CN1131703A - 用惰性气体混合物喷镀硅介质膜 - Google Patents

Abstract

公开了向基质(19)上喷镀非导体或半导体元素(如硅)薄膜或它们的化合物形成的电介质(如二氧化碳、氮化硅之类)薄膜时，控制磁控管溅射喷镀系统(图1)的工艺流程的方法和装置。使用了两种不同惰性气体(63，65)的混合物。选择两种或多种惰性气体的相对比例，以便减少溅射喷镀时发生弧光放电的概率，由此能够通过自动反馈控制系统(57，59，61)控制工艺流程，从而将它稳定维持在喷镀淀积速率特征曲线的理想时滞区(49)内。

Description

用惰性气体混合物喷镀硅介质膜

本发明一般地说与利用磁控管真空溅射在基质上喷镀膜的工艺有关，更具体地说，则与用于喷镀绝缘体、半导体(诸如硅)以及它们的电介质的工艺有关。

各种磁控管喷镀工艺用来在各种大小的基质上喷镀薄膜。有一类工艺用来在玻璃基质上产生光学薄膜。这些基质包括用于建筑物窗户的大尺寸建筑玻璃、卡车和轿车风挡用的车辆玻璃、计算机和图像显示器屏幕以及小型光学元件。这类工艺如下完成：将上述基质中的一种通过一个真空室，用等离子体放电产生的离子去轰击标靶，于是标靶的物质在真空室内溅射喷镀。如果希望薄膜仅由标靶的物质单独构成，那么该物质就应直接溅射喷镀到基质上去。另一方面，人们常常希望喷镀一种化合物，标靶物质只是该化合物的一种成分；这可以通过将反应气体引入真空室来完成，反应气体与基质表面上的溅射元素相化合就形成了所要的化合物。这种反应溅射喷镀的一个实例是介质膜的喷镀，此时标靶物质是一种金属(诸如钛)，而反应气体是氧或氮。再举一例，标靶物质是一种几乎不导电的元素或半导体元素(诸如硅)，它由标靶溅射出来然后与反应气体(诸如氧)化合从而生成电介质(诸如二氧化硅)薄膜，即介质膜。

近年来，对非金属、基本不导电元素或它们的电介质化合物的溅射喷镀膜的需求大为增加。然而，生产这类膜片的现行溅射喷镀工艺很难控制，这类工艺通常不能以稳定的方式操作。硅介质膜的喷镀是最困难的，与此同时，对它的需求却迅速增长。现行工艺给出的喷镀速率要比生产大多数金属膜时的喷镀速率小得多。

为了提高经济效益，基质必须以高速通过磁控管溅射喷镀设备，这就意味着物质喷镀淀积在基质上的速率需要维持在一个高水平，但当生产二氧化硅或其它的这类膜片时情况并非如此。二氧化硅膜越来越普及地用作玻璃上形成的多层层叠的一层或几层，这种层叠是为了提供波长选择透过率及(或)反射特性。二氧化硅的折射率低。然而，当大型基质，如建筑物或汽车上的玻璃，需要镀膜时，这种膜的淀积速率则令人特别关注。设备方面所需的投资很大，因此，希望基质能以一个适当的速率通过排成一列的若干常用的溅射喷镀真空室。

在硅或硅介质喷镀淀积的过程中，主要不希望发生的现象是弧光放电。频繁的弧光放电会使得工艺过程偏离给定的工作参数值。有两类弧光放电发生：第一类是人们主要关心的、此时电弧通过等离子体(它是电子的导体)由标靶表面向阳极表面前进。为了使不导电的标靶物质能够成为等离子体工艺流程的阴极，则对其掺杂某些导电物质，诸如在硅靶中掺些铝。但是，由于在镀膜中任何显量的导电物质都是不期望的，所以标靶中少量的导电物质使得标靶在它的厚度上，比之导电物质由金属标靶物质溅射喷镀的情况，具有高得多的电阻。

