CN102144043A

CN102144043A - 微波辅助旋转物理气相沉积

Info

Publication number: CN102144043A
Application number: CN2009801183435A
Authority: CN
Inventors: M·W·斯托威尔; R·纽科姆
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2029-05-14
Also published as: US20090283400A1; JP5567005B2; WO2009140518A2; KR101366125B1; JP2011521107A; TWI427172B; CN102144043B; US8349156B2; KR20110010780A; TW201002844A; WO2009140518A3

Abstract

本发明使用同轴微波天线，以增强PVD或IPVD中的离子化。同轴微波天线均质增加邻近遭受电源的溅射阴极或靶材的等离子密度。同轴微波源以横向电磁(TEM)模式产生电磁波。本发明亦使用近接溅射阴极或靶材的磁控管，以进一步增强溅射。此外，为了高度利用昂贵的靶材材料，靶材可旋转以改善利用效率。靶材包含介电材料、金属或半导体。靶材亦具有一横剖面，其实质上相对于一靶材环绕其旋转的中心轴对称。靶材可具有实质上圆形或环形的横剖面。

Description

微波辅助旋转物理气相沉积

技术领域

本发明是相关于微波辅助旋转物理气相沉积。

背景技术

辉光放电薄膜沉积工艺广泛用在产业应用与材料研究，尤其是用在创造新的先进材料。虽然化学气相沉积(CVD)对在沟槽或孔中沉积材料通常呈现优越性能，物理气相沉积(PVD)由于其简单性和较低成本而更佳。在PVD中，磁控管溅射常是较佳的，因为其可具有比非磁控管溅射增加约一百倍的沉积率和降低约一百倍的所需排放压力。惰性气体，尤其是氩，通常用作溅射剂，因其不与靶材材料反应。当施加负电压至靶材时，正离子，例如，带正电荷的氩离子，撞击靶材并敲出原子。亦从靶材表面放出次级电子。磁场可捕集接近靶材的次级电子，且次级电子可导致与惰性气体的更为离子化的碰撞。此增强近接靶材的等离子的离子化，并导致较高的溅射率。这也表示等离子可以较低压力来维持。在习用的磁控管溅射中，较高的沉积率可通过增加至靶材的功率或减少与靶材的距离来达成。不过，不利之处在于磁化的等离子在等离子密度上倾向于具有较大变异，因为磁场强度随着距离显著改变。此非均质性可导致大面积沉积的复杂化。同样地，习用的磁控管溅射具有相对低的沉积率。

不同于蒸发技术，PVD中的离子或原子能量比得上典型表面的束缚能。此将转而帮助增加原子迁移率与表面化学反应率，以便外延生长可发生于降低的温度，且可允许化学介稳材料的合成。通过使用高能原子或离子，亦可使化合物形成变得更为容易。如果将沉积材料离子化，甚至可达成一更大优点。在此情况下，离子可加速至所需能量，并使用电场或磁场方向引导，以控制薄膜互混、奈米级或微米级的微结构修改和介稳相的产生。因为所关注的是以离子而非中性粒子形式达成沉积通量，已发展数种新的离子化物理气相沉积(IPVD)技术，以离子化溅射材料，以及后续使用等离子鞘将离子导向基材，其中等离子鞘是在基材上使用射频偏压产生。

原子的离子化需要高密度等离子，其使沉积原子在未以高能电子离子化的情况下难以逸散。电容产生等离子通常很容易离子化，导致低沉积率。可使用电感放电来产生更稠密的等离子。电感耦合等离子可具有10¹¹离子/cm³的等离子密度，近乎比可比较的电容产生等离子高出100倍。典型的电感离子化PVD使用电感耦合等离子，其使用具有13.56MHz射频源的内部线圈产生。此技术的不利之处在于具有约100eV能量的离子轰击线圈，侵蚀线圈，并接着产生可逆向影响沉积的溅射污染物。同样地，离子的高能量可导致基材损坏。已通过使用外部线圈来解决与内部ICP线圈关联的问题而做出某些改善。

