CN105908145B - 线性扫描溅射系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种溅射系统，其具有带输入端口和输出端口的处理室，和定位在所述处理室的壁上的溅射靶。可动的磁体配置被定位在所述溅射靶的后面并且在所述靶的后面往复地滑动。输送机以恒定速度连续地运输基片经过所述溅射靶，使得在任意给定时刻，若干基片在前缘和后缘之间面对所述靶。所述可动的磁体配置以至少是所述输送机的所述恒定速度几倍的速度滑动。旋转区域被限定在靶的所述前缘和后缘的后面，其中所述磁体配置当其进入所述旋转区域时减速、且当其在所述旋转区域内调转滑动方向时加速。

Description

线性扫描溅射系统和方法

本发明专利申请是2012年11月2日提交的名称为“线性扫描溅射系统和方法”的发明专利申请No.201280059621.6(国际申请号PCT/US2012/063432)的分案申请。

相关申请

本申请要求享有2011年11月4日提交的，序列号为61/556,154的美国临时申请的优先权益，该申请的内容以其整体通过引用被合并于此。

技术领域

本申请涉及溅射系统，诸如在集成电路、太阳能电池、平板显示器等的制作期间用来在基片上沉积薄膜的溅射系统。

背景技术

溅射系统在本领域中是公知的。具有线性扫描磁控管的溅射系统的实例在美国专利5,873,989中被公开。该系统中要被解决的问题之一是形成在基片上的膜的均匀性。该系统中要被解决的另一个问题是靶利用率。特别地，由于线性磁控管的磁体来回地扫描，过度溅射出现在靶的双边缘处，产生了沿着、也即平行于扫描方向的两条深沟槽。因此，靶不得不进行替换，即使靶表面的大部分依旧是可用的。与该现象作斗争的各种方法在上面引用的‘989专利中被公开。

然而，此前还没有被解决的另一个靶利用率问题是在扫描循环的边缘处导致的侵蚀。也即是，当磁体到达靶的一端时，扫描方向被调转。为实现膜均匀性，该‘989专利建议放慢朝向靶的任一端的扫描速度。然而，这导致靶的增加的溅射，从而导致在垂直于扫描方向的方向上在靶的双端处过度的侵蚀。

因此，本领域中需要有一种溅射系统能实现均匀的膜沉积和增加的靶利用率。

发明内容

本发明的下列概要被包含于此以便提供对本发明的一些方面和特征的基本理解。此概要不是本发明的宽泛概述并且因而并不意图特别地识别本发明的重要或关键要素或描述本发明的范围。其唯一的目的是作为下面呈现的更详细说明的序言而以简化的形式呈现本发明的一些观念。

溅射系统和方法在此被公开，它们提高了形成于基片上的膜的均匀性，并且还使能实现高的生产量。一个实施方式提供了一种系统，其中各基片在溅射靶的前面连续地移动。磁控管以至少是基片的运动速度几倍的速度被来回地线性扫描。磁控管重复地在基片行进方向上并然后在反方向上被扫描。在其行程的大多数期间，磁控管以恒定速度被移动。然而，当其接近其行程的终点时，其被减速。然后，当其在相反方向上开始其行程时，其加速直至其达到该恒定速度。减速度/加速度在一个实施方式中为0.5g，并且在另一个中为1g。这提高了靶的利用率。根据另一个实施方式，磁控管的转向点在连续的扫描中被改变，以便限定转向的区域。这也有助于提高靶利用率。

一种溅射系统，其具有带输入端口和输出端口的处理室，和定位在所述处理室的壁上的溅射靶。可动的磁体配置被定位在所述溅射靶的后面并且在所述靶的后面往复地滑动。输送机以恒定速度连续地运输基片经过所述溅射靶，使得在任意给定时刻，若干基片在前缘和后缘之间面对所述靶。所述可动的磁体配置以至少是输送机的所述恒定速度几倍的速度滑动。旋转区域被限定在靶的所述前缘和后缘的后面，其中所述磁体配置当其进入所述旋转区域时减速、且当其在所述旋转区域内调转滑动方向时加速。

