CN1397151A - 等离子体加工系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种基片加工系统包括一个加工腔(10)，一个安置在腔内的电浮置的基片支撑架(12)，一个为该腔提供处理气体的气体源(54)，至少一个位于腔内离子源(20)，与一个以一个脉冲序列使阳极(40)正偏和阴极(22)负偏给离子源提供能量的电源19(b)，该脉冲序列具有可选择变化的占空因数和大小，以保持一个选择的时间平均电流，每个情况下的偏置都是相对于腔而言的。离子源(20)电离处理气体，产生离子以加工放置在腔内浮置的基片支撑架(12)上的基片。浮置基片上的偏置电压与它上面的净电荷一致，而净电荷受高能电子束流控制。一种实施方案包括两个这样的离子源(22，42)。在这种情况下，电源以一种时间复用的方式给第一和第二阳极(30，40)以及阴极(22，42)提供能量，以致在任何时间内只有第一或者第二离子源中的一个被提供能量，从而消除了离子源之间的相互作用。

Description

等离子体加工系统和方法
本发明是关于系列号09/235,943的未决申请的继续申请，后者申请于01/22/99，是关于申请于1998年5月13日的系列号为09/076,971的未决申请(标题为：“带有双离子源的加工系统”)的继续申请，两个共同未决申请都在此引入作为参考。
发明领域
本发明涉及用于通过生成的离子产生等离子体单面或者两面加工电浮置基片的系统和方法，更具体而言，涉及用于基片表面的可控处理的加工系统和方法。
发明背景
工业等离子源用于表面上的可控淀积和刻蚀表面，被广泛用于工业应用中，尤其是半导体、光和磁的薄膜加工。由这些源形成的等离子体产生反应的中性和离子形式，它们可以和表面发生化学和/或物理作用，从而淀积或者除去材料。
在许多方法中，使用来自等离子源中的高能离子可使淀积的材料具有极好的性质或者使表面刻蚀能在不然将无效的条件下进行。在等离子体中加工基片的方法一般包括一个固定在真空腔中的离子源，基片被放入真空腔中。一种具有特定化学性质的气体被加到离子源中供电离。产生的等离子体是选择的反应中性和离子化学形式以及高能电子的混合体。与表面相互作用的离子形式的能量取决于等离子体的电学性质，基片的电位和腔内压强。在现有技术中，轰击基片的离子能量由加在基片上的电压偏置来控制。在本文献中公开了一种可供选择的方法，其中基片是电浮置的，并且获取净电荷，从而建立基片的电位。离子的能量由等离子体的电位和基片表面的电位之差来决定，基片表面的静电流为零。基片的悬浮电位控制为与本发明中一致。
对于各种各样以等离子体为基础的方法，基片处理的一个关键的参数就是撞击在基片上的离子的动能。离子的动能是表征等离子体的几个变量，例如压强，温度，特定的等离子体，离子源参数和类似参数的统计函数。基片的电位是对此动能起主要作用的变量。对于导电基片的情况，就像一般的现有技术中应用的，此电位可以通过直接连接一个适当的电源来控制。在绝缘基片的极端情况下，这样的方法不能在基片的整个表面产生一个统一的恒定电位。正如这里描述的，本发明用于直接耦合电源不能控制基片电位或者这种对基片的电耦合不合乎需要的任何情况。本发明不局限于理想的绝缘基片，也不仅限于在此公开作为本发明的示范性使用的这些特定方法。
在有些应用中，需要同时加工基片的两面。典型的是用于淀积不同材料的薄层，这用于制造用在磁性存储系统中的磁性硬盘。在这种情况下，离子源放置在磁盘的两对面。然而，离子源是利用一个阳极建立一个等离子位能，当两个这样的离子源同时作用在一个加工腔内时，离子源趋于表现出等离子不稳定和震荡。这种不稳定行为使得离子产生和处理稳定性不可预计。现有的系列号为076,971的共同未决申请通过淀积的时分复用来解决这个问题，淀积的时分复用就是采用相应的离子源在基片的对应表面上生长对称的覆盖层。而且，已经证明很难达到满足例如用于计算机数据存储应用的硬盘上的保护膜所要求规范的薄膜，涂层越薄，使磁头越靠近硬盘表面的磁性区域，这就增加纪录信息的Arial密度。淀积磁性表面的保护涂层时，涂层应该有足够的硬度、密度和粘附性，以及完工硬盘中的实用品质，这些品质包括高的淀积速率和在表面上引起可见颗粒数少。因此，需要改进基片的加工系统和方法，其中，离子源可以在加工腔中稳定的运行，可以改进淀积层的性能以满足对它们的期望目标。
上面参考的共同未决申请，教导优势产生于基片和腔壁偏置电压的差别，由此腔壁上的淀积物的特征在于由较低的离子能量引起的低的内部位力，而同时淀积在基片上的薄膜材料具有合乎需要的硬度、密度和粘附性等特征，这是因为淀积物是相对于基片具有较高动能的离子产生的。
