子刻蚀清洗，从而使靶面化合物薄膜的生成情况可稳定控制，避免进入靶面中毒状态。
具体：靶材为圆管形(或圆盘形或圆环形)，可绕其中心轴线旋转，靶材为圆管形时通过内部磁场控制，在靶材的圆柱形外表面上，形成两组发射方位基本固定的轴向长条形溅射跑道，其中第一组溅射跑道面向镀膜机腔体内的扇形立体角空间，由配备的主溅射电源激励起辉溅射，进行反应溅射镀膜，第二组溅射跑道位于第一组溅射跑道的背面或侧面；靶材为圆盘形或圆环形时，通过内部磁场控制，在圆盘形或圆环形靶材的工作外表面上，形成两组发射位置固定的溅射跑道，其中第一组溅射跑道位于面向镀膜机腔体内的被镀工件位置的扇区内，第二组溅射跑道位于另一部分扇区内；由配备的辅助刻蚀清洗电源激励起辉进行离子溅射刻蚀清洗，其废弃物被封闭在由屏蔽壁所形成的封闭的局部空间中；在旋转所经过的部分圆周区域用屏蔽壁形成局部空间，其中充入惰性气体，在局部空间中设置清洗阳极和布气装置，充入惰性气体使局部空间的气压略高于(或等于)反应镀膜空间的气压；主溅射电源(DC或脉冲或RF电源等)连接于靶材与镀膜机主阳极(一般为镀膜机腔体的金属壁)之间，或两支靶之间接入交流溅射电源，激励起第一组溅射跑道方位的辉光溅射，进行溅射镀膜，辅助刻蚀清洗电源连接于靶材与局部空间内的清洗阳极之间，激励起第二组溅射跑道方位的辉光辉溅射，对靶材表面溅射刻蚀清洗，上述主溅射电源和辅助刻蚀清洗电源可以分别独立设置或两者合成一台电源。
这种具有在线清洗功能的磁控溅射靶的应用方法是：在靶材上的溅射部分及其附近的部分区域，在反应溅射镀膜工作过程中，可周期性地进入局部空间内被惰性气体离子刻蚀清洗，从而使靶面化合物薄膜的生成情况可稳定控制，避免进入靶面中毒状态：在第一组溅射跑道的辉光位置对靶材进行反应溅射时，在第二组溅射跑道的辉光位置对靶材进行一定程度的惰性气体离子清洗，靶材连续旋转而两组溅射跑道的相对方位不变，达到对整个靶面的连续在线清洗；通过旋转，靶材表面上在反应镀膜空间内所生成的化合物薄膜，在转入局部空间的惰性气氛中时，能被第二组溅射跑道的辉光方位的惰性气体离子所部分或全部溅射清除，使该部分表面再次进入反应镀膜区域时，状态已经向金属态转变或完全成为金属态。如此循环形成连续在线清洗，因此即使在反应镀膜空间内的反应气体浓度较高的情况下，整个靶材表面的溅射工作状态也能够保持连续长时间相对稳定，靶面上化合物薄膜的生成与清除比例在工艺所需要的程度上达到长时间动态平衡，避免进入靶材中毒状态，可提高化合物薄膜在工件上的沉积速率，并保持工艺的持续稳定性。
本发明的效果是显而易见的：通过实验证明，按照本发明的磁控溅射靶及其相关技术，具有长条状双溅射跑道的靶材旋转圆柱形溅射靶具有连续在线清洗功能，即在靶材的圆柱形表面上，在一部分区域内进行主溅射镀膜的同时，在另一部分区域内进行离子刻蚀清洗，即使在较高的反应气体浓度下，也能够保持靶面的溅射工作状态稳定，提高了化合物薄膜在工件上的沉积速率，并基本保持了工艺重现性；本发明通过在预先溅射清洗工序中只开启清洗刻蚀电源，在局部空间内用惰性气体离子对靶材刻蚀清洗，基本防止了工件表面污染和靶材之间的交叉污染。
附图说明
图1.1-1.4圆管形靶材表面上的长条溅射跑道示意图和靶体内磁场示意图；
图2.1-2.2由屏蔽壁形成的封闭的局部空间中溅射跑道2刻蚀清洗示意图；
图3.1-3.2封闭的局部空间示意图；
图4.两组跑道的轴向长度相等或者第二组略长一些示意图；
图5.1主溅射电源和辅助刻蚀清洗电源分别独立设置示意图；