另一增加等离子密度的技术为使用微波频率源。众所周知，在低频下，电磁波在等离子中不会传播，而改为反射。不过，在高频下，例如，典型的微波频率，电磁波有效允许等离子电子的直接加热。随着微波输入能量到等离子中，碰撞可发生以离子化等离子，以便可达成较高的等离子密度。典型地，使用角状物来注入微波，或将小的刀形天线放置在真空腔室中，使之邻接溅射阴极，以用于输入微波到腔室中。不过，此技术并未提供均质辅助来增强等离子产生。在没有溅射阴极辅助的情况下，其亦未提供足够的等离子密度，以维持其自身的放电。此外，因为非线性之故，为了大面积沉积而按比例放大这类系统受限于1公尺或更小等级的长度。

仍需要提供邻接溅射阴极的高密度均质放电，以增加局部离子化的效率并在大面积上沉积薄膜。亦需要降低离子能量，以减少基材的表面损坏，从而降低缺陷密度。进一步需要影响微结构生长与沉积涵盖区，例如，窄沟渠中的间隙填充，以及透过控制块等离子中与近接基材表面处的离子密度和离子能量来增强薄膜的化学性质。

发明内容

本发明的实施例使用同轴微波天线，以增强PVD或IPVD中的离子化。同轴微波天线均质增加邻近遭受电源的溅射阴极或靶材的等离子密度。同轴微波源以横向电磁(TEM)模式产生电磁波。本发明的实施例亦使用近接溅射阴极或靶材的磁控管，以进一步增强溅射。此外，为了高度利用昂贵的靶材材料，靶材可旋转以改善利用效率。靶材包含介电材料、金属或半导体。靶材亦具有一横剖面，其实质上相对于一靶材环绕其旋转的中心轴对称。在一特定实施例中，靶材可具有实质上圆形或环形的横剖面。

在本发明的一组实施例中，一同轴微波源可配置在一靶材外侧，以辅助PVD或IPVD。如果该靶材包含介电材料或半导体，则该靶材可遭受交流、射频或脉冲功率，以使其作用如一阴极。如果该靶材包含金属，则该靶材可遭受直流电压，以使其作用如一阴极。该同轴微波源可为线性并以横向电磁(TEM)模式产生电磁波。一平面微波源可包含数个平行同轴微波线源。

在本发明的另一组实施例中，一磁控管或数个磁控管可加至近接一靶材处，为了更高度的材料利用，将该靶材配置为旋转。该靶材遭受直流、交流、射频或脉冲功率的至少一个。一同轴微波源位于该靶材外侧，以作为一增强离子化的次级源。该磁控管可帮助限制次级电子，并进一步增强离子化。在一磁控管位于该靶材内侧的特殊实例中，该磁控管较佳地位于一水平位置，并近接该靶材底部，以增强该基材上方的局部离子化。此外，在数个磁控管，例如，两个磁控管，位于该靶材内侧的实例中，该磁控管较佳地相对该水平位置位处于一角度。该两个磁控管的位置可相对于该靶材的垂直中心轴对称。此外，磁控管可位于该靶材外侧，以提供邻近该靶材表面的磁场，以增强离子化。在该磁控管之间可形成一电位，以进一步增强离子化。

本发明的实施例进一步仍包含一用于在基材上方沉积薄膜的两个可旋转靶材的配置，其中一天线位于该两个靶材的外侧。该两个靶材实质上相对于该天线对称地配置。在近接每一该靶材处，可添加一磁控管或数个磁控管，以用于局部离子化的增强。

附加的实施例及特征部分在跟随的叙述中提出，而部分对那些熟悉此技术者来说，一旦检视本说明书当可益发明白，或可通过实行本发明而获悉。对本发明的性质和优点的进一步了解可通过参照本说明书的剩余部分和图式来实现。