以上指出的这些共同的实际要求适用于光和磁媒体。例如，如果需要在光学基片上加一层保护涂层，磁盘的使用要求淀积的覆盖物以高的速率淀积并具有要求的硬度、密度和粘附性，而又极薄，并且由于改变微粒而引起的变化被减到最小。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种新颖的基片加工系统。该基片加工系统包括一个加工腔，一个位于腔内的电浮置的基片支撑架，一个给加工腔提供处理气体的气体源，至少一个位于加工腔内的离子源，和一个电源，该电源为离子源(一个或者多个离子源)提供不同的电压，并且还给腔的其它表面和一个控制器提供能量，该控制器调节每个离子源的时间相关的电子源部分的占空因数。每个离子源使处理气体电离，从而产生离子来加工放在基片支撑架上的基片。每个离子源有一个阴极和一个阳极。每个离子源也产生能量分布适合的足够的电子流，从而，在有活性等离子体的情况下，在基片上产生负的净电荷积累，从而进一步降低基片的电位。电源给一个或者多个离子源的一个或者多个阴极和一个或者多个阳极提供能量。在使用多于一个离子源的情况下，电源以时间复用的方式给离子源提供能量，这使在任何时候只给一个离子源提供能量。
控制器通过一个压力传感器检测腔内压强，同时也监控电学参数，如电子源发射电流，阳极和阴极的电位(每个离子源的)。通过控制这些参数，就可以维持需要的基片电位。
阴极发射的电子的能量和密度决定基片上的净电荷积累，从而控制基片的电位。阴极发射的电子的能谱由阳极和阴极的电压差来确定，而阴极发射的电子的密度由发射电流(离开阴极的电子的速率)和电子到壁的传输来确定。为了得到有效范围的基片电位，需要某种形式的电子限制，该限制利用磁场(如多极场)或者静电场(阴极电位等于或者大于壁电位)。本发明的一种不同的实施方案用射频波来产生等离子体和加热电子。本发明使用浮置基片，利用阴极和阳极的电位值和足够低的气压，以保证从离子源的电子源部分发射的电子具有足够的动能，基片上的负电荷积累导致基片获得需要的负电位。
离子源元件的电压偏置和/或在这里取得的有效基片电位，根据本发明，也可以用来选择地控制从离子源中来的到达特定的表面并与之相互作用的离子的能量。例如，调节基片的电位或者给离子源元件加上偏置，可以同时产生淀积在基片上的较高能量的离子和淀积在腔壁上的较低能量的离子。因此，本发明可以预定的控制表面淀积的条件，使能根据离子能量选择淀积的膜的特性。
特别是，当从包含烃气体如乙烯的等离子体形成类金刚石碳(DLC)薄膜时，由低能离子(＜100eV)淀积在加工腔壁上的碳，相比于由较高能量离子(180-200eV)在基片上形成的碳，将呈现低得多的应力。淀积在壁上的碳一旦形成，较低的应力将会使它不易剥落，且被覆盖的基片的表面上将存在较少的微粒。尽管这个例子中淀积在基片上的层与淀积在壁上的碳相比，显示出较高的应力，这并非是系统一个问题，因为淀积层如此薄，而且坚硬的淀积表面作为最有效的保护涂层，保护其下面的各层。
当基片是绝缘材料时，现有技术利用离子束的可以选择的能量。参考Kimock等，Datatech，第2版，1999年春出版，pp.69-77(ICGPublishing Ltd.出版，14Greville Street，London EC1N 8SB)。典型的现有技术中的淀积装置采用加有偏置的栅格结构来加速离子。这种栅格结构实质上是导体上形成的一系列孔，通过这些孔离子从等离子体加速。这些孔的尺寸被限制到几个德拜长度(表示电场扩展到等离子体内的长度的尺度)，因此限制了等离子体的密度。产生的离子束受到空间电荷限制。结果，淀积速率相当低，该方法的生产能力也随之降低。众所周知，处于高电位的等离子体被具有磁场的空间定域隔离。这种布置需要加工腔的尺寸显著增大来容纳一个过渡区域，和低背景中性压力来避免离子在过渡区内发生碰撞。
本发明采用电子束流来给电浮置的基片(不管是不是绝缘材料)充电，从而根据周围的等离子体，腔壁以及诸如此类的工作电位来控制基片的电位。在淀积(或其它处理)脉冲期间，调制用于这种非接触偏置的电子源以产生所需的基片电位。
尽管电子源可以采用不同的形式，优选一种中空阴极的实施方案，在一个工作周期的各自间隔内提供等离子体激发和基片偏置。在采用多个等离子源的场合下，对于相对于较低频率调制的阳极脉冲的较高频率调制的中空阴极脉冲，中空阴极源的稳定性和控制受到阴极占空因数调节的影响。对于阳极脉冲在高频下施加此调制以产生关于从阴极流出的电子流的阴极占空因数的改变。应当理解，贯穿此文献中所说的“阴极占空因数”意思是阴极偏置为“接通”的时间部分，此时，允许阴极发射电子，而所有的阳极都为“接通”。
