CN1154750C - 采用磁桶和同心等离子体源及材料源的离子化物理气相淀积装置 - Google Patents
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Abstract
将导电金属涂敷材料从磁控溅射靶(51)上溅射出来，利用带有射频能量的高密度等离子体使溅射出的导电金属涂敷材料在真空处理空间内离子化，射频耦合能量来自线圈(65)，线圈(65)位于真空室(31)外面、绝缘窗(61)后面，真空室壁面(32)上的绝缘窗(61)位于溅射靶(51)的开口(58)的中央位置。真空室的压强为10-100毫乇。磁桶(20)由永磁铁(23)所组成的磁铁阵列(22)形成，在真空室壁面(32)后面，产生一个多磁力线交点的磁场，推斥来自等离子体、朝着真空室壁面(32)方向运动的带电粒子，从而，增强了对等离子体的约束，提高了等离子体密度、等离子体的均匀性及涂敷材料的离子化比例。
Description
技术领域
本发明涉及离子化物理气相淀积(IPVD)，特别是涉及一一种使涂敷材料离子化、以提高基片上的涂敷材料方向性的IPVD装置。
背景技术
离子化物理气相淀积(IPVD)，在填充和镀覆高尺寸比(aspect ratio)硅片结构方面，是一种特别实用的方法。在给半导体晶片淀积薄膜的离子化物理气相淀积的过程中，淀积材料是从涂敷材料源被溅射出来或蒸发出来，然后，蒸发材料的相当大一部分在抵达需要被涂敷的晶片之前，被转变为正离子。这个离子化过程是通过真空室内的工作气体(process gases)所产生的高密度等离子体来实现的。等离子体可通过磁耦合射频(RF)能量经射频能量激励线圈进入处理室的真空来产生。这样所产生的等离子体位于涂敷材料源与晶片之间的区域。静电的力影响涂敷材料的正离子，并将正离子引向处理室内的各个表面。通过给晶片加负偏压，正离子被从等离子体吸引到晶片上。这种负偏压或者可以随着晶片的绝缘而产生(由于晶片浸渍在等离子体中)，或者可以通过给晶片加一个射频电压而产生。这个偏压使涂敷材料的离子朝着晶片方向加速，从而，更多的涂敷材料以近似垂直于晶片的角度淀积到晶片上。这就使得金属能够在表面带有窄/深孔穴及沟槽的晶片结构上淀积，从而可为这种晶片结构的底面及侧壁提供了良好的覆盖薄膜。
在美国专利申请号为08/844,751、08/837,551及08/844,756的专利申请中，公开了一些IPVD系统，这些于1997年4月21日提出的专利申请已转让给本申请的受让人。这些专利申请公开的内容，在此被引用为参考文献。在这类系统中，有一个真空室，真空室一般为圆柱形，并设有用绝缘材料或绝缘窗制成的曲面外壁。一个螺旋导电线圈被放置在绝缘窗的外面，而且螺旋导电线圈围绕着真空室，并与真空室同轴，螺旋导电线圈的轴向长度等于绝缘外壁的轴向长度的很大一部分。工作时，螺旋导电线圈靠一个射频能量源、经过适当的匹配系统来提供能量。绝缘窗允许来自导电线圈的能量被耦合进入真空室，同时，把导电线圈与等离子体隔离，避免两者直接接触。通过设置保护屏，保护绝缘窗免遭金属涂敷材料的淀积，保护屏一般是用金属制成的，在避免金属淀积到绝缘窗上的同时，也使射频磁场能够进入真空室内，金属淀积到绝缘窗上势必会形成导电通路，流通由磁场所产生的电流。这类电流是人们所不希望有的，会产生电阻热，并会降低从线圈到等离子体的等离子体激励能量的磁耦合。这种激励能量的用途是在真空室内产生高密度的等离子体。磁耦合的降低，会造成等离子体密度的降低，从而使处理结果的品质下降。
在这类IPVD系统中，淀积材料是从溅射靶上溅射出来的，相对于等离子体来说，溅射靶通常借助一个直流电源，被充以负电荷。溅射靶往往采用平面磁控设计，设计中引入一个将等离子体约束在溅射靶上方的磁路或其他磁性结构，用于溅射靶的溅射。来自溅射靶的材料抵达支撑在晶片支撑架(support)或台架上的晶片，晶片支撑架或台架通常被施加一个偏压，往往是借助于一个通过一个阻抗匹配线路连接基片支撑架(support)的射频能量源。
一种稍有不同的IPVD几何结构，使用的是通过放置在真空室内的线圈所产生的等离子体。这样的系统既不需要绝缘的真空室室壁，也不需要专门的保护屏来保护绝缘的真空室室壁。在美国专利5,178,739中，Barnes等人公开了这样的一种系统，该专利在此也被引用为参考文献。线圈被放置在真空室外面的系统，以及Barnes等人在其专利中所公开的系统，均涉及到使用感应线圈或其他耦合元件，感应线圈或其他耦合元件不是放置在真空室的外面就是放置在真空室的里面，它们都属于有形设置，占据溅射靶与晶片平面之间的空间。
无论耦合元件(例如线圈)是放置在真空室的外面还是里面，系统的外廓尺寸都要受到下述限制：在涂敷材料源一基片之间需要足够的间隔，以便在涂敷材料源与基片之间安装射频能量耦合元件。另外，为了安装线圈或其他耦合元件，围绕晶片还必须有足够的直径。因耦合元件需要空间而增大涂敷材料源一基片之间的间隔，其直接结果是：利用这类系统，难以获得足够的淀积均匀性。如果降低真空室的高度来提高淀积的均匀性，则会降低真空室中心区域的等离子体密度，并会降低涂敷材料的离子化百分比。此外，整个系统实际上还必须处于一个受到限制的体积范围之内。因此，经常有因为发热所造成的问题，发热是由于射频线圈靠近壁面及其他金属表面所引起的，这可能需要额外的冷却，进而会提高工程及生产成本及能源的消耗。
