CN107002231A - 用于单磁控管溅射的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了用于单磁控管溅射的系统和方法。一个示例包括具有电源、围住衬底、阳极和用于将薄膜沉积在衬底上的目标的等离子体室的系统。该系统还具有带有未涂覆的阳极特征化数据的数据暂存器和包括阳极分析部件以产生第一健康状况值的阳极溅射调节系统。第一健康状况值指示阳极是否涂覆有电介质材料。该示例还具有阳极功率控制器以接收第一健康状况值并向脉冲DC电源的脉冲控制器提供阳极能量控制信号以相对于第一阳极溅射能量调节第二阳极溅射能量以从阳极喷射电介质材料的至少一部分。

Description

用于单磁控管溅射的系统和方法
技术领域
本发明涉及溅射。具体而言，但不通过限制的方式，本发明涉及用于单磁控管溅射的系统和方法。
背景技术
溅射在历史上包括在真空室中产生磁场以及使室内的等离子体束射到牺牲目标，从而使目标溅射(喷射)材料，其接着作为薄膜沉积在衬底上。溅射源可以采用磁控管，磁控管利用强电场和磁场来将带电的等离子体微粒限制为接近目标的表面。通常提供阳极以当离子离开以轰击目标时从等离子体收集电子以维持等离子体中性。然而，在使用中，阳极变得被涂覆有绝缘(电介质)材料，并且溅射过程不利地被影响。业界多年来试图提供限制在阳极上积聚的涂层的数量的溅射系统。
尽管当前可用的器件和方法是起作用的，但提高功率使用效率和/或材料消耗以及提供单磁控管溅射系统中的其它有用的创新也是合乎需要的。
发明内容
本发明可以提供用于单磁控管溅射的系统或方法。本文中所公开的实施例可以提供在单磁控管溅射系统中的改进，并且在下面总结了一些方面。
在一个示例中，本发明可以包括用于单磁控管溅射的系统。该系统具有围住衬底、阳极和用于将薄膜沉积在衬底上的目标的等离子体室。该系统还具有耦合到目标和阳极的脉冲DC电源，脉冲电源包括脉冲控制器以用于将具有第一电压极性的第一目标溅射能量供应到目标并且将具有第一电压极性的第二目标溅射能量供应到目标，脉冲控制器被配置为紧接着在第一目标溅射能量之后供应具有第二电压极性的第一阳极溅射能量，并且紧接着在第二目标溅射能量之后供应具有第二电压极性的第二阳极溅射能量，其中第二电压极性与第一电压极性相反。该系统还具有阳极监测系统，其包括电压监测器以用于检测在第一过程变量值下的第一阳极电压。该系统还具有数据暂存器，该数据暂存器包括从未被涂覆有电介质材料的未涂覆的阳极的特征得到的未涂覆的阳极特征化数据，未涂覆的阳极特征化数据包括结合第一过程变量值所存储的第一预期阳极电压。该系统还具有耦合到数据暂存器和阳极监测系统的阳极溅射调节系统，阳极溅射调节系统包括：阳极分析部件以基于在第一阳极电压与第一预期阳极电压之间的差异来产生第一健康状况值。在该系统中，第一健康状况值指示阳极是否被涂覆有电介质材料。该系统还具有阳极功率控制器以用于接收第一健康状况值并向脉冲DC电源的脉冲控制器提供阳极能量控制信号。这相对于第一阳极溅射能量调节第二阳极溅射能量以从阳极喷射电介质材料的至少一部分。
在另一个示例中，本发明可以包括用于单磁控管溅射系统的电源系统。该电源系统具有耦合到目标的目标引线和耦合到阳极的阳极引线。该电源系统还具有交替地将目标溅射能量施加到目标引线并将阳极溅射能量施加到阳极引线的脉冲控制器，以及用于监测阳极引线的电压的阳极监测系统。该电源系统还具有数据暂存器，其被配置为存储包括结合第一过程变量值所存储的第一预期阳极电压的未涂覆的阳极特征化数据。该电源系统还具有阳极能量调节系统，该阳极能量调节系统具有输出以当在第一过程变量值下的所监测的阳极电压大于离第一预期阳极电压的阈值偏差时指示脉冲控制器调节阳极溅射能量。
在又一个示例中，本发明可以包括用于单磁控管溅射的方法。该方法包括在等离子体室中围住衬底、阳极和用于将薄膜沉积在衬底上的目标；以及交替地将目标溅射能量施加到目标并将阳极溅射能量施加到阳极。该方法包括监测在过程变量值下的阳极电压。该方法还包括访问数据暂存器，数据暂存器具有从未被涂覆有电介质材料的未涂覆的阳极的特征得到的未涂覆的阳极特征化数据。在该方法中，未涂覆的阳极特征化数据包括由在第一过程变量值下的未涂覆的阳极的未涂覆的阳极特征化数据定义的第一预期阳极电压。该方法还包括使用第一过程变量值得到第一预期电压值以及基于在所监测的阳极电压与第一预期阳极电压之间的差异来产生第一健康状况值。该方法还包括基于第一健康状况值来调节阳极溅射能量以从阳极喷射材料。
如先前所陈述的，上述示例和实施方式仅出于说明的目的。根据以下描述和权利要求，本发明的很多其它示例、实施例、实施方式和细节容易被本领域中的技术人员认识到。
附图说明
图1用曲线示出了对未涂覆和已涂覆的阳极的电压-电流关系；
图2用曲线示出了对未涂覆和已涂覆的阳极的电压-氧气流关系；
图3示出了用于单磁控管溅射的示例性系统；
图3A示出了针对图1所述的包括可以用于实现脉冲DC电源的脉冲DC电源的示意性表示的用于单磁控管溅射的示例性系统；
图4示出了示例性阳极分析部件；
图5示出了根据一些示例的处理系统；
图6示出了示例硬件控制系统；
图7示出了示例性溅射脉冲方法；
图8用曲线示出了相对于所施加的电压的阳极溅射效率；
图9用曲线示出了在一些示例中的在阳极健康状况与脉冲能量之间的关系；
图10用曲线示出了在一些示例中的在阳极健康状况与脉冲能量之间的关系；
图11示出了在一些示例中的用于单磁控管溅射的系统；
图12示出了示例性电源系统；以及
图13是用于单磁控管溅射的示例性方法的流程图。
具体实施方式
如先前在本公开内容的发明内容中提及的且广泛地描述的，可以在一些实施例中提供单磁控管溅射系统。该系统可以自动确定阳极的健康状况，并响应于确定阳极的健康状况而调节阳极溅射脉冲以从阳极喷射电介质材料。该系统还可以或替代地给操作员提供当阳极健康状况恶化时的警告和/或关于阳极的健康状况的信息以使操作员能够抢先修改溅射过程。在本文档中还公开了用于产生阳极健康状况数据的方法。