本发明认识到直接影响基片电位的是它上面的净电荷积累。在本发明的一个优选实施方案中，需要取得并保持预先选择的基片相对于地(腔壁)的负电位，但是该负电位要介于接地的壁和更负的离子源阴极电位之间。这在本发明中，部分地是通过明智的选择电子流的最大动能而实现的。从(一种典型源的)阴极发射的电子呈现出比较宽的能谱，如图2中所示，显示了由阴极电子源产生的电子能量分布的高能尾部。动能低于阈值Vthresh＝e(Vplasma-Vfloating)的电子将会被基片表面排斥，其中e是电子电荷。值Vthresh原则上是等离子体性质和气体压力的函数。动能大于阈值的电子将一部分动能转化成势能，但是这些电子有足够的能量以到达并注入基片。因此，这些能量较高的电子帮助将基片充电至负电位，平衡来自等离子体的轰击基片的正离子，从而使流向基片的净电流为零。这种分布的形状和阈值的大小确定了基片的平衡电位。通过控制时间平均电子发射流，来控制到达基片的时间平均离子数，从而实现了淀积速率的调节。
本发明的一个迫切需要是高效并且可控的电子束。在一个优选的实施方案中，电子束流沿需要的方向空间均匀，从阴极发射的电子的主要方向是径直向基片而不是向整个4π球面角度发射，而其中电子能量分布的特征在于用可靠地已知的形状来提供合理的高能电子部分。中空的阴极离子源满足了这些要求。
沿着腔壁放置许多离散的永久磁体，磁体的磁轴横截由阴极重心和基片中心确定的轴线，这提高了等离子体密度。相邻的磁体被沿着方位角地放置在具有交替的极性的腔中，这引起了多极磁场，从而产生更大并且更均匀的等离子体密度。这些磁场还增强了对高能电子的约束，从而增加了高能电子的密度，这增加了等离子体和基片之间的电位差。
因此，规定的以等离子体为基础的工艺通过一种新的方法得到实现，该工艺依靠控制基片电位。特别是，DLC涂层的薄层可以淀积在磁性、绝缘或者其它(例如光)介质的一面或者两面作为保护涂层，比起溅射的碳膜具有优良的效果。在这个例子中，淀积淀积层作为坚硬的保护层，它有数目足够少的小颗粒，从而将生产过程中由滑动或者产品合格测试引起的磁盘废弃减到最小，该测试典型地被生产商用来决定是否生产出了满意的畅销的磁盘。当磁盘未能通过这种测试时，生产商可能被迫报废这些降低产量和利润的磁盘。本发明显著的减小了这些问题。
附图简述
为了更好的理解本发明，参考在此引入作为参考的附图，其中：
图1是根据本发明的一个双淀积系统的示意图
图2表示电子能量分布的图解说明。
图3表示本发明的一个中空阴极离子源的优选实施方案。
图4显示各自的脉冲电压波形，该电压加在多离子源等离子体淀积系统的阳极和阴极上。
图5是一个为得到提高的等离子体密度的布置。
图6a是基片电位控制的测量，该电位控制用于控制参数的第一组值。
图6b是在降低的压强下的与6a相同的图。
发明详述
在一个申请的上下文中描述了本发明如下，该申请用于在平面基片的两对面上对称地淀积DLC保护涂层。这个申请已公布于上述的共同未决的申请中。此申请是其它等离子体加工和几何结构的典型，其中加工件的电位是根据本发明建立的，为此目的，加工件与电源没有物理接触。
现在参看图1，离子源20包括一个阳极30和一个电子源22。电子源22连接电子源偏置电源19a。离子源220包括一个阳极40和位置靠近阳极40的电子源42，电子源偏置电源19b连接电子源42。依靠电子源的选择，电子源电源(没有显出)可能需要通过热灯丝电子源中的灯丝加热器激发电子的产生，或者需要迅速起动在各自的离子源20和220内的中空阴极电子源的冷阴极放电。电子源22和42起离子源阴极的作用。尽管中空阴极是本发明的优先选择方案(这在下面将进一步描述)，其它实施方案可以采用热钨灯丝，光电子或者类似的电子发射装置，或者使用RF场来加速电子。阳极30和40连接包含阳极调制器(没有显示)的电源50a和50b，阳极调制器通过输出端16和17传送，因此各个离子源220和20可以像以下描述的一样被提供能量。连接电子源22和42的是阴极调制器19a和19b。
一个气体源54为加工腔10提供处理气体或者气体混合物。特别是，气体源54可给阳极30和40与基片14之间区域内的每个离子源20和220提供气体。适当的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、甲烷和乙炔，用于淀积氮化硅的硅烷和氨的混合气，用于刻蚀的氩、氧或氢。
用一个连接在腔体上的真空泵61将气体从腔10中抽出。气体源54和真空泵61使能控制气体流量和腔10中的压强，正如下面描述的有关的特殊处理，例如给磁性介质淀积一层DLC保护涂层。
腔内压强传感器60向处理器62提供一个代表腔内压强的信号。应当理解，处理器62代表几个变量控制的集合并且可以用已知的微处理器装置来实现，或者这几个变量的任何一个的控制可以人工操作，或者通过其它方式。