一个等价串联电路存在于喷镀室内的金属电极表面(它与标靶的背面相接)与阳极(它离开被轰击的标靶表面一定距离)之间。该串联电路包含标靶物质本身的高电阻，从而形成了一个电压降通过标靶物质厚度、紧邻标靶表面的阴极鞘，以及阴极阳极之间的等离子体本身。与几乎不导电的标靶物质同时存在的第一类电弧，据信具有两个同时起作用的成因。一个成因是由于标靶的高电阻，使得它在较高的温度下工作，从而使得电子易于由标靶表面逃逸。另一个成因据信是通过阴极鞘的较大电压降，它使得在那一区域内的离子以较高的能量撞击标靶表面，从而使得由标靶表面撞出更多的电子。增高的电子数分布增大了在标靶表面和阳极之间产生弧光放电的概率，它会产生一个很大的电流流过该串联电路。此时，连接在标靶背面的电极表面和阳极之间的电源常常会暂时失效，这就使得以提供高喷镀淀积速率工作的稳定参数运行的工艺过程，即使不是不可能，也难以维持进行。这类电弧也会撞击出颗粒物质，它们可能成为喷镀淀积膜的不希望有的一部分。

作为第二类弧光放电的一个成因就是，二氧化硅或其它不导电物质不仅喷镀在指定的基质上，而且也会喷镀在真空室内的其它表面上，包括电源跨接其上的阳极和标靶，以及邻近标靶的其它表面。一个电负载周期性地产生在这种介质膜的两边，足以使它击穿，从而造成弧光放电。它会引起溅射喷镀工艺过程的某种中断，同时也会在真空室内产生一些颗粒物质，其中一部分会附着到基质表面上。

为了避免第二个弧光放电的成因，对二氧化硅和其它麻烦的电介质的喷镀工艺做了许多重大的改进。一种改进就是制成圆柱形的硅靶，然后使之在喷镀过程中绕轴旋转；在标靶表面上形成的氧化物被溅射出去，提供了一种自净化的特点。另一些改进是对屏蔽层做的，它们覆盖在标靶附近的一些表面上。进一步的改进还包括阳极成型和定位。然而，这些措施并不能减少上面讨论的、在标靶表面和阳极之间的第一类电弧的成因。

因此，本发明的一个目的就是改进这种溅射喷镀方法，使标靶—阳极弧光放电的概率大为降低。

本发明的另一个目的则是使这种溅射喷镀工艺过程能以稳定的方式进行。

本发明的一个较一般的目的是提高高质量膜的喷镀淀积速率。

本发明的一个专用目的是改进形成介质层的硅化物的喷镀工艺。

这些目的和附加的一些目的可用本发明达到，该发明概述如下：由不导电体或至多是半导体的材料制成的标靶，用在至少包含两种不同惰性气体的混合气体中去喷镀该物质或该物质的介电化合物构成的膜。例如，当喷镀淀积硅基介质化合物膜时，溅射将在磁控管真空室内的硅靶上发生，此时磁控管室内注有由一种或多种反应气体(通常是氧及/或氮)和两种不同惰性气体组成的混合气体。惰性气体的一种特定组合是使磁控管室中的氩保持它的分压在占惰性气体总分压的20％-80％的范围内，其余的分压则由氦或氖气，或由氦氖组合气体产生。其它的惰性气体还有氪、氙和氡，但是通常不用这些气体，因为它们不易取得、价格高或难以使用。

各种惰性气体的相对分压通过控制各种气体的气流流量来维持，由不同气体源产生的单种气体被控制，以其相应的相对流速流入磁控管室。另一种代替的办法是，惰性气体能以对应于所希望的相对分压的比例预先混合，然后由单一容器引入真空室内。

在由金属靶溅射喷镀金属膜时，常用一种惰性气体。为了提高喷镀淀积速率，一种惰性气体也用于结合反应气体的某些反应溅射喷镀中。的确，在二氧化硅的喷镀中为了提高它的淀积速率，一种惰性气体也与氧气混合。然后，已经发现，用一种惰性气体并不能改进工艺过程的可控制性和稳定性，而在大多数情况中，却使工艺过程在这方面的性能变坏。因而，现在二氧化硅通常不用一种惰性气体，而仅用氧气进行喷镀。然而，作为本发明的一部分已经发现，当使用两种惰性气体的组合来代替仅仅一种惰性气体时，能够获得使用一种惰性气体的所有好处。一般而言，具有较低原子数的惰性气体占了惰性气体总体的大部分体积。

已经发现至少两种惰性气体的适当组合能够大大减少标靶—阳极弧光放电的发生，从而使得给定的工艺过程能受控，以产生最大喷镀淀积速率的稳定方式进行。这种有效益的结果，据信是由于标靶表面和惰性气体亚稳态之间能量传递而造成的。这有助于减小阴极鞘的阻抗，从而减小穿过阴极鞘的电压降，因此减小了标靶—阳极弧光放电的概率。在阴极鞘内的离子于是不再撞击具有这样高能级的标靶。被减少的弧光放电和电压脉动使得工艺流程能够通过自动反馈控制回路而受控在所要求的工作点上以稳定方式进行。以前认为，当由硅靶或其它非导体或半导体材料制成的标靶进行喷镀膜时，这样一种控制系统不能使用。