参考图1，有利地描述关于阳极在溅射过程期间如何表现的申请人的观察。申请人观察到，部分或完全被涂覆有电介质材料的阳极与新的或未涂覆的阳极表现得不同。特别地，当电流I1被施加到溅射系统中的未涂覆或干净的阳极时，由此产生的电压V1展示不严谨地近似于图1中所示的实曲线的响应。然而，当阳极变得被涂覆有电介质材料时，同一电流I1的施加产生不严谨地近似于图1中的虚线的电压V2。换句话说，如果操作员希望已涂覆或不干净的阳极在与干净和未涂覆的阳极相同的功率下进行操作，则在同一电流I1下，已涂覆的阳极必须经受比未涂覆的阳极所需的电压V1高得多的电压V2。
现在转到图2，有关地，电介质材料对阳极的覆盖影响所示出的相对于气体流(例如氧气流)的电压曲线。如在虚线处看到的，在恒定功率和氧气流下，当阳极涂覆或覆盖增加时，阳极电压必须增加。
现在参考额外的附图，其中相似或类似的元件在全部几个视图中用相同的附图标记标示，并且特别参考图3，首先描述了用于单磁控管溅射的系统100的概述。图3中的系统100包括围住衬底104、阳极106和用于将薄膜110沉积在衬底104上的目标108的等离子体室102。所示系统100还包括用于供应和/或控制到等离子体室102的过程气体的质量流量控制器126。所示系统100还具有脉冲DC电源112，脉冲DC电源112具有脉冲控制器140，脉冲控制器140分别通过阳极引线142和目标引线144耦合到阳极106和目标108。
所示系统100还具有阳极监测系统114，阳极监测系统114具有电压监测器116并操作地耦合到阳极引线142、目标引线144、阳极溅射调节系统120和数据暂存器118。所示阳极溅射调节系统120包括阳极功率控制器124和阳极分析部件122，并耦合到数据暂存器118和质量流量控制器126以及阳极监测系统114。质量流量控制器126向阳极溅射调节系统120提供关于过程气体的信息。
所示引线128、130、132、136、138操作地耦合上面的相应部件，以允许部件传输数据、指令和/或信号，如在上面和在本文档的其它段落中所述的。
电流传感器146可以耦合到阳极引线142和目标引线144中的一个或多个，而电压传感器148、150可以同样耦合到阳极引线142和目标引线144中的一个或多个，以给阳极监测系统114和/或阳极溅射调节系统120提供关于被供应到阳极106和/或目标108的功率的信息。
以图3继续，脉冲DC电源112可以包括脉冲控制器140以用于控制目标溅射能量到目标引线144以及阳极溅射能量到阳极引线142的交替施加。在一些实施例中，脉冲DC电源112可以供应第一目标溅射能量、第一阳极溅射能量、第二目标溅射能量和第二阳极溅射能量。第一和第一目标溅射能量具有第一电压极性，而第一和第二阳极溅射能量具有与第一电压极性相反的第二电压极性。
脉冲DC电源112可以提供电流受控的电源，该电流受控的电源产生具有交替极性的直流脉冲以产生高温等离子体。在脉冲DC电源112中可以采用单个电源、多个电源和/或多个电极。脉冲DC电源112可以具有反向开关以使实质上恒定供应的直流电流在每当电流反向开关设置在第一位置上时穿过电流连接在第一方向上以及每当电流反向开关设置在第二位置上时在第二方向上流动。脉冲DC电源112还可以包括用于在等离子体室102中产生在阳极106与目标108之间流动的直流电流的电路。
以图3继续，包括电压监测器116的阳极监测系统114可以被配置为检测在第一过程变量值下的第一阳极电压。第一过程变量可以是功率、电流(例如，如所示的I1)、过程气体部分压力、温度和过程气体流速(例如由质量流量控制器126检测到)中的一个或多个。
数据暂存器118可以被配置为存储未涂覆的阳极特征化数据，未涂覆的阳极特征化数据可以包括结合第一过程变量值(例如电流值，如在一些示例中I1)所存储的第一预期阳极电压。在一些实施例中，数据暂存器118可以存储一个或多个数据集，每个数据集包括预期电压，其对于干净的阳极将是在给定功率下施加到阳极的给定过程电流(例如，过程变量)的结果(例如，见图1)。在一些实施例中，数据暂存器118可以存储具有预期电压、预期电流、预期温度、气体的预期部分压力、以及与施加到干净阳极的给定功率相关联的预期气体流量中的一个或多个的数据集。
在整个这个文档中，数据暂存器118被特征化为可以存储可映射在过程变量(例如，电流、气体流速、气体部分压力、功率和/或温度)和预期相关值(例如，电压值)之间的预期关系的未涂覆的阳极特征化数据(例如数据集或数据对)的器件。实际上，在一些实施例中，制造商或其它供应商可以在交付给最终用户之前用一个或多个典型的干净阳极的阳极特征数据填充数据暂存器118。然而也可以设想，最终用户或操作员在原位(例如在系统启动时)填充数据暂存器118。在这种情形下，例如操作员可以假设放置在系统100内的新阳极106是干净/健康的，并且在阳极106变得被涂覆之前运转系统100以用过程变量的初始读数来填充数据暂存器118以产生初始阶段中的数据集。当阳极106被耗尽时，操作员可以替换阳极106并用与替换阳极相关联的新数据集重新填充数据暂存器118。在一些实施例中，如果替换阳极足够类似于将产生在效率或性能属性方面可容许的变化的先前阳极，则数据暂存器118的重新填充可能不是必要的。
仍然以图3继续，现在更详细讨论阳极溅射调节系统120。特别地，阳极分析部件122可以通过估计第一或实际阳极电压与预期阳极电压之间的差异来产生阳极106的健康状况值。
在一些示例中，阳极分析部件122可以产生指示在第一或实际阳极电压与预期阳极电压之间的差异的健康状况值。较大的差异指示阳极106比当在实际阳极电压与预期阳极电压之间存在较小的差异时更不健康(例如具有被涂覆有电介质材料的更多表面)。