通过本发明，选择和保持基片电位的能力是根据已给出的几何形状的装置和工作条件的范围确定的。绝缘的或者其它的基片14上净电荷积累的建立是通过研究在控制和测试条件下检测到的基片电位得到的。为了达到此校准目的，导电的基片被替换到基片支撑架12上，为此目的，支撑架12依次连接一个高阻抗电压测量器件150。装有高阻抗探针(107欧姆量级)的示波器是测量装置的一个熟悉的示例，该测量装置引起的到地的抽取电流可以忽略。此基片电位的测量通过传送通道152引至校准器件150。通过类似的途径，从电源50a和50b中抽取的电子发射电流被探测到，并且通过各自的信号15a和15b被传送到处理器62。通过类似的途径探测加在电子源22和42以及阳极30和40上的偏置电压。处理器62发出一个控制阴极调制器18a(和18b)的信号，在电子源22(和42)中产生一个高频脉冲序列，从而控制流向基片14的时间平均电子流量。对于检测的变量和选择的阴极占空因数的范围，测试基片电位的测量是由校准器件150来完成的，并被记录下来，于是得到了关于基片电位的表格式的响应函数。在接下来的浮置加工件的操作中，将要完成的处理要用到这些数据，并规定所需的基片电位。关于所需的基片电位和检测到的变量值，这些变量包括腔内压强，加在电子源22(和42)以及阳极30(和40)上的电压，以及各自的电子发射电流，处理器62调节阴极占空因数，以保持(或者按照预选的方式改变)所需的时间平均电子流量。为了建立工作条件，这些条件由其它变量表示，阴极占空因数通过保持一个规定好的时间平均电子流量(恒定的时间平均等离子体生成量)来确定淀积速率。
在运行中，每个离子源20和220电离处理气体，使之形成处理气体的离子。这些粒子被引向基片14，用于淀积或者刻蚀。当给离子源20和220施加电压时，在加工腔10中就形成了等离子体。电子源22和42提供电子，用于电离等离子体中的处理气体分子。然后离子被加速，通过基片表面的等离子体包层射向基片14。图1的加工系统使基片14的两面能得到对称的、基本同时的处理。
用其它的设备和技术来产生等离子体从而实行这种处理，也是可能的。例如，采用一种适当的气体穿过一个区域，该区域内，使用电磁能给电子加速，以产生等离子体，然后等离子体能馈给并通过系统的离子电流控制电极建立偏置电压。
此优选的实施方案采用了一个用于电子源的中空阴极源。这种中空阴极源使能独立控制高等离子体密度区域内的电子能量和平均电子电流。图3显示一个典型的中空阴极电子源和一个阳极形成一个适当的离子源结构。这种中空阴极源是众所周知的。
正如上面指出，当给离子源20和220同时加上电压时，就会观察到不稳定和振荡。这种不稳定和振荡的原因被认为是腔10内的等离子体成为由电子源22和42产生的电子的低阻抗通道。因此，当两个离子源都被加上电压时，建立的第一个等离子体产生一个所有电子的低阻抗通道，并且将电子导离另外一个等离子源。即使两个等离子源都能工作，其等离子体阻抗也并不匹配，因此会产生不平衡的电子分配和振荡。在使用热电子源的源的正常运行期间，当在给定的阳极上施加电压偏置时，从电子源发射的所有电子流就会被这个有偏置的阳极收集。
根据本发明的一个方面，用一种同步的、时间复用的方式给离子源20和220施加电压，以便在任何时间只有一个阳极加有电压。特别是，时间复用的电压可以加在离子源20和220各自的阳极30和40上，以便加在阳极30和40上的电压在时间上不重叠。交替安排两个源的通断时间，就可以消除两个源之间的等离子体的电子与离子的相互作用。电子由两个阳极轮流收集。电子源22和42可以同时激励而不会产生负面的影响，因此在动态范围内，用于给基片充电的时间平均电子流可达到一个更大的最大值。同步的，或者时间复用的阳极运行，消除了使用复杂的屏蔽或者栅格将两个等离子体相互电气隔离的需要。
通过阳极调制器线16(与17)施加于阳极30和40的交替激励，优选的频率是小于约100千赫兹。在此优选的实施方案中，每个阳极的占空因数小于50％，使存在短的时间周期，在这些短周期内所有的阳极都没有加电压，以便减小电弧的发生。当两个阳极都关断时，两个阴极也都关断，而当任一个阳极接通时，两个阴极都接通。当用一个中空的阴极作为电子源时，当接通任一个阳极时，此阴极调制一个明显高于阳极的频率。一般来说，与等离子体达到平衡所需的时间相比，阳极电压的频率应当较低。这样可以保证，比起阳极电压的通断时间，每个离子源都迅速的开关转换。在一个优选的实施方案中，阳极电压的频率范围约为1到5千赫兹。加在阳极上的电压波形最好是方波，但是，别的波形可能对特殊的处理有益。
