CN1190111C - 具有双离子源的处理系统 - Google Patents

Abstract

一种衬底处理系统包括处理室(10)、位于处理室中的衬底支架(12)、用于给处理室供应处理气体的气体源(54)、位于处理室中的第一和第二离子源(20，22)、用于激发所说第一和第二离子源的电源(50)。每个离子源都电离处理气体，产生处理设于衬底支架上的衬底的离子。第一和第二离子源分别包括第一和第二阳极(30，40)。电源按多路复用方式激发第一和第二阳极，以便在任何时间所说第一和第二离子源中只有一个被激发，避免了离子源间的相互作用。

Description

具有双离子源的处理系统

发明的领域

本发明涉及利用通过产生的离子形成的等离子体处理衬底的系统和方法，更具体说涉及使用两个或多个离子源的处理系统和方法。

发明的背景

市售等离子源可广泛应用于尤其是半导体、光学和磁性薄膜处理等工业领域，可用于在表面上淀积和腐蚀表面。这种离子源形成的等离子体产生可以与表面化学和/或物理相互作用的反应核和电离物质，从而淀积或去除材料。

在许多工艺中，使用源于等离子源的高能离子可以淀积具有独特性质的材料或允许在其它情况下无效的条件下腐蚀表面。安装在定位衬底的真空室中的离子源是在等离子体中处理衬底的基本方法。具有特定化学性质的气体供应给用于电离的离子源。所产生的等离子体是各种反应核和电离化学物质及高能电子的混合物。电离物质与表面相互作用的能量取决于等离子电特性和压力。一般说，轰击衬底的离子的能量由衬底偏置装置控制。或者，如果衬底电俘置，则离子能量将由决定等离子体电位和为零的净电流的表面处电位(俘置电位)间的差值的电子能量分布决定。由于淀积或腐蚀工艺特性和所得材料性质经常主要取决于该参数，所以希望控制离子能量。

在某些应用中，希望同时处理衬底两侧。这一般是指在用于磁存储系统的磁盘制造中淀积各种材料的薄层。这种情况下，离子源定位于盘的相对侧上。然而，使用阳极建立等离子电位的离子源趋于在处理室中这两种离子源同时工作时表现出等离子不稳定性和振荡。这种不稳定性无法产生可预知的离子发生和处理稳定性。另外，已证明难以涂敷具有满足硬盘上保护膜的要求的性质的薄膜。较薄的涂层允许磁头更靠近磁盘的磁性材料，所以可以增大面密度。该应用中，淀积外涂层，该涂层应具有足够的硬度、密度和粘附性及包括高淀积速率和表面的低显微颗粒数等实用质量。因此，需要改进的衬底处理系统和方法，其中两个或多个离子源可以在处理室中以稳定的方式工作，对于预想的用途来说，可以改善所淀积层的性质。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供一种衬底处理系统。该衬底处理系统包括处理室、定位于处理室中的衬底支架、为处理室供应处理气体的气体源、位于处理室中的第一和第二离子源、及激发第一和第二离子源的电源。这些离子源中的每个都电离处理气体，产生用于处理设置于衬底支架上的衬底的离子。第一和第二离子源分别包括第一和第二阳极。电源以时分多路复用的方式激发第一和第二阳极，从而在任何时间第一和第二离子源中只有一个被激发。

电源较好包括以小于约100kHz的频率为第一和第二阳极提供脉冲周期性电压的装置。在优选实施例中，该频率为约1-5kHz。加于第一和第二阳极的每一个上的脉冲周期性电压具有小于或等于50％的占空系数。

第一和第二离子源一般定位于处理系统中衬底的相对两侧上。然而，在某些系统中，离子源也可以定位于衬底同一侧上，例如可用于馈送不同的气体，以得实现多层淀积。来自第一和第二离子源的处理气体离子可淀积于衬底上，或可用于腐蚀衬底。

根据本发明的另一方面，提供一种处理衬底的方法，该方法包括以下步骤：在处理室中定位衬底；向处理室供应处理气体；用位于室中的第一和第二离子源电离处理气体，产生用于处理衬底的处理气体离子。第一和第二离子源分别包括第一和第二阳极。该方法还包括激发第一和第二阳极以便在任何时间第一和第二离子源中只有一个被激发的步骤。

