CN1152977C - 溅射方法和溅射设备 - Google Patents

Abstract

一种在放电开始之前通常保持打开的触发气体馈给系统。当产生放电时，即刻关闭触发气体馈给系统，从而使真空室处于溅射压力。在放电完成之后再次打开触发气体馈给系统。持续打开状态直至开始另一次放电。因此，在放电前真空室压力总是保持恒定，并且将真空室恢复到溅射压力的时间缩短。

Description

溅射方法和溅射设备

本发明涉及用于在基体上生成金属薄膜、绝缘薄膜等的溅射方法和溅射设备。例如，本发明可用于向诸如GMR(大型磁阻元件)的磁头上施用Cu薄膜和Ni-Fe-Co薄膜，例如这些薄膜交替地设置在钝化薄膜和基体之间。

近来，经常使用溅射来生成半导体薄膜，光盘，电子元件等等。

下文中，参照附图6和7叙述常规溅射方法的一个实例(例如，公开在日本实用新型公开号2-43867中的)。图6中，参考数字1-3分别表示靶，配备靶1的阴极，和相对阴极2排布将通过溅射生成薄膜的待用基体。其它数字分别是：4是使得真空室5达到真空气氛的真空排放泵；6是气体馈给系统，使溅射气体馈给到真空室5，同时调节气体的气流速度从而使真空室5的压力处于溅射压力；7是触发气体馈给系统，用于触发放电气体；8是压力调节阀，用以调节真空室5的压力；9是向阴极2供电的电源，用于在靶1的表面上产生等离子。

现在叙述上述结构的溅射设备的操作过程。首先利用真空排放泵4将真空室5内部抽真空至10^-6乇，然后利用气体馈给系统6将氩气引入真空室5。调节真空室5的压力至2×10^-3乇或者为溅射压力，之后固定压力调节阀8。穿过真空气氛储存室或传送室等将基体3送入真空室5。随后如图7所示，于时间T11时，接通直流电源或高频电源9，从而将电施加到阴极2。与此同时，打开触发气体馈给系统7，使真空室5的压力升到高于溅射压力，这样导致在真空室5内引起放电。在时间T12时，如果通过诸如光检测器等的放电检测传感器(此时放电检测传感器是“通”)检测到放电，则关闭触发气体馈给系统7，使真空室5恢复到溅射压力。由此在基体3上生成薄膜。在这种情况下，施加到阴极2上的电力达到时间T13时的额定功率。在薄膜生成时间结束的时间T15时关断直流电源或高频电源9；停止放电。此时放电检测传感器是“断”，亦即不检测到放电的状态。然后将基体3输送到储存室或传送室等，并将新基体3放入真空室5。传送基体3后，于时间T16使真空室5恢复到大约2×10^-3乇作为溅射压力，并在时间T16时接通直流电源或高频电源9将电力供给阴极2。与此同时打开触发气体馈给系统7，使真空室5内压力高于溅射压力。结果，在真空室5内引起放电。诸如光检测器的放电检测传感器检测到放电(是“通”)的时间T17时，关闭触发气体馈给系统7。真空室5则恢复到溅射压力并且在基体3上生成薄膜。在此时施加到阴极2上的电能达到在时间T18时的不额定功率。在时间T20时随着直流电源或高频电源9的关断而停止放电，此刻是薄膜生成时间结束时刻。放电检测传感器返回到不检测的放电状态(亦即“断”状态)。将基体3转移到真空气氛的储存室或传送室等，并将新基体3送入真空室5。重复进行上述作业。基体更换到储存室或传送室等时的压力变化未在图7中显示。

根据上述溅射方法，在关闭触发气体馈给系统7的同时由于有气体残留在触发气体馈给系统7内，当在时间T11打开触发气体馈给系统7时的一刻，突然供给气体气体。因此，真空室5假设压力为1×10^-1乇或更高，如图7所示，必须花费长时间来达到真空室5恢复溅射压力的时间T14。由于高于原始溅射压力使薄膜对基体3的界面变厚。而且，由于高压状态时薄膜生成速度大大降低，薄膜整体实际以一个低速度生成。因基体3等的更换在放电时间间隔方面的改变引起在触发气体馈给系统7内气体滞留的量也产生改变。亦即当打开触发气体馈给系统7时在真空室5的内压力不稳定地升高，从而得到使真空室5恢复到溅射压力的时间T14不确定。另外，开始放电的压力和电力由于增大压力而改变，换言之，开始放电的时间T12变得不稳定。结果，放电历经时间(生成薄膜时间)改变，则导致了不稳定的薄膜厚度。除此之外，界面处薄膜的质量也不稳定。以上是常规溅射方法的许多问题。

