CN102157324A - 离子束源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种与非导电靶(14)一起使用的离子束源(10)，包括：栅格(13)，用于提取离子；以及电源，用于向栅格(13)提供脉冲式电源以提取离子。

Description

离子束源
技术领域
本发明涉及一种离子束源和操作这种源的方法。
背景技术
离子束沉积系统非常适于金属的沉积，因为导电金属靶提供了优良的电和热通道，避免任何充电或热问题。
这种系统可以用于沉积绝缘材料，但是此时，靶可能变得快速充电(由于其表面上的入射离子的正通量)。这频繁导致电弧，电弧典型地在源内出现。
传统方案已经提供了一种辅助电子源，如热线(hot wire)，它提供电子的热离子发射；或等离子源，如考夫曼单元(Kaufman cell)、空心阴极或感应耦合的等离子体。
尽管这些装置已经使用了几十年，但是存在许多问题。具体地，它们均必须安装在真空系统中，真空系统可能干扰离子源、靶和衬底操作。热线技术可能造成污染、可能由于热碰撞和收缩而不可靠、并且仅能够在惰性真空环境中操作。等离子源均具有成本、热管理和潜在污染的问题。
发明内容
一方面，本发明在于一种与非导电靶一起使用的离子束源，包括：栅格(grid)，用于提取离子；以及电源，用于向栅格提供脉冲式电源以提取离子。
申请人认识到，通过对离子束进行脉冲处理，在短时间内停止至绝缘靶的正离子流。这提供了充足的时间，以便在离子源和/或腔体等离子中产生的电子对靶进行充分中和以及充分放电。对于本说明书的目的，“充分放电”是允许靶在溅射时间段内工作而不产生电弧所需的放电。只要离开源的离子与靶之间存在足够的电位差以进行实际操作，则在靶上累积一些电荷是可以接受的。
在优选实施例中，电源包括：DC电源；电源开关，用于将电源与栅格连接或中断；以及脉冲发生器，用于切换电源开关。备选地，用于切换对栅格的供电的电源可以将栅格在DC电源电压与地之间切换。
在后一种情况下，电路可以包括：第一FET，连接在DC电源电压轨线与中点之间；第二FET，连接在中点与地之间；一对二极管，互相连接，并与相应FET并联；电感器，连接至中点和与栅格相关联的电容；以及脉冲发生器，用于交替地导通FET，从而在FET导通时，电路将实质上保持栅格和轨线电压，而在FET截止时，将栅格降至地。
可以提供一种用于检测电弧产生的电流冲击并用于产生临时禁止信号以将栅格临时维持为地的检测器。
检测器可以检测电流的改变和/或栅格电源中电压的变化率，并将其与参考值进行比较。检测器可以具有互感器(transformer)的形式。
此外，本发明包括一种具有输出的半桥DC电源，包括：第一FET，连接在DC电源电压轨线与中点之间；第二FET，连接在中点与地之间；一对二极管，串联连接，并与其相应FET并联；电感器，连接至中点和与输出相关联的电容；以及脉冲发生器，用于交替地导通FET，从而在FET导通时，电路将实质上将输出保持在轨线电压，而在FET截止时，将输出降至地电压。
所述源还可以包括：检测器，用于检测输出处的电流冲击，并用于产生临时禁止信号以将输出临时维持为地。检测器可以检测电流的改变和/或输出处的电压的变化率，并将其与参考值进行比较。检测器可以包括互感器。
尽管以上定义了本发明，但是应理解，本发明包括以上或在以下描述中阐述的特征的任何发明组合。
附图说明
本发明可以以各种方式来执行，现在将参照附图，以示例方式公开具体实施例，附图中：
图1是测试装置的透视图；
图2是图1的装置的部分切面视图；
图3是使用图1和2的装置的以
Figure BSA00000389716900031
为单位的SiO2薄膜厚度(Y轴)与Si晶片上的位置(X轴)之间关系的图；
图4是SiO2薄膜的折射率n(Y轴)与Si晶片上的位置(X轴)关系的对应图；
图5是与离子束源一起使用的脉冲式电源的示意图；
图6是电源的备选形式的详细电路；
