CN108701577A - 用于等离子体处理装置的阴极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于产生等离子体以便对待处理的材料执行预定处理的阴极，并且更具体地，涉及一种能够在阴极周围的360°范围内的所有方向上产生等离子体的阴极。本发明包括：电极管，该电极管由导电材料制成并且内部是中空的；以及多个磁体，该多个磁体设置在电极管内部，并且对齐成使得多个磁体的相同的磁极彼此面对。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于通过产生等离子体对被处理材料执行预定处理的阴极，并且更具体地，涉及一种用于等离子体处理设备的阴极，该阴极能够在阴极周围360度范围内的所有方向上产生等离子体。
背景技术
通常，等离子体处理包括溅射和PECVD。
溅射是当通过产生等离子体而获得的离子与具有高能量的靶材料碰撞时使靶材料脱落的方法，这是在诸如半导体等元件的处理中实际应用较多的技术。
溅射装置是使用电容性低温等离子体的薄膜制造装置，该装置通过在真空容器中安装两个‘+’和‘-’电极，同时保持容易发生电离的最佳气体压力并向电极施加DC或Ac电压来产生等离子体。
一般来说，等离子体中存在的‘+’离子向施加有‘-’电压的电极行进，并且相反地，‘-’离子冲向施加有‘+’电压的电极。
此时，由于‘+’离子具有大质量和高电能，所以当‘+’离子与‘-’电极的靶表面碰撞时，靶材料溅出，并且脱落的靶材料沉积在所面对的‘+’电极的被处理材料上。
相反，等离子体中存在的‘-’离子冲向‘+’电极的被处理材料，而不是冲向靶材料，并且产生使得困难堆积的薄膜材料再次脱落的再溅射(re-sputtering)现象。
如果磁场施加到所产生的等离子体，则洛伦兹力(Lorentz’s force)可施加到等离子体中的电子，并且可以根据附着在溅射靶背面上的磁体的布置形式而获得期望的等离子体密度分布。这被称为磁控溅射。
因此,磁控溅射具有防止再溅射和增强等离子体密度的优点。
具有约2至3英寸的直径的圆盘形状的溅射阴极是实践中最常应用的形式，并且等离子体是通过在两个磁极之间产生均匀磁场来制造和使用的，所述两个磁极通过将磁极放置在靶的背面的中心处并将异性极布置在磁极周围而形成。
此时，由于靶表面上被蚀刻的蚀刻部分集中在形成为与靶表面平行的磁场区中，因此发生蚀刻。
由于普通溅射阴极仅使用靶的面向被处理材料的部分，而无法使用不面向被处理材料的其它部分，因此高成本的靶的利用率极低。
尽管在现有技术中已经做出了通过旋转(移动)靶以将靶的未使用部分放置成面向被处理材料来提高靶的利用率的努力来解决该问题，但是存在的问题在于，由于用于旋转靶的仪器的配置复杂并且不可以连续地执行该过程，因此处理时间延长。
另一方面，在化学气相沉积(CVD)中，通过将源气体注入其中布置有被处理材料的空间中，由源气体的化学作用形成的材料的薄膜形成在被处理材料的表面上，从而制造待用于形成电子元件或布线的导电膜或绝缘膜。
PECVD装置是通过产生等离子体来增强将形成薄膜的源的活性以增强被处理材料的处理效率的装置。然而，传统的PECVD装置的问题在于，由于产生等离子体的区受到限制，所以被处理材料的处理区也受到限制。
发明内容
技术问题
本发明是为了解决上述问题而作出的，并且本发明的目的在于提供一种能够通过在阴极周围360度范围内的所有方向上产生等离子体来对被处理材料执行等离子体处理的阴极。
本发明的另一目的是提供一种能够通过往复移动磁体或靶来使靶的利用率最大化的阴极。
本发明的另一目的是提供一种能够通过往复移动电极保护管或磁体来形成均匀的薄膜的阴极。
技术方案