附图说明

图1说明在旋转靶材外侧具有同轴微波源的微波辅助旋转溅射沉积的简化图。

图2显示在旋转靶材外侧具有同轴微波源的微波辅助旋转溅射沉积的双重配置的简化图。

图3显示具有两个旋转靶材以及在每一靶材内侧具有一磁控管的微波辅助旋转磁控管溅射沉积的配置简化图。

图4绘示具有两个旋转靶材以及在每一靶材内侧具有两个磁控管的微波辅助旋转磁控管溅射沉积的替代图。

图5提供在靶材外侧具有一微波源以及在靶材内侧具有两个磁控管的微波辅助旋转磁控管溅射沉积的配置。

图6绘示同轴微波辅助旋转磁控管溅射沉积的不同简化图，其中微波源和磁控管位于靶材外侧。

图7为一示范的简化微波辅助旋转PVD沉积系统。

图8为一流程图，其说明在基材上形成薄膜的简化的沉积步骤。

图9A提供由4个同轴微波线源组成的平面等离子源的简化图。

图9B提供由8个平行同轴微波等离子源组成的平面微波源的光学影像。

图10显示当与连续微波功率相比时，使用脉冲微波功率改善等离子效率的图。

具体实施方式

微波辅助PVD的概述

当与13.56MHz下的典型射频(RF)耦合等离子源相比时，由于2.45GHz下的改善的功率耦合与吸收，微波辅助PVD已发展用于达成较高等离子密度(例如，～10¹²离子/cm³)和较高沉积率。射频等离子的一个不利之处在于大部分的输入功率落在等离子鞘(暗区)上。通过使用微波等离子来形成窄等离子鞘，使等离子可吸收更多功率以产生自由基与离子物种，其增加等离子密度并降低离子能量分布的碰撞扩散，以达成窄能量分布。

微波等离子亦具有其它优点，例如，具有窄能量分布的较低的离子能量。举例来说，微波等离子可具有1至25eV的低离子能量，当与射频等离子相比时，其导致较少的损坏。反之，标准的平面放电将导致具有更宽离子能量分布的100eV的高离子能量，当离子能量超过大多数关注材料的束缚能时，其将导致较多损坏。此最终透过引入本质缺陷而抑制高品质结晶薄膜的形成。微波等离子以低离子能量和窄能量分布来帮助表面修改并改善涂层性质。

此外，由于使用微波等离子源而达成较低的基材温度(例如，低于200℃，举例来说，100℃)，因为较低离子能量下增加的等离子密度帮助减少薄膜的缺陷密度。在动力受限的条件下，这一类较低的温度允许更好的微结晶生长。同样地，由于等离子在低于约50mTorr的压力下会变得不稳定，不具有磁控管的标准平面放电通常需要大于约50mTorr的压力来维持自持放电。此处所述的微波等离子技术允许压力范围从约10^-6Torr至1大气压。因此，处理窗口(例如，温度和压力)通过使用微波等离子源而获得延伸。

过去，在真空涂层产业中与微波源技术关联的一个不利之处为在从小晶片处理按比例放大至非常大面积处理期间的维持均匀性的困难。根据本发明的实施例的微波反应器设计应付这些问题。同轴等离子线源的数组已发展用于以高沉积率在超大面积(大于1m²)上沉积实质上均匀的涂层，以形成稠密且厚的薄膜(例如，5至10μm厚)。

一先进脉冲技术已发展用于控制微波功率，以产生等离子，从而控制等离子密度和等离子温度。此先进脉冲技术可减少配置在基材上方的热负载。当基材具有低熔点或低玻璃转化温度，例如，聚合物基材的实例，时，此特征具有相关性。该先进脉冲技术允许在脉冲中间具有截止时间的高功率脉冲进入等离子，其降低对连续加热基材的需求。与连续微波功率相比，脉冲技术的另一实施态样显著改善等离子效率。

