CN115088053A

CN115088053A - 用于pvd源的气环

Info

Publication number: CN115088053A
Application number: CN202080096527.2A
Authority: CN
Inventors: A·马克; S·利纳尔; E·舒恩格尔
Original assignee: Evatec AG
Current assignee: Evatec AG
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-09-20
Also published as: KR20220116492A; TW202124750A; US20230002879A1; WO2021115703A1; JP2023505717A; EP4073830A1

Abstract

一种用于PVD源(1)的气环，所述PVD源具有阴极(24)，该阴极具有用于材料沉积的靶(6)。所述气环(2)包括内缘(3)和外缘(4)以及内缘与外缘之间的至少一个法兰(5、5')。气环(2)还包括：‑气体入口(6)；‑在内缘(3)中或附近周向布置的气体开口(7)；‑至少一个与气体入口和/或气体开口相连的周向气体通道(8、9)；‑冷却管道(11)。

Description

用于PVD源的气环

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的气环、根据权利要求16的包括这样的气环的PVD源以及根据权利要求18的包括这样的气环的真空室。

背景技术

在安装到PVD源(其中PVD代表物理气相沉积)的平面靶的前表面附近包围该源的气环常被用于广泛的表面工程应用领域中。由此应在整个活性表面区域上方实现均匀的气体分布，该表面区域为如下的区域：其待溅射或蒸发和/或到在靶前面并居中的基材。这样的气环常与其他措施比如例如针对圆形或六边形PVD源的旋转磁场或旋转靶相结合，或与例如针对矩形细长靶的其他类型可变磁场相结合，以优化靶使用并避免在前表面上再沉积或形成钝化区。这样的再沉积物和钝化区可能由于粉尘形成或电弧产生而对任何类型的表面工程有害。然而，由于半导体和光学工业内不断增长的工艺要求，人们发现，对于如所提及的工业中的某些高度复杂的工艺，应改善工艺，例如现有技术气环的溅射气体分布。另一个点在于广泛使用射频(RF)溅射工艺来溅射尤其是隔离材料或半导体材料。这样的工艺通常还会对没有与RF源电连接的部件产生高的感应热负荷，尤其是当它们靠近溅射源或甚至像气环那样包围着溅射源时。这样的问题可能会因可能由于例如热变形和/或RF诱导效应形成的寄生等离子体而加剧，包括在气环与真空室或PVD源附近的部件之间形成不同的表面电位，气环与阴极电位部件之间暗室距离的漂移等。

尽管下文重点关注溅射工艺和相应的溅射源，但应提到的是，如果应满足高的气体分布和工艺可靠性标准，则对于其他PVD源比如阴极电弧源来说，现有技术气环的改进也将是有利的。

定义：

在下文中，原本用于圆形几何形状的环、圆周和其他术语的含义也将其他例如椭圆形、多角形比如矩形或六边形几何形状包括在内，从而还涵盖用于平面阴极的椭圆形或角形阴极几何形状的相应气环，例如用于任何平面溅射源或与任何平面溅射源(其可为磁控管)一起使用，或与其他平面PVD源(其可为阴极电弧蒸发器)一起使用。

术语“向内”和“向外”的使用是指朝向和远离相应靶/源几何形状的中心点/轴或中心线/平面的方向。术语上、向上和下、向下或下部的使用是指如附图中所示的图而不是指安装时气环或PVD源的可能方向，因为PVD源可安装在真空室的各种位置中，例如顶部或底部或侧壁上。下面提及的标准阳极为如下文详细描述的接地阳极。然而，本发明的真空室也可包括安装在真空室的另一个位置上、并例如提供比接地阳极与阴极之间更高电位差的其他类型的阳极。这样的真空室明确地包括在本发明的范围内，只要气环和PVD源的特征符合如下公开的本发明设计即可。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气环，其避免如上所述现有技术的缺点并改善气体分布以及工艺可靠性。进一步的子目标在于PVD工艺期间的温度稳定化和热伸长最小化，也为RF应用优化电气布局，便利操作。