在溅射制备光盘等的情况下，薄膜在短时间内生成，通常在秒级。在薄膜质量和薄膜厚度方面上述改变会造成有缺陷产品以及低产率。例如，如果薄膜厚度的绝对值不稳定，反射率就不稳定，造成讯号强度改变，并且因之使光盘特性丢失和不能读出储存的信息，分级可达距离改变而不能辨认凹槽，以及热导变化而改变了晶体条件。此外，如果薄膜在起始压力过高情况下生成，薄膜的粘附力变弱并且折射指数变差。尽管在许多触发放电的情况下可用热灯丝方法等来进行，但该方法要求热灯丝设备，供给灯丝电流等的电源，使得制备复杂和造价高昂。

本发明的一个目的所提供一种使用触发放电气体的溅射方法和溅射设备，其中在放电开始之前真空室内压力在所有时间都保持恒定，使得真空室恢复到溅射压力的时间减少，从而大大稳定了薄膜厚度和薄膜质量，并改善了薄膜生成速度。

根据本发明第一个方面，还实现了这些和其它方面，即提供一种溅射方法，其中在溅射放电时，增加放电气体的流速以便使真空室压力高于溅射压力，该方法包括：在安放基体到真空室中之前打开触发气体馈给系统7增加放电气体流速使真空室压力高于放电开始之前的溅射压力；当放电开始时立即关闭触发气体馈给系统，从而使真空室压力变为所述溅射压力；和放电结束之后再打开触发气体馈给系统。

按照本发明第二个方面，提供一种根据本发明第一个目的的溅射方法，其中在放电完成之后再打开触发气体馈给系统，并且保持打开状态直至再次开始放电。

按照本发明第三个方面，提供一种根据本发明第一个方面或第二个方面的溅射方法，其中在打开触发气体馈给系统以增大放电气体流速将真空室压力升高到高于溅射压力时，在检测到放电之前打开触发气体馈给系统以增大放电气体流速，而不是在放电开始之前打开；以及关闭触发气体馈给系统时，在检测到放电之后关闭触发气体馈给系统，而不是在引起放电时就立刻关闭。

按照本发明第四个方面，提供一种根据本发明第一或第二个方面的溅射方法，其中在打开触发气体馈给系统以增大放电气体流速将真空室压力升高到高于溅射压力时，在放电电源功率值达到不大于放电功率值的预定功率值之前来打开触发气体馈给系统以增大放电气体流速，而不是在放电开始之前打开；和在关闭触发气体馈给系统时，当放电电源功率值达到不大于放电功率值的预定功率值时，关闭触发气体馈给系统，而不是引起放电时就立刻关闭。

按照本发明第五个方面，提供一种根据本发明第一或第二个方面的溅射方法，其中在打开触发气体馈给系统以增大放电气体流速将真空室压力升高到高于溅射压力时，在放电电源是“通”之前打开触发气体馈给系统以增大放电气体流速，而不是在放电开始之前打开；以及在关闭触发气体馈给系统时，在放电电源接通之后关闭触发气体馈给系统，而不是引起放电时就立刻关闭。

按照本发明第六个方面，提供一种通过溅射生成薄膜的设备，其中在溅射放电时，将放电气体流速增大到提高真空室压力到高于溅射压力，该设备包括：将放电气体馈入真空室的触发气体馈给系统；和一种控制装置，控制触发气体馈给系统的开/关，以便在放电开始之前打开触发气体馈给系统增大放电气体流速将真空室压力升高到高于溅射压力；当引起放电时关闭触发气体馈给系统即刻将真空室恢复到溅射压力，和在放电完成之后再打开触发气体馈给系统。

按照本发明第七个方面，提供一种根据本发明第六个方面的溅射设备，其中在放电完成之后控制装置打开触发气体馈给系统，并保持触发气体馈给系统在打开状态直至下一个放电开始。