本发明附加的目的、优点和特点由以下描述它的具体设备将变得明显，这些描述应结合相应的示意图来阅读。

图1示意说明本发明有所改进的一类磁控管溅射喷镀装置。

图2是图1所示装置沿2-2方向的部分剖面图。

图3一条曲线，它对图1和图2的装置说明了理想的工作点。

图4示意说明对图1和图2中磁控管装置进行控制的系统。

图5示出两条曲线，它们说明了根据本发明确定图1和图2中系统的工作参数的方法。

图6示出一条曲线，它说明了图1和图2中系统的最优工作点。

作为起点，参看图1，我们叙述作为现在实用的溅射喷镀装置及其工艺流程的一个例子。如图1所示的磁控管是一类使用具有细长圆柱体形状的阴极11的装置，阴极11由电动机激励源13造成以匀速绕其轴15旋转。携带到阴极11圆柱体外表面上的是一层在喷镀过程中被溅射出来的标靶物质17，基质19沿路径20移动，后者垂直于阴极11的旋转轴15。基质在那条路径上被某种易行的机构，例如被电动机驱动的支承辊21所带动，而沿一个方向运动。一个细长的永磁装置25被定位在阴极11之内，且面向着欲镀膜的基质19。永磁装置25不随标靶11而转动，但它的稳定位置常可略作转动调整。永磁装置25由沿其长轴连续排列的许多磁铁构成，排列长度决定了喷镀区的宽度。基质19的宽度，极而言之，要比永磁装置25的长度略短。

喷镀过程在真空室40内进行，它通常由金属四壁构成，如图1中的虚线所示。一个真空泵系统29使室内的气压维持在与工艺操作相一致的低压水平。一种喷镀工艺流程气体由气源33通过导管31，或其它形式的管道被传送到真空室40内。

图1和图2所示的这类磁控管由直流电源37供电，另一类磁控管则可用各种形状的交流电流或脉冲电流。本发明的各种特性对这类磁控管也有适用性。但在图1和图2中所示的磁控管，其阴极11与一相对于真空室壁电位(它通常维持在地电位)为负的电压相连接。用于标靶17的材料也是导电的，所以标靶物质的外表面也保持在负电位。

十分经常的是，金属真空室壁27的内表面也用作为溅射装置的阳极。此时，各壁仍保持地电位。另一种替代办法是，使用一个分开的阳极39，安置在与喷镀区35相对的阴极11的对面，此阳极39通过与电源37相接而保持在正电位。

在所描述的本发明的实例中，标靶物质17主要由硅构成。如所期望的，标靶17应只含有硅元素，但由于硅是非导体，少量百分比的导电元素(如铝之类)会混入硅中。铝的百分数通常约在重量百分比2-10的范围。由于铝原子也由标靶与硅原子一起溅射出去，所以只有包含足够的铝，才能给标靶物质一个磁控管工作所需的导电水平。这样一种低比例的导电材料似乎不会影响被喷镀的膜片。这种标靶在这里叫做“实值地”纯硅。

如果正被喷镀淀积的膜是硅本身，则通过管道31引入室40的工艺流程气体，按照本发明将至少是两种惰性气体的组合。不需要引入反应气体，保持在室40中的只是惰性气体。然而，如果喷镀在基质19上的膜是硅的化合物，则一种或几种反应气体将要通过管道31或另设管道(图中未绘出)与惰性气体同时引入。例如，如果在基质19上要喷镀二氧化硅膜，则氧气要作为反应气体引入室40；另一方面，如果要喷镀氮化硅膜，那么氮气将作为反应气体引入室40。多于一种的反应气体也可使用，这取决于指定的喷镀膜。为了形成被喷镀的电介质或其它化合物，反应气体在基质19的表面上与由标靶17溅射出来的硅原子起化学反应。喷镀在室40内进行，室40保持很低的气压，通常在1-10毫乇的范围。