附图说明

被合并于本说明书中并构成本说明书的一部分的各附图，举例说明了本发明的各实施方式，并且与说明书一起，用来解释和说明本发明的原理。这些图意在以概略的方式说明各示例性实施方式的主要特征。这些图并不意欲描绘各实际实施方式的每个特征或所描绘的元件的相对尺寸，并且没有按比例绘制。

图1示出了根据一个实施方式的用于使用溅射磁控管处理基片的系统的一部分。

图2示出了沿着图1中的线A-A的横截面。

图3示出了沿着图1中的线B-B的横截面。

图4示出了另一实施方式，其中各基片被支撑在以恒定速度连续运动的输送机上。

图5示出了使用诸如在图4中所示的溅射室的系统体系结构的实例。

图6示出了可动的磁控管的实施方式，其可以被使用在所公开的实施方式的任一个中。

图7A-7D为使用恒定的晶片运输速度和不同的磁体扫描速度的沉积均匀性的图表。

图8A为示出了均匀性随着磁体扫描速度增加而下降的图表。

图8B为示出了在高于扫描速度的速度下膜沉积均匀性对磁体扫描速度的奇异表现的另一图表。

图8C为图8B中圈出的部分的放大视图。

具体实施方式

本发明的溅射系统的各实施方式现在将参照附图进行描述。不同的实施方式可以被用于处理为实现诸如生产量、膜均匀性、靶利用率、等的不同利益的不同基片。取决于力图实现的结果，在此所公开的不同的特征可以部分地或完全地、单独地或组合地被应用，从而使优点与要求和限制平衡。因此，根据不同的实施方式，某些利益将被突出，但并不限于所公开的实施方式。

图1示出了根据一个实施方式的用于利用溅射磁控管处理基片的系统的一部分。图1中，三个室100、105和110被示出，但是每一侧上的三个圆点表明任意数目的室可以被使用。而且，尽管此处三个特定的室被示出，在此所示的室布置并不必须被采用。反而，其它的室布置可以被使用并且其它类型的室可以被介于如所示出的这些室之间。例如，第一室100可以为进料锁气室(loadlock)，第二室105为溅射室，并且第三室110为另一进料锁气室。

为了说明性目的，在图1的实例中，三个室100、105和110为溅射室；分别由其各自的真空泵102、104、106抽空。这些处理室中的每个具有传送部分122、124和126，以及处理部分132、134和136。基片150被安装到基片承载器120上。在本实施方式中，基片150通过其外周被保持，也即，没有触及其各表面的任一个，因为两个表面是通过将靶材料溅射在基片的两侧上而被制作。承载器120具有骑跨在轨道(图1中未示出)上的一组轮子121。在一个实施方式中，这些轮子被磁化以便提供更好的牵引和稳定性。承载器120骑跨在设置于传送部分中的轨道上以便将基片定位在处理部分中。在一个实施方式中，原动力被利用直线电机配置(图1中未示出)从外部提供至承载器120。当这三个室100、105、和110为溅射室时，假定承载器120经由进料锁气室配置进入和退出该系统。

图2示出了沿着图1中的线A-A的横截面。为简单起见，在图2中基片250被示出而没有其承载器，但应意识到的是，基片250在图1的系统中所执行的处理的整个期间都停留在基片承载器120上，并且由该基片承载器从室到室连续地运输，如由图2中的箭头所示。在该说明性实施方式中，在每个室200、205和210中，基片250在双侧上被处理。隔离阀202、206也在图2中示出，其在制作期间将每个室隔离；然而，由于在一个实施方式中基片连续地移动，这些隔离阀可以被替换为简单的门或者被取消。

每个室包括安装到直线轨道242’、244’、246’上的可动的磁控管242、244、246，使得其遍及靶262的表面扫描等离子体，如由双头箭头所示。当这些基片在承载器上在各室中被运输时这些磁体连续地来回扫描。如对于磁体242所示出的，当这些磁体到达靶262的前缘263时，其调转方向并朝向靶262的后缘267行进。当其到达后缘267时，其再次调转方向并且朝向前缘263扫描。该扫描处理被连续地重复。