线圈放置在真空室内的IPVD设备还有其他缺点：线圈被等离子体所浸蚀，因此，线圈必须由与从溅射靶所溅射的相同类型的靶级材料所构成。此外，放置在真空室内的线圈还需要不可忽视的冷却。如果利用液体进行冷却，则存在着线圈会因不均匀浸蚀而浸透或被电弧所击穿的危险，造成冷却液泄漏而进入系统，这是人们极为不希望发生的，它可能会造成需要对系统进行长时间的清洁及对系统重新进行合格鉴定。还有一点是，放置在真空室内的激励线圈还会与等离子体电容性偶合，造成激励能量的利用率低和离子能谱的扩宽，从而，将对淀积过程产生不利的影响。
考虑到上述许多问题，Drewery和Licata在共同转让且共同悬而未决的美国专利申请号为09/073,144的专利申请中公开了一种IPVD方法和设备，该专利申请在此也被引用为参考文献。Drewery等人的专利申请中所公开的方法及设备，保证了能量高效耦合进入浓密的等离子体，由此，涂敷材料在IPVD系统中被离子化，而且这是在既不影响真空室最佳几何形状、也不需要将线圈或其他耦合元件放置在真空室内的情况下实现的。它使用了一种设有一个环形涂敷材料源(例如：环形溅射靶)的装置，在绝缘窗的后面，环形涂敷材料源的中央有一个耦合元件(例如：平面线圈)，用于将射频能量耦合进入真空室，以产生高密度的电抗偶合等离子体，例如：感应耦合等离子体(ICP)。
前面所述的各种IPVD系统及方法，得益于高的等离子体密度及等离子体均匀性来有效地实现其目的，特别是涂敷亚微米高尺寸比器件的目的。较高的等离子体密度，能够增进金属离子化。提高的等离子体均匀性，能够降低偏压(例如：由射频能量源产生的射频偏压)对淀积均匀性的影响，并能够扩宽其他处理参数的可接受范围。前面所描述的各种系统，因离子传给真空室壁面和提高等离子体均匀性的缘故，易于降低效率。
在没有使用IPVD的等离子体系统中，已经尝试过各种技术，来降低对于真空室壁面的离子损失。例如，在低温下产生等离子体时，提高等离子体均匀性和等离子体密度的一种方法是利用一个“磁桶(magnetic bucket)”。“磁桶”所产生的磁场，通过一种形式的吸持(称之为磁镜吸持)，降低了对于处理室壁面的电通量。等离子体保持中性的倾向，即具有与正离子一样多数量的电子的倾向，也降低了对于处理室壁面的离子通量。前面所描述的各种系统的不同处理室结构，均提出了等离子体密度和等离子体均匀性的问题。磁镜和磁桶，不仅会与磁控场相互之间产生不利影响，而且还会使靶的利用率降低。这使得其并不适用于等离子体密度及等离子体均匀性要求高的情况，例如：IPVD。
出于上述原因及其他原因，需要提高IPVD系统中的淀积均匀性及等离子体密度，其中包括那些ICP等离子体源位于环形靶中央的IPVD系统。
WO92/07969公开了一种溅射装置，在一个实施例中，该装置包括一个射频线圈作为单独的(sole)溅射源。在其他的实施例中，还在处理室一端的靶与另一端的基片之间，提供了一个圆柱形溅射靶。多个磁铁围绕着处理室，产生了一个有许多交点的磁场。
发明内容
本发明的目的是提供一种IPVD方法及一种IPVD设备，其中，等离子体使涂敷的金属离子化，它将更加充分、浓密及均匀地充满处理室内，由此将涂敷材料传送到基片上。本发明的另一个目的是在不过度提高阴极和磁控设计复杂性的情况下，增加使涂敷材料离子化。本发明的又一个目的是提供一种方法及设备，其中，利用磁场作用来降低流入处理室壁面的等离子体流量，特别是，等离子体的密度及等离子体的均匀性也由此得以提高。
根据本发明的原理，一种离子化物理气相淀积装置，包括：一个真空室，它有一个真空处理空间，真空室轴线穿过真空处理空间，真空室壁面的内表面环绕着真空处理空间及真空室轴线；一个涂敷材料源，该涂敷材料源通常以真空室轴线为中心，位于真空室的一端，涂敷材料从这里被提供给真空处理空间；一个基片支撑架，该基片支撑架在真空室的内部，通常以真空室轴线为中心，位于真空处理空间的另一端，与涂敷材料源相对；一个工作气体源；一个射频能量源；一个射频耦合元件，该射频耦合元件与射频能量源相连，通常以真空室轴线为中心，并且进行电抗耦合能量，以便在真空处理空间内形成等离子体；以及一个磁桶，通常以真空室轴线为中心，并且环绕着该真空室轴线及真空处理空间，这个磁桶包括一个由多个永磁铁所构成的磁铁阵列，这些磁铁以真空室轴线为中心，并且围绕着真空室，每个磁铁都有一个径向取向的极轴，磁铁阵列中的磁铁采取极性交变的布置形式而且间隔紧密，以产生一个环绕真空室的多环形磁力线交点的磁场，由此，推斥来自等离子体的、朝着真空室壁方向运动的带电粒子；其特征在于：真空室壁面有一个壁面衬层，它位于真空处理空间与真空室壁面之间，把真空室壁面和真空室的内部分开；由多个永磁铁所构成的磁铁阵列是在真空室内，位于壁面衬层与真空室壁面之间，而且磁铁阵列如此排列，以致于能够形成一个环绕真空室、靠近壁面衬层的多环形磁力线交点的磁场；以及在磁铁与真空处理空间之间，使用了非磁性高导电性材料，包括涂敷在磁桶的每一个磁铁上的非磁性高导电性材料。