图7是图6的源的电流和电压的测试图；
图8说明离子束脉冲发生器电路的框图；
图9是被配置为电压应力均衡器的半桥的电路。
具体实施方式
在图1和图2中，以10总体指示的测试装置包括真空腔体11和离子源12。在这种情况下，离子源12是宽束离子源，从栅格13向倾斜的靶14发送离子束，使靶材料沉积在腔体11顶部的晶片(未示出)上。该离子源可以是在WO-A-2008/009898中描述的类型，其内容通过引用并入此处。在该构造中，加速器栅格13由4个单独栅格形成，其中之一被维持为正电压以用作离子源，而其他栅格被维持为负电压或地，从而以离子束来射出所产生的离子。
图3说明使用具有3mm厚的绝缘SiO2靶的设备，在Si晶片上沉积的SiO2层的以
Figure BSA00000389716900032
为单位的厚度。要注意的第一点是，该层具有厚度。如果存在电荷累积，则离子束将几乎立即被电弧消灭，不会产生沉积。这些点所示出的总体趋势是在晶片上的倾斜厚度，这与靶的倾斜相对应。高处的点不遵循厚度在晶片上的总体降低，这是由于尘埃引起的。这被认为是由于原型设备放置在“工作”区域而不是“清洁”房间中。在图4中，示出了晶片上的折射率，该折射率非常一致地位于1.5左右，这适于沉积的薄膜。因此，这些结果表明：脉冲式离子束能够与绝缘靶一起使用，以沉积该靶材料，而无需任何辅助电子源。
图5说明合适电源的示意布局。标记为GRD1、GRD2、GRD3和GRD4的栅格与上述栅格相对应。以16总体指示的相应电源连接至GRD1至3中的每一个，而GRD4接地。在离子束控制单元17中，提供了继电器18用于将所有电源断开。
在19处示出了另一组开关，可以响应于控制电源切换装置21的脉冲发生器20来在地与电源轨线电压之间进行切换。
对于所考虑的离子源11，必须仔细考虑电源切换的设计，因为它需要能够处理高达1600伏。
因此，首先在感应耦合的等离子体中产生离子。栅格提取离子并将其柱化为离子束。第一栅格(GRD1)通过将栅格与感应耦合的等离子体组件浮置为相对于地最高达正1600伏来提取离子。因此，离子获得负电位将其拉过栅格。接下来两个栅格(GRD2和GRD3)相对于地被偏置为负，以进一步将离子拉过。最后的栅格(GRD4)接地。所有离子束功率来自可以提供最高达0.5安或更多的第一栅格电源。在典型为1600伏的最大GRD1电压处，GRD2和GRD3分别被偏置为-350伏和-75伏。为了将离子束调节至电流设定点和固定电压，将ICP RF功率调整为闭环控制系统。这测量在电源返回处的GRD1电流。
图6说明用于GRD1的基本离子束脉冲发生器电路，该电路还包括用于电弧检测和谐振转换的装置。与GRD2和GRD3相关联的较低电压/功率也可以使用谐振电路，或仅仅对电阻器的有限电容性充电。在一种配置中，GRD2具有谐振电路，并且GRD3是50欧姆电阻器。在图6中，在电感器L与栅格电容C之间形成谐振电路。这使得栅格能够高效地充电和放电，没有电阻性充电P＝fCV2功率损耗。
当FET Q1导通时，通过电感L对栅格电容C充电。当栅格电压达到电源电压时，与电容C的谐振动作尝试继续电压抬升，但是二极管D1阻止了这种操作。因此，现在电流陷于电感L中，两端仅具有Q1、D1的电压降及其电阻。因此，电流仅缓慢衰减，保持接近充电峰值。当Q1截止时，电流的衰减可以更快得多，迫使Q1/Q2的接点为负，并且变为由Q2体二极管箝制为0伏。此后不久，Q2导通。一旦电流衰减至0，则其反转并开始再次累积，现在对栅格电容进行放电。再一次，发生谐振转换，并且电流再一次陷于L中，但是现在是由Q2/D2箝制的相反方向。当Q2截止并且Q1再次导通时，该循环继续进行。
脉冲输入22处的脉冲使FET Q1和Q2导通和截止。由于反相器23，到达FET Q2的脉冲与到达FET Q1的脉冲异相。