图5.2主溅射电源(双极脉冲交流电源)和辅助刻蚀清洗电源分别独立设置示意图；
图6.主溅射电源和辅助刻蚀清洗电源两者合成一台电源示意图；
图7.靶材表面的在线清洗过程的一个循环示意图；
图8.1-8.2两组溅射跑道共用主阳极和被一台主溅射电源激励溅射示意图：图8.1将清洗阳极5与主阳极(镀膜机腔体的金属壁)连接为一体，图8.2两者合为一体使用暴露在此局部空间内的部分主阳极；
图9.在局部空间内充入惰性气体，用清洗阳极在辅助刻蚀清洗电源激励下，溅射刻蚀清洗靶材示意图；
图10.1-10.2圆盘形或者圆环形靶材在线刻蚀清洗示意图；
图11.光谱实时测控的反馈量与主溅射电源的功率、辅助刻蚀清洗电源的功率和反应气体的输入流量三者之一形成闭环控制示意图；
图12.只使用辅助刻蚀清洗电源及通入惰性气体，仅在局部空间内对旋转靶材表面进行预刻蚀清洗，预防对被镀工件表面的污染和靶材之间的交叉污染示意图。
在附图1～12中，1—第一组溅射跑道，2—第二组溅射跑道，3—腔体中的反应溅射镀膜空间区，4—腔体中封闭的清洗刻蚀空间区，5—清洗阳极，6—气管，7—辅助刻蚀清洗电源，8—主溅射电源，9—主溅射和辅助刻蚀清洗两者合一电源，10—化合物薄膜，11—屏蔽壁，12—圆盘形靶材，13—圆环形靶材，14—工件转架，15—靶，16—交流溅射电源，17—靶材表面上的指定区域，18—溅射清洗的辉光。
具体实施方式
现结合附图将本发明做进一步的说明。
1)本发明的主体结构：靶材为圆管形(或圆盘形或圆环形)，可绕其中心轴线旋转，通过内部磁场控制，在靶材的圆柱形外表面上，形成两组发射方位基本固定的轴向长条形溅射跑道(图1.1-1.4)；其中第一组溅射跑道1面向镀膜机腔体内的扇形立体角空间，由配备的主溅射电源8在腔体中的反应溅射镀膜空间区3激励起辉溅射，进行反应溅射镀膜；第二组溅射跑道2位于靶15背面或侧面，由配备的辅助刻蚀清洗电源7在腔体中封闭的清洗刻蚀空间区4激励起辉进行离子溅射刻蚀清洗，其废弃物被封闭在由屏蔽壁11形成的封闭的局部空间中(图2.1-2.2)。
2)本发明的局部空间结构：在局部空间中设置清洗阳极5(一般通水冷却)和布气装置，布气装置设有气管6，通过布气装置充入惰性气体(如氩气等)使局部空间的气压P1略高于(或等于)反应镀膜空间的气压P2(图3.1-3.2)；
3)本发明电源连接方式：主溅射电源8(DC或脉冲或RF电源等)连接于靶材与镀膜机主阳极(一般为镀膜机腔体的金属壁)之间，或两支靶之间接入交流溅射电源(双极脉冲电源)16，激励起第一组溅射跑道1方位的辉光溅射，进行反应溅射镀膜；辅助刻蚀清洗电源7连接于靶材与局部空间内的清洗阳极5(一般通水冷却)之间，激励起第二组溅射跑道2方位的辉光溅射，对靶材表面溅射刻蚀清洗；上述主溅射电源8和辅助刻蚀清洗电源7可以分别独立设置(图5.1或5.2)，或两者合成一台主溅射和辅射刻蚀清洗两者合一电源9(图6)。
4)两组跑道的轴向长度相等或者第二组略长一些，如图4所示，确保清洗区域无遗漏。