在讨论有关两种或多种惰性气体混合的特性之前，在电介质(诸如二氧化硅)喷镀中所涉及的其它工艺流程参数要相对图3加以说明。喷镀淀积速率在垂直轴上给出，而反应气体和惰性气体的流量的相对比例沿水平轴给出。曲线43给出了反应气体和惰性气体相对比例的变化对喷镀淀积速率的影响。在一种极端情况45时，室40内的气体是100％的惰性气体，不引进反应气体，此时喷镀淀积速率最高。而在相反的极端情况47中，真空室40内仅有反应气体而不引进惰性气体，这时的喷镀淀积速率最低。对反应溅射喷镀工艺过程所推荐的工作区如影区49所示，位于曲线43的时滞效应部分。也就是说，推荐的工作区51的范围是大致在曲线43的两个端点45和47的两个极值之间。这一范围的特征是高喷镀淀积速率和喷镀在基质上的完全反应薄膜。

在这一范围内反应气体和惰性气体的相对百分比造成了室40中反应气体的分压基本上为零。这就是说，引进室中的所有反应气体基本上都与硅原子化合了。这一推荐范围可以通过测量来确定，需要对反应气体和惰性气体的各种不同比例测量某一段时间内在基质上喷镀淀积的物质量。另一种替代方法是，实时监测与淀积速率成正比的一个量，在某些工艺流程中存在这样一个量可以是等离子体的一条或多条特定发射线的强度。于是，等离子体强度成为图3垂直轴上的量。如果给定的工艺流程许可的话，实时监测将使流进反应室的反应气体与惰性气体的相对比例的自动控制成为可能，从而保持住在范围53中的喷镀淀积速率。如上所述，硅喷镀工艺过程迄今还没有稳定得足以容许这种自动控制，但应用本发明造成的提高了的稳定性现在将使之成为可能。

能提供如图3所述的那种控制的一种溅射喷镀系统(因而能按本发明来控制两种或多种惰性气体的相对比例)，将结合图4加以描述。在这一实例中，特别是对硅喷镀工艺流程而言，可以监测对磁控管室42供电的电源的某种特征量，而不是监测等离子体发射线的强度。上述监测通过在与电源37连线路径中引进一个线路55来实现，或通过直接与电源相接来实现(未绘出)。工艺流程控制器57通过线59接收信号，该信号代表了施加到室40内磁控管阴极17上的电压、电流或功率。工艺流程控制器57通过线61控制由气体源33引进室40的各种气体的相对比例。该控制系统的目的是保持最小系统阻抗的工作状态。通过监测如图6所示的电源电压，反应气体和惰性气体的相对百分比就能以这种方式控制，从而维持在理想的稳定工作区的状态。本发明的一个优点是，通过考虑在硅的反应溅射喷镀中使用多种惰性气体，使得该工艺流程能自动保持在理想工作区进行。当真空室内的气体仅仅只有诸如氧气之类的一种反应气体时，上述过程不可能发生。

当电源37是直流电时，由于弧光放电问题最严重，本发明提供了较大的改进；而当电源37对磁控管40提供交流电时，本发明也改善了工作状态。

引进磁控管室40的各种气体的供应源33包括第1惰性气体的供应源63、第2惰性气体的供应源65、以及反应气体的供应源67。其它的反应气体和/或惰性气体也能使用并同时被引入磁控管室40。一个阀门和流量计系统69用来测量由各个供应源进入室内的各单种气体的流量，并对这些流量进行阀门控制。工艺流程控制器57通过线61接收单种气体流量的信息，并同样通过线61发出控制信号以操纵单种气体供应源的阀门。在喷镀二氧化硅膜的实例中，反应气体源67备有氧，而惰性气体源63或65的一种是氩，而另一种则是氦或氖，或两种均有。另一种方法是，再备一个惰性气体源，它将氦、氖与氩混合之后用于磁控管室40之中。

惰性气体不同组合的作用以及确定所用两种不同惰性气体其中一种的相对比例的方法将结合图5的曲线予以说明。曲线71和73显示了当来自电源的总功率维持恒定时，由于两种不同惰性气体的相对比例的变化对电源电压的影响。这些曲线与使用硅靶、不用反应气体、1号惰性气体为氦或氖、2号惰性气体为氩的条件下出现的情况相近。在图5中说明的使人感兴趣的效应是，电压作为1号和2号惰性气体相对比例的函数变化很大，特别是在为了获得高喷镀淀积速率而通常希望采用的高功率的情况下尤甚。由理论观点看，一个最佳的工作点是75或77所示的相对混合比，前者属于曲线73的低功率工作状态，后者属于曲线71的高功率工作状态。正是这一减少了的电源电压使得弧光放电发生的概率降至最小，而同时又为已知的恒定功率提供了最大的电流。该系统遵守基本电学关系：供给磁控管的总功率等于通过标靶和阳极施加的电压乘以其中的电流(P＝V×I)。

