CN101490792A - 离子沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽离子束沉积设备(100)，该设备包括一离子源(101)，一目标物体(102)，一可倾斜的基底台子(103)和一辅助出口(104)。目标物体(102)是卡盘的形式，它携带了多个目标物体，离子源(101)被设置成产生基本长方形断面的离子束(105)。

Description

离子沉积设备

技术领域

本发明是关于宽离子束沉积(broad ion beam deposition，BIBD)设备及其应用。

背景技术

众所周知，BIBD设备具有离子源，该离子源通过平行栅极提供离子束而形成了准直束，该准直束投射到目标物体上以将材料喷镀到基底上。通常目标物体放置在与离子束主轴成大约45°的位置，因而产生的溅镀在相当宽的弧线范围内出现而且高度地不均匀。这样产生的离子束在横截面上大体是圆形的，因此目标物体的相当多的部分不能利用，或者一些离子束很容易从目标物体边缘通过，导致散落的材料是可能受溅镀。两种方式效率都很低下，到目前为止大部分离子束沉积被作为一个研究工具或者在制备必须有特别薄膜性能和只能通过这种技术获得的部件中使用。这是因为到目前为止生产量是非常的低，因此只能高价值物品才能够承受如此操作的费用。

众所周知，为了能够进行连续的沉积，将多于一种不同材料的目标物体例如以六边形的形式装于卡盘上，但是这种情况意味着为了避免散落对前面的和随后的目标物体影响，在目标物体上的离子束面积不得不进一步减少。

发明内容

从一方面来讲，本发明为宽离子束沉积设备，其包括：

(a)一用于产生离子束的离子源；和

(b)一用于顺利地对齐目标物体和离子束的可转动目标支架，其特征在于目标物体大体是长方形而离子源是被设置用于产生横截面是长方形的离子束。

从另一方面来讲，该设备存在于宽离子束沉积设备中，该宽离子束沉积设备包括用于产生离子束的离子源和可转动目标支架，该可转动目标支架限定了多个目标位置，其特征在于第一位置位于的方位，在使用时，该方位是位于在随后位置上撞击的离子束的阴影中。

优选地，所述目标位置是在空间上分离且向各自的面弯曲，各自的面是一种有多个面的理论上有规律的几何图形，面的数目等于位置数目。例如，有可能有8个位置。

从又一方面来讲，本发明包括离子束沉积设备，该离子束沉积设备包括一沿着路径用于产生一离子束的离子源，一在路径上的目标位置，一到路径一边的基底支架和一到路径另一边的辅助工艺通道。

在许多情形下，离子源可以包括一用于包含等离子体并带有离子出口的腔室；和一装在出口用于从等离子体中抽取离子流并将它们在一方向上变成离子束的加速器，其中，加速器包括四个分隔开的大致平行的栅极，在该方向上的第二到第四栅极被两组支架定位，其中一组支撑第二和第四栅极，另外一组支撑第三栅极。

第二栅极不需要在第一栅极上支撑，而它的支架能穿过第一个栅极的孔，使其与腔壁或其延长部分接合，真正地能坐落于这样壁或延长部分的壁凹中。绝缘体长度为此能显著地延长。用于第三栅极的支架类似地穿过第一栅极。

在一优选实施例中，第一组支架中至少一个支架包括一个从第二栅极延伸到第四个栅极的绝缘体，和另外或选择地第二组支架中至少一个支架包括一个从腔壁延伸到第三栅极的绝缘体，所述腔壁限定了出口或其延伸部分。可选择地，另一组支架中的至少一个支架包括从第三栅极延伸到第四栅极的绝缘体。特别优选地是，上述所提到的绝缘体在所有的各个支架上存在。

也优选地，至少一些绝缘体中包括结构，所述结构会产生喷溅阴影从而阻止了反向的喷溅在绝缘体整个长度上产生导电通路。这样的结构同时也能通过增加绝缘体表面的寻迹长度的方式而形成。

在以上任一情形中，第一栅极可机械地预加应力，以在大致单轴方向上显示凹或凸的外形。申请人已经充分地意识到机械的预应力使得一种精确设计构造能够被实现，它将在高温下不会变形，且不需要昂贵的预热处理。虽然预应力处理是在一维上的，但是它能够被机器加工成腔壁或者其它部件，第一栅极可以被夹紧在所述腔壁或者其它部件上，因此从而避免了昂贵的预热处理。申请人进一步意识到，与6346768中所教导的相反，凸曲线是可取的，因为这将在一定程度上解决等离子体不均一性或允许等离子体密度与一特定设计的构造相匹配的可能性，因为当预加应力时，第一栅极被将会停留在被预先设计的地方。凹的外形能够被用于提供“空”离子束。