该电路高效地对栅格电容进行充电和放电，循环利用电感L中存储的能量。栅格上的转换是“软”的，电磁干扰和D1/D2的速度要求也是“软”的。此外，电流在Q1至Q2中交换，从相同的器件体二极管至FET(相同)。因此，不存在强制的二极管恢复，切换是充分的，具有较低的电磁干扰。不利之处在于，循环电流典型地具有高于离子束电流的数量级，因此需要针对该电流来定制Q1、Q2、D1、D2和L。
针对过电流和过度的dV/dt提供保护。输出电流由以24指示的电流互感器感测。将互感器输出与参考极限进行比较。如果检测到过电流，则触发单稳态25以在脉冲停止时提供消隐期。这是通过改变分别将脉冲馈送至Q1和Q2的相应终端门26、27每一个上的输入来实现的。在该消隐期持续时间期间，Q1和Q2均截止。类似地，如果检测到过度的降低，例如负的dV/dt，则可以启动消隐期。
典型地，当电弧出现时，电流开始抬升。电弧电流快速升高至异常高的值。当这超过L中存储的值时，输出电压降低，并且对栅格电容进行放电。这通常比正常的截止转换更快地发生，因此这被dV/dt电路检测到。L的动作限制来自电路的电流升高，因此系统通常在过电流发生之前检测到电弧。
当检测到电弧时，Q1截止，因此Q1/Q2的接点由Q2体二极管箝制。然后，L通过Q2体二极管和电弧放电。该电弧电压近似恒定在大约100伏，因此在约12μs中，电流放电是线性的。传送给电弧的能量是栅格电容与L存储的能量之和。由于谐振动作，这些能量近似相等：
E＝0.5CV2+0.5LI2，对于可识别的事件：C＝3500pF，L＝500μH，V＝800V，I＝2A。因此，E＝1.12+1(等于2mJ)。该能量与电流和电压的平方成比例，因此，在1600伏的完全系统电压处，电弧能量将近似为8mJ。
图7中说明这种事件。使用电流互感器来测量GRD1电流。因此，这不发送DC电平。实际离子束电流是切换转换之间的两个固定电平之间的差值。当离子束强制截止时，这是离子电流和电子电流上的正离子束。在示波器轨迹中，该电流近似为0.5安。
随着对等离子源RF功率的调整，常规地实现离子束电流调节。在DC电源中感测电流。电源单元响应、输出电容和电路去耦合电容CD意味着它简单地感测平均电流。它不能获得脉冲。此外，由于充分短的电弧消隐时间和足够低的电弧速率，它也不受电弧影响。电弧消隐时间被设置为100μs。1Hz的电弧速率将导致仅仅0.01％的沉积时间损失。
在表示与图5的构造19、20和21相关联的基本器件的框图的图8中，左上角的电源是24伏家用电源，该电源使用线性调节器，提供15伏和5伏用于信号电子设备。提供单独的15伏以执行浮置轨线转换器，这向桥驱动器和浮置GRD1电流监控器提供了8个浮置轨线。故障指示由跨过与15伏调节器串联的电阻器的LED提供。切换设备故障不可避免地导致门或短路，这增大了转换器上的负载，因此点亮LED。转换器本身是基于自振荡半桥驱动器。互感器电压被箝制在15V电源轨线，从而对输出进行半调节。对次级进行半波整流。使4个输出的相位与其他4个相反，以提供近似对称的负载。在中心处是桥、驱动器和保护逻辑。还说明栅格。为了保护，GRD1电流由500∶1电流互感器感测。基本定时功能由8MHz石英时钟模块提供，从该模块可以导出各种基本时钟频率。
为了实现1200V(大多数电源器件的标准击穿极限)以上的稳定操作，该电路针对串联连接的功率晶体管采用电压应力平衡器，如图9所示，其中，半桥使用2个串联连接的器件(例如FET)。Q1至Q4形成在每个“开关位置”具有两个晶体管Q1/2和Q3/4的半桥。因此，Q1/2一起导通，Q3/4一起导通。未示出平衡器的细节，它仅必要地维持C1、2、5和6之间的V1＝V2＝V3＝V4的循环电荷。
如果当Q1/2截止时，跨过Q1的电压超过电源电压的一半，则D1’将电荷导入C1，从而将跨过Q1的电压限制为电源轨线的一半。对于Q4，类似地，针对桥的下半部，经由D4将电荷导入C2。如果当Q1/2截止时，跨过Q2的电压超过电源电压的一半，则跨过C3的电压将升至电源电压的一半以上。当Q1和Q2接下来导通时，此时将跨过C3的电压从C3经由D5转移至C5。由于C5被保持在电源电压的一半，因此跨过C3的电压也将被保持在电源电压的一半，从而当截止时，跨过Q2的电压将被保持在电源电压的一半。D3’、C4、D6’和C6执行互补功能来保护Q3。