5)本发明的靶表面在线清洗过程：在第一组溅射跑道1的辉光位置进行反应溅射时，在第二组溅射跑道2的辉光位置对靶材进行一定程度的惰性气体离子清洗，由于靶材连续旋转而两组溅射跑道的相对方位不变，从而达到对整个靶面的连续在线清洗。通过旋转，靶材表面上在反应镀膜空间内所生成的化合物薄膜10，在转入局部空间的惰性气氛中时，能被第二组溅射跑道2的辉光方位的惰性气体离子所部分或全部溅射清除，从而使该部分表面再次进入反应镀膜区域时状态已经向金属态转变或完全成为金属态。连续旋转的管(或者盘或者环)状靶材在旋转一周的过程中，其表面上的各个不同方位依次分别逐渐通过主反应溅射区域和清洗刻蚀区域：在靶材表面上的指定区域17中逐渐生成化合物薄膜10(A)→靶材表面上的指定区域17逐渐移出腔体中的反应溅射镀膜空间区3(B)→靶材表面上的指定区域17进入腔体中封闭的清洗刻蚀空间区4(C)→靶材表面上的指定区域17中化合物薄膜10逐渐被溅射减薄或者消除(D)→靶材表面上的指定区域17移出腔体中封闭的清洗刻蚀空间区4(E)→靶材表面上的指定区域17逐渐进入腔体中的反应溅射镀膜空间区3(F)→靶材表面上的指定区域17完全回到(A)。如此循环形成连续在线清洗，因此即使在反应镀膜空间内的反应气体浓度较高的情况下，整个靶材表面的溅射工作状态也能够保持连续长时间相对稳定，靶面上化合物薄膜10的生成与清除比例在工艺所需要的程度上达到长时间动态平衡，避免靶材表面进入中毒状态，而且可以提高化合物薄膜10在工件上的沉积速率，并保持工艺的持续稳定性(图7)。
6)作为该技术应用的一种方式，在实施过程中，在腔体中的反应溅射镀膜空间区3内，在无反应性气体、或反应性气体浓度较低、或靶材表面生成的化合物薄膜10较少的情况下，可以关闭辅助刻蚀清洗电源7；也可以在工作过程中间断地打开和关闭辅助刻蚀清洗电源7，根据对靶面生成的化合物薄膜10进行断续在线清洗刻蚀的工作原理，保证反应溅射工艺过程的长时间连续稳定。
7)作为该技术的一种简化，在实施过程中可以将清洗阳极5与主阳极(镀膜机腔体的金属壁)连接为一体，或两者合为一体使用暴露在此局部空间内的部分主阳极，均取消上述辅助刻蚀清洗电源7，只用上述两组溅射跑道的布局和在局部空间中充入惰性气体的方式，两组溅射跑道共用主阳极和被一台主溅射电源8激励溅射，同样根据对靶面生成的化合物薄膜10进行连续在线清洗刻蚀的工作原理，保证反应溅射工艺过程的长时间连续稳定(图8.1-8.2)。
8)作为该技术的另外一种简化，在实施过程中可以取消上述第二组溅射跑道2，采用在局部空间内充入惰性气体，利用清洗阳极5，使局部空间内的靶材表面在辅助刻蚀清洗电源7激励下产生单弧形状溅射清洗的辉光18放电并得到溅射刻蚀清洗，同样根据对靶面生成的化合物薄膜10进行连续或断续在线清洗刻蚀的工作原理，保证反应溅射工艺过程的长时间连续稳定(图9)。
9)依据上述特征1)～8)的方法和原理，靶材还可以设计为圆盘形靶材12或者圆环形靶材13，在圆盘形或圆环形靶材的工作外表面上，形成两组发射位置基本固定的溅射跑道，其中第一组溅射跑道1位于面向镀膜机腔体内的被镀工件位置的扇区内，第二组溅射跑道2位于另一部分扇区内；在靶材表面上反应溅射的第一组溅射跑道1进行主溅射的同时，在局部空间内的第二组溅射跑道2进行离子刻蚀清洗，在局部空间内相应地设置清洗阳极5并通入惰性气体使其中压强略高于(或等于)反应溅射空间压强；在靶材半径方向上使第二组溅射跑道2径向尺寸等于或长于第一溅射跑道1的径向尺寸。其原理和工作过程以及应用方式和简化方案等均同上述圆柱靶(图10.1-10.2)。
10)通过适当地调节辅助刻蚀清洗电源7的功率，或者周期性地开/关辅助刻蚀清洗电源7并改变开通和关闭的时间比，使其与所需的靶面化合物薄膜10的生成与清除比例相匹配，以达到最佳的刻蚀清洗效果而又不过多地消耗靶材。