当阳极跳到一个正电位时，电子源上的电压偏置也会发生跳动或者偏置，但是它是跳向负方向的，正如以下讨论的图4所示。这样，电子源和阳极之间的电压差就会大得足以产生等离子体。根据本发明，基片获得足够的净负电荷和相应的负的表面电位，此电位加速来自等离子体的离子，使达到一个可控制的动能。因此，就会产生一个极度坚硬的表面，虽然淀积的膜可能非常薄，该表面仍能提供保护涂层。然而腔10的壁总是接地的，系统内其它部件的脉动会导致淀积的材料比较软，这是因为较低的电压差造成了到达壁的离子动能大大降低。
对于具有两个离子源的加工腔，两个阳极电压的占空因数最好小于50％并且相等。不相等的占空因数可以用，但是会导致基片14两面的加工不平衡。每个阳极电压(此时，阴极加负偏置电压)最好具有大约为30％的阳极占空因数，以便在阳极电压的每个周期内都会有一部分离子源20和220都关断的时间。
一个适当的电源50a(或50b)应该为本领域内的技术人员所知道。阳极电源50a和50b可以得自同样的物理组件。在上面引用的共同未决申请中，讨论并显示了电源，此公开和讨论在此引用作为参考。给系统中所有的部件提供能量的电源需要合适的控制和开关能力，以便在正常的时间复用方式中能保证阳极、阴极和调制控制的电压偏置都正确。装配这些结构的部件为技术人员所知。
图4中显示了施加在本发明的双离子源加工系统的部件上的偏置电压相对于时间的变化。如图所示，最上面的曲线(a)表示在盖有涂层的基片的面1上的阳极上的电压偏置。图(b)显示了面对着基片的第二或者其它面上的阳极上的电压偏置。图(c)和(d)分别显示加在例如图1中的电子源22和42那样的电子源上的电压偏置。如图所示，当施加电压时，阳极上加上了一个正偏压。于是，如图所示，正电压首先施加于面对待覆盖涂层的基片或者磁盘上的一面的阳极上。在一个脉冲序列中，电子源，例如阴极，都同时负偏，这迫使一个选择的平均电子流量离开电子源。这些电压，电子源的电压偏置，面对磁盘面二的阳极上的正偏压这时都与地相连，这是为了避免离子源之间的相互作用。其后，在面对基片或者磁盘的其它面的阳极上加一个正电压，并且通过阴极调制器18a和18b给电子源加一个负电压(最好两个都加)。在离子源都没有施加电压的一部分周期时间中，所有的这些施加的偏置都与地连接。在阳极加有电压期间，这个周期继续着。一般来说，给每个阳极施加电压的阳极占空因数包括周期时间的大约30-40％，而在剩余的20-40％的时间内，这些部件都接地。当阳极被激励时，阴极占空因数将改变以维持所需的平均电子发射电流。阴极占空因数可以通过一个反馈电路来控制，或者，在阳极激励期间，采用一种预先选定的方式，动态地改变占空因数，如图4中的曲线(c)和(d)所示。
图5显示了一个腔体10a的内壁，它是将离散的永久磁体102置于腔体中的一种可能的结构。这些磁体的磁轴是相对于腔轴线104径向的，且相邻的磁体具有相反方向的磁场，这导致了106表示的磁通量线。磁场强度必须足够强(在壁上大于1000高斯)以提供一些离子限制和电子限制。在壁上离子限制的提供会引起在等离子体中心更均匀的等离子体密度，并且使基片14上的淀积物具有更好的一致性。高能电子的限制为相对于等离子体的基片电压偏置提供了更大的可能范围。通过开口108的进入腔体10a的通路用于基片的插入和取出。
高能电子给基片施加偏压的原理的一个例子表示在图6a中。在这种情况下，使用腔内热钨灯丝阴极电离氩气，这些阴极与用于形成限制的尖端场的永久磁体排齐。
用于限制等离子体的永久磁体的几何形状如图5所示。采用两组磁体，每组24块(环绕腔隔15度放置)。这些磁体由NdFeB合金做成，尺寸大约为0.25″×0.75″×3″(磁轴平行于厚度)，这将导致在真空/壁界面处产生约为1.1千高斯的最大磁场强度。两块附加的直径为1″的磁体被分别放置在腔轴线的末端(在真空腔外)，其N极对着腔。这些末端磁体产生的场帮助提供高能电子的一些轴向限制。主真空腔的内径大约为7.5″，长为9″。
阳极加偏置+60v以将等离子体电位设定为约60v。阴极偏置脉动频率为51.5kHz，占空因数为38％。峰值发射电流约为8A。如果偏置不是脉动的，或者脉动频率很低，就会观察到基片偏置效应消失。这种时间相关的原因并未完全弄清，但可能是由于等离子体不稳定性的增加，如两股束流的不稳定性(参考N.A.Krall and A.W.Trivelpiece，Principles of Plasma Physics，p.449-476，San Francisco Press，Inc.(1986))，这将增加高能电子的热能化速率。为了得到图6a，b中表示的测量结果，用一个高阻示波器探头来测量一个铝基片的电位，该基片没有其它的电连接(即流向该基片的净电流基本为零)。阳极电压，阴极偏置电压，和电子发射电流也都用100MS/s的数字示波器来测量。由于等离子体的电位大致等于阳极电压，发射电子的能量约等于阳极的电压减去阴极的偏置电压(图中的X轴)。并且，撞击基片表面的离子的能量约等于阳极电压减去基片电位(图中的Y轴)。图6a表示在平衡压强为1.3mtorr的氩气中基片偏置与电子能量的关系，而图6b则表示在平衡压强为0.7mtorr的氩气中的关系。对于给定的阳极和阴极偏置，压强较高的情况显示出基片电位发生的一些变化，大概是由于较高的碰撞率引起的。在较低的压强下，基片电位与阳极-阴极偏置电压之间得到很好的线性关系。