桥的输出可以是方波、脉冲波调制(PWM)波形或其他波形，其中Q1/2和Q3/4交替完全导通或截止。与主要功率吞吐量相比，平衡电流/能量典型地较小，因此可以应用相对较小而且廉价的器件。
尽管如上所述尤其适于向离子束源提供脉冲式电源，但是该电路可以具有许多其他应用，尤其是必须处理合理的高电压的情况。因此，本发明包括电路本身，以及其在用于离子束溅射的离子束源的环境中的使用。还应注意，异乎寻常地，本发明的电路可以用于通过对于每个栅格或输出具有一个电路和公共时钟脉冲源来提供3个或更多容易同步的脉冲式输出。
本发明还包括一种用于溅射非导电靶的方法，包括以下步骤：利用离子束源来照射靶；以及对向离子束源供电的电源进行脉冲处理。

Claims (15)

1.一种与非导电靶一起使用的离子束源，包括：栅格，用于提取离子；以及电源，用于向栅格提供脉冲式电源以提取离子。
2.根据权利要求1所述的离子束源，其中，电源包括：DC电源；电源开关，用于将电源与栅格连接或中断；以及脉冲发生器，用于切换电源开关。
3.根据权利要求1所述的离子束源，其中，用于切换对栅格的供电的电源可以将栅格在DC电源电压与地之间切换。
4.根据权利要求3所述的离子束源，其中，电路包括：第一FET，连接在DC电源电压轨线与中点之间；第二FET，连接在中点与地之间；一对二极管，串联连接，并与相应FET并联；电感器，连接至中点和与栅格相关联的电容；以及脉冲发生器，用于交替地导通FET，从而在FET导通时，电路将实质上将栅格保持在轨线电压，而在FET截止时，将栅格降至地。
5.根据前述权利要求中任一项所述的离子束源，还包括：检测器，用于检测电弧产生的电流冲击，并且用于产生临时禁止信号以将栅格临时维持为地。
6.根据权利要求5所述的离子束源，其中，检测器检测栅格电源中电流和/或电压的变化率，并将其与参考值进行比较。
7.根据权利要求6所述的离子束源，其中，检测器包括互感器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的离子束源，包括：针对每个栅格的电源，电源由公共的脉冲发生器控制。
9.一种用于溅射非导电性材料的设备，包括：非导电性靶和根据前述权利要求中任一项所述的离子束源，其中，电源提供持续时间的脉冲，以允许在脉冲关闭时对靶进行充分放电。
10.一种具有输出的半桥DC电源，包括：第一FET，连接在DC电源电压轨线与中点之间；第二FET，连接在中点与地之间；一对二极管，串联连接，并与其相应FET并联；电感器，连接至中点和与输出相关联的电容；以及脉冲发生器，用于交替地导通FET，从而在FET导通时，电路将实质上将输出保持在轨线电压，而在FET截止时，将输出降至地电压。
11.根据权利要求9所述的电路，其中，第一和第二FET由一对FET构成，所述电路还包括：电压平衡器，通过允许过量电压改变相关联电容器并允许电容器在相应FET对随后导通时放电，维持稳定电压点的级联，以将截止时跨过每个FET的电压降保持在预定值。
12.根据权利要求9或10所述的源，还包括：检测器，用于检测输出处的电流冲击，并用于产生临时禁止信号以将输出临时维持为地。
13.根据权利要求11所述的源，其中，检测器检测输出处的电流和/或电压的变化率，并将其与参考值进行比较。
14.根据权利要求12所述的离子束源，其中，所述检测器包括互感器。
15.一种用于溅射非导电靶的方法，包括以下步骤：使用脉冲式离子束源，其中，脉冲的关闭期的持续时间足以允许靶充分放电。
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