示范的微波辅助旋转溅射沉积

图1显示具有一靶材的简化的微波辅助旋转溅射沉积系统100。圆柱形管形式的靶材106可绕靶材中心旋转，以提供常很昂贵的靶材材料的较高利用。天线110为同轴微波等离子线源，且在靶材106外侧位于中心轴118上。靶材106上方的位于中心轴118上的气体供应器112提供惰性气体，例如，氩、氦、氙和其混合物，的连续流，以作用如溅射剂。气体供应器112亦可位于靶材106和基材102中间(未显示)。等离子104在近接靶材106的外部表面处形成。靶材材料的薄膜可形成在位于靶材106下方的基材102上。基材102可偏压以吸引离子，以在基材102上形成薄膜。

在图2所绘示的替代实施例中，配置200包含两个旋转靶材，其实质上相对于微波源或天线对称地放置。再次，靶材206配置为旋转，以提供靶材材料的更高利用。天线210包含一同轴微波线源，且在靶材外侧位于中心线218上。两个靶材上方的位于中心轴218沿线的气体供应器212提供惰性气体，例如，氩、氦、氙和其混合物，的连续流，以作用如溅射剂，尽管气体供应器212可位于靶材206和基材202之间的任何位置。

在图3所绘示的另一实施例中，配置300包含两个旋转靶材，连同每一靶材中的一个磁控管。再次，两个靶材实质上相对于微波源或天线对称地放置。靶材306可旋转，以提供靶材材料的较高利用。天线310包含一同轴微波源，并在靶材306外侧位于中心线318上。磁控管314可位于水平位置且近接靶材底部。如图3的磁场线316所绘示，磁场在靶材306外侧产生，且局部位于基材302上方。此磁场帮助限制近接靶材表面的次级电子，并增强碰撞从而增强离子化。

本发明者执行实验，以显示通过使用次级微波源来辅助磁控管溅射可增加约60倍的沉积效率由于微波注入，等离子均质性亦显著改善。

两个靶材306上方的位于中心轴318沿线的气体供应器312提供惰性气体，例如，氩，的连续流，以作用如溅射剂。等离子304在近接靶材306的外部表面处形成。靶材材料的薄膜形成在位于靶材306下方的基材302上。基材302可偏压以吸引离子，以在基材302上形成薄膜。

图4提供另一具有两个旋转靶材的配置400，其中两个旋转靶材406实质上相对于同轴微波源(天线)410对称地放置。两个磁控管414位于两个旋转靶材406的每一个内侧。两个磁控管414从垂直中心轴418以一角度倾斜，并位在相对中心轴418的实质上对称的位置。磁场线416显示磁场向下延伸并位于靶材406外侧。电位422可存在于两个磁控管之间，并可因此进一步增强离子化。气体供应线412在靶材406上方位于中心轴420上。等离子404在靶材406外侧和基材402上方产生。

图5显示具有一个旋转靶材506和磁控管514的不同配置500。类似于图4，天线510在靶材506外侧位于中心轴518上。两个磁控管514实质上相对中心轴518对称地放置在靶材506内侧。磁场线516显示磁场向下延伸并位于靶材506外侧。电位520可存在于两个磁控管之间，以进一步增加离子化。气体供应线512位于中心轴518上。等离子504形成在靶材506外侧。图6显示配置600，其类似于图5所示的配置500，除了磁控管是位于靶材606外侧。

用于维持等离子放电的溅射阴极与条件

对包含金属，例如，铝、铜、钛或钽，的靶材而言，可施加直流电压至靶材，致使靶材作用如阴极且基材作用如阳极。直流电压将帮助加速自由电子。自由电子与溅射剂，例如，来自氩气的氩(Ar)原子，碰撞，导致氩原子的激发与离子化。Ar的激发导致气体辉光。Ar的离子化产生Ar+和次级电子。次级电子重复激发和离子化工艺，以维持等离子放电。

