CN110382732A - 高吞吐量真空沉积源及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高吞吐量真空沉积源及系统。一种高吞吐量沉积装置，包括一处理室，在该处理室中形成第一闭环的多个靶，其中，所述第一闭环包括由至少第一对靶定义的一长维度以及由至少第二对靶定义的一短维度，第一衬底基板载体组件，其可承载一或多个衬底基板，并配置为接受来自所述第一闭环的多个靶的沉积材料，和一传送机构，所述传送机构可移动所述第一衬底基板载体组件沿轴向方向通过所述第一处理室中的所述第一闭环。

Description

高吞吐量真空沉积源及系统

技术领域

本申请涉及材料沉积技术领域，更具体地涉及一种高吞吐量沉积装置。

背景技术

真空材料沉积被广泛应用于光伏电池和电池板生产、窗口玻璃镀膜、平板显示器制造、柔性衬底上涂料、磁铁硬盘制造、工业表面涂层、半导体晶圆加工及其他用途。

用于这些应用的大批量生产系统通常包括互连的箱形腔室，内含一排或两排衬底基板，其中真空室的每一侧安装有一组或两组沉积源。沉积源包括化学气相沉积(chemicalvapor deposition，CVD)和溅射沉积。溅射沉积的材料利用率通常介于20％(低成本平面靶)到80％(高成本旋转靶)。在一些传统的溅射沉积系统中，为了在整个衬底基板上实现良好的沉积均匀性，溅射源需要比衬底基板大，从而导致在衬底基板以外沉积材料的浪费以及在沉积室或沉积遮挡板上材料的过量沉积。需要更换沉积遮挡板以避免颗粒形成是预防性维护(preventive maintenance，PM)和生产时间损失的主要原因之一。为了补偿溅射靶的有限尺寸，更多的材料必须从靶的边缘溅射出，以实现良好的厚度均匀性，导致靶边缘附近更严重的侵蚀和低的靶材利用率。到达衬底基板的靶材等离子体密度和溅射原子角分布本质上是不均匀的。安装在靶后面的磁铁用于增强等离子体密度。这些磁铁由交替的北极和南极组成，产生的磁通线从靶表面贯穿至衬底基板。来自靶或靶附近的电子由于靶材电压建立的电势而获得能量，沿这些磁通线流动，并轰击衬底基板。这些高能电子会破坏衬底基板并且在衬底基板表面上的分布是不均匀的。

在一些传统的等离子体增强化学气相沉积系统(plasma enhanced chemicalvapor deposition systems，PECVD)中，具有穿孔的气体分布板紧邻衬底基板平行放置。射频(radio frequency，RF)电源与气体分布板相连以产生等离子体，从而增强沉积速率。典型的真空压力保持在0.1-10Torr的范围内以维持等离子体，并且等离子体密度通常较低。低等离子体密度限制了沉积速率并且在气体分布板上需要高电压来产生等离子体。高操作气体压力导致过量的气相反应并且降低材料利用率。

因此，需要一种更高吞吐量的沉积系统，能够提供均匀的沉积，减少等离子体损伤，扩大工艺窗口，增加产量，提供更高生产率，提供更高材料利用率，减少衬底基板外部的材料沉积，增加系统维护之间的时间间隔，降低目标成本，降低设备成本。

发明内容

本申请公开了一种高吞吐量(高产能)沉积装置，能够降低设备成本，改善沉积均匀性，增加处理室中衬底基板的数量，减少沉积材料的浪费，并且提供高产能的衬底基板处理。通过降低更换沉积材料和沉积遮挡板的需要或频率来提高操作时间。

传统的在线沉积系统包括相连接的箱形真空室，内含一排或两排衬底基板或衬底基板载体，能够在沉积系统中移动，并从安装在沉积系统的任一侧或两侧的沉积源接收沉积材料。每个沉积源每次仅朝向一排衬底基板。在本发明中，沉积源形成一三维闭环，两排衬底基板以背靠背的方式放置并通过沉积源进行沉积，从而使每个沉积源的系统吞吐量加倍。三维闭环沉积源仅具有一单个闭环磁场以限制电子并增强等离子体，这比在平面或圆柱形表面上的传统闭环明显更均匀，在传统闭环内，电子必须在靶边缘附近进行急转弯。本发明公开的系统可以360角度沉积材料以进行本质上均匀的沉积。单个闭环磁体组件可以产生基本平行于靶表面的磁场，避免了直接磁通量到达衬底基板，防止高能电子到达衬底基板，并且能够实现更好的靶腐蚀均匀性和靶利用率。

在本发明中，沉积源安装在沉积室内。在一种实施方式中，两排衬底基板可以背靠背的方式一次完成沉积。沉积源和衬底基板的数量并不限于两排。例如，可以有4，6，8......排衬底基板背靠背地安装在2，3，4......排衬底基板载体上。通过这种方式，本发明所述系统吞吐量大大增加。