根据本发明的一种离子化物理气相淀积装置，包括：一个真空室，它有一个真空处理空间，真空室轴线穿过真空处理空间，真空室壁面的内表面环绕着真空处理空间及真空室轴线；一个涂敷材料源，该涂敷材料源通常以真空室轴线为中心，位于真空室的一端，涂敷材料从这里被提供给真空处理空间；一个基片支撑架，该基片支撑架在真空室的内部，通常以真空室轴线为中心，位于真空处理空间的另一端，与涂敷材料源相对；一个工作气体源；一个射频能量源；一个射频耦合元件，该射频耦合元件与射频能量源相连，它通常以真空室轴线为中心，并且使用电抗耦合能量使真空处理空间内形成等离子体；以及一个磁桶，该磁桶通常以真空室轴线为中心，环绕着真空室轴线及真空处理空间，该磁桶包括一个由多个永磁铁所构成的磁铁阵列，这些磁铁以真空室轴线为中心围绕着真空室，每个磁铁都有一个径向取向的极轴，磁铁阵列中的磁铁采取极性交变的布置形式而且间隔紧密，以产生一个环绕真空室的多环形磁力线交点的磁场，由此，推斥来自等离子体并朝着真空室壁方向运动的带电粒子；其特征在于：真空室壁面有一个壁面衬层，它位于真空处理空间与真空室壁面之间，把真空室壁面和真空室的内部分开；由多个永磁铁所构成的磁铁阵列在真空室内，位于壁面衬层与真空室壁面之间，而且磁铁阵列如此排列，以致于能够形成一个环绕真空室、靠近壁面衬层的多环形磁力线交点的磁场；以及用非磁性导电材料形成壁面衬层，由此在磁铁与真空处理空间之间提供非磁性高导电性材料。
在本发明的最佳实施例中，非磁性导电材料为铜或铝，厚度至少为20微米。
其中，永磁铁阵列是由多个轴向间隔布置的环形磁铁所构成的磁铁阵列，该磁铁阵列以真空室轴线为中心并环绕真空室。
其中，由磁桶所产生的磁场，在真空室壁面内表面的内侧，有一个近似的高斯强度，它不超过5倍压强[以毫乇(Pa)为单位]或300高斯(0.03T)。
其中，磁铁阵列中的磁铁为平面环形磁铁，轴向厚度约为1/8～1/4英寸(3.175～6.35mm)，径向宽度约为3/8～3/4英寸(9.525～19.05mm)，磁铁的间隔距离约为1/8～1/4英寸(3.175～6.35mm)，磁铁阵列的轴向延伸长度超过真空室在涂敷材料源与基片之间的轴向长度的2/3。
其中，永磁铁的阵列包括多个轴向延伸的条形永磁铁，这些条形磁铁在圆周方向上以紧密的间隔环绕着真空室壁面，每个条形磁铁都在纵向方向上延伸，其极轴为横向取向并且垂直于真空室壁面的内表面。
其中，涂敷材料源是一个环形涂敷材料源，涂敷材料从这里被提供给真空处理空间，涂敷材料源有一个中央开口，而且至少有一个表面与真空处理空间相通；射频耦合元件位于环形涂敷材料源的中央开口位置，以便将能量电抗耦合到真空处理空间内，从而在处理空间内形成足够密度的等离子体，使来自涂敷材料源并经过真空处理空间的运动的涂敷材料离子化。
其中，射频耦合元件是一个线圈，它位于环形涂敷材料源的中央开口位置，用来感应耦合能量进入真空室，以在真空处理空间内形成感应耦合等离子体。
其中还包括：一个绝缘窗，位于涂敷材料源的中央开口位置；所述的射频耦合元件位于真空室以外的绝缘窗的外侧和后面，并且用来耦合射频能量经过绝缘窗进入真空室，以激励真空室内的等离子体。
其中还包括：保护屏结构，位于绝缘窗内侧，绝缘窗与真空处理空间之间，保护屏结构被配置成能够高效地将来自耦合元件的射频能量耦合进入真空处理空间，并能够在物理上保护绝缘窗避免淀积来自真空处理空间的涂敷材料。
其中，涂敷材料源至少包括一个用导电涂敷材料制成的环形溅射靶，该环形溅射靶带有：一个溅射表面，该溅射表面与真空室内部相通；以及一个靶电源，靶电源与靶相连，以在溅射表面上形成一个直流偏压，这个相对于等离子体的负偏压足以将靶的溅射表面的材料溅射进入真空处理空间。
还包括：一个磁控磁铁，位于靶的后面、真空室的外部，用于有效地将溅射等离子体约束在非常接近于靶的溅射表面的区域。
还包括：一个偏压电源，它与基片支撑架相连，以在基片支撑架上面的基片上形成一个直流偏压，这个相对于等离子体的负偏压足以将来自真空处理空间的涂敷材料的正离子引向基片。
由上所述，磁铁阵列进一步包括许多个永磁铁，其极轴相对于涂敷室轴线径向取向。在磁铁阵列中，磁铁的极性方向是交错的，以形成一个围绕着涂敷室壁面的多交点磁场。磁铁阵列可以呈笼状，由多个轴向取向的磁条组成，这些磁条共同构成一圈轴向延伸的紧接涂敷室壁面的磁力线通道，这与较为普通的磁桶结构一样。但是，在本发明的最佳实施例中，磁铁阵列呈现为许多个轴向隔开的与涂敷室轴线同轴的多圆环形式，这些圆环构成环绕涂敷室圆周的环形磁力线通道。在这种布置形式的情况下，磁场与阴极之间的相互作用在水平方向上是一致的。在涂敷室内靠近涂敷室壁面的位置，磁力线汇聚，磁场强度加强，这对朝着涂敷室壁面方向运动的带电粒子具有沿着磁力线的推斥作用。