在另一个示例中且没有限制地，在确定实际阳极电压处于预期阳极电压的可接受的容限内之后，可以产生“1”的值以指示阳极106是健康的、干净的或未涂覆的。类似地，在确定实际阳极电压不在预期阳极电压的可接受的容限内之后，可以产生“0”的值以指示阳极106是不健康的、脏的或用电介质材料涂覆的。在本文档的随后段落中将讨论与确定阳极106的健康状况相关的其它实施例和方法。
仍然以图3继续，阳极功率控制器124可以接收第一健康状况值，例如“0”或“1”，并向脉冲DC电源112的脉冲控制器140提供阳极能量控制信号。例如，没有限制地，阳极功率控制器124可以通过控制引线138的方式提供阳极能量控制信号以增加用于施加阳极溅射能量的时间长度和/或增加在阳极溅射能量的施加期间施加的电压的幅度，当阳极分析部件122产生健康状况值(例如“0”)时，指示阳极106被涂覆有电介质材料和/或不健康的。实际上，通过经由引线138向脉冲DC电源112提供阳极能量控制信号，阳极功率控制器124可以将阳极能量控制信号发送到脉冲DC电源以相对于第一阳极溅射能量调节第二或随后的阳极溅射能量以从阳极106喷射电介质材料的至少一部分。
应理解的是，图3是功能部件的逻辑描绘，并且并没有被规定为硬件图。所描绘的部件可以由共有的部件实现，或它们可以由单独的部件实现。在另一个示例中，阳极监测系统114、阳极溅射调节系统120和数据暂存器118可以由单一系统实现。在另一个示例中，数据暂存器118可以是单独的部件，例如远程存储部件。本领域中的技术人员将理解，其它组合或区分是可能的。
参考图3A，示出了具有可以用于实现针对图3所述的脉冲DC电源112的示例性脉冲DC电源312的系统300。如图所示，脉冲DC电源312包括脉冲控制器340、DC反向电压电源342和DC溅射电源344。在这个实施例中，DC反向电压电源342和DC溅射电源344是可切换地耦合到目标108和阳极106的单独DC电源。脉冲控制器340可以用适合于通过交替地闭合第一开关S1和第二开关S2交替地施加溅射功率和反向功率的方式来控制开关S1和S2。当S1断开且S2闭合时，阳极106经历正电压，并且溅射将发生。当S2断开且S1闭合时，阳极106经历负电压，并且沉积在阳极106上的电介质材料的至少一部分可以被喷射。本领域中的技术人员将理解，当S2断开且S1闭合时，不施加来自DC溅射电源344的正电位。
脉冲控制器340可以用响应于由阳极溅射调节系统120产生的健康状况值的方式来操作第一和第二开关S1和S2。也就是说，脉冲控制器340通常进行操作以响应于来自阳极功率控制器124的控制信号(经由控制信号引线138发送)而控制DC反向电压电源342和DC溅射电源344。更具体地，脉冲控制器340被配置为响应于控制信号而调节反向电位的反向电位幅度和/或占空比。
在使用两个单独的DC电源的替代方案中，脉冲DC电源112在一些实施例中可以包括在2014年8月21日公布的通常转让的美国专利公布US2014/0231243(“‘243公布”)中所述或所示的特征，该专利的全部内容通过引用并入本文。在一些实施例中，脉冲DC电源112可以包括如在‘243公布中所述的提供期望反向脉冲灵敏性的电路。
现在转到图4，现在讨论了阳极分析部件422和阳极功率控制器424的一些实施例。在一些实施例中，阳极分析部件422包括操作地耦合到阳极监测系统114和/或电压监测器116的处理部件505以及非暂态有形处理器可读介质525(例如非易失性存储器)。非暂态有形处理器可读介质525可以包括指令，其当被处理部件505执行时使处理部件505(a)使用过程变量值(例如功率、电流、过程气体流速、处理气体部分压力)来访问数据暂存器118以得到预期电压值；(b)计算所检测到的或实际阳极电压与第一预期阳极电压之间的差异；以及(c)基于所检测到的或实际阳极电压与第一预期阳极电压之间的差异来产生第一健康状况值。
非暂态有形处理器可读介质525可以可选地使处理部件505(d)调节阳极能量控制信号值。经调节的阳极能量控制信号值可以与阳极功率控制器424共用。阳极功率控制器424可以(e)基于由处理部件505产生的经调节的阳极控制信号值来将阳极能量控制信号发送到脉冲DC电源112。在一些实施例中，非暂态有形处理器可读介质525可以可选地使阳极功率控制器424将阳极能量控制信号发送到脉冲DC电源112。
现在转到图5，阳极溅射调节系统120(并且具体而言是阳极分析部件122、422)可以用处理系统500来实施或执行。处理系统500可以包括电耦合一个或多个处理部件505、一个或多个输入设备510、一个或多个输出设备515、非暂态有形处理器可读介质525、通信系统530、处理加速度535和一个或多个存储器和存储设备540的总线555。图5中的部件仅仅是示例，并且不限制实施本公开内容的特定实施例的任何硬件、硬件和软件、固件、嵌入式逻辑部件或两个或更多个这样的部件的组合的使用或功能的范围。所示部件的一些或全部可以是处理系统500的部分。
(多个)处理部件505可以包括被设计为执行本文中所述的功能的数字信号处理(DSP)、微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑单元、离散硬件部件中的一个或多个或其任何组合。(多个)处理部件505也可以被实施为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心结合的一个或多个微处理器或任何其它这样的配置。
输入设备510可以包括接收指示第一电流I1、第一电压V1、第二电压V2的信号的引线，和/或分别从阳极监测系统114、数据暂存器118和/或质量流量控制器126接收信号的引线128、130、132。(多个)输入设备510还可以包括用于允许用户输入和处理系统500的控制的用户输入设备，例如鼠标、键盘等。
