CN1737190B - 磁控溅镀装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及以高的生产速度将材料淀积在衬底上的磁控溅镀装置和技术，其中所淀积的膜具有预定的厚度分布，且所述装置可在非常长的时间段连续地并可重复地运行。本发明已通过减少周期时间实现了产量的增加。提高的镀膜速度通过将行星驱动系统与大的阴极耦合来实现。所述阴极直径大于行星的直径且小于所述行星直径的两倍。较低的缺陷率通过所述阴极的较低功率密度实现，所述阴极的较低功率降低电弧，且通过阴极到行星的几何结构将溢流降到最小，而无需使用掩模。

Description

磁控溅镀装置

交叉引用的相关申请 

本发明主张于2004年8月20日提交的美国专利申请No.60/603,211、于2004年3月7日提交的美国专利申请No.11/074,249,和于2005年7月8日提交的美国专利申请No.11/177,465的优先权，为了所有目的，所有的这些专利申请都通过参考合并到本发明中。

技术领域

本发明一般涉及在衬底上沉淀膜的装置和方法，尤其涉及一种用于将材料沉淀到衬底上的反应磁控溅镀装置和技术，在所述装置和技术中，所沉淀的膜具有预定的厚度分布，且所述装置可连续和重复的操作非常长的时间。

发明背景 

在溅镀法中，离子一般由辉光放电中的气体原子和电子之间的碰撞所产生。这些离子由电场加速到靶阴极之中并导致所述靶材料的原子从所述阴极表面喷射出。衬底放置在适当的位置以使其截取所喷射出的原子的一部分。因此，靶材料镀膜就沉淀在所述衬底的表面上。

溅镀镀膜是一项广泛应用的技术，用于在衬底上沉淀材料薄膜。溅镀是由于气体离子轰击靶而导致的材料从靶上的物理喷射。在这种技术的一种形式，即已知的DC溅镀中，形成于阳极和靶阴极之间的由等离子体放电所产生的正离子被吸引到所述靶阴极并撞击所述靶阴极，将原子从阴极的靶表面撞出，因而提供原子。一些撞出的原子撞击所述衬底的表面并形成镀膜。在反应溅镀中，气态类物质也出现在所述衬底表面并与来自所述靶表面的原子发生反应，在一些实施例中是与这些原子结合，以形成理想的镀膜材料。

在操作中，当使氩进入镀膜腔时，加在所述靶阴极与所述阳极之间的DC电压将所述氩电离以形成等离子体，且所述正电荷氩离子被吸引到所述负电荷靶。所述离子用大量的能量撞击所述靶并导致靶原子或原子团从所述靶溅出。所述溅出的靶材料中的一些撞击要进行镀膜的晶片或衬底材料并沉淀在所述晶片或衬底材料上，因此就形成了膜。

为了获得增加的沉淀速度并降低操作压力，目前已采用了提高磁性的靶。在平面磁控管中，所述阴极包括永磁体，所述永磁体以闭环方式布置，并安装于与平的靶板相对固定的位置处。所产生的磁场导致电子在闭环内移动，所述闭环一般称为“跑道”，所述跑道建立了一个通道或区域，靶材料的溅镀或腐蚀沿着这个通道或区域发生。在磁控阴极中，磁场约束所述辉光放电等离子体并增加所述电子在电场的影响下移动的路径的长度。这就会导致在所述气体中原子与电子的碰撞几率的增加，从而导致比没有使用磁约束所获得的溅镀速度高得多的溅镀速度。而且所述溅镀方法也可以以低得多的气体压力来实现

平面的和圆柱形的磁控管用在反应或非反应溅镀中的一个限制是，通过溅镀而沉淀的膜并没有达到许多精密的用途中所要求的高度的均匀性或可重复性。

希望产生一种磁控溅镀系统，这种溅镀系统从设备到设备、从运行批次到运行批次穿过单独的衬底增加产量和产品的均匀度，这是人们所希望的。设备的几何结构，尤其是所述阴极与要进行镀膜的物体之间的关系，对沉淀速度和镀膜的面积以及产品质量和一致性都有着极大的影响。穿过衬底的层厚的变化称为溢流(runoff)。通过模塑所述设备的几何结构可预测这种溢流。

在许多镀膜设备中用掩模来将所述镀膜速度的变化降到可接受的水平。但随着时间的推移，这些掩模典型地聚集大量的镀膜材料。一旦所述材料达到临界厚度，它就会剥落并促成颗粒的形成，而这些颗粒会降低所述镀膜的质量。清理焊缝并保持这样的掩模也是很精致的工艺。所以，希望提供一种并不使用掩模的装置。