这种磁铁阵列产生的磁场强度，足以磁化位于等离子体边缘的电子，也就是说，足以使磁场内运动的电子发生偏转。但另一方面，这种磁铁阵列产生的磁场强度，并没有强到磁场可以过深地穿入等离子体的体内。在本发明所涉及的那些IPVD系统中，涂敷室内的压强一般必定高于1毫乇(mTorr)(0.133Pa)，通常是在10-100毫乇(1.33-13.33Pa)范围内。在氩气压强为10-20毫乇(1.33-2.66Pa)的情况下，磁场强度可以高达约50-100高斯(5-10×10-3T)。在压强约为100毫乇(13.33Pa)的情况下，磁场强度可以高达约200-300高斯(0.02-0.03T)。但通常，压强不应当高出需要，为的是不过深地穿入等离子体，但B场(以高斯为单位)应当至少约为这个压强(以毫乇为单位)的1.3倍。最好的是，磁场强度比最低值大约高出30％。
磁铁之间的间隔密集到足以产生“磁瓶”效果，磁铁阵列中每个磁铁的磁力线通过两侧相邻的与其极性取向相反的磁铁，从一极延伸到另一极。磁铁之间的间隔过大，会破坏磁铁阵列的效果；而磁铁之间的间隔较为紧密，不仅能够避免磁场过深地穿入等离子体，而且还可减小磁铁阵列与阴极磁场的耦合。
磁铁被设置在尽可能地靠近涂敷室壁面的位置，使磁铁更为有效地防止带电粒子损失到涂敷室壁面。最好的是，将磁铁放置在涂敷室内的涂敷室壁面衬套或保护屏后面的真空中，而不是放置在真空之外的涂敷室外壁的后面。可以使用冷却气体或冷却液体来对磁铁进行冷却。在磁铁处于由线圈或其他元件所产生的射频场内的场合下，可以使用适当的具有足够厚度的敷层(例如铜敷层或铝敷层)来保护磁铁，防止磁铁由于射频场而出现过热。在13.56MHz射频能量的情况下，铜敷层或铝敷层适用，敷层至少为20-50微米，最好为80-100微米。
本发明的IPVD室设有：一个环形靶，位于IPVD室的一端；一个基片支撑架(substrate support)，位于IPVD室的另一端；一个射频线圈，位于靶中央的开口处。一个永磁铁阵列，环绕着IPVD室的壁面。这个磁铁阵列以贯穿靶心和基片中心的IPVD室的轴线为中心。这个磁铁阵列最好是一个呈多个磁铁环形式的磁桶阵列，相对于IPVD室的轴线而言，磁铁环的极轴为径向取向。这些磁铁环是薄的平面磁铁环，在轴线方向上间隔紧密，其极轴沿着IPVD室长度交替变化。这些磁铁环最好是放置在IPVD室的真空中，在IPVD室的壁面与可拆卸的壁面衬层之间，壁面衬层通常是用来：防止在壁面上形成淀积；便于IPVD室的内部清洁。壁面衬层可以是利用金属材料或其他导电但非磁性材料所制成的密闭圆柱体。
根据以上的本发明的另一个最佳实施例，磁铁阵列也可以呈现为一种由多个轴向延伸的平直永磁铁窄条所构成的磁桶阵列形式，这些平直的磁铁窄条在圆周轴向方向上的间隔紧密，相对于IPVD室的轴线而言，其极轴是径向取向。这种轴向磁铁阵列，最好是放置在IPVD室的壁面和IPVD室的壁面衬层之间，不过，磁铁也能够放置在IPVD室的外面，但这种布置形式被认为效率低。在轴向延伸磁铁阵列与圆周延伸磁铁阵列之间进行比较，就磁铁阵列的磁铁与通常位于环形靶后面的阴极总成内的磁控磁铁之间的耦合来说，前一种情况的耦合效果更强。因此，在增加了磁铁阵列之后，必须重新优化设计阴极磁铁，虽然可以使用普通的磁控优化技术，但重新进行优化设计是人们不太希望的事情。
IPVD处理装置在环形靶中央有一个用来激励高密度低能等离子体的射频元件(例如线圈)，给该IPVD处理装置提供一个磁桶，这样就能够提高等离子体的效能。磁桶对电子的推斥，能够阻止等离子体的电子的损失(loss)，否则的话，将会有等离子体的电子逃逸到涂敷室的壁面上。高的离子密度，能够提高金属的离子化，并降低对射频RF源的能量需求。等离子体均匀性的提高，能够减小射频RF偏压对淀积均匀性的影响，并降低对其他处理参数的限制。
本发明的上述目的及优点，通过参看对附图的详细说明，将变得明显易懂。
附图说明
图1为透视图，表示根据本发明一个实施例的一种IPVD处理装置。
图2为局部剖面图，剖面线为图1中的2-2。
图3为透视图，表示根据本发明另一个最佳实施例的一种IPVD处理装置。
图4为剖面图，剖面线为图3中的4-4。
图5为放大的剖面图，表示图4所示IPVD装置的磁桶结构的一部分。
具体实施方式
图1表示一种离子化物理气相淀积(IPVD)装置10，该装置包括一个磁桶磁铁总成20，磁桶磁铁总成20与美国专利申请号为09/073,144的专利申请中所公开的IPVD处理装置30结合在一起，该专利申请在此被引用为参考文献。处理装置30有一个真空室31，真空室31被密封壁面32所包围，真空室31的一端有环形溅射靶及阴极总成33，真空室31的另一端有基片支撑架(图中未示出)。真空室31有一个中心轴线35，这个轴线贯穿阴极总成33的中心和基片支撑架的中心。真空室31通常为圆柱形，而且与轴线35同轴。在环形靶及阴极总成33的中央，是一个射频发生器34，以轴线35为中心，用于耦合高密度低能等离子体进入真空室31。
典型的IPVD处理装置，在壁面的内侧，设有一个可拆装的衬层，用来阻止涂敷材料淀积到壁面上及简化真空室的清洁工作(将衬层拆下来进行清洁)。在IPVD装置10中，处理装置30设有一个衬层21，衬层位于壁面32的内侧，两者之间有小的间隔距离，最好是约为1/2英寸(12.7mm)，在此，壁面32的直径大约为15英寸(381mm)。