按照本发明第八个方面，提供一种根据本发明第六或七个方面的溅射设备，其进一步配置了检测真空室放电的放电检测传感器，从而使控制装置在检测到放电之前打开触发气体馈给系统以增大放电气体流速将真空室压力升高到高于溅射压力，而不是在放电开始之前打开；和在放电检测传感器检测到放电之后关闭触发气体馈给系统，而不是在引起放电时就立刻关闭。

按照本发明第九个方面，提供一种根据本发明第六或七个方面的溅射设备，其中控制装置接收放电电源的功率值并打开触发气体馈给系统以增大放电气体流速将真空室压力升高到高于溅射压力，这一操作是在放电电源的输入功率值达到不大于放电功率值的预订值之前，不是在放电开始之前，并且当放电电源的功率值达到不大于放电功率值的预订值时就立刻关闭触发气体馈给系统，而不是引起放电的同时关闭。

按照本发明第十个方面，提供一种根据本发明第六或第七个方面的溅射装置，其中控制装置在放电电源接通之前打开触发气体馈给系统以增大放电气体流速将真空室压力升到高于溅射压力，而不是在放电开始之前打开；和在放电电源接通之后关闭触发气体馈给系统，而不是引起放电时就立刻关闭。

按照本发明，由于触发气体馈给系统除了放电期间以外基本上保持打开，气体并不残留在触发气体馈给系统，因此真空室压力在放电开始之前总是恒定不变的。而且，由于在放电开始之前由于触发气体馈给系统的打开真空室压力被降低到接近最低限的放电压力，因此恢复到溅射压力的时间被缩短。由于以上原因，放电开始的时间被稳定化，从而稳定了薄膜生成时间，而且真空室恢复到溅射压力的时间被缩短，从而在薄膜生成时稳定了溅射压力。因此将薄膜厚度和薄膜质量稳定化。还有，在基体的界面处薄膜质量被稳定，高于溅射压力生成薄膜的厚度被减小，以及薄膜生成的速度被改良。

参照附图及结合对下面优选实施方案的详述中可对本发明的这些和其他目的及特点更加明了，其中：

图1是实施本发明第一实施方案溅射方法所用设备的示意图；

图2是图1第一实施方案溅射方法的溅射工序中的时间曲线；

图3是实施本发明第二实施方案溅射方法所用设备的示意图；

图4是实施本发明第三实施方案溅射方法所用设备的示意图；

图5是实施本发明第四实施方案溅射方法所用设备的示意图；

图6是实施常规溅射方法所用设备的示意图；和

图7是图6溅射方法的溅射工序中的时间曲线。

叙述本发明之前，应当注意，全部附图中同样的参考数字表示同样部件。

现参照附图详述本发明第一实施方案。

实施本发明第一实施方案溅射方法的设备如图1和2所示。根据第一实施方案的设备在溅射放电中增加放电气体流速，从而将真空室压力升到高于溅射压力，借此引起放电，通过溅射(下文记作“触发放电气体”)生成光盘的薄膜(例如，大约5秒等，生成记录在CD或DVD中的薄膜或者磁性薄膜等等)。在溅射设备中，在放电开始之前，增大放电气体流速使真空室压力高于溅射压力的气体馈给系统(下文记作“触发气体馈给系统”)总是在打开状态。当放电得到升高时即刻关闭触发气体馈给系统，从而使真空室恢复到溅射压力。放电完成后再次打开触发气体馈给系统，保持打开状态直至另一次放电开始。按照第一个实施方案，由于放电开始前的压力在全部时间保持恒定以缩短真空室恢复到溅射压力的时间，所以薄膜厚度和薄膜质量大大稳定并进一步将薄膜生成速度改良。

参照图1和2进一步详述第一个实施方案。

图1表示第一个实施方案的溅射设备。图2是该设备溅射工艺中工序的时间特性曲线。溅射设备的大体结构类似于所结合现有技术叙述的结构，因此同样参考数字表示相同部件，其说明此处省略。