图3示出了沿着图1中的线B-B的横截面。基片350被显示为安装到承载器320上。承载器320具有轮子321，这些轮子骑跨在轨道324上。这些轮子321可以是磁性的，该情况中这些轨道324可以由顺磁性材料制成。在本实施方式中承载器由直线电机326移动，尽管其它的原动力和/或布置可以被使用。该室被抽空并且前导气体例如氩气被供应至该室中以维持等离子体。通过施加RF偏压能量至设置在靶364后面的可动的磁控管344，等离子体被点火和维持。

图4示出了另一实施方式，其中基片450被支撑在连续运动的输送机440上以用于“经过式(pass-by)”处理。当基片的仅一个侧面需要被溅射，诸如在制作太阳能电池时，该布置尤为有利。例如，若干基片可以被并排地定位使得若干基片被同时处理。图4中的标注示出了并排的、也即垂直于如由箭头指示的运动方向布置的三个基片。在这一实施方式中，当靶464不再与基片的尺寸相对应时，那么当传送带在靶464的下面连续地移动基片时若干基片可以以多列和多行同时被处理。例如，当使用三个行时，也即，三个晶片并排，靶的尺寸可以被设计成使能够处理三个行中的四个基片，因而同时处理十二个基片。像前面一样，磁控管444在靶的前缘和后缘之间线性地来回移动，如由双头箭头所示。

图5示出了诸如图4中所示的系统的实例。大气中的输送机500连续地将基片带入系统，并且这些基片随后在系统内部在输送机上被运输以便横穿低真空进料锁气室505、高真空进料锁气室510、以及任选的传送室515。然后，这些基片在输送机上连续移动的同时，由一个或多个连续的室520处理，这里示出了两个。这些基片然后继续在输送机上到可选的传送室525，然后到高真空进料锁气室530、低真空进料锁气室535，并且然后到大气中的输送机540，到退出系统。

图6示出了可动的磁控管的实施方式，其可以被用于以上实施方式的任一个中。图6中，各基片650以恒定速度在输送机640上被移动。靶组件664被定位在基片上方，并且可动的磁控管644在靶组件的后面线性地来回振动，如由双头箭头所示。等离子体622跟随磁控管，从靶的不同区域导致溅射。在本实施方式中，在正常行进期间磁控管的速度是恒定的并且至少是基片速度几倍。该速度被计算为使得在基片横穿溅射室期间，其被移动的磁控管溅射若干次。例如，磁控管的速度可以是基片速度的五到十倍，使得在输送机移动基片经过靶的整个长度时，这些磁体已在靶的后面被来回扫描若干次以便在基片上沉积多个层。

如图6中所示，在本实施方式中，每个基片具有长度Ls，其在输送带的行进方向上被定义。类似地，靶具有长度Lt，其在输送机的行进方向上被定义，该方向与磁体的行进方向平行。在本实施方式中，靶的长度Lt是基片长度Ls的若干倍。例如，靶的长度可以是节距长度的四倍，该节距长度被定义为一个基片长度加上在输送机上两个基片之间的间隔S的长度。也就是，节距P＝(Ls+S)。

磁控管在靶后面的线性运动的问题在于，当其到达靶的前端或后端时，其停止并在相反方向上开始运动。因此，靶的边缘被侵蚀得远多于靶的主要表面。当在靶的边缘处的侵蚀超过规范时，该靶需要被替换，即使该靶的中心依然是可用的。该问题利用如下面所描述的各个实施方式被解决。

根据一个实施方式，偏移量E和F分别在靶的前缘和后缘处被指定。当磁控管到达该偏移量时，其以规定的比率减速，例如0.5g、1g等。在该偏移量的尽头，磁控管改变方向并以规定的比率加速。这在磁控管行程的两端处、也即在靶的前缘和后缘处完成。

根据另一个实施方式，旋转区域被规定，例如，区域E和F分别在靶的前缘和后缘处被指定。当磁控管到达任一个旋转区域时，其在该旋转区域内的一点处改变行进方向。然而，随着时间的推移，磁控管在该旋转区域内不同的点处改变方向。这在图6中通过标注被举例说明。如所示出的，在时刻t₁，该调转方向的点被指示为F₁。在时刻t₂，该调转方向的点被指示为F₂，并且朝向靶的后缘比点F₁远，但仍在指定的区域F内。在时刻t₃，调转方向的点F₃朝向靶的后缘甚至更远，同时在时刻t_n，点F_n向后远离靶的后缘。然而，所有的点F_i都在区域F内。类似的处理遍及另一侧上、也即靶的前缘上的区域E发生。