所述气环是针对PVD源设计的，该PVD源包括阴极，例如用于溅射的阴极或用于阴极电弧工艺的阴极，通过该阴极，取决于工艺参数，可进行靶材料在基材表面上的沉积或基材表面的蚀刻。所述气环具有内缘，以至少部分地包围阳极和/或包围阴极的外边缘，所述阴极由具有电源连接器的阴极底座和由待溅射或蒸发的材料制成的靶组成。所述气环还具有外缘和在内缘与外缘之间的至少一个法兰，通过该法兰，气环可安装到真空室的相应开口中、安装到支撑阴极的阴极底座和/或安装到阳极。所述气环还包括：

-气体入口；

-在内缘中或附近周向布置(例如以固定的间隔)的气体开口，例如对于PVD源的圆形或六边形几何形状，在径向方向上朝向中心轴开口，或对于PVD源的矩形几何形状，在中心平面开口；

-至少一个与气体入口和/或气体开口相连的周向气体通道；

-真空密封的冷却管道。

冷却管道可设计成在气环内实质上周向地(例如在流体入口与出口端口之间)输送任何冷却流体，使得至少围绕热阳极和/或阴极的气环部分可被充分冷却。在大多数情况下，气环将被设计用于接收冷却水，内部压力为0.1至10巴。

已发现，两个气体通道的组合可提供比单通道设计实质更好的气体分布。这样的构造可包括第一周向气体通道和第二周向气体通道，其中第一气体通道连接到气体入口，而第二气体通道连接到气体开口，沿气体流动方向。两个气体通道由周向流量调节器隔开，流量调节器沿其圆周具有比单独的每个气体通道实质上且均匀地高的流动阻力。因此，流量调节器可设计为具有小洞的隔墙，这些小洞均匀地布置在隔墙的圆周上。作为实例，隔墙可具有0.5至2.5mm、例如1至2mm的厚度，并以10至150mm、例如20至100mm的固定间隔具有直径D_H ≤ 2mm或 < 1.0mm、例如0.5±0.2mm的洞。或者，流量调节器可为网格或筛板(frit)，例如单层或多层金属网格或金属筛板，具有与如上所述穿孔隔墙相似的流动阻力。

气环可由至少一个实心环或由至少两个或更多个接合在一起的子环制成。使用分隔的子环可便于制造流体通道和管道及其闭合件，例如用于工艺气体或冷却水。这样的子环可包括第一环和第二环，所述第一环包括气体入口、气体入口通道的至少第一部分、流体端口(包括入口和出口端口)例如流体接头及入口和出口管道的至少第一部分，第二环包括周向气体通道和至少一部分周向冷却管道。第一环为包围和/或伸出第二环外径的外环。第二环为更靠近阴极或靶的内环。

实心环、子环或第一和第二环的材料可由具有第一热膨胀系数(CTE)的第一材料制成。例如，对于标准应用，材料可为不锈钢，对于需要环与阳极之间热膨胀差异大的应用，材料可为钛，或如果应优化冷却能力，则材料可为铜。大型不锈钢子环可通过WIG焊接来接合，而为了接合相应的较薄部件比如流量调节器和盖，例如用来关闭气环空腔的闭合件或封闭件，可使用激光焊接。

气环还可包括面向靶的圆周并可释放地安装在内缘上或附近的周向阳极。该阳极可由具有比第一材料高的热膨胀系数的第二材料制成，并可由一块材料制成为阳极环。第二材料可为铝，或者就第一材料来自不锈钢或钛而言，第二材料可来自铜。当第一材料为不锈钢时，从成本效率和CTE的差异方面来看，铝是第二材料的良好选择。由于阳极材料较高的CTE和PVD工艺(比如溅射、尤其是RF溅射，或从靶表面的电弧蒸发)过程中的热负荷，阳极可被向外压入到由与阳极的外表面平行的环壁形成的阳极座中。因此，阳极座与阳极之间的间隙尺寸应足够小以确保工艺条件下良好的导热性，但也应足够高以允许出于维修目的手动安装(拆卸)阳极。例如对于圆形PVD源，可为圆柱形的阳极座应与轴Z平行，以吸收被加热的阳极的膨胀力。