11)通过对正在溅射沉积过程中的靶面附近的特征等离子体发射光谱实时测控，并将其反馈量与主溅射电源8的功率(或电流)、辅助刻蚀清洗电源7的功率(或电流或开关/时间比例)和反应性工作气体的输入流量三者之一形成闭环控制，以精确控制反应镀膜的工艺过程和保证工艺的重现性(图11)。
12)采用本方案，在预先溅射清洗靶材表面时，不开启主溅射电源8和不通入反应气体，只使用辅助刻蚀清洗电源7及通入惰性气体，仅在局部空间内对旋转靶材表面进行预先刻蚀清洗，有利于消除传统的靶材表面预先溅射清洗工序所带来的对被镀工件转架14上的工件表面的污染，和消除传统的多靶系统中各靶材之间的交叉污染等弊端(图12)。

Claims (10)

1、一种具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统，其特征在于：
具有可绕其中心轴线旋转的靶材，在旋转所经过的部分圆周区域用屏蔽壁形成局部空间，其中充入惰性气体；靶材上的各溅射部分及其附近的部分区域在反应溅射镀膜工作过程中，可周期性地进入局部空间内被惰性气体离子刻蚀清洗，从而使靶面化合物薄膜的生成情况可稳定控制，避免进入靶面中毒状态；
(1)靶材为圆管形或圆盘形或圆环形，可绕其中心轴线旋转，靶材为圆管形时通过内部磁场控制，在圆管形靶材的圆柱形外表面上，形成两组发射方位基本固定的轴向长条形溅射跑道，其中第一组溅射跑道面向镀膜机腔体内被镀工件位置的扇形立体角空间，第二组溅射跑道相对于第一组溅射跑道位于靶材的背面或侧面；靶材为圆盘形或圆环形时，通过内部磁场控制，在圆盘形或圆环形靶材的工作外表面上，形成两组发射位置基本固定的溅射跑道，其中第一组溅射跑道位于面向镀膜机腔体内的被镀工件位置的扇区内，第二组溅射跑道位于另一部分扇区内；第一组溅射跑道由配备的主溅射电源激励起辉溅射，进行反应溅射镀膜，第二组溅射跑道由配备的辅助刻蚀清洗电源激励起辉进行离子溅射刻蚀清洗，离子溅射刻蚀清洗产生的废弃物被封闭在由屏蔽壁所形成的封闭的局部空间中；
(2)在旋转所经过的部分圆周区域用屏蔽壁形成局部空间，其中充入惰性气体，在局部空间中设置清洗阳极和布气装置，充入惰性气体使局部空间的气压高于或等于反应镀膜空间的气压；
(3)主溅射电源连接于靶材与镀膜机主阳极之间，或两支靶之间接入交流溅射电源，激励起第一组溅射跑道方位的辉光溅射，进行溅射镀膜，辅助刻蚀清洗电源连接于靶材与局部空间内的清洗阳极之间，激励起第二组溅射跑道方位的辉光溅射，对靶材表面溅射刻蚀清洗，上述主溅射电源和辅助刻蚀清洗电源分别独立设置或两者合成一台电源。
2、按照权利要求1所述的具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统，其特征在于：当靶材为圆管形时，其圆柱形外表面上形成的两组跑道的轴向长度相等；当靶材为圆盘形或者圆环形时，在靶材半径方向上使第二溅射跑道径向尺寸等于或长于第一溅射跑道径向尺寸。
3、一种权利要求1所述的具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统的应用方法，其特征在于：
(1)靶材上的溅射部分及其附近的部分区域在反应溅射镀膜工作过程中，周期性地进入局部空间内被惰性气体离子刻蚀清洗，从而使靶面化合物薄膜的生成情况可稳定控制，避免进入靶面中毒状态；