本发明一方面可以使用圆柱形真空封壳，因其可以承受比箱式真空封壳更大的压力差，因而可以使用更薄的腔壁来保持真空压力，制造成本较为低廉。并且与箱形真空腔室相比，圆柱形腔室需要更少的焊接，从而进一步降低了成本。值得注意的是，常规的真空沉积系统使用的平面或旋转的镀膜源和靶需被安装到一个平坦的表面，与箱式真空腔体兼容而不与圆柱式真空腔体兼容。

在一个总的方面，本发明涉及一种高吞吐量沉积装置，包括：处理室；多个靶在该处理室中形成第一闭环，其中，该第一闭环包括由至少第一对长度长的靶和由至少第二对长度短的靶；第一衬底基板载体组件，其可以承载一或多个衬底基板并从第一闭环中的多个靶接收沉积材料；传送机构，可沿轴向移动第一衬底基板载体组件通过第一处理室中的第一闭环。

该系统的实现可能包括一个或多个下述方法：

多个靶沿第一闭环排列成一闭环，靶的边缘可呈坡度形状(从中央到边缘逐渐变薄)。一个或多个衬底基板可具有一个或多个平面沉积表面用以接收沉积材料，其中一个或多个平面沉积表面与第一闭合环的长维度平行。第一衬底基板载体组件可包括多个夹具；一对衬底基板由多个所述夹具以背靠背的方式夹紧，该对衬底基板包括相应的表面，能够从第一闭环中的多个靶接收沉积材料。第一衬底基板载体组件可包括加热板，用以对一个或多个衬底基板加热。第一衬底基板载体组件可包括第一衬底基板，该衬底基板包含相应表面，可从第一闭环中的多个靶接收沉积材料。传送机构可包括安装在第一衬底基板载体组件下方并且配置成沿轴向滚动的轮子。第一衬底基板载体组件还包括在一个或多个置于衬底基板下方和轮子上方的缓冲材料。第一闭环可定义一垂直于轴向的平面。高吞吐量沉积装置还可包括在所述处理室中多个靶形成的第二闭环，其中第二闭环包括由至少第三对靶所限定的长维度和由至少第四对靶所限定的短维度；第二衬底基板载体组件可承载单个或多个衬底基板，所述衬底基板被配置为从该第二闭环中的多个靶接收沉积材料，其中传送机构可沿轴向移动第二衬底基板载体组件穿过第一个处理室中的第二个闭环。第一和第二衬底基板载体组件沿基本彼此平行的不同轨道移动。通过放置两组沉积源、两组衬底基板载体组件和两组轨道，系统的吞吐量可以加倍。第二衬底基板载体组件可包括多个夹具；一对衬底基板可由多个夹具以背靠背方式夹紧。高吞吐量沉积装置还可包括：一组沉积遮挡板，安装在位于处理室中第一闭环中的多个靶附近的轴上；一旋转机构，可旋转该轴以允许该组中不同沉积遮挡板阻挡来自多个靶的一部分沉积材料。高吞吐量沉积装置还可包括多个磁体，其在处理室中形成一第三闭环，其中多个磁体位于由多个靶形成的第一闭环外侧。高吞吐量沉积装置可进一步包括安装靶的一靶垫板；一弹性密封件，位于该靶垫板和该多个靶之间；以及一通道，位于该多个靶和该靶垫板之间，该通道可以输送气体以冷却该多个靶。

在另一个方面，本发明涉及一种吞吐量沉积装置，包括：一处理室；多个沉积源，在该处理室形成第一闭环；第一衬底基板载体组件，其可以承载一个或多个衬底基板并且被配置为从该第一闭环中的多个沉积源接收沉积材料，其中沉积源可以产生用于CVD或PECVD的蒸汽；一传送机构，可以沿轴向移动第一衬底基板载体组件通过第一处理室中的第一闭环。

在本申请附图、说明书及权利要求中对上述实施方式及其他特征均进行了详细描述。

附图说明

图1A是根据本发明的衬底基板载体的透视图，其中多个衬底基板置于可选择配备的加热器的两侧。

图1B是图1A中的衬底基板载体的截面透视图。

图1C是图1B中的衬底基板载体顶部的详细视图。

图1D是图1B中的基板载体底部的详细视图。

图2A-2B分别示出了与所披露的高吞吐量沉积装置兼容的，由间隙分开的两个衬底基板载体的透视图和侧视图。

图3A-3B分别示出了与所披露的高吞吐量沉积装置兼容的，置于箱装锁闭室或真空室中的两个衬底基板载体的侧视图和透视图，其具有示例性传输机构。

图4A示出了两个锁闭室和两个真空室，它们彼此连接形成一高吞吐量沉积装置。

图4B示出了多个锁闭室和多个真空室，它们彼此连接形成一高吞吐量沉积装置。

图5示出了圆柱形真空室内的两个衬底基板载体的侧视图。

图6A-6D示出了一在线沉积系统，包括两排衬底基板载体，这些基板载体通过箱装锁闭室和圆柱形真空室传送。图6A示出了该系统的透视图；图6B示出了为清楚起见而移除真空室封套的该系统；图6C显示了锁闭室的细节；图6D示出了沉积源和两排衬底基板载体。