栅极大体上是长方形，轴线是纵向轴线。

在邻近周围的栅极中至少一些开口在横截面可能比那些位于中心区域的要小。以前认为，为了增加邻近等离子体腔壁处的电流流动，外面的洞或者开口应当比较大，在该位置等离子体的密度减少。发明人出人意料地发现这是一种错误的认识，他们的建议将引起离子束减少的发散。通常，开口的横截面是与预期的局部等离子密度成比例的。离子源可包括多个等离子体发生器，当离子源是长方形或狭长时，多个等离子体发生器可以沿着它长度上分隔开。

离子源可以包括一个等离子体发生器、一个有用于等离子体容积的腔室、一个位于容积中的主体，该主体用于产生局部损失并因而减少局部等离子体密度，以限定穿越容积的等离子体密度。

在一优选的安排中，穿越腔室的等离子体密度被设计得更加均一。

申请人已经意识到，有一个令人惊奇的、完全不同的方式去解决等离子体均一性问题或者取得优选的等离子体梯度，它是可以减少较高等离子密度，该问题通常是在朝向等离子体中心出现，因此穿过整个等离子体的密度显著地更加均一或者按要求分级。这是能够同传统的磁场方式结合起来应用或者选择性地单独应用。

便利地，主体大体是平面的，可以位于在腔室中大致侧面。主体能有一个或多个开孔或者开口，以及实际可够有不止一个主体。这些主体能是共平面的或着分隔并大体平行的。

一种可选择的安排，主体可以在腔室中被安排为大体上是轴向的，并且有多个分隔开的平行主体。

当主体在射频场内时，它应当由绝缘体形成。否则，主体可能是一导体。主体可以是任何合适的形状，但是为了制造的原因，常规的几何形状例如三角形、圆形、菱形形状、正方形或长方形的主体是特别合适的。三维和/或不规则形状也可以应用。

等离子体源能是离子源的一部分。同样地，它可以用天线构造或其它等离子体源所替代。任何产生等离子体的合适模式都可以使用。

从又一方面来讲，本发明包含一用于产生100V的低功率离子束的离子源，所述离子源包括一个有输入功率在大约100W以上的等离子体发生器，一个等离子体腔室和至少一个在等离子体腔室中的主体，主体从包含于腔室中的等离子体吸收功率。

使用这种安排，伴随着使用非常低输入功率运转离子源去产生低功率光束出现的问题，是能够通过以较高功率去运转离子源以及随后使用主体去吸收足够功率以将离子束减少到理想的水平来克服的。

虽然本发明已经在以上进行了说明，但是可以理解，本发明包括结合了以上任何阐述或以下所描述特点的任何创意。

附图说明

本发明可以以多种方式实施，下面参照附图，以示例的方式描述具体实施方式：

图1是一个离子沉积设备的示意图；

图2是一个离子枪的示意图；

图3是一个图2中离子枪的加速器栅极放大比例示意图；

图4是一个和图2中离子枪使用的栅极组件前侧方的视图；

图5是一个和图2中离子枪使用的第一栅极的主视图；

图6是一个图5中栅极弯曲部放大的沿着A-A线截面图；

图7是图5中栅极端视图；

图8是表示第一组支架中一个通过加速器的栅极的剖视图；

图9是通过第二组支架中一个的与图8相应的视图；

图10和图11是可选择的具体实施方式，分别各自对应于图8和图9；

图12是一个多天线源的示意图；

图13是一个通过离子源的第一具体实施方式的剖视图；

图14是一个通过可选择结构的相应视图。

具体实施方式

参照图1，宽离子束沉积设备，用100整体上指示，包括了一离子源101，一目标物体102，一可倾斜的基底台子103和一辅助口104。

在以下将会更具体描述，离子源101产生一个大体上长方形的截面的离子束105，它对准目标物体卡盘102。目标物体卡盘在隔离的、大体呈辐射状的支脚107上的台子106上载有多个目标物体，如8个。实际上，支脚106和台子107是稍微偏离的，以便于通过台子107所限定的目标位置向各自的面弯曲，各自的面是一种有多个面的理论上有规律的几何图形，面的数目等于位置数目，以及放置于卡盘102轴线的中央位置。需要说明的是目标物体108是长方形的。