为了实现以上目的，根据本发明的一个方面，提供一种用于等离子体处理设备的阴极，该阴极包括电极管和多个磁体，其中，电极管由导电材料形成并且具有中空的中央；多个磁体设置在电极管的内部并且布置成彼此面对相同的磁极。
此外，优选地，通孔形成在磁体的中央处，以及布置成彼此产生排斥力的磁体由穿过通孔的磁体固定轴固定。
此外，优选地，环形线圈形状的等离子体形成在磁体周围。
此外，优选地，还包括用于使磁体往复运动的移动器件，并且在这一点上，进一步优选地，移动器件以与磁体的厚度相等的冲程使磁体往复运动。
根据本发明的另一方面，提供一种溅射阴极，该溅射阴极设置成在溅射装置中产生等离子体，溅射阴极包括电极管、多个磁体和靶，其中，电极管由导电材料形成并且具有中空的中央，多个磁体设置在电极管内部并且布置成彼此面对相同的磁极，靶由靶材料形成，电极管安装在靶中。
此外，优选地，还包括用于使磁体或靶往复运动以均匀地消耗靶的移动器件。
此外，优选地，通孔形成在磁体的中央处，以及布置成彼此产生排斥力的磁体由穿过通孔的磁体固定轴固定。
根据本发明的另一方面，提供一种PECVD阴极，该PECVD阴极设置成在PECVD装置中产生等离子体，该PECVD阴极包括电极管和多个磁体，其中，电极管由导电材料形成并且具有中空的中央，多个磁体设置在电极管内部并且布置成彼此面对相同的磁极。
此外，优选地，设置围绕电极管的外周表面的电极保护管，或者在电极管的表面上形成氧化铝(A12O3)涂层。
此外，优选地，还包括用于移动磁体或电极保护管以形成均匀的薄膜的移动器件。
此外，优选地，通孔形成在磁体的中央处，以及布置成彼此产生排斥力的磁体由穿过通孔的磁体固定轴固定。
有利效果
根据本发明，可在阴极周围产生环形线圈(环形)形状的等离子体。
因此，可在阴极周围的360度范围内的所有方向上执行等离子体处理。据此，本发明的效果在于，无论被处理材料的形状如何，多种被处理材料可在以径向形状布置在阴极周围的同时被同时处理，并且可以最大化溅射中的靶的利用率。
此外，通过在电极中设置多个磁体并将磁体布置成产生排斥力，在相同的条件下具有显著增加表面高斯的效果。如此，则存在随着表面高斯的增加，等离子体密度增加的优点，并且具体地，即使在高真空氛围中也能产生等离子体。
此外，通过往复移动(扫描)磁体或靶，可以最大化靶相对于被处理材料的利用率，并且可以形成均匀的薄膜。
此外，可在腔室中依次执行溅射工艺和PECVD工艺。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方式的整体配置的视图。
图2至图6是示出根据本发明的溅射阴极的视图。
图7是示出根据本发明的溅射阴极中消耗的靶的状态的竖直剖视图。
图8和图9是示出根据本发明的移动器件的视图。
图10是示出根据本发明的溅射阴极中消耗的靶的状态的竖直剖视图。
图11是示出根据本发明的遮板的视图。
图12至图18是示出根据本发明的PECVD阴极的视图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细地描述根据本发明的实施方式的配置和操作。
图1是示意性示出本发明的配置的平面图。参照附图，根据本发明的实施方式1包括圆柱形形状的腔室40、溅射阴极10、遮板(shutter)80和多个PECVD阴极，其中，腔室40用于提供用于对被处理材料执行预定等离子体处理的空间，溅射阴极10设置在腔室40内部的中心，遮板80用于围绕溅射阴极10，多个PECVD阴极沿着腔室的边缘设置。
腔室40连接到真空器件(未示出)并根据工艺调节真空度。
如附图中所示，溅射阴极10整体上形成为圆柱形形状，并且被处理材料L以径向形状布置在溅射阴极10周围。可使用送料架(未示出)放置多种被处理材料L。被处理材料L可形成为各种形状，并且在均匀处理过程期间在腔室40内部旋转或扫描(scanned)。