输出设备515可以包括将模拟或数字信号从处理系统500分别发送到阳极监测系统114和/或脉冲DC电源112的信号驱动器和引线128、130、138，从而允许处理系统500操作阳极监测系统114。例如，(多个)输出设备515可以使处理系统500或阳极溅射调节系统120能够通过引线128指示电压监测器116开始或停止收集处理信号以用于将处理信号存储在数据暂存器118中，直接通过引线136或在通过阳极溅射调节系统120或处理系统500处理之后。如果数据暂存器118被实施为单独的存储设备，则在通过引线130处理之后(多个)输出设备515也可以给数据暂存器118提供数据集。(多个)输出设备515还可以通过引线138将经调节的阳极控制信号发送到脉冲DC电源112。类似地，输出设备515还包括用于给用户提供反馈的输出，例如显示设备、听觉警告信号、打印机、控制信号等。
通信系统530可以允许与网络和/或以上关于系统100所述的任何其它处理系统交换数据。处理系统500还可以包括一个或多个存储器和存储设备540，其包括非易失性存储器541、易失性存储器542和/或其它存储装置543。
非易失性存储器541是起存储(例如永久性地存储)数据和处理器可执行代码(包括与实现本文中所述的方法相关联的可执行代码)的作用的非暂态存储器。例如在一些实施例中，非易失性存储器541包括引导装载程序代码、操作系统代码、文件系统代码，并且可以用于实现非暂态有形处理器可读介质525以便于执行本文中针对图4和13所述的方法。另外，非易失性存储器541可以用于实现针对图1所述的数据暂存器118和针对图6所述的查找表614。
在很多实施方式中，非易失性存储器541由闪速存储器(例如NAND或ONENAND存储器)实现，但可以设想也可以利用其它存储器类型。尽管可能执行来自非易失性存储器541的代码，但在非易失性存储器541中的可执行代码典型地被加载到易失性存储器542中并由处理系统500中的一个或多个处理部件505执行，易失性存储器542典型地包括随机存取存储器，例如RAM驱动器。
与易失性存储器542或RAM结合的(多个)处理部件505通常操作用于执行存储在非易失性存储器541中的指令以维持健康的阳极。例如，实现针对图1至4和图6至13所述的方法的非暂态处理器可执行指令可以永久性地存储在非易失性存储器541中并由结合易失性存储器542的(多个)处理部件来执行。本领域中的普通技术人员将认识到，(多个)处理部件505可以包括视频处理器、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)和其它处理部件。
共同地，其它存储装置543可以包括磁盘驱动器、只读存储器(“ROM”)、光学存储设备，并且易失性存储器542可以包括固态存储设备，例如随机存取存储器(“RAM”)。存储器和(多个)存储设备540可以包括数据暂存器118和/或耦合到数据暂存器118。
再次，非易失性存储器541可以用于实现非暂态有形处理器可读介质(或媒介)525并且可以包括指令，其当被(多个)处理部件505执行时使(多个)处理部件505(a)使用过程变量值(例如功率、电流、过程气体流速、处理气体部分压力)来访问数据暂存器118以得到预期电压值；(b)计算所检测到的或实际阳极电压与第一预期阳极电压之间的差异；以及(c)基于在所检测到的或实际阳极电压与第一预期阳极电压之间的差异来产生第一健康状况值。
非暂态有形处理器可读介质525可以可选地使(多个)处理部件505(d)调节阳极能量控制信号值。经调节的阳极能量控制信号值可以与阳极功率控制器124、424共用。阳极功率控制器124、424可以(e)基于由(多个)处理部件505产生的经调节的阳极控制信号值来将阳极能量控制信号发送到脉冲DC电源112。
在一些实施例中，处理系统500还可以包括处理加速度单元535，其可以包括DSP、专用处理器和/或类似物。
在处理部件505包括FPGA的实施例中，当被启动时，FPGA可以被配置有非暂态指令(例如存储在非易失性存储器541中)以实现本文中所述的方法和功能的一个或多个方面。并且在一些实施例中，处理器可以执行非暂态指令以实现阳极分析部件122的一些功能，而同时FPGA被配置有非暂态指令以实现阳极分析部件122的其它功能。
应当理解的是，处理系统500的替代实施例可以具有偏离本文中所述的内容的很多变型。例如，还可以使用定制硬件(见例如图6)和/或可以用硬件或硬件和软件两者来实施特定的元件。
现在转到图6，现在描述了可以在阳极溅射调节系统120或阳极分析部件122中使用的硬件控制系统600的一个实施例。硬件控制系统600可以包括用于例如通过在差分放大器606处的引线148、150的方式来接收阳极电压V1和目标电压V2或接收阳极和目标电压V1、V2的按比例调整的表示的模块。V1和V2之间的差异根据本领域中已知的模块而被放大，并产生指示阳极电压V1和目标电压V2之间的电压差Vdiff的模拟信号。因为电压差Vdiff是不断变化的值，系统600可以被配置为响应于更新信号而根据本领域中已知的模块(包括使用独立采样和保持设备602或电路或与差分放大器606成一整体的采样和保持功能)来采样和保持电压差Vdiff。
同样响应于更新信号，第二采样和保持设备604可以具有用于例如从电流传感器146接收第一电流I1或作为第一电流I1的按比例调整的表示的信号的模块。因为第一电流I1可以作为模拟信号被接收，模数转换器610可以将第一电流I1的模拟表示转换成数字信号。提供查找表614以当接收到第一电流I1的数字化值时输出表示从具有干净阳极106的系统100的预期电压差得到的预期电压差Vdiff-exp的数字信号。数模转换器620可以将数字化信号转换成预期电压差Vdiff-exp的模拟表示。为了在本公开内容后面的部分中所述的目的，参考值可以由控制系统写到其它数模转换器636、638。