(2)在第一组溅射跑道的辉光区域对靶材进行反应溅射时，在第二组溅射跑道的辉光区域对靶材进行惰性气体离子清洗，靶材连续旋转而两组溅射跑道的相对方位不变，达到对整个靶面的连续在线清洗；通过旋转，靶材表面上在反应镀膜空间内所生成的化合物薄膜，在转入局部空间的惰性气氛中时，能被第二组溅射跑道的辉光区域的惰性气体离子所部分或全部溅射清除，使该部分表面再次进入反应镀膜区域时状态已经向金属态转变或完全成为金属态。
4、按照权利要求3所述的具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统的应用方法，其特征在于：在反应镀膜空间内，在无反应性气体、或反应性气体浓度较低、或靶材表面生成的化合物薄膜较少的情况下，关闭辅助刻蚀清洗电源；或者在工作过程中间断性地打开和关闭辅助刻蚀清洗电源。
5.按照权利要求3所述的具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统的应用方法，其特征在于：将清洗阳极与主阳极连接为一体，或两者合为一体使用暴露在此局部空间内的部分主阳极，上述清洗阳极与主阳极为同一个电位，辅助电源与主溅射电源为同一台电源，只用上述两组溅射跑道的布局和在局部空间充入惰性气体的方式，两组溅射跑道共用主阳极和被一台主溅射电源激励溅射。
6.按照权利要求3所述的具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统的应用方法，其特征在于：所述的两组磁控溅射跑道中只保留第一组，采用在局部空间内充入惰性气体，利用清洗阳极，使局部空间内的靶材表面在辅助刻蚀清洗电源激励下产生辉光放电并得到溅射刻蚀清洗。
7.按照权利要求3所述的具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统的应用方法，其特征在于：当靶材被设计为圆盘形或者圆环形时，在靶材半径方向上使第二溅射跑道径向尺寸等于或长于第一溅射跑道径向尺寸，在靶材表面上反应溅射的第一溅射跑道进行主溅射的同时，在局部空间内的第二溅射跑道进行离子刻蚀清洗，在局部空间内相应地设置清洗阳极并通入惰性气体使其中压强等于反应溅射空间压强。
8.按照权利要求3所述的具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统的应用方法，其特征在于：通过调节辅助电源的功率，或者周期性开/关辅助电源并改变开通和关闭的时间比，使其与所需的靶面化合物薄膜的生成与清除比例相匹配，以达到最佳的刻蚀清洗效果而又不过多地消耗靶材。
9.按照权利要求3所述的具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统的应用方法，其特征在于：通过对正在溅射沉积过程中的靶面附近的特征等离子体发射光谱实时测控，并将其反馈量与主溅射电源的功率或电流、辅助刻蚀清洗电源的功率或电流或开关/时间比例和反应性工作气体的输入流量三者之一形成闭环控制，以精确控制反应镀膜的工艺过程和保证工艺的重现性。
10.按照权利要求3或7所述的具有在线清洗功能的磁控溅射靶系统的应用方法，其特征在于：在预先溅射清洗靶材表面时，不开启主溅射电源和不通入反应气体，只使用辅助刻蚀清洗电源及通入惰性气体，仅在局部空间内对旋转靶材表面进行预刻蚀清洗，有利于消除传统的预溅射清洗工序所带来的对被镀工件表面的污染和多靶系统中各靶材之间的交叉污染。
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