屏蔽罩或者衬垫为本技术已知，并用于半导体领域。在本发明中，屏蔽罩或者衬垫用来防止在腔壁上产生淀积物，从而简化腔的清洁。典型地，一个衬垫可以使用例如约100小时或者更长的时间。然后，它能够很容易地从腔中取出，从而清洁了该腔。这个过程能迅速完成，因而不会因为清洁腔壁而让腔闲置。因此衬垫或者屏蔽罩可以迅速更换，使腔能在短时间内被抽空以清洁腔壁，从而使系统能更快的投入运行。
已经发现，通过把腔暴露在纯的氩等离子体中约1小时的腔预处理，可减少系统中处理磁盘时淀积在基片表面上的颗粒。认为这种调整通过在系统运行以覆盖磁盘之前除去腔内或与腔有关的衬垫内的污染物来净化腔体内部或腔内使用的屏蔽罩或衬垫的内部。
迄今为止，本文已讨论了一种具有一个或者两个离子源的系统。根据图1所描述的双离子源的时间复用运行可以扩展到更多数目的离子源。在每种情况下，给这些离子源提供能量必须是在任何时间只有一个离子源是开的。例如，一个拥有四个离子源的加工系统，可以占空因数等于或者小于25％的不交叠的阳极电压来提供能量。加在两个或者更多个离子源上的阳极电压依赖于离子源的数目，所需的阳极占空因数，所需的工作频率和结构类型或所处理的表面。在每种情况下，离子源之间的相互作用可以被消除，并且根据所采用的其它电压，淀积物的选择性和材料质量的选择性可以预先选择和预先确定。
本发明的采用单离子源的加工系统比已经讨论过的多源系统简单。在这样一种装置中，阳极的调制是不需要的(尽管可能有一些特殊的处理需要阳极调制)，其原因在这里已经讨论过了。
加在阳极上的电压可以从一个低值到一个最大值变化，该低值决定于得到工作气体有效离子化所必需的最小值(约为50V)，最大值决定于接地的壁上的飞弧起始(典型地阳极电压与壁电压之间的差＞200V)。随着阳极电压以及阳极和壁之间的更大的电压差的增加，基片表面上的微粒数趋于增加，因此，最优的阳极电压一般就是能得到所需要的淀积速率、薄膜性能和可靠的放电起始的最低电压。
控制有关电压，就可以控制淀积的薄膜的硬度和应力。当在基片的两面同时淀积DLC薄膜时，这种情况尤其明显。而且，我们发现，对于阳极电位Va和基片电位Vs，Va-Vs＞120V会产生具有高应力(大约为3-4GPa)的非常硬的(大于25GPa)的薄膜；然而，当Va-Vs约为40V时，薄膜具有低的应力(小于0.5GPa)和低的多的硬度(大约为9GPa)。
通过控制射到壁和基片上的微分离子能量以控制基片或者壁上淀积物的应力的结果在上面参考的共同未决的申请中已经公开了。
尽管本即时发明的机制并没有完全被理解，但是目前可以相信，在相对于接地的壁正偏时，等离子体形成了，并且，离子被加速穿过在等离子体和加有偏置的基片之间界面处的包层，在这种情况下，基片上加有偏置电压。利用等离子体而不是，例如，离子束，可以得到比其它可能高得多的淀积速率。在这方面，根据本发明，在等于或者超过15/秒的速率下我们实现了保护涂层的淀积。
比起具有栅格的离子束源，即一个可以开关转换的源，加有偏置的等离子体方法的一个优点是，由于加速栅格中的空间电荷限制，当离子能量低时，通常难以得到高的淀积速率。而且，等离子体包层的性质确保离子的加速度在整个表面区域都是垂直于基片表面，而离子束将表现出有些偏离基片轴线的垂直入射方向。
尽管已展示和描述了当前被认为是本发明的优化实施方案，对于本领域内的技术人员，很明显，可对其做各种改变和修改而不脱离由附加的权利要求书规定的本发明的范围。

Claims (38)

1.一种基片加工系统，包括：
一个接地的加工腔；
一个位于所述加工腔内并且电浮置于其中的基片支持架；
一个和所述加工腔连接为所述加工腔提供处理气体的气体源；
一个位于所述加工腔内的离子源用来电离该处理气体，从而产生离子来加工基片的表面，基片被放在面对所述的离子源的所述基片支持架上，所述离子源包含一个阳极和一个电子源；
一个为基片充电的电子源，向由所述基片支持架承载的基片输送电子流脉冲序列，该电子流脉冲具有选定的能量和时间平均电流，后者包括阴极占空因数，由此所述基片能够维持一个选定的相对于地为负的电位偏置，和
一个为所述阳极、所述第一电子源和所述基片充电电子源施加偏置电压的电源，为所述阳极加正向电压偏置，在所述阴极占空因数下，所述电子源被偏置为负电位，由此位于所述基片支撑架上的所述的基片被偏置为一个介于所述电子源和所述加工腔之间的电位。