由于曲线71和75的这些精确的极小值在商业溅射喷镀应用中不易维持，实际运行将在1号和2号惰性气体不同比例的一个范围内维持。在硅膜或硅化合物膜的情况中，具有最小原子数的惰性气体通常将占大多数。氦(原子数2)和氖(原子数10)两者的原子数都比氩(原子数18)小。然而，我们发现，一个可工作范围要比上述范围宽，即20％到80％的惰性气体是氩，其余的是氖或氦，或两者的组合。

一旦如图5所示的那类曲线对给定磁控管溅射喷镀系统中的给定标靶物质确定下来，则两种或多种不同惰性气体的比例也就确定了。于是可知，在磁控管室40中的多种惰性气体的分压可以相对于室中所有惰性气体的分压维持给定百分比。这些相对分压通过工艺流程控制器57(图4)维持稳定，后者控制两种或多种惰性气体的流量速率，使之以确定的相对比例进入室40内。一旦确定之后，这些相对比例保持不变，而工艺流程控制器57则根据图6的曲线关系来改变各种惰性气体和反应气体的相对比例，从而保持运行在稳定区。作为使用惰性气体源各自分开的一种替代办法，它们可以预先在一个容器中混合，然后用作为惰性气体的唯一源。

由图5的曲线可以看出，两种惰性气体的组合产生了一种可能使得磁控管的工作电压比只使用一种惰性气体的情况下要小得多。的确，对于给定的恒定功率，这种电压即使能够减少2％也是有利的。即使这样小量的电压减少也降低了产生电弧的概率。10％或更大的工作电压的减少将引起溅射喷镀工作状况的极大改进。

虽然用保持功率恒定和测量电压的手段来确定两种不同惰性气体常用混合比的范围的方法已结合图5叙述过，但同样的结果也能通过控制和监测其它的参数组合来获得。例如，当功率恒定时，不测电压，而代之以测量施加到磁控管室40上的电流。在图5曲线上的电压极小处，该电流达到极大值。于是运行状态能被控制以获得较高的工作电流，比之只用一种惰性气体工作时可能产生的工作电流要高。类似地，该系统的电压可以通过将电源37和工作状态置定在低功率或高电流状态来维持。最后，加在磁控管阴极17上的电流能够通过将工作状态置定在减少电压或增高功率的状态下来维持恒定，这种电压减少或功率增高是由两种惰性气体混合在一起造成的。

虽然本发明的各个方面已相对于一个最佳实施例作了描述，但可以理解的是，本发明仍有权利要求在附加的权利要求书的全部范围内得到保护。

Claims (10)

1.在真空室(40)内由基本上全由非导电元素构成的标靶表面(17)向基质(19)上溅射喷镀物质的方法包含以下各步骤：

向真空室中引进组合气体：它包含至少一种能与标靶元素起反应的气体(67)，以及至少第1和第2惰性气体(63，65)的组合；

使真空室中第1惰性气体(63)的分压落在所述至少第1和第2惰性气体组合的总分压的20％-80％的范围内；

维持(由31)流进真空室中至少一种所述反应气体和至少所述的第1和第2两种惰性气体总组合的相对比例，使得系统运行在理想工作区(49)，此时真空室中所述至少一种反应气体的分压基本为零。

2.按照权利要求1的方法，其中第1惰性气体为氩。

3.按照权利要求1或2的方法，其中第2惰性气体为氦或氖。

4.按照上述任一权利要求的方法，其中所说的标靶的不导电元素为硅。

5.按照权利要求4的方法，其中气体引进步骤包括引进基本唯一的氧气作为所说的至少一种与硅起反应的气体。

6.按照上述任一权利要求的方法，其中分压形成步骤包括使第1惰性气体进入真空室的流量落在进入真空室的惰性气体组合的总流量的20％-80％的范围内。

7.按照权利要求6的方法，其中控制第1惰性气体进入真空室流量的步骤包括控制这种流量使之小于进入真空室的惰性气体组合的总流量的50％。

8.按照上述任一权利要求的方法，其中维持真空室中反应气体和惰性气体相对比例的步骤包括监测(55)真空室内等离子体的特性，以及控制流进真空室的反应气体和惰性气体的相对比例，以维持所述特性在预定的界限(49)内。

9.按照权利要求8的方法，其中监测步骤包括监测等离子体发射的一条或多条辐射谱线的强度。

10.按照权利要求8的方法，其中监测步骤包括监测施加到真空室内标靶和阳极上的电源的一个特征量。

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