调转扫描方向的点的选择可以利用各种方式而完成。例如，随机选择可以在每次扫描时、在每两次扫描时、或在x次的扫描之后进行。相反地，可以执行程序，其中在每次扫描时该点在一个方向上被移动距离Y直至到达该区域的尽头，并且然后这些点开始朝向相反的尽头移动距离Y。另一方面，通过在一个方向上移动Z的量并且然后在下一步中在相反方向上移动-w的量，其中|w|<|Z|，该移动可以被设计成产生交错的模式。

在此所描述的各实施方式中，在整个处理方案中，磁控管以恒定速度被扫描，因为已被发现的是，改变扫描速度将负面影响基片上膜的均匀性。值得注意的是，在其中基片在靶的前面连续移动的配置中，在处理区域上方减速或加速磁体阵列是不妥当的，即使为了控制膜厚度的均匀性。

在所公开的各实施方式中，在输送机上移动许多基片可以被认为是以恒定速度移动的连续的(无限长的)基片。扫描速度必须被选择以便在以恒定速度移动的基片上提供良好的均匀性。在这些实施方式中，对开始位置、停止位置、加速度、和减速度进行特殊利用以便控制靶的利用率。这具有的作用是将在运动反向时出现在各端点处的深沟槽伸展开。

电极设计被用来减少等离子体轨道的顶部和底部处的深沟槽。更厚的靶可以被使用或者更高的功率可以被利用到这些靶中，因为扫描是在相当高的速度下完成的，从而将功率遍及基片的整个表面散布开。因为每个基片经历等离子体的多个靶通道，开始和停止位置可以随每个通道而被改变，并且从一个通道到下一个通道改变扫描长度的效果将不会在膜的均匀性上显现出。也即是说，尽管图6的实施方式被描述使得旋转区域被设计成位于处理区域以外，但是如在此所述的当使这些基片连续移动时这是不必要的。相反，旋转区域可以位于处理区域内。

例如，根据一个实施方式该系统被用来以每小时2400个基片的速度制作太阳能电池。输送机以大约35mm/s的速度连续地移动基片。磁控管以至少250mm/s的速度被扫描，也即，超过基片运输速度的七倍。靶和磁控管被设计成使得磁控管扫描的冲程为大约260mm。这提供了超过97％的膜均匀性。加速度/减速度可以被设定成0.5g、经过大约6.4mm的距离，或者1g，以用于该距离的大约一半。

图7A-7D为使用恒定的晶片运输速度和不同的磁体扫描速度的沉积均匀性的图表。图7A为对于磁体扫描速度为晶片运输速度的5％时的均匀性的图表。例如，对于35mm/s的晶片运输速度，磁体以1.75mm/s被扫描。结果得到的膜均匀性为90％，这对于诸如太阳能电池的器件的生产来说是不够的。当磁体扫描速度被增加到晶片速度的7.5％时，均匀性下降至86％，如图7B中所示。此外，当该速度被增加到10％时均匀性下降至82％，并且当该速度被增加到12.5％时均匀性甚至进一步下降至78％。因此，看来增加磁体扫描速度导致膜均匀性相应地下降，从而提示磁体扫描速度应当为晶片运输速度的一小部分。此结论被图8A中所示的图表进一步支撑，其中均匀性随着磁体扫描速度的增加而下降。

然而，图8A的图表还显示最大可实现的均匀性可以是大约90％上下。如上面所提到的，这样的均匀性对于很多处理来说是不可接受的。因此，进行了进一步的研究，结果得到了图8B的图表。图8B的图表示出了膜沉积均匀性对磁体扫描速度的奇异表现。实际上，当磁体扫描速度增加时，膜均匀性下降。然而，在某一点处，当磁体扫描速度进一步增加时，均匀性突然开始好转，使得在大约三倍于晶片运输速度的磁体扫描速度下，大约98％的均匀性峰值被实现。此后均匀性的短暂下降被观察到，但随后当磁体扫描速度为大约5倍于晶片运输速度及以上时，均匀性被恢复并保持很高，这在图8C的图表中被示出。如在作为图8B中圈出的部分的放大视图的图8C中所示，在超过5倍的晶片运输速度的速度下，均匀性保持在97％以上并且，在大约10倍于运输速度的速度下，均匀性保持在98％以上。从机械负荷和机器设计观点的角度来说，更高的速度是不推荐的，并且对于更高的速度而言均匀性看来并未好转那么多。因此，设计复杂性方面的成本和潜在的更高级别维护不能保证达到超过10倍于晶片运输速度的扫描速度是合适的。