图7A示出了可安装于真空室内的矩形闭环磁控溅射源。图7B为该溅射源的横截面图，示出了闭环靶和单个磁体。图7C示出了具冷却通道的该溅射源的细节。图7D示出了能够实现闭环等离子体形成的八边形溅射源。图7E示出了置于图7D沉积源外部的可选择配备的遮挡板组，用来降低真空室腔壁上的材料沉积，还用于调节衬底基板上的沉积均匀性。

图8示出了图7E溅射源的横截面。

图9A和9B示出了PECVD源的横截面，其中图8中的靶被气体分布板所替代。

图10A示出了具有较窄闭环磁控管的闭环矩形靶，所述磁控管可以扫描靶表面以增加溅射靶的尺寸并增加靶材利用率。图10B示出了由导电线圈包围的闭环矩形靶或喷淋头(shower head)，其形成电磁体以增强等离子体密度。

图11A示出了长时间运行后图7D和图8中所述溅射靶在其宽度上的侵蚀情况。

图11B示出了长时间运行后图7D和图8中所述中溅射靶在其长度上的侵蚀情况。

图12所示靶呈坡形，以提高溅射速率并减少所需的初始沉积材料，从而提高靶材利用率。

图13A示出了图10B中的电磁体和溅射靶的横截面。图13B示出了图10B中的CVD或PECVD沉积源的横截面。

具体实施方式

在本发明中，衬底基板(如玻璃、硅晶片或其他类型)依附于衬底基板载体。衬底基板被夹紧固定在衬底基板载体上，其背面彼此相向，或者其背面朝向一可选择配备的加热器或一可选择配备的安装板。其待沉积的表面朝外。图1A-1D示出了衬底基板载体组件100的透视图。如图1A所示，该衬底基板载体组件100包括安装在框架105上的六个衬底基板110。三对衬底基板110通过夹具120背靠背地夹紧在薄加热器130。图1B示出了衬底基板载体组件100的截面部分。图1C示出了衬底基板载体组件100的上部。两个(玻璃)衬底基板110由夹具120夹紧在薄加热器130上。薄加热器130在衬底基板区域外侧140处具有电连接。加热器接触面140可以是一暴露的导体垫，或一连接到框架105的导线。可以通过将一导电棒接到上述加热器连接器上实现电连接，或者通过上述加热器连接器与彼此电绝缘的上导轨和下导轨连接实现。上导轨和下导轨压靠在沉积系统中的移动机构上。移动机构可以连接到电力。这些加热器是市售的，可以将衬底基板加热到1000℃。或者，加热器130可以是连接在上导轨和下导轨之间的电阻导线。

图1D示出了衬底基板载体组件100的下部，衬底基板110，加热器130和一可选择配备的用于释放应力的缓冲材料150。衬底基板110置于缓冲材料150上以释放应力并在其运动期间减缓冲击。缓冲材料150可由高温聚合物材料制成，例如聚四氟乙烯，全氟橡胶，聚酰亚胺，或者金属弹簧。

在一些实施例中，衬底基板载体组件100包括一衬底基板110，该衬底基板包括相对的两个沉积表面，两个沉积表面均暴露于靶进行双面沉积。在其他实施例中，衬底基板可单独或背靠背地直接放置在移动机构上而不需要框架。

图1A-1D中的配置具有以下优点：安装较传统单侧载体两倍的基板数，从加热器吸收最大量的热量，并减少基板所承受的应力点和冲击。如衬底基板两侧均需沉积，则将一组基板安装到安装板上。对于较大的衬底基板，其一个或者两个可在沉积系统中的移动机构上移动而无需载体。

参照图2A和图2B，衬底基板载体组件100可通过轮子210或轨道220上的其他装置被移动到一真空系统中。靠近载体底部的轮子210支撑基板载体和基板的上部，或者衬底基板载体可通过轮子或其他装置引导以保持它们的位置。轮子210可通过许多配置实现。通过所述轮子210的移动传送基板载体组件100。衬底基板载体组件100的顶部可包括支撑轮，磁力或凸轮从动件(图2A和2B中未示出)，以保持载体的直立位置。载体下方的轮子将载体移动到真空室中或真空室之间。此处未示出真空室与大气之间以及真空室之间的真空封壳和隔离阀。