磁桶20包括一个磁铁阵列22，这个磁铁阵列是由多个磁铁23构成，每个条形磁铁23的长度稍稍短于真空室31的高度。相对于真空室31来说，每个磁铁都有一个径向取向的极轴，正如图2中符号N和符号S所表示的那样。这也就是说，磁铁23的一个磁极在径向方向上位于磁铁的内侧边缘，另一个磁极在径向方向上位于磁铁的外侧边缘。因此，磁铁23的数量为偶数。磁条可以用整块磁铁制成，也可以用一排小的独立磁铁装在一个公用窄条上来制成，例如，公用窄条可以用铁来制成。
关于最佳尺寸，磁铁23在径向的厚度大约为3/8英寸(0.9525cm)，在圆周(切线)方向上的厚度大约1/8～3/16英寸(0.3175-0.476cm)。磁铁23之间的最佳间隔大约为1/4～1/8英寸(0.3175-0.635cm)，从而，围绕真空室31的磁铁23的数量大约为120块。磁铁23位于壁面32与保护屏21之间，壁面32与保护屏21可以用非磁性的但可以是导电的材料来制成。在任何情况下，具有足够的面积接近等离子体的真空室，这些足够的面积应该接地或是保持真空室的阳极电位。
如图2所示，每一个磁铁23的磁力线25，从其内侧边缘拱形连接到与其直接相邻的极性相反的磁铁23的内侧边缘。当磁力线25接近磁铁23时，磁力线25出现汇聚，从而，当电子运动到较为靠近磁极时，与磁力线平行运动的电子会受到推斥力，由此，电子被偏转返回到真空室31中。
图3和图4表示一种离子化物理气相淀积(IPVD)装置10a的一个最佳实施例，该装置包括一个改进的磁桶型磁铁总成40，磁桶型磁铁总成40与美国专利申请号为09/073,144的专利申请中所公开的IPVD处理装置30结合在一起，虽然这个专利申请中的所有实施例都是适用的，但是本发明的专利申请仅仅描述了其中之一。处理装置30有一个真空室31，真空室31被密封壁面32所包围。真空室31的一端有环形溅射靶及阴极总成33，真空室31的另一端有基片支撑架36，基片支撑架36平行于环形溅射靶及阴极总成33。中心轴线35，贯穿阴极总成33的中心和基片支撑架36的中心。真空室壁面32最好是对称于轴线35并以轴线35为中心，而且通常可以是与轴线35同轴。在环形靶及阴极总成33的中央，以轴线35为中心，是射频发生器34。
如图4所示，环形溅射靶及阴极总成33，最好是含有一个一般的环形靶51，工作时，环形靶51通过一个阴极电源52被带上负电，阴极电源52最好是一个直流电源或脉冲直流电源，也可以是一个通过适当匹配电路与环形靶51相连的射频源。环形靶51的浸蚀，通过内侧暗区环(dark space ring)53及外侧暗区环54来进行控制，而且最好还通过在区域55中示意说明的磁控磁铁总成59所产生的磁场来进行控制。环形靶51的冷却，可以通过使用内置水道或其他冷却液端口(图中未示出)来实现，或者通过浸入适当的外置冷却系统(图中未示出)来实现，这些冷却方法均属于常规的冷却方法。环形靶51，通过绝缘体56和57，与接地表面相绝缘。环形靶51有一个内开口58，在开口58中，设有一个射频等离子体激励系统34。通常，给处理装置30提供有一个气源37，用来给真空室31提供工作气体(例如；氩气)，而真空泵38用来将真空室31保持在所希望的真空度。
射频激励系统34最好包括一个平面绝缘窗61，平面绝缘窗61密封环形靶51的开口。平面绝缘窗61面向支撑架36上的基片39的那一面，与真空室31的真空相接触；而平面绝缘窗61的另一面(即外表面)，与标称的大气环境相接触。靠近绝缘窗61的外表面，是一个激励线圈65，这个激励线圈最好是在平行于绝缘窗61的方向上延展，线圈可以是平面的或近平平面的。举例来说，在授予Ogle的美国专利4,948,458中及授予Ashtiani的美国专利5,669,975中，就公开有多种适用的线圈，这两个专利在此均被引用为参考文献。在绝缘窗61的内侧一面上，是一个或多个保护屏66和67，保护屏不仅在物理上保护绝缘窗61免于淀积溅射材料，同时，还起着“法拉第屏”(Faraday shield)的作用，允许来自线圈65的感应耦合射频能量进入真空室31。保护屏66和67有一个小的间隔距离，并且是安装在靠近绝缘窗61内表面的位置。保护屏66和67最好是开槽的，而且可以接地到暗区保护屏53并保持与暗区保护屏53的良好热接触，暗区保护屏53最好是采用水冷。或者，保护屏66和67中的一个或两个可以为电浮动型(electricallyfloating)，至少是根据线圈65上的射频能量进行电浮动。在这个最佳实施例中，保护屏66和67的冷却，是通过边缘导热来实现的，将热量传递给采用水冷的暗区保护屏53，或者通过一个绝缘且导热的的支撑环(图中未示出)，如果希望的话，这种支撑环不仅能够对保护屏66和67进行冷却，同时还能够使保护屏66、67和暗区保护屏53绝缘。其他的保护屏冷却技术及保护屏布置形式，也可以使用。