阳极可在向内的方向上朝向轴Z延伸过实心环或承载阳极的相应子环，例如延伸过5至30mm，轴Z也可表示矩形PVD源的中心平面。因此，阳极的内圆周处于靶表面的视线内，在靶与气环的其他部分之间，从而庇护这些部分免受直接热辐射或者来自靶表面的溅射或蒸发材料的影响，并可至少部分地在向内的方向上伸出靶表面或靶固定装置，例如伸出5至20mm，其中在阴极电位和阳极电位上的部分之间必须遵守相应的暗空间距离和/或隔离。

阳极可安装在从内缘向外偏移的第一法兰上。当安装在PVD室中时，法兰可设计成在轴向方向上朝向PVD源取向，例如，平行于靶表面。可使用螺钉或其他压制手段将阳极压在第一法兰上，以在被冷却的环与阳极之间形成良好的热耦合。

气环还可包括在环的内壁中的台阶上的第二法兰。第二法兰可设置在从第一法兰向外的方向上，例如以将气环安装到PVD源或真空室的安装轨。

第三法兰可设置在环的外壁中的台阶上，以将气环安装在PVD室上或安装到PVD室。通常第二和第三法兰将配备垫圈，至少当它们必须将真空与大气分离开时这样。至少第二内法兰也可设置有RF屏蔽，例如以铜环、网等的形式。

本发明还涉及一种PVD源，其包括可为圆形或多角形(例如矩形或六边形)的平面靶和如上所述的气环。这样的PVD源，其中PVD代表物理气相沉积，包括设计成通过溅射或阴极电弧蒸发来蒸发靶材料的源。在一个优选的实施方案中，PVD源为溅射源。

本发明还涉及包括根据本发明的气环或如上所述的PVD源的真空室。

应强调的是，可以组合根据本发明的气环、PVD源或真空室的两个或更多个实施方案，除非相互矛盾。

附图说明

现将借助附图来进一步例示本发明。附图示出：

图1：现有技术气环的示意图；

图2：本发明气环的示意图。

在图l的左侧，即轴Z的左侧，示出了根据现有技术的气环2’，其安装在真空室40’中并围绕着圆形PVD源1’的阳极34，PVD源1’还包括阴极24，该阴极24具有带有电源连接28的阴极底座25和待溅射或蒸发的靶26。在图l的左下侧，示出了PVD源1’的正面的四分之一圆，其朝向靶26的表面26和阳极的内表面35，该内表面35朝向靶表面26倾斜或凹进。气环2’的正面中的开口7’是沿轴向的。横截面A-A在图1的左上半部分中示出。气体被进给到分布在气环2’内的气体入口6’并如箭头所示排出到工艺气氛中。在工艺气氛中，工艺气体的分子可被正离子化，例如从Ar变为Ar⁺，并在其中使用惰性溅射气体和反应性气体的混合物的反应性工艺的情况下，随后被吸引向靶表面26以进行溅射和/或表面合金化。气环2”可通过圆柱形气体入口6’塞到真空室40’，该气体入口6’包括两个用于压装和密封的O形环。另外的螺钉或夹具紧固件(未示出)将与现有技术气环通常应用的那样应用。阳极由此被直接安装到真空室40’的壁，该壁围绕用于溅射源1’的孔。

在图1的右侧，示出了另一个现有技术气环2”，其围绕靶并在朝PVD源1的面或正面看时位于阳极34的后面。具有圆柱形气体入口6”和气体开口7”，环2”在构造上类似于如左侧上示出的环2’。在靶26’与气环2”之间安装了隔离环31，以避免在靶与气环之间生成寄生等离子体。在这种情况下，阳极34’安装在真空室40”的孔内，这对于溅射源1’是可预见的。尽管在广泛的表面工程应用领域中广泛使用现有技术气环2’、2”，如与真空设备和PVD源1’一起示出，但这样的气环，尤其是在应用于RF溅射时，仍然往往会在工艺稳定性和气体分布的均匀性方面出现问题，如技术背景部分中所述。