两个或多个主衬底基板载体组件100可一次被移动到每个真空室或真空室之间，从而增加了真空系统处理能力。真空系统成本的增加相对较小，因为与较窄的腔室相比，加宽真空腔室所需的材料是有限的。在同一真空室中的全部基板载体组件100可同时被转移，以最小化转移时间。

图3A和图3B示出了箱形真空室300内的两个主衬底基板载体组件100。为了进入高吞吐量真空沉积系统，衬底基板载体组件100被置于一锁闭室内。在衬底基板载体组件被移入沉积系统之前，将该锁闭室抽气至低压。在衬底基板载体组件被移入沉积系统之后将该锁闭室进气至大气压以接收下一组衬底基板载体组件。为了减少抽气和进气时间，需要小的锁闭室容积。尽管箱形真空室的成本高于圆柱形真空室，箱形真空室300或多个各室只包含一单个主衬底基板载体的箱形真空室亦是可取的。

加热器，沉积源310(如化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD))，或蚀刻源可置于衬底基板载体组件100的两侧，以进行加热，材料沉积或材料去除。图3A示出了具有必要加热器，沉积或蚀刻源的真空处理系统。图3B为从外部来看的真空室的透视图，示出了狭缝320，其用于传送衬底基板载体组件100进出箱形真空室300。对于等离子体源，可以在两个相对的源之间施加电力或单独地给每个源施加电力。

通过连接多个真空室和隔离阀，可形成一真空沉积或处理系统。图4A示出了一沉积系统400，其包括两个真空沉积室410、415和沿轴向连接的两个隔离阀420、425。图4B示出了一沉积系统450，其具有12个真空沉积室和两个大气室480，所述大气室用于在大气压强下加热衬底基板。该沉积系统450可用于沉积大量衬底基板，例如光伏太阳能电池板。所述轴向指平行于衬底基板移动的方向。

圆柱形真空封壳比箱形封壳可更好地承受真空压力，使用更小的腔壁厚度，需要更少的焊接，并且制造成本更低。图5示出了图3A中的箱形真空室300由一圆柱形真空室所替换的情况。

多个圆柱形真空室相连可形成一真空沉积系统，该系统具有圆柱形锁闭室或箱形锁闭室。图6A示出了这种装置的透视图，其中每个衬底基板载体均具单独的箱形锁闭室。多个衬底基板载体组件也可使用同一个锁闭室而非使用各自单独的闭锁室。各个单独的闭锁室可以共享同一组泵和压力测量，以节约成本。参照图6A-6D，一种高吞吐量沉积装置600，包括两个入口锁闭室610，一入口缓冲室620，一第一处理室630，一第二处理室650，一出口缓冲室660和两个出口锁闭室670。该高吞吐量沉积装置600还包括沉积源680。参考图6B，为清楚起见移除真空封壳，传输系统615移动衬底基板载体组件625通过闸阀617和沉积系统600。沉积源可包括用于PVD的溅射靶和磁体。沉积源还可以产生蒸汽，用于CVD或PECVD。这里仅示出了两排衬底基板载体和两排沉积源。本发明中可以使用三排或更多排衬底基板载体组件和沉积源。沉积源和传输系统可以安装在框架635上，框架635附接在圆柱形腔室。框架可以由焊接条或焊接板制成，或者由诸如美国的80/20公司制造的单独的条组装而成。也可以使用箱形真空室代替圆柱形真空室，在这种情况下，框架635则不是必需的。

沉积源可以组装成一围绕衬底基板载体组件625的闭环。该闭环可定义一基本上垂直于轴向605的平面(图6B)。这种沉积源可以实现更好的沉积均匀性并提高沉积材料在衬底基板上的捕获效率。闭环沉积源最小化了溅射沉积，CVD和PECVD中的边缘效应，并提高沉积材料的利用率。在等离子体增强沉积中，如溅射沉积和PECVD，闭环沉积源借助于磁场允许电子在闭环中运动，显着增加了工作等离子体密度并降低了操作压力。

图7A示出了一矩形沉积源的透视图，其具有4个溅射靶或用于CVD或PECVD的4个气体分布板。对于溅射沉积，靶数目可以多于4个，以使相邻靶之间的夹角增大，超过90度，并减少来自相邻靶的再沉积。例如，彼此朝向的2个长尺寸靶决定了闭环的长维度，6个短尺寸靶定义了闭环的短维度。其中，每3个短尺寸靶如图7D所示首尾相连。