工作时，电源72经过匹配线路71，将射频电压施加给激励线圈65。在授予Ashtiani的美国专利5,669,975中，公开了匹配单元及一些连接装置的设计技术，可将不受欢迎的对于保护屏66和67的电容耦合降低到最低限度。给真空室提供工作气体，以将真空室内的压强提高到大约10-100毫乇(1.33-13.33Pa)。这时，可以点燃真空室内的高密度等离子体。给溅射靶51提供直流能量或射频能量，溅射靶51在来自主等离子体的粒子的轰击下被侵蚀。被主等离子体所溅射出的靶材料，在路经得到感应耦合能量(来自线圈65)支持的高密度等离子体时，被离子化。这种离子化溅射涂敷材料被加速飞向基片或晶片39，基片或晶片39最好被施加负偏压，例如：利用高频射频发生器83通过匹配电路84连接到基片支撑架36。
在实施例10a中，磁桶40包括一个磁铁阵列42，这个磁铁阵列是由多个环形磁铁43构成，环形磁铁43的外径，近似等于或者稍稍小于真空室壁面32的内径；环形磁铁43的内径近似等于或者稍稍大于保护屏21的外径。环形磁铁43采用层叠布置方式，其层叠高度稍稍低于真空室31的高度。相对于真空室31来说，每个磁铁43都有一个径向取向的极轴，正如图5中符号N和符号S所表示的那样。这也就是说，磁铁43的一个磁极在径向方向上位于磁铁的内侧边缘，另一个磁极在径向方向上位于磁铁的外侧边缘。就最佳尺寸而言，环形磁铁43在径向方向上大约为3/8英寸(9.525mm)，在轴线方向上的厚度大约1/8～3/16英寸(3.175-4.76mm)，磁铁43之间在轴线方向上的间隔大约为3/16英寸(4.76mm)，根据真空室31的高度，围绕真空室31的环形磁铁43的数量大约为16块-24块。同在前面实施例中所描述过的磁铁20一样，环形磁铁40可以用整块磁铁制成，也可以用一排小的独立磁铁装在一个公用窄条上来制成。这种公用窄条可以用铁来制成，小磁铁或机械固定或磁性吸引在公用窄条上。
如图5所示，每一个磁铁43的磁力线45，从其内侧边缘拱形连接到与其直接相邻的极性相反的磁铁43的内侧边缘。当磁力线45接近磁铁43时，磁力线45出现汇聚，从而，当电子运动到较为靠近磁极时，与磁力线平行运动的电子会遭受到推斥力，由此，电子被偏转返回到真空室31中。就实施例10a中的磁铁43而言，磁力线45在衬层21周围构成密闭圆弧，而且磁铁的磁力线是位于贯穿真空室轴线35的平面之内。而就实施例10中的磁铁23而言，磁力线25在真空室31周围构成隧道形的扇形，平行延伸到真空室轴线35，而且磁铁的磁力线是位于垂直于真空室轴线35、基片支撑架及阴极总成33的平面之内。因此，实施例10a对于阴极总成33的磁控磁场具有较小的影响，从而，针对给装置增加磁桶，所需要的专门的重新优化设计较少。
对本领域的普通技术人员来说，很明显，本发明是以最佳实施例的形式来进行描述的，本发明的实现可以有所变化，能够在不偏离本发明的原理及概念的情况下，进行补充和改进。
Claims (28)
1.一种离子化物理气相淀积装置(10，10a)，包括：一个真空室(31)，它有一个真空处理空间，真空室轴线(35)穿过真空处理空间，真空室壁面(32)的内表面环绕着真空处理空间及真空室轴线(35)；一个涂敷材料源(51)，该涂敷材料源(51)通常以真空室轴线(35)为中心，位于真空室(31)的一端，涂敷材料从这里被提供给真空处理空间；一个基片支撑架(36)，该基片支撑架(36)在真空室的内部，通常以真空室轴线(35)为中心，位于真空处理空间的另一端，与涂敷材料源(51)相对；一个工作气体源(37)；一个射频能量源(72)；一个射频耦合元件(65)，该射频耦合元件(65)与射频能量源(72)相连，通常以真空室轴线(35)为中心，并且进行电抗耦合能量，以便在真空处理空间内形成等离子体；以及一个磁桶(20，40)，通常以真空室轴线(35)为中心，并且环绕着该真空室轴线及真空处理空间，这个磁桶包括一个由多个永磁铁(23，43)所构成的磁铁阵列(22，42)，这些磁铁(23，43)以真空室轴线为中心，并且围绕着真空室(31)，每个磁铁(23，43)都有一个径向取向的极轴，磁铁阵列(22，42)中的磁铁采取极性交变的布置形式而且间隔紧密，以产生一个环绕真空室的多环形磁力线交点的磁场，由此，推斥来自等离子体的、朝着真空室壁(32)方向运动的带电粒子；其特征在于：真空室壁面(32)有一个壁面衬层(21)，它位于真空处理空间与真空室壁面(32)之间，把真空室壁面(32)和真空室(31)的内部分开；由多个永磁铁(23，43)所构成的磁铁阵列(22，42)是在真空室内，位于壁面衬层(21)与真空室壁面(32)之间，而且磁铁阵列如此排列，以致于能够形成一个环绕真空室、靠近壁面衬层(21)的多环形磁力线交点的磁场；以及在磁铁(23，43)与真空处理空间之间，使用了非磁性高导电性材料，包括涂敷在磁桶(20，40)的每一个磁铁(23，43)上的非磁性高导电性材料。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，非磁性导电材料为铜或铝。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，非磁性导电材料的厚度至少为20微米。