图2中示出了安装到真空室40中的PVD源1的本发明气环2，真空室40由其真空外壳部分表示。与图1一样，左下部分示出了相应的PVD源的正面的四分之一圆。在这种情况下，图的左上部分和右上部分示意性地显示了两个横截面：在左侧是，在冷却流体入口管道19c的区域中与气环2相交的横截面B-B，和在右侧是，在气体入口6处相交的横截面C-C。气体入口6可具有连接器41，如下面的四分之一圆图解所示。分别用于气体和流体连接的接头41和42可为工业标准接头，比如Swagelok接头等。

参考图2，气环2示出为包括例如通过WIG焊接工艺焊接在一起的外子环12和内子环13 (参见横截面C-C)的设置。两个子环的替代分界线15以横截面B-B的虚线示出。这样的替代子环可用于产生具有相同尺寸和性质的气环。在图2中，与图1相同的附图标记是指相同的部分，但相同附图标记的相应部分在几何形状和设计的某些方面可能会有所不同。包括气体入口6或气体入口和流体入口19的区域可被制造成环形插件，并作为例如气环的一个预制件插入，以方便制造相应的气体入口通道6c或流体入口管道19c，参见左下四分之一圆中的虚线。

不锈钢气环2在侧向方向上由外缘4和内缘3朝向阳极34界定，阳极34由铝或在替代的实施方案中由铜制成。为了达到最佳的接触和工艺稳定性，将阳极固定(例如，用螺钉29或夹具)到气环。由于材料不同的CTE，可在阳极34中使用径向细长的狭槽，以允许铝阳极朝向不锈钢气环的圆柱形座的相应移动。由于这种构造，气环2和阳极34可预先组装，并容易地一起安装到PVD源或真空室。

在横截面B-B中可以看到冷却流体供给的详情，其通常使用软化水。该流体系统包括冷却流体入口端口19、冷却流体入口管道19c、从入口管道19c绕气环2去往出口管道并由此去往冷却流体出口端口20的周向冷却管道21，其可具有与流体入口部分相同的设计特征，二者均设置有外封闭件22和相应的流体接头42。内封闭环23覆盖管道21，外封闭件22和内封闭环23均可由厚度为0.5至2.5mm的激光焊接不锈钢板制成以承受管道中的流体压力，例如0.1至10巴的水。在周向流体管道21下方，可以看到由流量调节器10隔开的周向气体通道8和9。流量调节器10和将第二通道9与真空室隔开的内闭合环17同样可由与如上所述相同尺寸的激光焊接不锈钢板制成。为了第一气体通道8和第二气体通道9之间流体连通，沿着流量调节器10的圆周规则地布置直径0.5mm的洞11。为了第二气体通道9与真空室40之间流体连通(也参见相应的箭头)，在内缘3内设置气体开口7。开口7延伸到气环2的下侧，这指的是PVD源的正面，也参见源面的横截面C-C四分之一圆。通过两通道构造和与内缘3和阳极34相切地布置的矩形开口7的相应设计，可向靶表面和/或在靶前面并居中的基材提供任何气体或气体混合物的最佳均匀分布。

参考横截面C-C，其示出了气体系统的进一步详情，其中用箭头表示气体流动：气体入口6和气体入口通道6c，以及气体通道8、9，流量调节器10，和气体开口7。在第一法兰5上可以看到定心针18以方便阳极34的安装。在第二法兰5’上，设置了垫圈37和铜环38作为例如对真空室40的罩盖的真空密封，分别作为RF防护。该环还可与包括气体入口通道6c的外闭合件16的第三法兰一起位于真空室40的法兰(虚线)上，该法兰可包括另外的垫圈37。同样，阳极35可具有内表面35，其朝向靶表面26倾斜(实线)或凹进(虚线)。

在横截面B-B中，阴极24设置可与图1中的现有技术设置相同，并可指与阴极底座25粘结形成外阴极边缘27的靶26。这里，隔离筒30可以暗室距离围绕阴极偏置部分25和26。然而，横截面C-C中的阴极设置24示出了靶26，该靶26通过用螺丝固定到阴极底座25的夹紧环32和定距环33机械夹紧到阴极底座25。这样的阴极设置可与高机械强度的靶材料一起使用，并为高功率溅射提供更好的稳定性。