参照图7A和7B，多个靶或沉积源710可彼此靠近放置以形成基本上闭合的环720。每个靶或沉积源710基本上呈矩形以降低成本。沉积源710可以是溅射源，溅射靶，CVD或PECVD源，加热器或气体分布板。在一些情况下，单独的沉积源710可以由一个或多个集成沉积源代替，从而减少沉积源的数量及系统成本。溅射靶或沉积源710可形成一多边形闭环，其中两长尺寸溅射靶或沉积源与其所朝向的衬底基板平行。

由电线圈或永磁体形成的磁场能够在溅射、PECVD或基板蚀刻中增强等离子体密度，改善等离子体均匀性，并降低操作压力。电子在劳伦斯力和电极电压或靶电压下漂移，并在闭环靶或沉积源表面上形成闭环。该等离子体均匀性优于传统的平面磁控管，平面磁控管中电子必须在靶末端附近急转弯，以在相同的平面或圆柱形沉积源上形成闭环。闭环的一种特殊情况为矩形闭环，其占用体积小并允许更多沉积源安装在处理室内，如图7A所示。

参考图7C所示等离子体沉积源的透视截面图，一沉积源750，如溅射靶或用于PECVD的喷淋头(shower head)，安装到一靶垫板755，所述靶垫板具冷却通道780。如图所示，磁体761或安装在靶垫板755中或安装在绝缘体762中，以形成闭环磁场。阳极板760安装到绝缘体762，以在操作期间向靶垫板755提供电压偏置。

闭环的另一特殊情况为具有两个长的相对朝向的靶或喷淋头表面701，如图7D所示。多边形的其余部分由4，5，6或更多个较短尺寸的平面靶表面或较短尺寸的平面沉积源表面705组成，如图7D所示，其中2个长尺寸靶701和6个较短尺寸的平面靶705由靶垫板保持位置(靶垫板未示出)。阳极遮挡板702与靶或喷淋头701和705电隔离。闭环的又一特殊情况为两个长尺寸靶或沉积源表面和形成弯曲表面的端部件。

在图7E中，2到4个遮挡板703作为一组安装在沉积源外部，这些遮挡板703减少了真空系统和衬底基板上的沉积，并且通过对遮挡板的形状改变衬底基板的遮挡区域，可实现对基板沉积均匀性的微调。多个遮挡板703安装在一个轴上，该轴可通过旋转机构704进行转动，从而使不同的遮挡板面向沉积源。一组遮挡板703可具有不同的阻挡区域，以补偿沉积源整个寿命期间的均匀性变化。图8示出了图7E溅射源的横截面，其中两个衬底基板安装到具有加热器和边缘阴影掩模的衬底基板载体上。

参照图8，溅射靶810安装在靠液体冷却的靶垫板815上，通过常规粘合的方式或是依靠如夹具或闭环中其他靶810之间的机械力。弹性密封件776可用于密封靶810后面的空间，并且可使用气体对该空间增压并冷却靶810。测试数据结果显示当装上新靶时该空间可维持超过10Torr的压力，同时仍保持处理室中压力低于0.0005Torr。当靶接近寿命终点时，靶810上开始出现孔洞，导致其背侧压力出现变化，该压力降低可用来检测靶寿命的结束并提高靶利用率。在靶粘合成本上的节省也很可观。

磁体820和可选择配备的用于扩大磁场的顺磁材料放置在靶810后面以形成闭环。这些永磁体的宽度每端应比靶宽度短至少3mm。较短的磁体宽度使得阳极遮挡板可置于靶的后面并避免直接接受沉积。中段磁体可与端部磁体不同，以实现靶利用率的优化。在一些情况下，如果端部磁体之间的间隙足够小，则可以不存在中段磁体825。该磁体820在靶810的中央附近产生一基本平行的磁场。图11A示出了靶810中央附近的靶腐蚀情况，其靶利用率约为80％。在靶边缘附近，磁场开始与中央靶表面形成更大的角度，靶利用率在靶边缘附近减小。提高靶利用率的一种有效方法是使靶边缘附近的靶表面与中心靶表面形成角度并使靶边缘变薄。这样一来，不仅减少了初始材料的用量，并且溅射表面与靶边缘1200附近的磁场更为平行靶表面，同时增加了靶的溅射速率，如图12所示。从而可以实现60％以上的靶利用率。

当电子在磁力约束下沿闭环溅射或沉积源漂移时，电子必须在闭环的末端转向并造成一些电子丢失。超时运行后的靶侵蚀测量显示靶材在靶的一端下降，如图11B所示。在使用13.56MHz的射频(RF)溅射时，该效应较DC溅射更为明显。一种方法是相应地增加低腐蚀区域下的磁强度。另一种方法是对每个沉积层使用两个沉积源，其中两个沉积源具有方向相反方向的磁力以减少不均匀性效应。图11B中，沿电子漂移路径溅射速率的逐渐增加将通过第二个溅射源中沿电子漂移路径溅射速率的逐渐降低来补偿，第二个溅射源具相反方向的磁场并因此具相反方向的电子漂移。靶末端附近侵蚀速率的降低是由来自邻近靶的再沉积造成的。