根据本发明再一方面，提供一种操纵处理室中的两个或多个离子源的方法。两个或多个离子源的每个都具有一个阳极。该方法包括以时分多路复用的方式激发离子源的阳极，以便在任何时间第一和第二离子源中只有一个被激发的步骤。

附图简介

为更好地理解本发明，参考以下附图，其中：

图1是本发明处理系统的框图；

图2是本发明第一实施例阳极电压与时间的关系曲线图；

图3是本发明第二实施例阳极电压与时间的关系曲线图；

图4是图1所示电源的一个例子的框图；

图5是图1所示电源的另一例子示意图；

图6是具有四个离子源的处理系统的阳极电压与时间关系的曲线图。

具体介绍

图1以框图的形式局部示出了根据本发明的衬底处理系统的一个例子。该系统包括封闭的处理室10、具有通过开关9与偏置电压8的电连接11的衬底支架。衬底支架12将衬底14支撑于处理室10内。离子源20和22定位于衬底14的相对两侧。处理室10较好是导电的，并接地。如果需要，处理期间电偏置可以加于衬底14上。也可以使衬底电俘置，或使衬底基座接地。例如衬底14可以是用于磁盘制造的衬底，可以包括铝材料盘。还可以使用其它盘基底材料，例如玻璃、塑料或其它较轻基底材料制造用于例如膝上单元等小型电脑的硬盘。如果希望通过衬底支架给盘加偏置，则较好是使用导电盘基底。

离子源20包括阳极30和电子源。电子源可以包括靠近阳极30的灯丝32和与灯丝32连接的灯丝电源34。离子源22包括阳极40和电子源，电子源包括靠近阳极40的灯丝42和与灯丝42连接的灯丝电源44。灯丝电源34和44电加热各灯丝32和42，以在各离子源20和22内产生电子。灯丝32和42用作各离子源的阴极。本发明也可以采用例如冷阴极电子源等其它电子源。如下所述，阳极30和40与电源50连接，以便激发各离子源20和22。

气体源54给处理室10供应处理气体。具体说，气体源54可以给阳极30和40与衬底14间的区域中的每个离子源20和22供应气体，合适处理气体的例子包括但不限于用于淀积类金刚石碳的乙烯、甲烷和埃可特林(acteylene)、用于淀积氮化硅的硅烷和氨的混合物及用于腐蚀的氩、氧或氢等。

气体由与处理室连接的真空泵60排出处理室10。如所属领域技术人员所知道的，气体源54和真空泵60可以控制处理室10内的气体流量和压力。该系统较好是在处理室压力为约1-约5毫乇时工作，但也可以采用0.1-20毫乇的压力。

工作中，每个离子源20和22电离处理气体，形成处理气体离子。这些离子指向衬底14，用于淀积或腐蚀。在激发离子源20和22时，在处理室10中在阳极30和40附近产生等离子体。灯丝32和42供应电子，用于等离子体内的处理气体分子的电离。然后在衬底表面处在等离子表层上离子被向着衬底14加速。图1所示处理系统可以同时处理衬底14的两侧。

也可以通过利用其它设备和技术产生等离子体进行该工艺。例如，合适的气体可穿过使用电磁能加速的区域，从而产生然后可以馈送到系统的阳极并被阳极偏置的等离子体。

如上所述，在激发离子源20和22时，观察不稳定性的振荡，相信这种不稳定性的振荡的原因是处理室10中的等离子体是灯丝32和42产生电子的低阻抗路径。因此，在激发两离子源时，要建立的第一等离子体产生所有电子的低阻路径，导致电子远离另一等离子源。即便两等离子源能够工作，等离子体阻抗也不匹配，因而产生了不平衡的电子共享和振荡。离子源利用热灯丝电子源正常工作期间，在给定阳极偏置时，电子源所发射的所有电子流由这个偏置的阳极收集。