具体地，在本发明的实施方式1中，PECVD阴极100设置在腔室40内部，以在一个腔室40内部对被处理材料L执行PECVD工艺以及溅射工艺。
遮板80设置成防止沉积材料在PECVD工艺期间沉积在溅射阴极10上。遮板80在PECVD工艺期间覆盖溅射阴极10，并且遮板80在溅射工艺期间被移除。
此外，虽然当通过使用PECVD阴极100产生等离子体来预处理被处理材料的表面时，不需要单独的工艺气体，但是当在被处理材料的表面上涂覆绝缘膜、保护膜等时，需要工艺气体。在本实施方式中，多个歧管120设置在腔室40内部，以在腔室内部均匀地供应工艺气体。歧管120形成为圆柱形形状，并且具有形成在外周表面上的排放孔以排放工艺气体。
图2是示出溅射阴极10的视图。溅射阴极10包括多个磁体11、磁体固定管12、电极管13和靶(target)14。
具体地，根据本发明，应理解，多个磁体11安装成彼此面对相同的磁极。因此，当完成组装时，磁体布置成在相邻的磁体之间产生排斥力。像这样布置磁体以增加磁体11的表面高斯。作为测量的结果，在相同的条件下，与将磁体11布置成彼此面对不同的磁极相比，当如实施方式中所示将磁体布置成彼此面对相同的磁极时，所测量的表面高斯急剧增加两倍或更多倍。
如果表面高斯像这样增加，则非常有利的是：等离子体密度增加，并且具体地，可以在高真空氛围中产生等离子体。由于在高真空氛围中很难产生等离子体，因此像本发明中那样在高真空氛围中产生等离子体具有多种优点。即，众所周知，溅射中腔室氛围的真空级别越高，沉积速度就越快，并且平均自由程就越大，并且因此薄膜均匀地形成在被处理材料上，从而改善膜的性质。因此，如果磁体像本发明中示出的那样布置成彼此面对相同的磁极，则可以由于在高真空氛围中产生等离子体而预期上述效果。
在本发明中，由于磁体像这样布置成产生排斥力以增加表面高斯，因此需要磁体固定器件。根据本发明，磁性固定轴是磁体固定器件的示例。
参照图3和图4，磁体11形成为圆柱形柱的形状，并且通孔11a形成在磁体11的中央处，并且然后，固定轴31穿过通孔11a。最后，通过在磁体固定轴31的端部接合作为紧固构件32的螺母而将磁体11布置和固定成彼此面对相同的磁极。像这样使用磁体固定轴31和紧固构件32，磁体11可以容易地布置和固定成彼此面对相同的磁极。
因此，显然地，螺丝攻(tap)形成在磁体固定轴31的端部处以接合紧固构件32(诸如螺母等)。此外，可在磁体固定轴31的中央形成供冷却剂流过的流体通道16。此外，冷却剂可直接供应到形成在磁体中央处的通孔11a，而不在磁体固定轴31中形成流体通道16。
磁体固定管是磁体固定器件的另一示例。
磁体固定管(图2的12)形成为顶部和底部敞开的管，并且当多个磁体11插入磁体固定管中时，磁体固定管利用盖子通过密封顶部和底部将磁体固定成彼此面对相同的磁极。
在本实施方式中，电极管13是用于在供电时产生等离子体的构成组件，并且电极管13由铜材料或铝材料形成。
靶14形成为在轴线方向上具有空心的圆柱形形状，并且在其内部具有电极管13和磁体11。材料从靶上脱落并沉积在被处理材料上。
参照图5，用于供应冷却剂的冷却剂供应孔la和用于排放冷却剂的冷却剂排放孔lb形成在溅射阴极10的上部和下部，并且流体通道形成在冷却剂供应孔la与冷却剂排放孔lb之间。冷却剂流过形成在磁体固定轴31的中央处的流体通道16或通孔11a。此外，连接有电源17。
应确认，当在这种状态下供应电力17时，环状线圈形状的等离子体P形成在磁体11周围。环状线圈形状的等离子体P形成为与磁体11的数目一样多。
参照图6，应理解，由于等离子体是三维形成的环形形状，所以可以在溅射阴极10周围进行360度溅射。即，通过将被处理材料以径向形状布置在溅射阴极10周围，许多被处理材料可同时经受溅射工艺。