长方形截面的光束105和倾斜的长方形目标物体108的结合，不仅意味着喷溅基本上发生于穿过目标物体，而且意味着如图1所示，前面的目标物体，其任何时候都是活动的，位于相应的离子束阴影里面，因而没有不想要的喷溅发生。而且，引入如109所示的、用于保护前面目标物体的目标物体屏蔽套是可能的。需要注意的是，屏蔽套基本上是楔形且可选择性地可以开动，使得它的前缘尽可能接近地位于被保护物体的正面。

在支脚之间的空间107a有相对高的纵横比，借以使得一目标物体在上游边缘上的离子束溢出物将会流下来到该空间，且任何因此发生的喷溅材料将会保留在该空间中。

同时需要说明的是，目标物体相对于彼此之间是相互分隔开的，特别对于长方形离子束，这点使得能够进行整面目标物体清洁。从活动目标物体上喷溅的材料撞击到装在倾斜的基底台子103上的基底110上。已经确定，在基底上的喷溅层的均一性对基底的角度非常敏感，但是最适宜的角度是由目标材料所决定。因而倾斜的台子允许有设备的准确设定。需要说明的是，辅助口104被设置在大体上与离子束105成直角，但面对可倾斜台子103。当喷溅步骤已经执行时，这将允许沉积或离子束操作的可能性，例如，在喷溅步骤之间进行目标清洁。通过可倾斜台子103基底能被倾斜到最适宜的位置以进行这样的操作，然后能够倾斜回最合适位置以用于喷溅。可以选择地，在为了离子辅助沉积或表面修饰目的喷溅过程中，可以使用位于辅助口处的离子源。在清洁过程中，基底屏蔽套111可以位于基底之上或基底位置。

可以理解，因而产生的设备是非常灵活的，目标物体108能用不同的材料制成，可以利用辅助口104，以及在喷溅步骤之间能够进行其它的操作。因此在单一的腔室中，能够进行一系列的制造步骤。

一个特别优选的离子源设置结合图2到图9进行了描述，进一步的具体实施方式结合图10到图12中进行了描述。

离子枪101如图2所示。它包括一从射频源12驱动的等离子体发生器11，一有一出口14的等离子或源腔室13，在其对面装有一个加速器栅极15。加速器栅极15包括四个单独的栅极。与出口14最近的第一栅极16通过直流电源16a维持一正压，第二栅极17通过直流电源17a维持非常强的负性。第三栅极18通过直流电源18a维持一负压，该负压比第二栅极17要低得多，第四栅极19接地。

如以下所强调的原因，申请人能够用大约-2000V或更高的运行第二栅极17。这将在平板16和17之间有产生优良电透镜的双重作用。这样的结果如图3所示，离子束20是聚焦于平板16和17之间。在栅极17上的高负性电压也显著地加速在离子束20中的离子，并相应减少了分散效应，该分散效应由离子束20在操作长度上摆动的横向聚焦力产生。

栅极18是在很小负性电压，允许栅极19的接地电压通过两次减速步骤取得，而不会导致离子束20明显的分散。

栅极的正、负、负、接地安排也显著地减少反向电子流的可能性，反向电子流能够造成电压崩溃和不稳定。

图4示出了一个栅极的组合。栅极14到19通过框架总成21装到腔室13，同时它们自己如以下所描述连接于框架22。参考图5到图7，首先应当注意，栅极16中的开口23在靠近边缘处比在中心处要小，因为前面所讨论的原因。其次，如图8所示，栅极16以微小的纵向凸曲线机械地预加应力，以克服前面提到的热效应，其在图中是夸大的。方便地，这种弯曲是能机械加工成腔壁，这种弯曲可能几乎不可见，依靠腔壁第一栅极被夹紧，从而避免了昂贵的热处理。可以选择地，弯曲能是凹的，它能够产生一种空的离子束。

将要说明，在框架22中有开口23，通过开口23支架穿过，在开口中如在图4中24所示的电压连接能被附上。

从图8和图9中能够清楚看出，建议应该应用两种不同形式的支架。每支架包括一个中心核，它能够使支架位于源腔室13种的壁25中。在每一种形式中，中心核包括一螺丝钉26，一垫片27，一套管28和一夹具29，其可以框架22。本领域技术人员可以理解，这种设置能用于紧凑地容纳栅极16到19，因而依据它们之间的相互连接将它们垂直地和侧面地设置。

如前面所提到的，支架中的一个是用30所表明，它组成了第一组。这进一步包括了两个环形的绝缘体31和32。可以看出，绝缘体31能够超过栅极16而位于在壁25中的一个壁凹33之中。然后它向上穿过了在第二栅极17开口34，去支持第三栅极18。绝缘体32转而位于栅极18上，去支持栅极19。从机械的关系上讲，这有效地从第三栅极中拆开了第二栅极，同时在壁25和第三栅极18之间提供了一个长的绝缘体33。