最后，应提及的是，所有仅与本发明的实施方案或实施例中之一结合示出或讨论、而未与其他实施方案结合进一步讨论的特征可被看作也非常适于改善本发明的其他实施方案的性能的特征，只要这样的组合不被本领域人员立即认识到是表见不合宜的。因此，除了所提到的例外情况，某些实施方案的特征的所有组合都可与没有明确提到这样的特征的其他实施方案相结合。

附图标记

1 PVD源

2、2’、2” 气环

3 内缘

4 外缘

5、5’ 法兰

6、6’、6” 气体入口

6c 气体入口通道

7、7’ 气体开口

8 第一周向气体通道

9 第二周向气体通道

10 流量调节器

11 洞

12 外子环

13 内子环

14 分界线

15 替代的分界线

16 外闭合件

17 内闭合环

18 定心针

19 冷却流体入口端口

19c 冷却流体入口/出口管道

20 冷却流体出口端口

21 周向冷却管道

22 外封闭件

23 内封闭环

24 阴极

25 阴极底座

26/26’ 靶/靶表面

27 外边缘

28 电源连接

29 压制手段(例如，螺钉)

30 隔离器

31 隔离器

32 夹紧环

33 定距环

34 阳极

35 内阳极表面

37 垫圈

38 RF防护

39 密封(O形环)

40、40’、40” 真空室

41 气体连接器

42 水接头。

Claims

1.一种用于PVD源(1)的气环，所述PVD源具有阴极(24)，所述阴极具有用于材料沉积的靶(6)，其中所述气环(2)包括内缘(3)和外缘(4)以及所述内缘与所述外缘之间的至少一个法兰(5、5')，所述气环(2)还包括：

-气体入口(6)；

-在所述内缘(3)中或附近周向布置的气体开口(7)；

-至少一个与所述气体入口和/或所述气体开口相连的周向气体通道(8、9)；

-冷却管道(11)。

2.根据权利要求1所述的气环，其中所述冷却管道为水管道(10)。

3.根据权利要求1或2所述的气环，包括第一周向气体通道(8)和第二周向气体通道(9)，所述第一气体通道(8)连接到所述气体入口(6)，所述第二气体通道(9)连接到所述气体开口，两个气体通道(8、9)由周向流量调节器(10)隔开。

4.根据权利要求3所述的气环，其中所述流量调节器为具有小洞的隔墙，所述小洞均匀地布置在所述隔墙的圆周上。

5.根据权利要求3所述的气环，其中所述流量调节器为网格或筛板。

6.根据前述权利要求中一项所述的气环，所述气环由至少一个实心环或由至少两个或更多个接合在一起的子环制成。

7.根据权利要求5所述的气环，其中所述子环包括第一环和第二环，所述第一环包括气体入口例如气体连接器、气体入口通道的至少第一部分、流体端口及所述流体入口和出口管道的至少第一部分，所述第二环包括所述周向气体通道和至少一部分所述周向冷却管道。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的气环，其中所述气环、所述子环或所述第一和第二环的材料为具有第一热膨胀系数的第一材料。

9.根据前述权利要求中一项所述的气环，所述气环还包括面向所述靶的圆周并可释放地安装在所述内缘上或附近的周向阳极。

10.根据权利要求9所述的气环，其中所述阳极由具有比所述第一材料高的热膨胀系数(CTE)的第二材料制成。

11.根据权利要求10所述的气环，其中所述第二材料为铝或铜中之一。

12.根据权利要求11所述的气环，其中所述第一材料为不锈钢，而所述第二材料为铝。

13.根据权利要求9至12中一项所述的气环，其中所述阳极安装在第一法兰上，所述第一法兰从所述内缘向外偏移。

14.根据前述权利要求中一项所述的气环，还包括在所述环的内壁中的台阶上的第二法兰。

15.根据前述权利要求中一项所述的气环，还包括在所述环的外壁中的台阶上的第三法兰。

16.一种PVD源，所述PVD源包括根据权利要求1至15中任一项所述的气环。

17.根据权利要求16所述的PVD源，其中所述PVD源为溅射源。

18.真空室，所述真空室包括根据权利要求1至15中一项所述的气环或根据权利要求16或17之一所述的PVD源。