4.根据权利要求1-3中任何一个权利要求所述的装置，其中，永磁铁阵列是由多个轴向间隔布置的环形磁铁(43)所构成的磁铁阵列(42)，该磁铁阵列(42)以真空室轴线(35)为中心并环绕真空室(31)。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，当压强为10～100毫乇(1.33～13.33Pa)时，磁桶(40)能够有效地在真空处理室内产生一个磁场，磁场强度为至少50高斯(5×10-3T)，并且为真空室(31)内压强的至少1.3倍。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，由磁桶(40)所产生的磁场，在真空室壁面(32)内表面的内侧，有一个近似的高斯强度，它不超过5倍压强或300高斯(0.03T)。
7.根据权利要求5所述的装置，其中，磁铁阵列(42)中的磁铁(43)为平面环形磁铁，轴向厚度为1/8～1/4英寸(3.175～6.35mm)，径向宽度为3/8～3/4英寸(9.525～19.05mm)，磁铁的间隔距离为1/8～1/4英寸(3.175～6.35mm)，磁铁阵列的轴向延伸长度超过真空室在涂敷材料源(51)与基片(39)之间的轴向长度的2/3。
8.根据权利要求1-3中任何一个权利要求所述的装置，其中，永磁铁(23)的阵列(22)包括多个轴向延伸的条形永磁铁(23)，这些条形磁铁在圆周方向上以紧密的间隔环绕着真空室壁面(32)，每个条形磁铁都在纵向方向上延伸，其极轴为横向取向并且垂直于真空室壁面(32)的内表面。
9.根据权利要求1-3中任何一个权利要求所述的装置，其中，涂敷材料源是一个环形涂敷材料源(51)，涂敷材料从这里被提供给真空处理空间(31)，涂敷材料源有一个中央开口(58)，而且至少有一个表面与真空处理空间(31)相通；射频耦合元件(65)位于环形涂敷材料源(51)的中央开口位置(58)，以便将能量电抗耦合到真空处理空间(31)内，从而在处理空间内形成足够密度的等离子体，使来自涂敷材料源(51)并经过真空处理空间的运动的涂敷材料离子化。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，射频耦合元件是一个线圈(65)，它位于环形涂敷材料源(51)的中央开口位置(58)，用来感应耦合能量进入真空室(31)，以在真空处理空间内形成感应耦合等离子体。
11.根据权利要求9所述的装置，还包括：一个绝缘窗(61)，位于涂敷材料源的中央开口位置；所述的射频耦合元件(65)位于真空室(31)以外的绝缘窗(61)的外侧和后面，并且用来耦合射频能量经过绝缘窗(61)进入真空室(31)，以激励真空室内的等离子体。
12.根据权利要求11所述的装置，还包括：保护屏结构(66，67)，位于绝缘窗(61)内侧，绝缘窗(61)与真空处理空间之间，保护屏结构(66，67)被配置成能够高效地将来自耦合元件(65)的射频能量耦合进入真空处理空间，并能够在物理上保护绝缘窗(61)避免淀积来自真空处理空间的涂敷材料。
13.根据权利要求1-3中任何一个权利要求所述的装置，其中，涂敷材料源至少包括一个用导电涂敷材料制成的环形溅射靶(51)，该环形溅射靶(51)带有：一个溅射表面，该溅射表面与真空室内部相通；以及一个靶电源(52)，靶电源与靶相连，以在溅射表面上形成一个直流偏压，这个相对于等离子体的负偏压足以将靶(51)的溅射表面的材料溅射进入真空处理空间。
14.根据权利要求13所述的装置，还包括：一个磁控磁铁(59)，位于靶(51)的后面、真空室(31)的外部，用于有效地将溅射等离子体约束在非常接近于靶的溅射表面的区域。
15.根据权利要求1-3中任何一个权利要求所述的装置，还包括：一个偏压电源(83)，它与基片支撑架(36)相连，以在基片支撑架(36)上面的基片(39)上形成一个直流偏压，这个相对于等离子体的负偏压足以将来自真空处理空间的涂敷材料的正离子引向基片(39)。
16.一种离子化物理气相淀积装置(10，10a)，包括：一个真空室(31)，它有一个真空处理空间，真空室轴线(35)穿过真空处理空间，真空室壁面(32)的内表面环绕着真空处理空间及真空室轴线(35)；一个涂敷材料源(51)，该涂敷材料源(51)通常以真空室轴线(35)为中心，位于真空室(31)的一端，涂敷材料从这里被提供给真空处理空间；一个基片支撑架(36)，该基片支撑架(36)在真空室的内部，通常以真空室轴线(35)为中心，位于真空处理空间的另一端，与涂敷材料源(51)相对；一个工作气体源(37)；一个射频能量源(72)；一个射频耦合元件(65)，该射频耦合元件(65)与射频能量源(72)相连，它通常以真空室轴线(35)为中心，并且使用电抗耦合能量使真空处理空间内形成等离子体；以及一个磁桶(20，40)，该磁桶(20，40)通常以真空室轴线(35)为中心，环绕着真空室轴线及真空处理空间，该磁桶包括一个由多个永磁铁(23，43)所构成的磁铁阵列(22，42)，这些磁铁以真空室轴线为中心围绕着真空室