第二差分放大器622可以检测并放大所检测到的电压差Vdiff与预期电压差Vdiff-exp之间的差异，并将所产生的健康状况值628输出到一个或多个比较器624、634。
可以提供第一比较器624以接收来自第二差分放大器622的健康状况值628和例如来自查找表614的第一参考值630的模拟表示。第一参考值630可以是离预期电压差Vdiff-exp的偏差的可容许水平的幅度，并且第一比较器624可以被配置为比较健康状况值628与第一参考值630之间的差异。第一参考值630可以从图1中所示的电压-电流关系得到。如果健康状况值628在采样电流I1下偏离出第一参考值630，则第一比较器624可以输出指示阳极106不健康的信号，例如0。在其它情况下，比较器624可以例如通过输出1来指示阳极是健康的。来自第一比较器624的输出0可以例如通过增加溅射电压或时间来触发溅射过程中的自动变化，或者该输出可以触发需要来自操作员的动作的警报，或者同时触发这两者。设想其它响应，如本领域中的技术人员将理解的。
第二比较器634还可以接收健康状况值628和第二参考值632。第二参考值632可以是离预期电压差Vdiff-exp的偏差的第二水平，其可以指示阳极106不一定是不健康的，但替代地部分被涂覆或接近不健康状态。如果健康状况值628在采样电流I1下偏离出第二参考值634，则第二比较器634可以输出指示阳极106接近不健康状态的信号，例如0，这可以触发使操作员(如果期望)采取预防措施并阻止阳极106到达不健康状态的指示器，也设想其它响应。在其它情况下，比较器634可以例如通过输出1来指示阳极106不接近不健康状态。
虽然上面使用特定的一组硬件描述了系统600，但本领域中的技术人员将理解，其它硬件可被实施以实现变化的控制水平。仅给出一个示例，可以实施各种比较器以将时间元素添加到比较结果；也就是说，如果阳极106以快速率接近不健康值，则比较器可以被配置为指示快速接近，允许系统100或操作员采取预防措施。因为系统600可以提供阳极分析部件122的一些或所有功能，与阳极分析部件122和阳极溅射调节系统120有关的这个文档的其它段落提供了关于系统600如何被使用的细节。
现在转到结合图3-3A的图7，现在讨论溅射过程的细节。图7是随着时间的推移在单磁控管溅射系统中可以施加多少功率(电压和电流)的图形表示。在高水平处，施加由阳极溅射脉冲分离的目标溅射脉冲。目标溅射脉冲使薄膜110在衬底104上形成，而阳极溅射脉冲使不希望有的电介质材料从阳极106喷射。
在所示的特定示例中，第一时间段t1和第二时间段t2分别示出与干净阳极相关联的目标和阳极溅射脉冲。当阳极106变得被涂覆时，第三时间段t3示出必须增加电压的多少幅度来维持相同的目标溅射功率。在第三时间段t3(或在一些实施例中任何时间段)期间，系统100可以产生健康状况值，例如“0”，指示阳极106是被涂覆的、脏的或不健康的。
在一些实施例中，系统100可以使随后的阳极溅射脉冲例如在第四时间段t4期间施加比在第二时间段t2期间所施加的更大的阳极溅射能量。因为能量在一段时间期间是功率，可以通过增加所施加的电压的幅度和/或增加阳极溅射功率被施加的时间长度来增加能量。在图7中，时间段t4和电压的幅度都增加。
以图7继续，一旦例如基于在第五时间段t5期间采用的变量产生指示阳极106返回到未涂覆、干净或健康状态的健康状况值，阳极溅射调节系统120就可以例如在第六时间段t6期间修改阳极溅射能量以施加默认阳极溅射能量，也许是在第二时间段t2期间施加的相同能量。应当理解的是，第一到第六时间段t1-t6不一定且有可能不直接跟随彼此。也就是说，在阳极106可被分类为健康的、干净的或未涂覆的之前，可能花费几个周期来从已涂覆的阳极106喷射足够的电介质。
现在转到图8，阳极溅射电压V的幅度在一些实施例中可以被设置在大约30伏的最小值处，因为低于30伏可能不足以从阳极106去除足够材料以提高阳极106的性能。然而，应当理解的是，存在与每个阳极相关联的最大适合电压幅度Vmax，超过最大适合电压幅度Vmax，材料去除速率开始下降，如图8中所示。最大适合电压幅度Vmax取决于所使用的阳极的类型；然而应当理解的是，系统100可以被配置为限制在阳极溅射脉冲期间所施加的电压的幅度以确保系统的最大效率。
现在转到图9，现在讨论产生健康状况值的各种方法。在先前的段落中，这个文档提到可以被特征化为干净的、未涂覆的或健康的或脏的、涂覆的或不健康的阳极106。在一些实施例中，这些术语是可互换的；例如，健康的阳极可以是干净的和未涂覆的，而不健康的阳极可以是脏的和涂覆的。然而在一些实施例中，阳极可以被特征化为“不健康的”，即使它还不是被涂覆或脏的；例如，如果系统100检测到阳极106虽然还没有被涂覆但接近被涂覆的状态，则可以产生“不健康”或“0”的健康状况值，因而给系统100和/或操作员抢先调节阳极溅射能量以维持系统100的效率的机会。
图9示出了可以如何应用以上方法。在图9中，顶部曲线示出当阳极106变得被涂覆有电介质材料或被清除掉电介质材料时在所检测到的电压和预期电压之间的差异如何随着时间改变。如果是/否阈值测试用于产生阳极健康状况值，则一直到大约时间ta的较早的时间段示出了差异可以如何变化，而如果结合差异随着时间的变化来施加是/否阈值测试以产生阳极健康状况值，则在时间ta之后的稍后的时间段示出了差异可以如何变化，。
有关地，图9的下部曲线示出当使用是/否阈值测试来产生阳极健康状况值(一直到大约时间ta)或结合随着时间的过去的差异的变化使用是/否测试(在大约时间ta开始)时以焦耳为单位的所调节的阳极能量可以如何随着时间而改变。
注意，如何组合这两个测试以产生阳极健康状况值可以减小阳极能量和阳极涂覆状态的波动，这又提高系统100的效率。