此外，在矩形形状的被处理材料(例如，玻璃基板)的情况下，可通过将被处理材料布置成彼此面对来同时对一对被处理材料执行溅射工艺。
另一方面，在本发明中，通过在磁体周围产生环形状的等离子体，可通过溅射在被处理材料的表面上形成金属膜等，并且环形状的等离子体产生为与磁体的数目一样多。如果像这样执行溅射工艺，则无法均匀地消耗靶14a，而是在消耗的同时在竖直截面上形成波纹形状的波形(参见图7)。即，多个凹槽14M以固定的间隔在圆周方向上形成在靶上。这是由于环形形状的等离子体形成为与磁体一样多，并且靶在形成等离子体的位置处被大量消耗。
本发明提供了一种考虑到这种现象的移动器件。
移动器件是用于在磁体或靶中的一个固定时使其中另一个往复运动的构成组件。
参照图8，在根据本发明的移动器件70的实施方式中，使磁体11上下往复运动，同时靶14被固定。磁体的通过移动器件70的移动冲程为磁体的厚度t。即，移动器件70以与磁体的厚度t对应的距离使磁体上下往复运动。
移动器件70是众所周知的驱动器件，诸如马达、汽缸等，并且在沉积工艺期间不断地使磁体11上下往复运动。
图9是示出根据本发明的移动器件70的另一实施方式的视图。如附图中所示，移动器件70使靶14不断地上下往复运动，同时磁体11被固定。为此，设置保持靶14并连接到移动器件70的夹具71。
如果在溅射期间像这样扫描磁体11或靶14，则靶(参见图10的14b)在整个范围上被均匀地消耗，并且可以被均匀地使用，并且因此，显著增加高成本的靶的利用率(参见图10)。
图11是示出遮板80的视图。遮板80防止沉积材料在PECVD工艺期间沉积在溅射阴极10上，具体地，沉积在靶14上。具体地，遮板80配置成波纹管的形式，该波纹管固定到形成在腔室40的顶部上的引线(lead)41并在竖直方向上膨胀和收缩。因此，遮板80在CVD工艺期间膨胀以包裹溅射阴极10并防止污染，并且遮板80在溅射工艺期间收缩上升以暴露溅射阴极10。
本发明的实施方式还包括用于在腔室内部的被处理材料上进行沉积的PECVD阴极(参见图1)。
图12是示出PECVD阴极的视图。PECVD阴极100包括磁体111、磁体固定管112、电极管113和电极保护管。在本实施方式中，石英管114设置为电极保护管。
具体地，根据本发明，应理解，多个磁体111安装成彼此面对相同的磁极。因此，当完成组装时，磁体布置成在相邻的磁体之间产生排斥力。像这样布置磁体以增加磁体111的表面高斯。因此，由于沉积速度和平均自由程增加，所以薄膜均匀地形成在被处理材料上，从而改善膜的性质。
在本发明中，由于磁体像这样布置成产生排斥力以增加表面高斯，因此需要磁体固定器件。根据本发明，磁体固定轴是磁体固定器件的示例。
参照图13和图14，磁体111形成为圆柱形柱的形状，通孔111a形成在磁体111的中央处，并且固定轴131穿过通孔111a。最后，通过在磁体固定轴131的端部处接合作为紧固构件132的螺母而将磁体111布置和固定成彼此面对相同的磁极。像这样使用磁体固定轴131和紧固构件132，磁体111可以容易地布置和固定成彼此面对相同的磁极。
因此，显然地，螺丝攻形成在磁体固定轴131的端部处以接合紧固构件132。此外，可在磁体固定轴131的中央形成供冷却剂流过的流体通道116。
磁体固定管是磁体固定器件的另一示例。
在本实施方式中，电极管113是用于在供电时产生等离子体的构成组件，并且电极管113由铜材料或铝材料形成。
另一方面，如果通过在腔室内部产生等离子体来对被处理材料L执行PECVD工艺，则材料附着在电极管113的表面上。因此，应该定期清洗电极管113。因此，作为用于保护电极的构成组件的石英管114被制造成覆盖电极管113的外侧，从而使异物粘附到石英管114而不是电极管113。当然，不包括石英管114的配置也是可以的，并且具体地，可以通过对电极管113的表面而不是石英管114执行阳极化处理来解决粘附异物的问题。