根据本发明的一个方面，离子源20和22按同步时分多路复用方式被激发，以便在任何时间只有一个离子源被激发。具体说，时分多路复用电压可以加到各离子源20和22的阳极30和40上。图2示出了合适激发电压的一个例子，其中阳极30和阳极40电压作为时间的函数。如图所示，激发电压在时间T1、T3和T5加于阳极30上，在时间T2和T4加于阳极40。加于阳极30和40的电压在时间上不重叠，  因而在任何时间只有一个离子被激发。这些离子源交替开关，于是消除了各源之间等离子电子和离子的相互作用。电子由一个阳极和然后由另一个阳极交替收集。同步或时分多路复用操作避免了复杂的屏蔽或绝缘以便电隔离一种等离子体与另一种等离子体的需要。

加于阳极30和40上的交替电压较好是频率小于约100kHz。一般说，阳极电压的频率应比离子源20和22中离子反应次数低。这样可以确保每种离子源比阳极电压的开关更迅速地开关。在优选实施例中，阳极电压的频率为约1-5kHz。

对于具有两个离子源的处理室来说，阳极电压的占空系数较好是50％以下，较好是相等。可以利用不等的占空系数，但会在衬底14两侧产生不平衡的处理。可以采用小于50％的占空系数，如图3所示，其中加于阳极30和40上的电压作为时间的函数。在时间T10、T12和T14期间，在阳极30上加激发电压，在时间T11和T13期间，在阳极40上加激发电压。各阳极电压时间上不重叠。阳极电压每个都具有约40％的占空系数，这样两个离子源20和22在阳极电压的每个周期的一部分期间为关。

图4中示出了产生时分多路复用阳极电压的合适电源50(图1)的一个例子。例如可控制的脉冲发生器等同步单元100具有与第一电源102和第二电源104连接的同步输出。电源102给阳极30供应电压，电源104给阳极40供应电压。电源102和104的输出可对应于图2或3中的电压波形。应理解，可以采用的某些电源具有自主能力，以便输出图3和/或3所示的时分多路复用电压。

图5示出了合适电源50的另一例子。电源120在线122和124上输出为相差为半个周期的双极性方波电压。线122和124上的方波电压分别加到阳极30和40上。二极管126接在线122和地之间，二极管128接在线124和地之间。二极管126和128箝位方波电压的负半周期，以便正电压加于阳极30和40上。

衬底可以如图1所示由为展示目的示出为可调的DC电压源8偏置，从而使衬底收集离子流，或可以加自调制偏置。这种情况下，在衬底14试图升到电源8设定的D.C电源电压之上时，晶体管7导通。在绝缘衬底(或衬底不与电压源连接)的情况下，离子将被加速到由等离子体电位和衬底处的俘置电位间的差值确定的能量。俘置电位定义为电子流等于离子流即净电流为0时的电位。通过相对等离子体密度调节高能电子源，可以调节等离子体电位与俘置电位间的差值和因此而得的离子能量。一般说，气体压力越低，到达电子的功率越大(通过从阴极或RF加热发射电流)，将会产生越大的离子能量。

相对控制电压可以控制所淀积膜的膜物理性质。例如，由乙烯淀积的类金刚石膜的硬度、应力和组分与离子能量(电压)有非常明显的依赖关系。

应理解，本发明可以采用例如表示为8或50的各种不同结构的电源。许多电源结构是所属领域技术人员所熟知的。一般说，电源50构成为在任何一个时间，只激发离子源20或22中的一个。

到目前为止已讨论了具有两个离子源的处理系统。如上所述，离子源的时分多路复用操作可应用于具有两个或多个离子源的处理系统。每种情况下，按在任何时间有一个离子源开的方式激发离子源。例如，具有四个离子源的处理系统可以由占空系数为25％以下的非重叠阳极电压激发。激发四个离子源的合适阳极电压如图6所示。阳极1在时间T20期间被激发，阳极2在时间T21期间被激发，阳极3在时间T22期间被激发，阳极4在时间T23期间被激发，阳极1在时间T24期间再次被激发。加于两个或多个离子源上的各阳极电压取决于离子源的数目、希望的占空系数、希望的工作频率和被处理结构或表面的类型。每种情况下，都可以避免离子源间的相互作用。