在近接阴极处，由于电子因为较小质量而比离子移动得更为快速，正电荷因而积聚。因此，较少电子与Ar碰撞，以致与高能电子的较少碰撞导致大多数离子化而非激发。阴极暗区(等离子鞘)，亦称为克鲁克斯暗区，形成在近接阴极处。进入暗区的正离子朝阴极或靶材加速并轰击靶材，以致从靶材敲出原子，然后传输至基材。同样地，产生次级电子以维持等离子放电。如果阴极至阳极间的距离小于暗区，则几乎不发生激发，且无法维持放电。另一方面，如果腔室中的Ar压力太低，则会有较大的电子平均自由路径，以致次级电子将在与Ar原子碰撞前到达阳极。在此情况下，亦无法维持放电。因此，一维持等离子的条件为：

L＊P＞0.5(cm-torr)

其中L为电极间隔，且P为腔室压力。举例来说，如果靶材和基材间的间隔为10cm，则P必须大于50mTorr。

气体中的原子的平均自由路径λ由下列给定：

λ(cm)～5x10^-3/P(Torr)

如果P为50mTorr，则λ约为0.1cm。此意指溅射原子或离子在到达基材前典型具有数百次碰撞。此显著降低沉积率。事实上，溅射率R与腔室压力和靶材与基材间的间隔成反比。因此，降低用于维持放电所需的腔室压力会增加沉积率。

以近接溅射阴极的次级微波源，溅射系统允许以较低压力、较低电压和可能较高的沉积率使阴极运行。通过降低操作电压，原子或离子具有较低能量，以致减少对基材的损坏。以来自微波辅助的高等离子密度和较低能量的等离子，高沉积率可和基材的较少损坏一起达成。

再次参照图1至图6，靶材106、206、306、406、506和606可以介电材料，例如，氧化硅、氧化铝或氧化钛，制成。可施加交流、射频或脉冲功率至靶材，以加速自由电子。

示范的微波辅助旋转溅射沉积

图7绘示微波辅助旋转溅射沉积系统700的简化示意横剖面图。该系统可用来实行本发明的实施例。系统700包含真空腔室748；两个旋转靶材716；同轴微波天线710，其放置在两个靶材716之间；磁控管714；基材支撑构件724；真空泵系统726；控制器728；气体供应系统740；及屏蔽754，其用于保护腔室壁和基材支撑构件724的侧边免于溅射沉积。下列参考，亦即，美国专利第6,620,296B2号、美国专利申请公报第US2007/0045103A1号和美国专利申请公报第US 2003/0209422A1号，在此引用作为应用材料及其它公司所使用的示范的物理气相沉积(PVD)磁控管溅射系统。每一前述专利的整体内容为所有目的并入于此以供参照。

靶材716包含介电材料或金属，其沉积在基材720上以形成薄膜718。靶材716配置为旋转，以最大化靶材材料的利用。靶材716的典型结构为可拆卸地插入溅射系统700中。假定PVD工艺侵蚀掉每一靶材的欲沉积材料，靶材716周期性地以新靶材置换。

直流电源738和高频或脉冲电源732两者透过一装置耦合至靶材716。该装置可为开关736。开关736选择来自直流电源738或来自交流、射频或脉冲电源732的任一者的功率。相对负的电压源738提供数百伏的直流阴极电压。特定的阴极电压随着设计而改变。由于靶材可作用如负电荷粒子的来源，亦可将靶材当作阴极。那些熟悉此技术者将了解有许多可用于切换直流和射频功率的方式将实现该功能。此外，在某些实施例中，有利的是让直流和射频功率两者同时耦合至靶材。