此外，由于石英管114的表面是光滑的，因此可由于未粘附而脱落的膜产生颗粒。为了防止这种现象，可考虑移除石英管114并在电极管113的表面上形成氧化铝(A12O3)涂层。即，如果氧化铝(A12O3)涂层形成在铜材料的电极管113的表面上，则由于电极管的表面变得粗糙，因此在该过程期间粘附的膜不会脱落，并且因此不会产生颗粒。
参照图15，用于供应冷却剂的冷却剂供应孔la和用于排放冷却剂的冷却剂排放孔lb形成在PECVD阴极100的上部和下部，并且流体通道形成在冷却剂供应孔la与冷却剂排放孔lb之间。冷却剂流过形成在磁体固定轴131的中央处的流体通道116或通孔111a。此外，连接有电源117。
应确认，当在这种状态下供应电力117时，环状线圈形状的等离子体P形成在磁体111周围。环状线圈形状的等离子体P形成为与磁体111的数目一样多。
参照图16，应理解，由于等离子体是三维形成的环形形状，所以可以在PECVD阴极100周围进行360度PECVD工艺。即，通过将被处理材料以径向形状布置在PECVD阴极100周围，许多被处理材料可同时经受PECVD工艺。
此外，在矩形形状的被处理材料(例如，玻璃基板)的情况下，可通过将被处理材料布置成彼此面对来同时对一对被处理材料执行PECVD工艺。
另一方面，在本发明中，通过在磁体周围产生环形状的等离子体，可通过PECVD工艺在被处理材料的表面上形成绝缘膜、保护膜等，并且环形状的等离子体产生为与磁体的数目一样多。如果像这样执行PECVD工艺，则材料也沉积在石英管114的外周表面上，并且这可以引起问题。在没有石英管114的实施方式中，材料的膜沉积在电极管113的外周表面上。具体地，由于沉积材料不是均匀地沉积在石英管114或电极管113上，而是由于环形形状的等离子体P而在一些部分上厚沉积，因此在石英管114上形成具有波纹形状的截面的膜。在石英管114上沉积沉积材料是一个问题，并且此外，更大的问题在于沉积材料并非以均匀的厚度沉积，而是以具有波纹形状(波形)的截面沉积。在这种情况下，这是因为被处理材料上的沉积是不均匀的。沉积材料在磁体的中央部分沉积得更厚，并且因此，截面的形状为波形。
本发明提供了一种考虑到这种现象的移动器件。
移动器件是用于移动磁体以进行往复运动的构成组件。
参照图17，在根据本发明的移动器件170的实施方式中，对磁体111进行上下扫描，同时石英管114被固定。即，移动器件170是众所周知的驱动器件，诸如马达、汽缸等，并且在沉积工艺期间使磁体不断地上下往复运动。
图18是示出根据本发明的移动器件170的另一实施方式的视图。如附图中所示，移动器件170使石英管114不断地上下往复运动，同时磁体111被固定。为此，设置保持石英管114并连接到移动器件170的夹具171。
当移动器件170使磁体111或石英管114往复运动时，往复运动的冲程等于与磁体111的厚度对应的长度。
在PECVD工艺期间，如果磁体111或石英管114像这样往复运动，则尽管沉积材料被沉积，但是沉积材料以均匀的厚度沉积在石英管114上。因此，改善了被处理材料的等离子体处理的均匀性。
在下文中，将描述根据本发明的实施方式的操作状态。
参照图1，被处理材料L装载在腔室40内部。如附图中所示，被处理材料L以径向形状布置在溅射阴极10周围。
在这种状态下，首先，通过使用PECVD阴极100产生等离子体来预处理被处理材料的表面。预处理中不需要工艺气体。
接下来，通过移除遮板80来暴露溅射阴极10，并且使用溅射阴极10在被处理材料L的表面上溅射金属膜。