应被理解的是，在此所描述的工艺和技术并不与任何特定的装置固有地相关，并且可以由构件的任何合适的组合实现。此外，各种类型的一般目的的装置可以根据在此所描述的教导而被使用。本发明已经关于特定的实例而被描述，这些实例在各方面都意在是说明性的而不是限制性的。本领域的技术人员将意识到很多不同的组合将适合于实现本发明。

此外，根据对此处所公开的本发明的说明和实践的考虑，本发明的其它实现方式对于本领域的技术人员来说将是明显的。所描述的实施方式的各方面和/或构件可以单独地或以任何组合地被使用。意图的是，这些说明和实例仅被视为示例性的，同时本发明的真实范围和主旨由所列的权利要求指定。

Claims (8)

1.溅射系统，包括：

处理室，其具有输入端口和输出端口；

溅射靶，其被定位在所述处理室的壁上，并且具有定位在所述输入端口的那侧上的前缘和定位在所述输出端口的那侧上的后缘；

可动的磁体配置，其被定位在所述溅射靶的后面并且在所述前缘和所述后缘之间往复地滑动；

大气中的输送机，其连续地将基片成多列和多行地带入所述系统；

输送机，其以恒定速度连续地运输成多列和多行的多个基片经过低真空进料锁气室、高真空进料锁气室，并且在所述处理室中，使得在任意给定时刻，若干基片在所述前缘和所述后缘之间面对所述靶，使得当所述输送机在所述溅射靶的下面连续地运输基片时若干基片能同时被处理，其中多个基片并排地垂直于输送机的运动方向布置；并且

其中每个基片具有在行进方向上定义的长度(Ls)，并且其中所述靶具有在基片行进方向上定义的长度(Lt)，并且其中靶的长度(Lt)是基片的长度(Ls)的若干倍；

所述磁体配置以至少是基片的运动速度几倍的速度被来回地线性扫描，磁体配置重复地在基片行进方向上并然后在反方向上被扫描；

其中所述磁体配置在其行程的大多数期间以恒定速度被移动，然而，当磁体配置接近其行程的终点时，所述磁体配置被减速，并且当磁体配置在相反方向上开始其行程时，所述磁体配置加速直至其达到该恒定速度。

2.如权利要求1所述的系统，其中旋转区域被限定在所述靶的每端，并且其中所述磁体配置当其进入所述旋转区域时减速、且当其在所述旋转区域内调转滑动方向时加速。

3.如权利要求1所述的系统，其中限定出旋转区域，并且其中所述磁体配置在不同的扫描中在所述旋转区域内的不同的点处调转滑动方向。

4.如权利要求1所述的系统，其中限定出旋转区域，并且其中所述磁体配置在不同的扫描中在所述旋转区域内的随机选择的点处调转滑动方向。

5.如权利要求1所述的系统，其中每个基片具有在行进方向上定义的长度(Ls)和从邻近的基片分隔开的长度(S)，其中节距长度被定义为(Ls+S)，并且其中所述靶具有在基片行进方向上定义的长度(Lt)，并且其中所述靶的长度(Lt)至少是所述节距长度的四倍。

6.如权利要求1所述的系统，其中限定出旋转区域，并且其中磁控管在不同的扫描中在所述旋转区域内的不同的点处调转滑动方向。

7.如权利要求1所述的系统，其中旋转区域被限定在靶的所述前缘和后缘的后面，并且其中所述磁体配置在所述旋转区域内的随机点处调转滑动方向。

8.如权利要求1所述的系统，其中旋转区域被限定在靶的所述前缘和后缘的后面，并且其中所述磁体配置在所述旋转区域内的不同的点处调转滑动方向以便由此执行交错的扫描。