为了更明确地描述，如在一直到时间ta的较早时间段中所示的，阳极分析部件122可以估计在检测到的阳极值V检测的幅度和与干净阳极相关的预期阳极电压V干净之间的差异。如果该差异大于指示被涂覆或脏的阳极的可以容许的阈值幅度，则阳极分析部件122可以产生负健康状况值，例如“0”，以指示阳极106是不健康的，并替代地产生经调节的阳极能量控制信号值。响应于健康状况值和/或经调节的阳极能量控制信号值，阳极功率控制器124可以通过控制引线138向脉冲控制器140提供阳极能量控制信号以增加用于施加阳极溅射能量的时间的长度和/或增加在例如在图7中在第四时间段t4和在图9中恰好在时间ta之前所示的阳极溅射能量的施加期间施加的电压的幅度。
以图9继续，在一些实施例中，阳极分析部件122可以估计在检测到的阳极值V检测的幅度和与干净阳极相关的预期阳极电压Vclean之间的差异，如上所述，并此外估计阳极电压幅度随着时间的过去的变化。这个组合可以允许系统100产生“不健康”或“0”的阳极健康状况值，即使阳极106实际上还不是被涂覆或脏的，但接近被涂覆或脏的状态。使用这种方法产生阳极健康状况值可以在阳极106实际上被涂覆之前、例如当看起来阳极106接近但还没有达到被涂覆状态时允许系统100抢先调节阳极溅射能量。如上面提到的，这种方法可以提高系统100的效率。
现在转到图10，又一方法可以应用于产生阳极健康状况值并调节阳极溅射能量。图10示出是/否测试可以如何与电压幅度差和随着时间的过去的幅度差的变化结合。也就是说，阳极分析部件122可以估计阳极106是否被涂覆，阳极106多么接近被涂覆以及阳极多快接近已涂覆状态以产生阳极健康状况值。在这里，阳极分析部件122可以产生指示阳极是健康的“1”、不健康的“0”、健康的但接近不健康的“10”或不健康的但接近健康的“01”和/或其它情况的阳极健康状况值。通过估计这些值中的每个，阳极分析部件122可以随着时间产生限制在经调节的阳极能量中的突然变化的健康状况值，导致高效系统100。在一些实施例中，系统100或阳极分析部件122可以随着时间产生多个健康状况值，并比较健康状况值随着时间的变化，例如针对该时间段将第二健康状况值与第一健康状况值进行比较。本领域中的技术人员将认识到，很多控制技术可以由阳极分析部件122利用来最大化由阳极监控系统114收集的信息的使用。
本领域中的技术人员还将认识到，虽然电压主要被讨论为在产生阳极健康状况值时是有用的，也可以使用其它数据，例如与过程气体流速或部分压力有关的功率。
在一些实施例中，响应于阳极分析部件122产生指示阳极106是不健康的阳极健康状况值，替代地或除了使脉冲DC电源112调节阳极溅射能量以外，系统100还可以使一个或多个输出设备515向操作员发出警告。警告可以是任何任何可听得见的、视觉或触觉输出，且可以是参考图5所述的一个或多个输出设备515。
现在转到图11，在阳极监测系统1114中的电压监测器1116可以包括或可操作地耦合到电压传感器1143以得到在阳极106和目标108之间的电压差。例如，如图11所示，系统1100是来自目标108的溅射材料以形成薄膜110，而极性的反转替代地使材料从阳极106喷射。
现在转到图12，现在讨论有关电源系统1200，其可以是系统100的一部分。电源系统1200可以是单磁控管溅射系统例如系统100的系统，并包括耦合到目标的目标引线1244、耦合到阳极的阳极引线1242、交替地将目标溅射能量施加到目标引线1244和将阳极溅射能量施加到阳极引线1242的脉冲控制器1240。电源系统1200还具有监控阳极引线1242的电压V1的阳极监控系统1214和被配置为存储未涂覆的阳极特征化数据(包括结合第一过程变量值所存储的第一预期阳极电压)的数据暂存器。电源系统1200还具有阳极能量调节系统1220，其具有输出1238以当在第一过程变量值下的所监测的阳极电压V1大于离第一预期阳极电压的阈值偏差时指示脉冲控制器1240调节阳极溅射能量。
在电源系统1200中的阳极能量调节系统1220可以包括处理和非暂态有形处理器可读介质。非暂态有形处理器可读介质可以用处理器可读指令被编码以执行用于维持阳极的健康状况的方法。该方法可以包括使用第一过程变量值来访问数据暂存器以得到第一预期电压值；基于在所监测的阳极电压和第一预期阳极电压之间的差异来产生第一健康状况值；以及基于第一健康状况值来调节阳极溅射能量值。溅射系统100可以使用电源系统1200来从阳极喷射材料。
在电源系统1200中的阳极监测系统1214可以被配置为检测在阳极引线和目标引线之间的第一电压差以及在从检测到第一电压差起的时间段和在第二过程变量处在阳极引线和目标引线之间的第二电压差。第二过程变量可以具有与第一过程变量相同的值。非暂态有形处理器可读介质可以具有指令，其当被处理器执行时可以使处理器：将第二检测到的电压差与第二预期电压差进行比较以产生第二阳极健康状况值，并针对该时间段将第二阳极健康状况值与第一阳极健康状况值进行比较。
现在转到图13，现在讨论应用于单磁控管溅射的方法1300。该方法包括在等离子体室中围住(1302)衬底、阳极和目标；交替地施加(1304)目标溅射能量和和阳极溅射能量；监测(1306)阳极电压；以及访问(1308)数据暂存器。方法1300还包括得到(1310)第一预期电压值；产生(1312)第一健康状况值；调节(1314)阳极溅射能量；以及产生(1316)第二健康状况值并将第一健康状况值与第二健康状况值进行比较。
监测(1306)在过程变量值下的阳极电压可以包括监测在给定电流、功率、过程气体流量、温度和/或过程气体部分压力处的阳极电压。例如，阳极监测系统例如在图3和11中描绘的系统114、1114可以监测被施加到阳极106的电流I1、有关阳极电压V1或在阳极106和目标108之间的电压差Vdiff。