为防止材料沉积到真空室腔体上，可在沉积源周围安装多个可旋转的遮挡板。图7E示出了这种配置，图8示出了从顶部观察时的截面图。大部分沉积可被遮挡板所阻挡。通过旋转遮挡板，沉积可分布到所有遮挡板的两侧，增加了更换遮挡板之间的时间。遮挡板的另一个用途是调节衬底基板上的沉积厚度；在靠近每个衬底基板同时靠近沉积源处可插入一个或多个遮挡板。通过改变遮挡板的形状，可以从衬底基板上阻挡不同量的沉积材料，直到实现良好的均匀性。多个遮挡板可安装在可旋转的杆上；可将不同的遮挡板旋转到靶的不同寿命期间的位置来调节沉积均匀性以考虑沉积分布的变化。这些可旋转杆可通过链条或皮带连接到外部马达或手动旋转装置。

在溅射系统中，遮挡板围绕溅射靶放置以防止在沉积室室体上的沉积并同时用于收集沉积材料。这些遮挡板必须进行更换以防止过多的材料堆积及颗粒形成。由于在闭环靶的布置中，大部分被溅射的材料到达衬底基板上或是相对或相邻的靶上，因此在遮挡板上的沉积要少得多。为了进一步减少阳极遮挡板上的再沉积，阳极遮挡板可如图8所示隐藏在靶的后面。来自靶表面的材料不会直接沉积到阳极遮挡板上，其上沉积的仅为散射的沉积材料。我们发现阳极遮挡板上沉积的材料不到衬底基板上沉积材料的5％。腔室遮挡板上会有直接沉积，但由于溅射源与腔室遮挡板之间距离很大，该沉积厚度更小。各种遮挡板上沉积材料的减少可大大增加系统维护之间的时间间隔，增加系统正常运行的时间。

参考图12。由于靶之间彼此机械支撑，因此与靶垫板1215粘合的靶是可选择配备的，从而可实现可观的成本节约。靶垫板1215通常通过循环冷却剂进行冷却，为了进一步改善其与靶之间的热传递，可在置于它们之间的冷却通道1230内充入气体，如工艺气体氩气或氦气。可选择配备的密封件，如O形环1276，可用于靶1210和支撑板1215之间，以进一步增加靶后面的压力，改善热传递。随着靶被溅射掉，靶后的气流量和压力可被监测到，当某一靶到达寿命终点时，该靶上会形成一个小孔，从而导致压力迅速下降。该压力下降可用于指示靶寿命的终止，从而可实现最大靶利用率。

在某些情况下，会使用非常厚的靶来延长溅射源的寿命；这些靶的一侧突出阳极遮挡板之外并暴露于等离子体中。

如图9A所示，磁体环可扫描更大的沉积表面以进一步改善平均等离子体均匀性，增加靶的尺寸并在溅射的情况下增加靶材利用率。导电线圈也可以代替固定磁体以增加等离子体面积，如图9B所示。通过在闭环中捕获高能电子而增强的等离子体密度可降低PECVD的操作压力，减少气相反应，大大增加PECVD气体利用率。磁场增强PECVD较低的操作压力也扩大了工艺窗口，增加了单个原子或分子的能量，改善了材料特性。

CVD或PECVD沉积源包括至少一对彼此相对的沉积源。

参照图10A，永久磁体环730扫描沉积源710的背后，扫描之后磁体环在靶表面周围提供均匀的磁场和大部分靶区域上均匀的靶材料消耗，从而增加靶材利用率。

或者，参考图10B，冷却外壳760内的电线圈740(图10B中未示出，图13A中示出)提供磁场，电子在环路中移动，在沉积源710的表面附近形成均匀的等离子体。这种均匀的等离子体可以改善溅射靶利用率或PECVD均匀性。磁通量基本上平行于靶或喷淋头表面，并形成一大面积的等离子体。每单位面积等离子体加热量降低，可以允许更高的沉积速率与降低溅射中的靶温度。图13A示出了图10B的横截面，PVD源745的具体设计包括靶750，靶垫板755，阳极遮挡板761，靶垫板绝缘体762和侧绝缘体764，以及冷却器760中的电线圈740。在如图10A所示扫描永磁溅射中，电线圈740及其冷却器760被移除，一闭环永久磁体放置于靶750和靶垫板755后，该磁体形成至少一平行磁场分量。