第一个实施方案的设备与常规设备的一个大区别是，触发气体馈给系统7配备有一控制开/关的控制装置100，该控制装置基于诸如光检测器的放电检测传感器101是否检测出放电(传感器是“通”或是“断”)来控制触发气体馈给系统。进而言之，当放电检测传感器101在未检测到放电的状态时，控制装置101在开始放电之前保持打开触发气体馈给系统7状态，从而增大放电气体流速并将真空室5中的压力升到高于溅射压力。还有，当放电检测传感器101检测到放电时或者在产生放电的即刻控制装置将触发气体馈给系统7导入关闭状态，从而是真空室5恢复到溅射压力状态。当放电完成时控制装置再次打开触发气体馈给系统7，亦即当放电检测传感器101没有检测到放电时，控制装置还保持打开状态直至放电检测传感器101再次检测出放电即刻，就是放电再次发生时。控制装置100按此方式工作。

现在叙述使用控制装置100的溅射设备的作业。利用真空排放泵4将真空室5抽真空至10^-6乇。然后经过气体供给系统6将氩气引入真空室5，并且通过压力调节阀8使真空室内的压力调节到溅射压力，即2×10^-3乇。此时固定压力调节阀8。在控制装置100的控制下打开触发气体馈给系统7。固定氩气流速以达到引起初始放电的极限压力，例如9×10^-3乇，如图2所示。以这种状态将氩气引入真空室5。将基体3通过真空气氛储存室或传送室等安放在真空室5内。随后，在时间T1时接通直流电源或高频电源9，如图2所示，将电施加到阴极2，从而引起放电。在时间T2时当诸如光检测器等的放电检测传感器101检测到放电时(此时传感器是“通”)，在控制装置100的控制下关闭触发气体馈给系统7，使真空室恢复到溅射压力，从而在基体3上生成薄膜。此时，真空室5于时间T4恢复到溅射压力并且施加到阴极2的功率达到时间T3的额定功率。在时间T5时当薄膜生成时间结束时，关断直流电源或高频电源9，停止放电。此刻放电检测传感器101检测不到放电(传感器是“断”)。在同一时间T5，在控制装置100的控制下，打开触发气体馈给系统7。将真空室5内的基体3从真空室5内输送到真空气氛储存室或传送室等。另一方面，将新的基体3从真空气氛储存室或传送室等输送到真空室5内。在输送基体3且真空室5升高到极限压力9×10^-3乇或可激发初始放电的压力后，接通直流电源或高频电源9，于时间T6将电力施加到阴极2，则产生第二次放电。在时间T7当诸如光检测器等的放电检测传感器101检测到放电时(是“通”)，则通过控制装置100控制关闭触发气体馈给系统7，从而使真空室恢复到溅射压力。由此在基体3上生成薄膜。此时，真空室于时间T9恢复到溅射压力并且施加到阴极2的功率达到时间T8的额定功率。在时间T10当薄膜生成的时间结束时，关断直流电源或高频电源9，放电停止。此时放电检测传感器101是“断”，进入检测不到放电的状态。在同一时间T10，在控制装置100的控制下打开触发气体馈给系统7，在真空室5内的基体3被运载到真空气氛储存室或传送室等，与此同时新的基体3通过真空气氛储存室或传送室等送出并安放在真空室5内。其后重复操作程序。在图2中，未示出在储存室或传送室内因更换基体3造成的压力变化。

如上所述，根据本发明，除控制装置100控制下放电期间之外的全部时间触发气体馈给系统7都保持打开状态，从而消除了气体在触发气体馈给系统7内的滞留。在发生放电之前真空室5内的压力因此总是保持恒定。由于放电开始之前真空室5内压力随着打开的触发气体馈给系统7而降低到靠近产生放电所需最低限的压力值，则恢复到溅射压力的时间被缩短。结果，稳定了开始放电的时间T2，从而稳定了薄膜生成时间，并且，真空室恢复到溅射压力的时间缩短将会稳定薄膜生成时的溅射压力，从而使得薄膜厚度和薄膜质量可以稳定化。例如，尽管常规方法中厚度的稳定率是±5-6％或更低，但本实施方案中厚度的稳定率为±3％或更低。另外，对基体3的界面处薄膜的质量被稳定化，由于高于溅射压力的较高压力使生成薄膜的厚度也被降低，并且改进薄膜生成速度。例如，尽管常规方法中恢复到薄膜生成压力的时间是3秒，而本实施方案中恢复到薄膜生成压力的时间是1-1.5秒。