除了微波辅助之外，溅射率可进一步使用如图7所绘示的磁控管来增加。磁控管714的位置通常接近靶材716，举例来说，如图7所示位于靶材内侧。磁控管714具有相反的磁铁(S、N)，以用于在腔室内部于磁控管714附近产生磁场。磁场为了电中性而限制次级电子，以便离子密度增加，以在腔室内部邻近磁控管714形成高密度等离子750。磁控管714相对靶材716的中心轴静止，以在靶材716的溅射期间达成完全涵盖。磁控管714可具有变化的尺寸、位置和一些形状，以用于控制等离子离子化的程度。磁控管714可具有任何形状，特别是椭圆形、三角形、圆形和平坦肾形。磁控管714亦可具有不平衡的设计，亦即，外极的磁通量大于内极所产生的磁通量。此处提供数个参考，例如，针对平坦肾形磁控管的美国专利第5,242,566号、针对三角形外极的美国专利第6,306,265号、针对不同形状磁控管的美国专利第6,290,825号。每一前述专利皆为所有目的并入于此以供参照。

同轴微波天线710可遭受脉冲或连续功率752，以辐射微波。微波输入能量至等离子中将等离子加热，以增强离子化，从而增加等离子密度。同轴微波天线710可包含数个同轴微波天线。在某些实施例中，同轴天线710的长度可上达近乎3m。同轴微波天线710的一个实施态样为提供邻近溅射阴极或靶材716的均质放电。此将允许基材720上方的大面积的均匀沉积。

为了控制在基材720上沉积溅射层718的目的，基材720可以耦合至基材支撑构件724的射频功率730偏压，基材支撑构件724设置在靶材716下方的中心并与的隔开，其通常位于屏蔽754的内部空间中。偏压功率可具有典型13.56MHz的频率，或更一般地介于400kHz至约500MHz之间。支撑构件导电，且通常耦合至地或至另一相对正的参考电压，以便在靶材716和支撑构件724之间定义另一电场。基材720可为晶片，例如，硅晶片，或聚合物基材。在溅射期间，依特定应用所需，可将基材720加热或冷却。电源762可提供电流给嵌入基材支撑构件724且通常当作基座的电阻加热器764，从而加热基材720。可控冷却器760可循环冷却水或其它冷却剂至形成在基座中的冷却槽道。希望薄膜718的沉积在基材720的整个顶表面各处是均匀的。

真空泵726可抽泵腔室748至非常低的基础压力，其范围为10-8Torr。透过质量流量控制器742连接至腔室748的气源740供应惰性气体，例如，氩(Ar)、氦(He)、氙(Xe)及/或其组合。气体可如图7所绘示般在靶材716上方接近腔室顶部，或在腔室中间(未显示)介于基材720和靶材716之间流入腔室。腔室内侧的气体压力典型维持在0.2mTorr和100mTorr之间。

微处理器控制器728控制质量流量控制器742、高频电源732、直流电源738、微波电源752、偏压电源730、电阻加热器764和冷却器760。控制器728可包含，举例来说，内存，例如，随机存取内存；只读存储器；硬盘；软盘；或任何其它形式的数字储存，局部或远程；以及插卡框架，其耦合至通用计算机处理器(CPU)。控制器在储存于硬盘上的计算机程序的控制下或透过其它，例如，储存在可移磁盘上，的计算机程序操作。计算机程序指定，举例来说，时序、气体混合、施加在靶材上的直流或射频功率、用于基材的偏压射频功率、至微波源的脉冲功率或连续功率、基材温度和特定工艺的其它参数。

示范的沉积工艺

为了说明的目的，图8提供一工艺流程图，其可用来在基材上形成薄膜。首先，在方块804，将一溅射靶材装载至一处理腔室中。在方块806，将一同轴微波天线放置在溅射靶材内侧以产生微波。在方块808，以一功率源施加一电压至一溅射阴极靶材。功率源为直流、交流、射频或脉冲功率的至少一个。在方块810，微波功率可，举例来说，通过使用脉冲功率或连续功率的电源来调变。接着，在方块812，使气体，例如，溅射剂，流入处理腔室。

载气可作用如溅射剂。举例来说，可以H₂流，或以惰性气体流，包含He流或甚至较重的惰性气体，例如，Ar，流来提供载气。不同载气所提供的溅射层级与其原子质量逆相关。流有时可提供多个气体，例如，提供H₂流和He流两者，其在处理腔室中混合。替代地，多个气体有时可用来提供载气，例如，当提供H₂/He流至处理腔室中时。