加于各阳极上的电压可从由使工作气体得以充分电离的最小需求决定的低值(～80V)和由接地壁上发生电弧确定的最大值(一般＞200V)改变。衬底表面上的粒子数趋于随阳极电压而增大，所以最佳阳极电压一般是可以实现要求的淀积速率、膜性质和可靠的放电的最低电压。

偏置衬底，可以提供对离子撞击衬底表面的能量的控制。例如，如果阳极电压是Va＝100V，衬底电压是Vs＝50V，离子将被加速到Va-Vs＝50eV。控制该相对电压，可以控制所淀积膜的硬度和应力。特别发现在衬底的两侧上同时淀积类金刚石碳(DLC)薄膜时如此。另外，已发现Va-Vs＞120V，会形成非常硬(＞25Gpa)应力高(约4Gpa)的膜，而Va-Vs约为40V时，膜的硬度非常小(约9Gpa)，应力低(＜0.5Gpa)。

尽管未充分理解本发明的机理，但目前相信，即使衬底被偏置，也可以形成并相对接地壁正偏等离子体，并在等离子体和偏置衬底间的界面处表层上加速离子。利用等离子体而不是例如离子束，可以实现比其它情况下更高的淀积速率。就这一点而言，根据本发明我们已实现了以等于或超过每分钟12埃的速率淀积保护外涂层。

偏置等离子体的方法比隔绝离子束源、可以开和关的源优越的地方在于，由于空间电荷限制有加束栅中，所以一般难以以低离子能量得到高淀积速率。另外，等离子表层的性质确保了离子加速在整个表面区上垂直于衬底表面，而离子束相对于垂直入射发生一些偏转，远离衬底的轴。

尽管已结合优选实施例展示和介绍了本发明，但对于所属领域的技术人员来说显然可以做出各种改变和改进，而不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (31)

1、一种衬底处理系统，包括：

处理室；

位于所说处理室中的衬底支架；

耦合到所说处理室的气体源，用于给所说处理室供应处理气体；

所说室中的第一离子源，用于电离所说处理气体，产生处理设于所说衬底支架上的衬底的离子，所说第一离子源包括第一阳极和第一电子源；

所说室中的第二离子源，用于产生处理衬底的离子，所说第二离子源包括第二阳极和第二电子源；及

电源，用于按时分多路复用方式激发所说第一和第二阳极，以便在任何时间所说第一和第二离子源中只有一个被激发。

2、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说电源包括用于以小于100kHz的频率给所说第一阳极和所说第二阳极供应脉冲周期性电压的装置。

3、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说电源包括用于以1-5kHz的频率给所说第一阳极和所说第二阳极供应脉冲周期性电压的装置。

4、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说电源包括用于以小于等离子在所说室中的反应时间的频率给所说第一阳极和所说第二阳极供应脉冲周期性电压的装置。

5、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说电源包括用于以小于或等于50％的占空系数给所说第一阳极和所说第二阳极供应脉冲周期性电压的装置。

6、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说电源包括用于以小于50％的占空系数给所说第一阳极和所说第二阳极供应脉冲周期性电压的装置，其中所说第一离子源和所说第二离子源在脉冲周期性电压的每个周期的一部分期间都关掉。

7、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说电源包括产生双极性方波电压的装置、给所说第一阳极供应所说双极性方波电压的前半个周期的装置、给所说第二阳极供应所说双极性方波电压的另一半周期的装置。

8、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说电源包括分别激发所说第一和第二阳极的第一和第二电源、同步所说第一和第二电源以使所说第一和第二阳极在不同时间被激发的装置。

9、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说电源包括具有第一和第二脉冲输出的电源，每个所说脉冲输出分别耦合到所说第一和第二阳极，其中所说第一和第二输出包括相移的脉冲，以便在不同时间激发所说第一和第二阳极。

10、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说第一和第二离子源定位于衬底的相对侧上。

11、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说第一和第二电子源都包括用于产生电子的灯丝和耦合到所说灯丝并加热所说灯丝的灯丝电源。

12、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说第一和第二离子源在衬底上淀积所说处理气体的离子。

13、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说第一和第二离子源产生用于腐蚀所说衬底的处理气体的离子。

14、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说电源包括分别用不同相的第一和第二波形激发所说第一阳极和所说第二阳极的装置。