实施本发明第二实施方案溅射方法的溅射所用设备如图3所示。用在第一实施方案的光检测器等作为一个放电检测传感器的实例用来检测到放电开始的时间，而按照第二实施方案改为检测到放电功率。特别是直流电源或高频电源9的功率值输入到控制装置100，并且当输入值变成不大于放电功率的预定值时可判断此功率值为放电开始的时间，从而关闭处于打开状态的触发气体馈给系统7。通过预先测量产生放电时得到的功率值并以这些数据为基础测定这个预定值。例如，在图2的时间曲线中，可将小于放电功率5kW的2.5kW设定为预定值。当检测的功率值为2.5kW时可通过控制装置100关闭触发气体馈给系统7。第二实施方案如同第一实施方案运行并产生同样效果，所以，在基体3上生成的薄膜厚度更加稳定化。

表示放电电源接通的讯号可输入到控制装置100。在这种情况下，触发气体馈给系统7可基于该讯号通过控制装置100来关闭。这个实例可同样运行，效果类似。

虽然在第一实施方案中没有在阴极2和基体3之间安装挡板，在第二实施方案的溅射设备中配备了挡板10，如图3所示，以便在传送基体3时使基体3与阴极2之间有遮挡。同样安排也可在第一实施方案中得到相同效果。

在图4的第三实施方案的溅射设备中，储存室或传送室11的安排邻近真空室5。滑门阀15设置在储存室或传送室11的一端与真空室5相接，另一个滑门阀14设置在室11的另一端。这种安排中，当基体3从设备外部输送进入储存室或传送室时，滑门阀14就开/关，而当在储存室或传送室中的基体3送入真空室5时，滑门阀15就开/关。

图5说明第四实施方案的溅射设备。该溅射设备除储存室11之外在传送室19的周边还有第一到第三反应室5、20和21，在传送室19和储存室11之间以及传送室19和每个反应室5、20、21之间配置滑门阀18、15、16和17。第二和第三反应室20和21的结构类似于前述真空室5的结构。在多个反应室5、20、21中可同时进行多个基体3的溅射。并且滑门阀14安置在储存室11的外部。当基体3在每个传送室19、反应室5、20、21，储存室11和室外之间传送时，每个滑门阀15、16、17、18就开/关。因此，每个室内的气氛尽可能地与室外隔绝，使得内部气氛保持恒定成为可能。

尽管在前述实施方案中配备储存室或传送室，但本发明可在没有储存室或传送室的情况下实施。

类似地，尽管前述实施方案配备了压力调节阀8，但本发明在没有它时仍可实施。

根据上述本发明实施方案，原则上，除放电期间外触发气体馈给系统是打开状态。结果在触发气体馈给系统中消除了气体的滞留或聚集，在放电开始之前真空室的压力总是保持恒定。而且，在放电之前，同时在触发气体馈给系统处于打开状态，真空室的压力降低到放电压力的最低线，因而将真空室恢复到溅射压力的时间缩短。由于这些原因，定时开始放电的时间控制被稳定，从而稳定了薄膜生成时间。与此同时，恢复到溅射压力的时间缩短使得薄膜生成期间内的溅射压力稳定，则稳定了薄膜厚度和薄膜质量。另外，由于与基体的界面处薄膜质量的稳定化，使得用高于溅射压力的较高压力生成薄膜的厚度降低，因此薄膜生成的速度得到改良。

1996.8月28日申请的日本专利申请说明书JP8-226512全部内容，包括说明书、权利要求书、附图和摘要在此本文全部结合入本文。

虽然参照附图结合优选实施方案已充分叙述了本发明，应当知道，本领域技术人员很显然可作许多改变和改良。应当了解这些改变和改良是包括在待批权利要求书限定的本发明范围之内，除非它们背离其范围。

Claims (1)

1.一种溅射方法，通过对其上配有靶的一个阴极(2)通电，然后在一真空室(5)内产生放电而处理基体(3)，

所述方法包括：

在安放基体到真空室中之前在真空室内加入触发气体，使得真空室内的压力增加到高于原先设定的溅射压力；

当检测到放电时刻停止加入所述气体，从而使真空室的压力变为所述溅射压力；

在该溅射压力下处理放在真空室内的基体；

此后，当在真空室内检测不到放电时，用一个新的基体替换处理过的基体，从而将新的基体安放到真空室中，同时在真空室内加入触发气体；以及

继续加入所述气体，直到在真空室内检测到放电。

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