访问(1308)数据暂存器包括访问具有从还未被电介质材料涂覆的未涂覆的阳极的特征得到的未涂覆的阳极特征化数据的数据暂存器。未涂覆的阳极特征数据包括由在第一过程变量值下的未涂覆的阳极的未涂覆的阳极特征化数据定义的第一预期阳极电压。特别地，作为示例，未涂覆的阳极特征化数据可以包括给用户和/或阳极溅射调节系统提供关于当阳极106变得被涂覆时在系统100、1100中的特定阳极106处测量的电压或电压差分如何做出响应的信息的数据集。数据集可以是数据对，例如电压-电流关系、电压-功率关系、电压-气体关系或其任何组合。
在一些实施例中，可以通过使用新阳极106并在初始阶段期间启动溅射系统例如系统100、1100来产生未涂覆的阳极特征化数据，使阳极监测系统114、1114监测越过阳极106的电流、在目标108和阳极106之间的电压差Vdiff或在阳极处的电压V1和在目标处的电压V2。当电压V1、V2、Vdiff被监测时，阳极监测系统114、1114与数据暂存器118和/或阳极溅射调节系统120共享具有相对于当前值的电压值的数据集。在启动之后的指定时间，阳极106可以被宣布为不健康的、脏的或涂覆的。此时，阳极溅射系统120和/或阳极监测系统114、1114可以停止向数据暂存器118提供未涂覆的阳极特征化数据集。这些数据集可以接着用于估计阳极106的正在进行的健康状况状况，且如前所述，数据集可以包括例如电压-电流关系、电压-功率关系、电压-气体关系或其任何组合。本领域中的技术人员可以理解，数据集可以组合以被供应到数据暂存器118作为用于产生关于阳极106的总预期寿命的信息收集工具，作为一个示例。
在一些实施例中，未涂覆的阳极特征化数据可以由具有可以被预先填充到数据暂存器118内的相对于一个或多个新阳极例如阳极106的电流施加的电压响应曲线的知识(例如通过过去的测试)的制造商产生。
得到(1310)第一预期电压值包括使用第一过程变量值来从数据暂存器得到第一预期电压值。
产生(1312)第一健康状况值包括基于在所监测的阳极电压和第一预期阳极电压之间的差异来产生第一健康状况值。
调节(1314)阳极溅射能量包括基于第一健康状况值调节阳极溅射能量以从阳极喷射材料。基于第一健康状况值调节(1314)阳极溅射能量可以包括产生经调节的阳极溅射能量值并调节阳极溅射电压和阳极溅射能量被施加到阳极的时间中的至少一个。调节(1314)阳极溅射能量还可以或替代地包括将阳极溅射能量的幅度调节为大于大约30伏。
方法1300还可以包括在一个时间段之后检测第一过程变量值下的第二阳极电压；基于在第二阳极电压和第一预期阳极电压之间的差异来产生第二健康状况值；以及针对该时间段将第二健康状况值与第一健康状况值进行比较以确定阳极变成被涂覆时所处的速率。
方法1300还可以包括当阳极未被涂覆时从阳极得到未涂覆的阳极特征化数据；以及用未涂覆的阳极特征化数据填充数据暂存器。
方法1300还可以包括用替换阳极代替该阳极；当替换阳极未被涂覆时从替换阳极得到未涂覆的阳极特征化数据；阳极用从替换阳极得到的未涂覆的阳极特征化数据填充数据暂存器。
方法1300可以由系统100中的部件和/或参考图1-12所述的电源1200执行。
总之，本发明除了别的以外还提供用于单磁控管溅射的系统和方法。本领域中的技术人员可以容易认识到，可以在本发明、其使用和其配置中进行很多变化和替换以实现与如由本文中所述的实施例实现的实质上相同的结果。相应地，没有将本发明限制到所公开的示例性形式的意图。很多变型、修改和替代结构落在如在权利要求中表达的所公开的发明的范围和精神内。

Claims (17)

1.一种用于单磁控管溅射的系统，包括：
等离子体室，其围住衬底、阳极和用于将薄膜材料沉积在所述衬底上的目标；
脉冲DC电源，其耦合到所述目标和所述阳极，所述脉冲电源包括脉冲控制器以将具有第一电压极性的第一目标溅射能量供应到所述目标并且将具有所述第一电压极性的第二目标溅射能量供应到所述目标，所述脉冲控制器被配置为紧接着在所述第一目标溅射能量之后供应具有第二电压极性的第一阳极溅射能量，并且紧接着在所述第二目标溅射能量之后供应具有所述第二电压极性的第二阳极溅射能量，其中，所述第二电压极性与所述第一电压极性相反；
阳极监测系统，其包括电压监测器以检测在第一过程变量值下的第一阳极电压；
数据暂存器，其包括从未被涂覆有电介质材料的未涂覆的阳极的特征得到的未涂覆的阳极特征化数据，所述未涂覆的阳极特征化数据包括结合所述第一过程变量值所存储的第一预期阳极电压；以及
阳极溅射调节系统，其耦合到所述数据暂存器和所述阳极监测系统，所述阳极溅射调节系统包括：
阳极分析部件，其用于基于所述第一阳极电压与所述第一预期阳极电压之间的差异来产生第一健康状况值，所述第一健康状况值指示所述阳极是否被涂覆有所述电介质材料；以及
阳极功率控制器，其用于接收所述第一健康状况值并向所述脉冲DC电源的所述脉冲控制器提供阳极能量控制信号，以相对于所述第一阳极溅射能量调节所述第二阳极溅射能量以从所述阳极喷射所述电介质材料的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阳极分析部件包括：
处理器，其耦合到所述电压监测器；以及
非暂态有形处理器可读介质，其包括指令，所述指令当被所述处理器执行时使所述处理器：
使用所述过程变量值来访问所述数据暂存器以得到所述预期电压值；
计算所述第一阳极电压与所述第一预期阳极电压之间的差异；并且
基于所述第一阳极电压与所述第一预期阳极电压之间的差异来产生所述第一健康状况值。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阳极分析部件包括：
现场可编程门阵列，其耦合到所述电压监测器；以及
非暂态有形介质，其包括指令，所述指令当被用于配置所述现场可编程门阵列时使所述现场可编程门阵列：