2.根据权利要求1的基片加工系统，其中所述基片充电电子源和所述第一电子源为相同的结构。
3.根据权利要求1的基片加工系统，其中所述电子源包括一个中空的阴极。
4.根据权利要求2的基片加工系统，还包括一个对所述处理气体压强敏感的压力传感器，而所述电源包括一个响应所述基片充电电子源的电子发射电流的电流灵敏传感器。
5.根据权利要求4的基片加工系统，包括一个处理器，连通所述压力传感器、所述阳极电全和所述电源，用于确定压强、所述电子源电位和所述阳极源电位以及所述电子发射电流的主要关系。
6.根据权利要求5的基片加工系统，其中所述处理器包括一个存储器，用于保存所述压强、所述电子源电位、所述阳极电位和所述时间平均电子流的经校准的关系，这将导致由所述基片维持的观测电位，和预先选定的电位设定值。
7.根据权利要求6的基片加工系统，包括比较所述主要关系的主要值和所述经校准的关系而产生一个代表所述选定的占空因数的占空因数信号的逻辑装置。
8.根据权利要求7的基片加工系统，包括一个调制器，用来产生响应所述阴极占空因数信号的所述脉冲序列，由此，所述调制器根据所述关系，通过限制入射到所述基片上的时间平均电子束流来限制所述基片的电位。
9.如权利要求1中规定的基片加工系统，其中一个第二离子源包括一个第二阳极和一个第二电子源，该离子源面对所述基片支撑架上的基片的反面放置，而其中所述电源适于给每个第一阳极和所述第二阳极施加一个时间复用电压。
10.如权利要求9中规定的基片加工系统，其中所述电源包括施加一个脉动的、周期性的电压的装置，该电压加在每个所述的第一阳极和所述的第二阳极上，频率低于约100kHz。
11.如权利要求9中规定的基片加工系统，其中所述电源包括施加一个脉动的、周期性的电压的装置，该电压加在每个所述的第一阳极和所述的第二阳极上，频率低于所述腔内的等离子体反应时间。
12.如权利要求9中规定的基片加工系统，其中所述电源包括施加一个脉动的、周期性的电压的装置，该电压加在每个所述的第一阳极和所述的第二阳极上，其占空因数小于或等于约40％，并且在一个阳极电压脉动到正的时候，所述电子源为负偏。
13.如权利要求9中规定的基片加工系统，其中所述电源包括施加一个脉动的、周期性的正电压的装置，该电压加在每个所述阳极上，其阳极占空因数小于或等于约40％，其中在每个脉动的、周期性的电压周期的一部分时间里，所述的第一离子源和所述的第二离子源都关断。
14.如权利要求1中规定的基片加工系统，其中所述的气体源向所述腔供应C2H4。
15.如权利要求9中规定的基片加工系统，其中所述的气体源向所述的腔供应乙烯和氩。
16.如权利要求9中规定的基片加工系统，其中所述电源包括一个具有第一和第二脉冲输出的电源，每个所述的脉冲输出分别连接所述第一和第二阳极，其中，所述的第一和第二输出包括相移的脉冲，使所述第一和第二阳极在不同的时间被施加电压，而当一个脉冲输出施加到所述电子源上时，所述电子源按所述阴极占空因数被供应能量。
17.如权利要求9中规定的基片加工系统，其中所述的处理气体是乙烯，在气体被充入腔内的期间，腔内的气压达到约4mtorr。
18.如权利要求9中规定的基片加工系统，其中所述的第一和第二电子源每个包括一个用来产生电子的中空阴极和一个调制器，该调制器给所述中空阴极施加一个具有所述阴极占空因数的负电压偏置。
19.如权利要求10中规定的基片加工系统，其中所述电源包括施加一个脉动的、周期性的电压的装置，该电压加在每个所述的第一阳极和所述的第二阳极上，频率范围约为1-5KHz。
20.如权利要求9中规定的基片加工系统，其中所述离子源产生所述处理气体的离子，用于刻蚀所述基片。
21.如权利要求9中规定的基片加工系统，其中所述双离子源产生所述处理气体的离子，用于刻蚀所述基片。
22.一种加工基片的方法，包括步骤：
将一个基片放入加工腔并且使所述基片保持电浮置；
将所述加工腔接地；
给加工腔提供处理气体；
用一个位于所述腔内的面对基片的一个表面的离子源电离所述处理气体，产生所述处理气体的离子，用来加工基片的表面及所述的基片，所述的离子源包括一个阳极和一个电子源；
当电子源上施加一个负偏置时，在所述阳极上施加一个正偏置电压，由此，从离子源中抽出一束电子流，将所述电子束流引向所述基片；和
以一个选择的时间间隔中断所述被抽出的电子束流，由此，所述基片经受了一个选定的能量和包括一个阴极占空因数的选定的时间平均电流，从而得到了净电荷。
23.根据权利要求22的方法包括提供乙烯和氩气作为所述的处理气体，进入所述的腔内。