如方块814所指示，等离子通过溅射阴极从气体形成，并进一步通过频率范围从1GHz至10GHz，举例来说，通常为2.45G Hz(波长12.24cm)，的微波来增强。此外，当功率需求不是那么临界时，常使用5.8GHz的较高频率。使用较高频率源的好处在于其具有比2.45GHz的较低频率源更小的尺寸(约一半尺寸)。

在某些实施例中，等离子可为高密度等离子，其具有超过10¹²离子/cm³的离子密度。同样地，在某些实例中，沉积特性可受到施加电偏压至基材的影响。这一类偏压的应用导致等离子的离子物种受吸引至基材，有时导致增加的溅射。在某些实施例中，处理腔室内部的环境亦可以其它方式调整，例如，控制处理腔室内部的压力、控制气体流速以及其进入处理腔室的地方、控制用来产生等离子的功率、控制用来偏压基材的功率等。在定义用于处理特定基材的条件下，材料因而如方块816所指示般沉积在基材上方。

示范的同轴微波源和特征结构

图9A显示一简化系统的图，其包含平面同轴微波源902，其由4个同轴微波线源910组成；基材904；同轴功率提供器908；及阻抗匹配矩形波导906。同轴微波线源可通过使用导电等离子置换外部导电层而从同轴电缆形成。沿着同轴微波线源的微波传播通过将电磁波能量转换为加热等离子而经历高衰减。

同轴电缆为导电电缆，其包含实质上圆形的内部导电中心电线，其由介电质间隔物然后是外部圆柱形导电层所围绕。电磁场实质上可存在于内部导电中心电线和外部圆柱形导电层之间的介电质间隔物中。

在同轴微波线源910中，微波以横向电磁(TEM)模式辐射至腔室中，其中轴向或纵向沿线没有电场或磁场。此与波导不同，其中电磁波以横向电(TE)或横向磁(TM)模式传播。在TE模式中，电场完全是横向，但磁场具有纵向分量。另一方面，在TM模式中，磁场完全是横向，但电场具有纵向分量。

一包含具有高耐热性和低介电损耗的介电材料，例如，石英或氧化铝，的管作用如波导和真空腔室之间的接口。介于介电层和波导之间，使用气体，例如，空气或氮，来维持一大气压，以帮助冷却波导。微波可透过介电材料泄漏，并在处理腔室中点燃等离子放电。

图9B显示由8个平行同轴微波线源组成的平面同轴微波源的光学影像。在某些实施例中，每一同轴微波线的长度可上达近乎3m。

典型地，微波等离子线的均匀性约为+/-15％。本发明者已执行实验验证，以动态数组配置可在1m²上达成近乎+/-1.5％的均质性，而以静态数组配置可在1m²上达成2％的均质性。此均质性可进一步改善至在大面积上低于+/-1％。

此外，当等离子密度增加至超过2.2x10¹¹离子/cm³时，等离子密度随着增加的微波功率开始饱和。此饱和的原因在于一旦等离子密度变得稠密，则微波辐射会反射更多。由于在可用微波源中受限的功率，具有任何本质长度的微波等离子线源无法达到最佳的等离子条件，亦即，非常稠密的等离子。进入磁控管的脉冲微波功率容许远比连续微波更高的峰值能量进入天线，以致可接近最佳等离子条件。

图10显示说明假设脉冲微波具有与连续微波相同的平均功率，脉冲微波高于连续微波的改善等离子效率的图。须注意连续微波导致较少解离，如氮自由基N₂+对中性N₂的比率所测量般。使用脉冲微波功率可达成使等离子效率增加31％。