接下来，使用遮板80覆盖溅射阴极10，并且使用PECVD阴极100在金属膜上形成保护膜。此时，使用移动器件(图17和图18的170)上下扫描磁体111或石英管114。此外，显然地，歧管120此时供应预定的工艺气体。
即，在本发明中，可以在溅射阴极10周围进行360度溅射，并且此外，可以在腔室中依次执行PECVD工艺和溅射工艺。
具体地，本发明可通过将溅射阴极10的磁体11或PECVD阴极100的磁体111布置成彼此面对相同的磁极来显著增加表面高斯，从而增加等离子体密度，并且具体地，即使在高真空氛围中也可以产生等离子体。
替代地，根据本发明的实施方式可用作另一过程。
例如，在将被处理材料L装载到腔室内部之后，通过使用PECVD阴极100在被处理材料L的表面上产生等离子体来形成保护膜。此时，歧管120供应预定的工艺气体。此外，使用遮板80覆盖溅射阴极10，以防止沉积材料沉积在溅射阴极10上。
接下来，通过收缩(升高)遮板80来暴露溅射阴极10，并且使用溅射阴极10在保护膜上溅射金属膜。
接下来，可以按照使用遮板80覆盖溅射阴极10并且使用PECVD阴极100在金属膜上形成保护膜的顺序来执行该过程。
尽管本实施方式中描述了溅射阴极10被覆盖并且所有PECVD阴极100设置在腔室内部，但是替代地，可仅在腔室内部设置溅射阴极10或PECVD阴极100。由于在任一种情况下等离子体均形成为环形线圈形状，因此可以在360度范围内的所有方向上执行等离子体处理。
工业适用性
本发明可以以各种形式在工业中使用，诸如通过在溅射装置或PECVD装置中产生等离子体而形成薄膜、涂层等。
Claims (13)
1.一种用于等离子体处理设备的阴极，所述阴极包括：
电极管，由导电材料形成，并且具有中空的中央；以及
多个磁体，设置在所述电极管内部，并且布置成彼此面对相同的磁极。
2.根据权利要求1所述的阴极，其中，通孔形成在所述磁体的中央处，以及布置成彼此产生排斥力的所述磁体由穿过所述通孔的磁体固定轴固定。
3.根据权利要求1所述的阴极，其中，环形线圈形状的等离子体形成在所述磁体周围。
4.根据权利要求1所述的阴极，还包括移动器件，所述移动器件用于使所述磁体进行往复运动。
5.根据权利要求4所述的阴极，其中，所述移动器件以与所述磁体的厚度相同的冲程使所述磁体进行往复运动。
6.一种设置成在溅射装置中产生等离子体的溅射阴极，所述溅射阴极包括：
电极管，由导电材料形成，并且具有中空的中央；
多个磁体，设置在所述电极管的内部，并且布置成彼此面对相同的磁极；以及
靶，由靶材料形成，所述电极管安装在所述靶中。
7.根据权利要求6所述的溅射阴极，还包括移动器件，所述移动器件用于使所述磁体或所述靶往复运动以均匀地消耗所述靶。
8.根据权利要求6所述的溅射阴极，其中，通孔形成在所述磁体的中央处，以及布置成彼此产生排斥力的所述磁体由穿过所述通孔的磁体固定轴固定。
9.一种设置成在PECVD装置中产生等离子体的PECVD阴极，所述PECVD阴极包括：
电极管，由导电材料形成，并且具有中空的中央；以及
多个磁体，设置在所述电极管内部，并且布置成彼此面对相同的磁极。
10.根据权利要求9所述的PECVD阴极，其中，设置围绕所述电极管的外周表面的电极保护管。
11.根据权利要求10所述的PECVD阴极，还包括移动器件，所述移动器件用于移动所述磁体或所述电极保护管以形成均匀的薄膜。
12.根据权利要求9所述的PECVD阴极，其中，氧化铝(A12O3)涂层形成在所述电极管的表面上。
13.根据权利要求9所述的PECVD阴极，其中，通孔形成在所述磁体的中央处，以及布置成彼此产生排斥力的所述磁体由穿过所述通孔的磁体固定轴固定。
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