在PECVD源770中，靶750由喷头778代替，如图10B所示，其中流进的工艺气体被输入气体分布板775，以尽量降低气体入口和远离气体入口位置之间的气流差异的影响。。喷淋头778进一步使气体流速均匀并提供用于等离子体形成的电极。靶垫板绝缘体762和侧绝缘体764将等离子体限制在喷淋头区域。电线圈740是可选择配备的，其可增加等离子体密度并降低操作压力。

永久磁体还可替换图13B中的电线圈740而形成一闭环磁场。图9A和9B示出了图7E和7D中的闭环沉积源的横截面，其中溅射靶用气体分布板代替。图9A中示出了可选择配备的密封件和可选择配备的沉积遮挡板和弹性密封件776。

在一连续运行的沉积系统中，参见图6A-6D，一或多个衬底基板载体组件安装于入口锁闭室中，抽真空，之后被移至一可选择配备的入口缓冲室进行加热或清洁，再被移至一更大的处理室中，在该处理室中，载体组件开始恒速运动通过沉积源，之后转换回离散运动通过可选择配备的处理缓冲室，如果需要不同的处理或/和处理环境，则再连续移动通过更多的处理室。接着，载体组件移动通过可选择配备的出口缓冲室后进入出口锁闭室，放气至大气压并移出沉积系统。个体衬底载体的运动由离散到连续运动以满足装料和沉积的需要。可选择配备的各种缓冲腔室提供真空或工艺隔离，以减少交叉污染，也用来作为闸阀前的临时等待区域，以完成装料需要的离散运动和工艺需要的连续运动之间的转换。

沉积源发射出的大部分材料沉积在衬底载体组件及其遮挡板上，但它们可在真空系统外部进行清洁。其他沉积源可以被重新溅射而清洗干净，或如是CVD沉积源被化学清洗，或被各种阳极遮挡板所接受。

在使用扫描磁控管的溅射沉积(如图10A所示)或配置静磁场的溅射沉积(如图8所示)中，只需要一个磁环。如果使用了一较长的靶，此发明可采用更宽的磁铁来增大溅射的侵蚀面积，而不太多影响靶材料利用率。磁场的强度可以相当大，可以使用比传统的平面或旋转靶厚得多的靶材料。更厚和更长的靶材料降低更换频率。电磁铁允许甚至更厚的靶材料。结合沉积腔室表面沉积减少，系统由于替换靶材料和阻挡板的停机时间也大大减少。此外，维护劳动工和靶更换、校准和系统鉴定、系统进入正常工作的时间及浪费的衬底基板也会大大减少。结合本发明中强磁场和大等离子区面积，可以降低溅射靶或喷淋头上的电压，减少高能量的离子和电子对衬底所造成的损害。。

以上只是描述实现本发明的几个例子。在没有偏离本发明的精神下，其他的实现方式、改变、修改和增强也可实现本发明的优越性。在CVD或PECVD应用中，磁场是可选择性的使用，而不是必须的。

综上所述，本发明所公开的系统包括以下一个或多个特征：

1、靶和磁体分别以闭环形式放置，其中两长尺寸的靶或气体分布板与衬底基板的沉积表面平行；

2、闭环靶的两个边缘处，设置为曲面或与中心靶面形成角度，以减少来自相邻靶的再沉积；

3、放置在靶后的磁体短于靶宽。靶中央部位的磁场强度可不同于边缘部位，以便更好地利用靶材；

4、靶边缘与中心靶面形成角度以进一步提高靶利用率；

5、闭环中的靶不必通过粘合，可靠机械夹紧在一起；

6、弹性密封件和气体可一起用于靶表面的冷却及监测靶使用寿命的终点；

7、阳极遮挡板可置于靶的后面，以降低其上的沉积厚度，缩短维护之间的时间间隔；

8、可使用遮挡板组来减少在腔室上的材料沉积，并调节衬底基板上沉积的均匀性；遮挡板可被旋转和更换；

9、沉积源可成对使用，并具有相反的磁场方向，以最小化非均匀电子漂移的影响；

10、衬底基板可背对背安装在可选择配备的加热器上；

11、沉积源可从真空室内部安装；同一系统中可安装多排沉积源；

12、该系统可使用圆柱形真空封壳；

13、基材可放在软垫上以减少破损。

Claims (23)

1.一种高吞吐量沉积装置，包括：

处理室；

多个靶，其形成所述处理室的第一闭环，其中，所述第一闭环包括由至少第一对靶定义的长维度和由至少第二对靶定义的短维度；

第一衬底基板载体组件，其承载一或多个衬底基板，并接受来自所述第一闭环的所述多个靶的沉积材料；以及

传送机构，其配置成移动所述第一衬底基板载体组件沿轴向通过第一处理室中的所述第一闭环。

2.如权利要求1所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，靶沿所述第一闭环排列，靶的边缘与中心靶面形成角度。