24.根据权利要求22的方法，其中所述基片的其它表面暴露于至少一个第二离子源，该离子源包括至少一个第二阳极和至少一个第二电子源，通过分别给第一和至少一个第二阳极都施加一个包括第一和第二阳极占空因数的、脉动的、周期性的正电压为第一阳极和所述第二阳极提供能量，并按第一阴极占空因数给电子源施加一个负偏压，由此，从所述离子源抽出一束时间平均电子束流，引向所述基片；按第二阴极占空因数给所述的第二电子源施加一个负偏压，由此，从所述第二离子源中抽出另一束时间平均电子束流，并将所述另一个时间平均电子束流引向所述基片的所述其它表面；所述的第一阴极占空因数和第二阴极占空因数均小于所述的第一阳极占空因数和所述的第二阳极占空因数。
25.根据权利要求24的方法，其中给第一阳极和所述的第二阳极和它们的所述电子源提供能量的步骤包括分别以不同相的第一和第二周期性电压给第一阳极和所述的第二阳极和它们的所述电子源提供能量。
26.根据权利要求25的方法，其中所述第一和第二周期性电压的占空因数小于40％，并且在周期性电压的每个周期的一部分时间里，所述的第一和第二离子源以及有关的电子源都被关断。
27.根据权利要求26的方法，其中所述的阴极占空因数和所述的第二阴极占空因数相同并且是同相的。
28.一种在加工腔内操作两个或者更多个离子源的方法，所述的两个或者更多个离子源每个有一个阳极和一个电子源，包括步骤：
用一种时间复用的方式给所述的两个或者更多个离子源的阳极提供能量，以致在任何时候，所述的两个或者更多个离子源中都只有一个被提供能量；和
在给所述的阳极提供能量的时间间隔内，用一个负偏置的脉冲序列激励所述的电子源，该脉冲序列具有选定的能量和时间平均电流。
29.一种基片加工系统，包括：
一个加工腔；
一个位于所述加工腔内的电浮置的基片支持架；
为所述加工腔提供处理气体的一种气体；
置于所述加工腔内的第一和第二阳极；
一个位于所述腔内的负偏电子源，在所述腔内产生具有选定的能量和时间平均电流的电子，用以电离所述处理气体，从而产生离子来加工置于基片支撑架上的基片并给它充电，和
一个以一种时间复用的方式给所述的第一和第二阳极提供相对于腔体正偏的电源，以致在任何时候，所述的阳极中只有一个被提供能量，并且所述电源能够为电子源提供具有所述的阴极占空因数的负电压偏置。
30.根据权利要求22的方法包括将离子源放置在所述基片的不同的侧面。
31.根据权利要求30的方法包括向所述基片的每侧面提供处理气体。
32.一种在加工台上在电浮置的基片的两个表面上淀积类金刚石碳的加工系统，包括：
一个加工腔；
一个位于所述加工腔内并且电浮置的基片支持架；
一种和所述的加工腔连接向所述腔内提供气体的烃气体源；
一个电源和第一和第二等离子体发生器，每个所述等离子体发生器包括一个阳极和一个电子源，位于所述基片支撑架上的基片的一个表面侧，在那儿产生等离子体；
所述电源连接所述的第一和第二等离子体发生器，适于通过以时间复用形式在所述的发生器的阳极施加一个正电压来为等离子体发生器提供能量，以致在任何时间内只有一个所述的等离子体发生器的所述的阳极被提供能量，所述电源适于在一个可以选择的时间间隔内为所述的电子源提供一个时间相关的大小经选择的负偏置电压；并且
当所述的等离子体发生器的阳极上加有一个正电压时，在所述的可以选择的时间间隔内，把所述选择的负电压施加在所述的电子源上。
33.一种基片加工系统，包括：
一个加工腔；
一个位于所述的加工腔内并且电浮置于其中的基片支持架；
一个和所述的加工腔连接为所述加工腔提供处理气体的气体源；
一个位于所述腔中的第一等离子体发生器，连接一个电源，用于电离所述处理气体，产生离子来加工放置在所述的基片支撑架上的基片；
一个位于所述腔中的第二等离子体发生器，连接一个电源，用于电离所述处理气体，产生离子来加工放置在所述的基片支撑架上的基片；每个所述的等离子体发生器被放置在所述的基片支撑架上的所述基片表面的相对侧；
一个电源，以一种时间复用的方式提供能量，以致在任何时间，只有一个所述的发生器被提供能量；和
一个电子源，以一个选择的速率和一个可以选择的最大电子能量在所述的基片上淀积负电荷。
34.根据权利要求32的基片加工系统，其中一个衬垫被安置在腔中，保护腔壁免受淀积。
35.如权利要求1或者9中规定的基片加工系统，其中所述的离子源产生所述的处理气体的离子，用于刻蚀所述腔内的屏蔽罩表面的淀积物。
36.根据权利要求35的基片加工系统，其中处理气体包括氩。
37.根据权利要求35的基片加工系统，其中所述的源规定了一条腔轴线，许多磁体相对于所述的轴线放置，从而在所述的腔内产生一个需要的磁场，所述磁场增加了最靠近所述腔轴线处的离子密度。
38.根据权利要求32的基片加工系统，其中所述的烃气是乙烯。
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