(31)，每个磁铁(23，43)都有一个径向取向的极轴，磁铁阵列(22，42)中的磁铁采取极性交变的布置形式而且间隔紧密，以产生一个环绕真空室的多环形磁力线交点的磁场，由此，推斥来自等离子体并朝着真空室壁(32)方向运动的带电粒子；其特征在于：真空室壁面(32)有一个壁面衬层(21)，它位于真空处理空间与真空室壁面(32)之间，把真空室壁面(32)和真空室(31)的内部分开；由多个永磁铁(23，43)所构成的磁铁阵列(22，42)在真空室内，位于壁面衬层(21)与真空室壁面(32)之间，而且磁铁阵列如此排列，以致于能够形成一个环绕真空室、靠近壁面衬层(21)的多环形磁力线交点的磁场；以及用非磁性导电材料形成壁面衬层(21)，由此在磁铁(23，43)与真空处理空间之间提供非磁性高导电性材料。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，永磁铁阵列是由多个轴向间隔布置的环形磁铁(43)所构成的磁铁阵列(42)，该磁铁阵列(42)以真空室轴线(35)为中心并环绕真空室(31)。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，当压强为10～100毫乇(1.33～13.33Pa)时，磁桶(40)能够有效地在真空处理室内产生一个磁场，磁场强度为至少50高斯(5×10-3T)，并且为真空室(31)内压强的至少1.3倍。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，由磁桶(40)所产生的磁场，在真空室壁面(32)内表面的内侧，有一个近似的高斯强度，它不超过5倍压强或300高斯(0.03T)。
20.根据权利要求17～19中任何一个权利要求所述的装置，其中，磁铁阵列(42)中的磁铁(43)为平面环形磁铁，轴向厚度为1/8～1/4英寸(3.175～6.35mm)，径向宽度为3/8～3/4英寸(9.525～19.05mm)，磁铁的间隔距离为1/8～1/4英寸(3.175～6.35mm)，磁铁阵列的轴向延伸长度超过真空室在涂敷材料源(51)与基片(39)之间的轴向长度的2/3。
21.根据前面权利要求16～19中任何一个权利要求所述的装置，其中，永磁铁(23)的阵列(22)包括多个轴向延伸的条形永磁铁(23)，这些条形磁铁在圆周方向上以紧密的间隔环绕着真空室壁面(32)，每个条形磁铁都在纵向方向上延伸，其极轴为横向取向并且垂直于真空室壁面(32)的内表面。
22.根据前面权利要求16～19中任何一个权利要求所述的装置，其中，涂敷材料源是一个环形涂敷材料源(51)，涂敷材料从这里被提供给真空处理空间(31)，涂敷材料源有一个中央开口(58)，而且至少有一个表面与真空处理空间(31)相通；射频耦合元件(65)位于环形涂敷材料源(51)的中央开口位置(58)，以便将能量电抗耦合到真空处理空间(31)内，从而在处理空间内形成足够密度的等离子体，使来自涂敷材料源(51)并经过真空处理空间的运动的涂敷材料离子化。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，射频耦合元件是一个线圈(65)，它位于环形涂敷材料源(51)的中央开口位置(58)，用来感应耦合能量进入真空室(31)，以在真空处理空间内形成感应耦合等离子体。
24.根据权利要求22所述的装置，还包括：一个绝缘窗(61)，位于涂敷材料源的中央开口位置；所述的射频耦合元件(65)位于真空室(31)以外的绝缘窗(61)的外侧和后面，并且用来耦合射频能量经过绝缘窗(61)进入真空室(31)，以激励真空室内的等离子体。
25.根据权利要求24所述的装置，还包括：保护屏结构(66，67)，位于绝缘窗(61)内侧，绝缘窗(61)与真空处理空间之间，保护屏结构(66，67)被配置成能够高效地将来自耦合元件(65)的射频能量耦合进入真空处理空间，并能够在物理上保护绝缘窗(61)避免淀积来自真空处理空间的涂敷材料。
26.根据权利要求16～19中任何一个权利要求所述的装置，其中，涂敷材料源至少包括一个用导电涂敷材料制成的环形溅射靶(51)，该环形溅射靶(51)带有：一个溅射表面，该溅射表面与真空室内部相通；以及一个靶电源(52)，靶电源与靶相连，以在溅射表面上形成一个直流偏压，这个相对于等离子体的负偏压足以将靶(51)的溅射表面的材料溅射进入真空处理空间。
27.根据权利要求26所述的装置，还包括：一个磁控磁铁(59)，位于靶(51)的后面、真空室(31)的外部，用于有效地将溅射等离子体约束在非常接近于靶的溅射表面的区域。
28.根据前面权利要求16～19中任何一个权利要求所述的装置，还包括：一个偏压电源(83)，它与基片支撑架(36)相连，以在基片支撑架(36)上面的基片(39)上形成一个直流偏压，这个相对于等离子体的负偏压足以将来自真空处理空间的涂敷材料的正离子引向基片(39)。
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