第二组支架的一个在图9中用35所示。在这里，低的环形绝缘体36支持了第二栅极17，上部的环形绝缘体37转而支持了第四栅极19。这样，第二栅极和第三栅极在尺寸上参考壁25和第四栅极，但是彼此没有互相连接。这使得绝缘体36穿过了第一栅极16，而不是位于它的上面，因此壁凹33的优势能再次增加，它同时允许凸曲线引进到栅极16中而在布置剩余的栅极没有丢失准确性。

图10和图11示出了一种可选择的安排，在其中第四栅极19不是被支持在第三栅极18上，套管28带有肩部38，以夹紧第三栅极18。

栅极16到19被描述成大体平行的，虽然栅极16有一定弯曲度。至于栅极在构造上大体是平面的，这种说法将会被本领域的人员所理解。

在图12中，一个单个大的腔室13(例如150mm×900mm)由三个等离子体发生器11提供。所示的发生器是由Aviza技术公司所提供的

源，但是也可以使用任何其它合适的发生器。加速器栅极用15表示。多个这种类型的发生器源能够提供用于处理大基底例如平板屏幕显示器的宽离子束。

申请人同时也研发了一种出人意料的简单的系统，该系统用于调节离子源的局部离子强度，以便于取得穿越离子源宽度的增强的均一性或者为了一些特别处理技术来提供预设梯度的等离子体密度。例如它能够取得反向密度分布等离子体强度分布，在这种分布中朝向离子源中心是低密度的。

为了延伸侧面穿过腔室13的整个中心部分，申请人插入了物体39。为了减少局部的等离子体强度，物体39的尺寸、形状和位置选择在腔室中从等离子体打击中吸收足够的功率，如栅极15处看到的那样，通过这种方式在穿过腔室14的宽度上的等离子体密度是基本均一的或得到一些预设不均一性。

物体的尺寸、形状和位置能够通过实验经验确定。物体39可设有开口或穿孔40，以允许局部的微调。

当这种侧体被使用时，它也将影响穿过腔室的离子流，开口40的有无也是如此。这能够用于移走朝向腔壁的离子流，再次增强均一性。能够使用多个物体，更多物体39的加入将常用于持续微调。

如前所述，离子源是等离子体发生装置的仅仅一个例子，以上所讨论的原理能够同样地很好应用于其它等离子体发生装置。

除了被用于改变在等离子体中的非均一性水平以外，一个或多个物体39能够应用于从离子束中吸收功率。在要求低能过程离子束例如100V或以下的应用中，这是特别有效。要求低能过程离子束的典型应用要求在等离子体密度是0.2mAcm^-2区域，并且具有非常好的均一性。不论怎样，这意味着它们倾向于在输入功率大约是20W时被操作，这时控制该装置是非常困难的。相比之下，申请人意识到利用图1中所示的设置，离子源能够在很好控制范围内例如150W的输入功率进行操作。一个或多个物体39被设计成用于吸收足够功率并提高合适的均一性。

如果功率吸收或控制等离子体强度是唯一的要求，那么一个或多个物体39能如图2中所示在腔室14中纵向排列。位于图1和图2的方向之间的设置也是能被利用的。

虽然位置要求依照设备的几何形状而变化，但是总体上来讲，这种插入设置不会被置于与初级的等离子体发生器的天线区域太靠近，如果太近，会影响进入腔室13中的等离子体流。同样，如果物体39离栅极15或加工平面太近，它能有效地阻塞栅极15。在不超出这些限度内，物体的纵向位置能够依照所要达到的效果进行选择。有一些从实验中得到的启示，膨胀盒的扩散长度对5mm顺序的插入轴向位置变化敏感。测量通过腔室13的短轴，插入物半个半径的扩散长度被证明是可以接受的。总体说来，已经发现有一个插入是有用的，它受腔室13的对称性影响。

Claims (34)

1、一种宽离子束沉积设备，包括：

(a)一沿着一路径提供一离子束的离子源；和

(b)一用于依次地使目标物体与离子束成一条直线的旋转支架，其特征在于，目标物体基本上是长方形的且离子源是被设置为产生一长方形横截面的离子束。

2、根据权利要求1或6所述的设备，其中目标物体支架限定了多个目标位置，其特征在于，第一位置位于的方位，在使用时，该方位是位于在随后位置上撞击的离子束阴影中。

3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于，支架是一卡盘。

4、根据权利要求2所述的设备，其特征在于，目标位置是分隔开和向各自的面弯曲，各自的面是一种理论上有规律的几何图形，面的数目等于位置数目。

5、根据权利要求4所述的设备，其特征在于，有8个位置。

6、一种宽离子束沉积设备，包括：一沿着一路径用于产生一离子束的离子源，和一可转动目标支架，该可转动目标支架限定了多个目标位置，其特征在于，第一位置位于的方位，在使用时，该方位是位于在随后位置上撞击的离子束阴影中。