使用所述过程变量值来访问所述数据暂存器以得到所述预期电压值；
计算所述第一阳极电压与所述第一预期阳极电压之间的差异；并且
基于所述第一阳极电压与所述第一预期阳极电压之间的差异来产生所述第一健康状况值。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压监测器包括：
第一电压传感器，其操作地耦合到所述阳极；以及
第二电压传感器，其操作地耦合到所述目标；其中
所述电压监测器得到所述阳极与所述目标之间的电压差。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述未涂覆的阳极特征化数据包括：
多个数据集，每个数据集包括特定的预期电压值和特定的过程变量值。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阳极监测系统还包括：
电流传感器，其用于检测跨所述阳极的第一电流值，所述电流传感器提供所述第一电流值作为所述第一过程变量值。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阳极监测系统还包括：
质量流量计，其用于检测进入所述等离子体室的第一氧流速值，所述质量流量计提供所述第一氧流速值作为所述第一过程变量值。
8.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述阳极监测系统被配置为在从检测到所述第一阳极电压起的一个时间段并在第二过程变量值下检测第二阳极电压，所述第二过程变量值具有与所述第一过程变量值相同的值；
所述指令包括使所述处理器如下操作的指令：
将所述第二电压与所述第二预期电压进行比较以得到第二健康状况值；以及
针对所述时间段将所述第二健康状况值与所述第一健康状况值进行比较。
9.一种用于单磁控管溅射的方法，包括：
在等离子体室中围住衬底、阳极和用于将薄膜材料沉积在所述衬底上的目标；
交替地将目标溅射能量施加到所述目标并且将阳极溅射能量施加到所述阳极；
监测在过程变量值下的阳极电压；
访问数据暂存器，所述数据暂存器具有从未被涂覆有电介质材料的未涂覆的阳极的特征得到的未涂覆的阳极特征化数据，所述未涂覆的阳极特征化数据包括在第一过程变量值下由所述未涂覆的阳极阳极的所述未涂覆的阳极特征化数据限定的第一预期阳极电压；
使用所述第一过程变量值从所述数据暂存器得到所述第一预期电压值；
基于所监测的阳极电压与所述第一预期阳极电压之间的差异来产生第一健康状况值；以及
基于所述第一健康状况值来调节所述阳极溅射能量以从所述阳极喷射材料。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
在一个时间段之后检测所述第一过程变量值下的第二阳极电压；
基于所述第二阳极电压与所述第一预期阳极电压之间的差异来产生第二健康状况值；以及
针对所述时间段将所述第二健康状况值与所述第一健康状况值进行比较以确定所述阳极变成被涂覆的速率。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，基于所述第一健康状况值调节所述阳极溅射能量包括调节所述阳极溅射电压和向所述阳极施加所述阳极溅射能量的时间的至少其中之一。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，调节所述阳极溅射能量包括将阳极溅射电压调节为大于大约30伏。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括：
当所述阳极未被涂覆时从所述阳极得到所述未涂覆的阳极特征化数据；以及
用所述未涂覆的阳极特征化数据填充所述数据暂存器。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
用替换阳极替换所述阳极；
当所述替换阳极未被涂覆时从所述替换阳极得到所述未涂覆的阳极特征化数据；以及
用从所述替换阳极得到的所述未涂覆的阳极特征化数据来填充所述数据暂存器。
15.一种用于单磁控管溅射系统的电源系统，所述电源系统包括：
耦合到目标的目标引线和耦合到阳极的阳极引线；
脉冲控制器，其用于交替地将目标溅射能量施加到所述目标引线并且将阳极溅射能量施加到所述阳极引线；
阳极监测系统，其用于监测所述阳极引线的电压；
数据暂存器，其被配置为存储未涂覆的阳极特征化数据，所述未涂覆的阳极特征化数据包括结合第一过程变量值所存储的第一预期阳极电压；以及
阳极能量调节系统，其具有输出以指示所述脉冲控制器当在所述第一过程变量值下的所监测的阳极电压大于离所述第一预期阳极电压的阈值偏差时调节所述阳极溅射能量。
16.根据权利要求15所述的电源系统，其中，所述阳极能量调节系统包括：
处理器；
非暂态有形处理器可读介质，其用处理器可读指令进行编码以执行用于维持所述阳极的健康状况的方法，所述方法包括：
使用所述第一过程变量值来访问所述数据暂存器以得到所述第一预期电压值；
基于所监测的阳极电压与所述第一预期阳极电压之间的差异来产生第一健康状况值；以及
基于所述第一健康状况值来调节所述阳极溅射能量以从所述阳极喷射材料。
17.根据权利要求16所述的电源系统，其中：
所述阳极监测系统被配置为在从检测到所述第一电压起的一个时间段并在第二过程变量下检测所述阳极引线的第一电压和所述阳极引线的第二电压，所述第二过程变量具有与所述第一过程变量相同的值；并且
所述非暂态有形处理器可读介质包括指令，所述指令当被所述处理器执行时使所述处理器：
将所述第二电压与第二预期电压进行比较以产生第二阳极健康状况值；并且
针对所述时间段将所述第二阳极健康状况值与所述第一阳极健康状况值进行比较。
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