15、一种处理衬底的方法，包括以下步骤：

在处理室中定位衬底；

向处理室中供应处理气体；

用位于所说室中的第一离子源电离所说处理气，产生处理衬底的所说处理气离子，所说第一离子源包括第一阳极和第一电子源；

用位于所说室中的第二离子源电离所说处理气，产生处理衬底的所说处理气离子，所说第二离子源包括第二阳极和第二电子源；及

激发所说第一阳极和所说第二阳极，从而在任何时间所说第一和第二离子源中只有一个被激发。

16、根据权利要求15的方法，其中激发所说第一阳极和所说第二阳极的步骤包括以小于100kHz的频率在所说第一和第二阳极的每一个上加脉周期性电压。

17、根据权利要求15的方法，其中激发所说第一阳极和所说第二阳极的步骤包括以1-5kHz的频率在所说第一和第二阳极的每一个上加脉周期性电压。

18、根据权利要求15的方法，其中激发所说第一阳极和所说第二阳极的步骤包括用不同相的第一和第二周期性电压激发所说第一和第二阳极。

19、根据权利要求18的方法，其中所说第一和第二周期性电压具有小于50％的占空系数，所说第一和第二离子源在脉冲周期性电压的每个周期的一部分期间都关掉。

20、一种操作处理室中的两个或多个离子源的方法，所说两个或多个离子源每个都具有阳极，该方法包括以下步骤：

以时分多路复用方式激发所说两个或多个离子源的各阳极，以便在任何时间所说两个或多个离子源中只有一个被激发。

21、一种衬底处理系统，包括：

处理室；

位于所说处理室中的衬底支架；

用于给所说处理室供应处理气体气体源；

定位于所说处理室中的第一和第二阳极；

所说室中的电子源，用于在电离所说处理气体从而产生处理设于衬底支架上的衬底的离子的所说第一和第二阳极的区域中产生电子；及

电源，用于按时分多路复用方式激发所说第一和第二阳极，以便在任何时间所说阳极中只有一个被激发。

22、根据权利要求21的衬底处理系统；其中所说衬底支架电连接一个电源，能够偏置定位于所说衬底支架上的衬底。

23、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说衬底支架电连接一个电源，能够偏置定位于所说衬底支架上的衬底。

24、根据权利要求1的衬底处理系统，其中所说处理气体送到所说衬底支架上衬底的相对侧。

25、根据权利要求24的衬底处理系统，其中所说衬底支架与一偏置电源连接，以便能够偏置所说衬底支架上的衬底。

26、根据权利要求15的方法，包括在处理期间偏置所说处理室中的所说衬底。

27、根据权利要求26的方法，包括在所说衬底的不同侧上定位所说离子源。

28、根据权利要求26的方法，包括向所说衬底的每一侧馈送处理气体。

29、根据权利要求26的方法，包括向所说衬底加自调制偏置。

30、一种在处理站处理薄导电衬底的两个表面的处理系统，包括：

处理室；

定位于所说处理室中的衬底支架；

耦合到所说处理室的气体源，用于在所说衬底支架上的衬底的表面侧向所说室馈送气体；

电源及第一和第二等离子发生器，每个所说等离子发生器都定位于所说衬底支架上衬底的表面侧上，在此产生等离子本，所说电源与所说第一和第二等离子发生器相连，用于按时分多路复用方式激发所说等离子发生器，从而在任一时间所说等离子发生器中只有一个被激发；及

与所说衬底支架相连的电源，用于电偏置所说支架上的衬底。

31、一种衬底处理系统，包括：

处理室；

定位于所说处理室中的衬底支架；

耦合到所说处理室的气体源，用于向所说室供应处理气体；

所说室中与电源连接的第一等离子发生器，用于电离所说处理气，产生处理设于所说衬底支架上的衬底的离子；

所说室中与电源连接的第二等离子发生器，用于电离所说处理气，产生处理设于所说衬底支架上的衬底的离子；每个所说等离子发生器都设在所说衬底支架上衬底表面的相对侧上；

用于按时分多路复用方式激发从而在任一时间所说发生器中只有一个被激发的电源；及

与所说衬底支架相连的电源，用于电偏置所说支架上的衬底从而进行处理。

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