7、根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述的方位提供了用于覆盖其中目标的阴影。

8、根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，还包括一位于路径一边的一基底的支架和在路径另一边上的辅助支架。

9、根据权利要求8所述的设备，其特征在于，支架是对开口或目标用于定位的基底倾斜。

10、根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，离子源包括一包含等离子体并带有一用于离子出口的腔室；和一装在出口用于从等离子体中抽取离子流并将它们变成在一方向上的离子束的加速器，其中加速器包括了四个分隔开的基本平行的栅极，在该方向上的第二到第四个栅极被两组支架定位，其中一组支撑第二和第四栅极，另外一组支撑第三栅极。

11、根据权利要求10所述的设备，其特征在于，另一组支持第三和第四栅极。

12、根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，第一组支架中至少一个支架包括一个从腔壁延伸到第二栅极的绝缘体，所述腔壁限定了出口或其延伸部分。

13、根据权利要求10到12的任一权利要求所述的设备，其特征在于，第一组支架中至少一个支架包括一个从第二栅极延伸到第四个栅极的绝缘体。

14、根据权利要求10到13的任一权利要求所述的设备，其特征在于，第二组支架中至少一个支架包括一个从腔壁延伸到第三栅极的绝缘体，所述腔壁限定了出口或其延伸部分。

15、根据权利要求10到14的任一权利要求所述的设备，其特征在于，第二组支架中至少一个支架包括从第三栅极延伸到第四栅极的绝缘体。

16、根据权利要求10到15的任一权利要求所述的设备，其特征在于，绝缘体中包括一结构，用于产生喷溅阴影。

17、根据权利要求10到16的任一权利要求所述的设备，其特征在于，腔壁或其延伸部分包括至少一个用于容纳绝缘体的壁凹。

18、根据权利要求10到17的任一权利要求所述的设备，其特征在于，第一栅极是预加应力的，为了在至少大致一轴向方向上显示凸的外形。

19、根据权利要求17要求所述的离子源，其特征在于，第一栅极是基本上长方形且一轴线是纵向轴线。

20、根据权利要求10到19的任一权利要求所述的设备，其特征在于，在邻近周围的栅极中至少一些开口在横截面上比那些位于中心区域的要小。

21、根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，离子源包括一等离子体发生器、一有用于等离子体容积的腔室、一个位于容积中的主体，该主体用于产生局部损失，因而减少局部等离子体密度，以限定穿越容积的等离子体密度的梯度。

22、根据权利要求21所述的设备，其特征在于，主体是大体平面的。

23、根据权利要求21所述的设备，其特征在于，主体位于在腔室中的大致侧面。

24、根据权利要求21到23任一所述的设备，其特征在于，主体有一个或多个开孔或者开口。

25、根据权利要求21到24任一所述的设备，其特征在于，主体是位于腔室侧向平面里的大体中心。

26、根据权利要求21到25任一所述的设备，其特征在于，主体是一绝缘体。

27、根据权利要求21到26任一所述的设备，其特征在于，主体是一导体。

28、根据权利要求21到27任一所述的设备，其特征在于，在使用时，等离子体发生器在腔室中发生一不均一的等离子体，主体位于一区域，在该区域当中在不存在主体时，会产生最高等离子体密度。

29、根据权利要求21到28任一所述的设备，其特征在于，主体大体是三角形、圆形、菱形形状、正方形或长方形。

30、根据权利要求21到29任一所述的设备，其特征在于，有多个主体。

31、根据权利要求27所述的设备，其特征在于，主体被分隔开且基本平行。

32、离子束沉积设备，包括：沿着一路径用于产生一离子束的离子源，一在路径上的目标位置，一到路径一边的基底支架和一到路径另一边的辅助处理通道。

33、根据权利要求32所述的设备，其特征在于，支架是可倾斜，以将基底朝向开口或目标物体。

34、根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，可转动目标物体限定了多个目标位置且限定了在位置之间大体上呈放射状向内部延伸的空间，空间尺寸被做成用于捕获任何喷溅材料的尺寸，所述喷溅材料是由离子束溅出了位置上游边缘。

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