虽然上文为本发明的特定实施例的完整叙述，可使用不同的修改、变化与替代。此外，其它用于改变沉积参数的技术可与同轴微波源共同使用。可行变化的范例包含，但不受限于，旋转靶材辅以具有或不具有磁控管的同轴微波天线的不同配置；不同形状的磁控管；至靶材的直流、射频或脉冲功率；线性或平面微波源；至微波源的脉冲或连续功率；用于基材的射频偏压条件；基材温度；沉积压力；及惰性气体的流速等。

截至目前已叙述数个实施例，那些熟悉此技术者将了解不同的修改、替代结构、及同等物可在不偏离本发明精神的情况下使用。此外，若干已为人所熟知的工艺及组件并未叙述以避免不必要地混淆本发明。因此，上文的叙述不应视为本发明范围的限制。

Claims

1.一种用于微波辅助旋转溅射沉积的系统，该系统包含：

处理腔室；

旋转靶材，其配置在该处理腔室内侧；

电源，其与该旋转靶材电通讯，并适于施加一电压至该旋转靶材；

同轴微波天线，其位于该旋转靶材外侧，以用于产生微波；

气体系统，其配置用于供应气体至该处理腔室中；及

基材支撑构件，其配置在该处理腔室中，以用于固持该基材。

2.如权利要求1所述的用于微波辅助旋转溅射沉积的系统，其中该旋转靶材包含介电材料、金属或半导体。

3.如权利要求1所述的用于微波辅助旋转溅射沉积的系统，其中该电源包含直流、交流、射频或脉冲电源的至少一个。

4.如权利要求1所述的用于微波辅助旋转溅射沉积的系统，其中该旋转靶材包含数个旋转靶材，其实质上相对于该同轴微波天线对称地放置。

5.如权利要求1所述的用于微波辅助旋转溅射沉积的系统，其中该旋转靶材具有一横剖面，其实质上相对于该旋转靶材的中心轴对称。

6.如权利要求5所述的用于微波辅助旋转溅射沉积的系统，其中该横剖面实质上为圆形或环形。

7.如权利要求1所述的用于微波辅助旋转溅射沉积的系统，其中该微波为横向电磁波(TEM)模式。

8.如权利要求1所述的用于微波辅助旋转溅射沉积的系统，其中一磁控管管放置于近接该旋转靶材处。

9.如权利要求8所述的用于微波辅助旋转磁控管溅射沉积的系统，其中该旋转靶材包含至少两个靶材，且该磁控管包含至少两个磁控管，其近接该靶材，两个该靶材实质上相对于该同轴微波天线对称地放置。

10.如权利要求8所述的用于微波辅助旋转溅射沉积的系统，其中该旋转靶材包含介电材料、金属或半导体。

11.如权利要求8所述的用于微波辅助旋转溅射沉积的系统，其中该旋转靶材具有一横剖面，其实质上相对于该旋转靶材的中心轴对称。

12.如权利要求8所述的用于微波辅助旋转溅射沉积的系统，其中该横剖面实质上为圆形或环形。

13.一种用于微波辅助旋转溅射沉积的方法，该方法包含下列步骤：

在一处理腔室内部，旋转一靶材；

施加直流、交流、射频或脉冲功率的至少一个至该靶材；

从一放置在该靶材外侧的同轴微波天线产生微波；

调变所产生的微波的功率；

使气体流入该处理腔室；

以所产生的微波从该气体形成一等离子；及

在一基材上从该等离子形成一薄膜。

14.如权利要求13所述的方法，其中该微波为横向电磁波(TEM)模式。

15.如权利要求13所述的方法，其进一步包含将一磁控管配置为近接该靶材。

16.如权利要求13所述的方法，其中该同轴微波天线包含数个平行同轴微波天线。

17.如权利要求13所述的方法，其中该旋转靶材包含介电材料、金属或半导体。

18.如权利要求13所述的方法，其中该旋转靶材具有一横剖面，其实质上相对于该旋转靶材的中心轴对称。

19.如权利要求13所述的方法，其进一步包含以一射频功率偏压该基材支撑构件。