3.如权利要求1所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，一或多个衬底基板具有一或多个平面沉积表面，用以接受沉积材料，所述一或多个平面沉积表面平行于所述第一闭环的长维度。

4.如权利要求1所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述第一衬底载体组件包括：

多个夹具以及背靠背由所述夹具加紧的一对衬底基板，该对衬底基板包含相反方向表面，用以接受来自所述第一闭环的所述多个靶的沉积材料。

5.如权利要求1所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述第一衬底载体组件包括：

加热板，用以加热一或多个衬底基板。

6.如权利要求1所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述第一衬底载体组件包括：

第一衬底基板，其包含相反方向表面，用以接受来自所述第一闭环的所述多个靶的沉积材料。

7.如权利要求1所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述传送机构包括：

轮子，其安装在所述第一衬底基板载体组件下方，并沿轴向滚动。

8.如权利要求7所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述第一衬底基板载体组件还包括位于一或多个衬底基板下方和所述轮子上方的缓冲材料。

9.如权利要求1所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述第一闭环定义的平面与轴向垂直。

10.如权利要求1所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述装置还包括：

多个靶在所述处理室内形成第二闭环，其中，所述第二闭环包括由至少第三对靶定义的长维度和由至少第四对靶定义的短维度；以及

第二衬底基板载体组件，其承载一或多个衬底基板，并接受来自所述第二闭环的所述多个靶的沉积材料，

所述传送结构沿轴向移动所述第二衬底基板载体组件通过第一处理室的所述第二闭环。

11.如权利要求10所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述第二衬底基板载体组件包括：

多个夹具以及背靠背由所述夹具加紧的一对衬底基板。

12.如权利要求1所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述装置还包括：

安装在一个轴上的一组沉积遮挡板，该轴的位置临近所述处理室中所述第一闭环的所述多个靶；以及旋转机构，其旋转所述轴以使该组遮挡板中不同的遮挡板阻挡来自所述多个靶的部分沉积材料。

13.如权利要求1所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述装置还包括：

多个磁铁，其形成所述处理室中的第三闭环；

所述多个磁体，其放置于由多个靶形成的所述第一闭环外侧。

14.如权利要求1所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述装置还包括：

靶垫板，作为包含多个靶的沉积源的一部分；

至少一个弹性密封件，其位于所述靶垫板与所述多个靶之间；以及

所述多个靶与所述靶垫板之间的通道，该通道用以传输气体以冷却所述多个靶。

15.一种高吞吐量沉积装置，包括：

处理室；

多个沉积源，其形成所述处理室中的第一闭环；

第一衬底基板载体组件，其承载一或多个衬底基板，并接受来自所述第一闭环的所述多个沉积源的沉积材料，其中，所述多个沉积源生成用于CVD或PECVD的蒸汽；和

传送机构，其配置成移动所述第一衬底基板载体组件沿轴向通过第一处理室的所述第一闭环。

16.如权利要求15所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述装置还包括：

多个沉积源，其在所述处理室内形成第二闭环；以及

第二衬底基板载体组件，其承载一或多个衬底基板，并接受来自所述第二闭环的所述多个沉积源的沉积材料，其中，

所述第二衬底基板载体组件所承载的一或多个衬底基板平行于所述第一衬底基板载体组件所承载的一或多个衬底基板。

17.如权利要求15所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述第一闭环包括一长维度和一短维度；一或多个衬底基板具有一或多个平面沉积表面，用以接受沉积材料，所述一或多个平面沉积表面平行于所述第一闭环的长维度。

18.如权利要求17所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述多个沉积源包括至少一对彼此相对并且垂直于所述第一闭环的所述长维度的沉积源。

19.如权利要求15所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述第一衬底载体组件包括：

多个夹具；以及

背靠背由所述夹具加紧的一对衬底基板，该对衬底基板包含相对表面，用以接受来自所述第一闭环的所述多个靶的沉积材料。

20.如权利要求15所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述传送结构包括：

轮子，其安装在所述第一衬底基板载体组件下面，轮子的滚动造成所述第一衬底基板载体组件沿轴向运动。

21.如权利要求19所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述第一衬底基板载体组件还包括位于一或多个衬底基板下方和所述轮子上方的缓冲材料。

22.如权利要求15所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述第一闭环定义的平面与轴向垂直。

23.如权利要求15所述的高吞吐量沉积装置，其特征在于，所述装置还包括：

安装在一个轴上的一组沉积遮挡板，该轴的位置临近所述处理室中所述第一闭环的所述多个靶；以及

旋转机构，其旋转所述轴以使该组遮挡板中不同的遮挡板阻挡来自所述多个靶的部分沉积材料。