已知使单独的衬底围绕其本身的轴旋转的装置的几何结构，这种装置有一个偏置阴极，所述阴极与所述衬底的垂直和水平距离大致相同。这种几何结构导致低的溢流且并不使用掩模。不过，这种结构中会浪费许多镀膜材料。这些方面的例子可在2004年H.A.Macleod所著的《薄膜滤光片》(物理学院出版社，Dirac House，Temple Back，BristolBS1 6BE，UK，2001)和P.Baumeister所著的《光学镀膜技术》(SPIE，Bellingham，WA)中找到。

可选的，在多个轴的行星驱动系统上支撑多个衬底也是已知的。这种结构在Macleod和Baumeister的文章中也进行过描述。

将行星驱动系统的中心轴放置在带有所述阴极靶的中心点的轴上，这一点在发明人为Scobey的专利No.5,851,365和Baumeister的文章(9-37章)中都进行过描述，在该文中提到，“建议将所述源放置在离所述旋转中心不远的位置，以避免大的蒸汽碰撞角。” 发明人为Bergfelt的专利No.4,222,345也公开了一种将每次旋转的偏移降到最小的轴的几何结构，但这种装置要求特制的掩模或会导致大的溢流。所述阴极靶在的Bergfelt的专利中并没有明确说明。似乎是一种点源。

发明人为Scobey的专利No.5,851,365中所公开的设备是一种相对较慢、大批量的机器，这种机器在行星驱动器中处理15英寸的衬底。这种设备的尺寸使得将所述驱动系统保持在良好的公差之内变得很困难，进而导致镀膜质量的变化和溢流。试图通过增加批量来提高产量还受到增加的缺陷损失和减少的产出的限制。

本发明的一个目的在于提供一种具有几何结构的磁控溅镀镀膜装置，这种几何结构能够提供快速的镀膜，而保持高的镀膜质量并降低材料浪费。

本发明的一个目的在于提供一种磁控溅镀镀膜装置和操作方法，这种装置和方法通过减少周期时间来进一步增加产量。

本发明的另一个目的在于提供一种溅镀镀膜装置，这种装置产生高质量的镀膜而无需使用掩模。

发明简述 

本发明实现了通过降低周期时间而不是通过增加批量来提高产量。生产率的进一步提高通过提高产品质量和均匀度来实现。本发明提供一种几何结构，这种几何结构通过大的阴极和行星驱动系统的使用来提高镀膜速度，同时通过降低所述阴极上的功率密度来保持较低的缺陷水平。这一点通过采用一种新的装置几何结构来实现，这种装置几何结构位于所述阴极与所述衬底之间并与中心行星轴准直。

相应地，本发明提供一种将镀膜施加在物体上的磁控溅镀装置，所述装置包括：

行星驱动系统，所述行星驱动系统包括中心旋转轴和多个行星，所述行星放置在实质上与所述中心旋转轴等距的位置，每个行星具有适于独自旋转的次轴和限定镀膜区域的直径，每个行星适于支撑在物体平面中的一个或多个物体，其中从所述中心旋转轴到所述次轴的距离包括所述行星驱动系统的旋转半径； 

圆形阴极，所述圆形阴极包括靶，所述靶包括用于形成所述镀膜的材料，所述镀膜距所述物体平面有一个投射距离(throw distance)，所述阴极有中心点和阴极直径，所述阴极直径大于所述行星直径并可达所述行星直径的两倍； 

用于向所述阴极提供电压差的阳极装置； 

适于在运行时抽成真空的、容纳所述阴极和所述行星驱动系统的腔；和 

向所述腔提供溅镀气流的气体输送系统； 

其中所述行星驱动系统的旋转半径和所述投射距离介于所述行星直径的一半和两倍之间，以提供所述镀膜质量的最小径溢流，而无需使用掩模。 

本发明还包括一种将镀膜施加在物体上的磁控溅镀装置，所述装置包括：带电阴极，所述带电阴极包括靶，所述靶包括用于形成所述镀膜的材料，所述阴极有中心点；

放置在距所述源有一个投射距离的位置上的行星驱动系统，所述行星驱动系统包括中心旋转轴和多个行星，每个行星由适于独自旋转的次轴支撑，每个行星放置在距所述中心旋转轴等距的位置，每个行星适于支撑物体以进行二个自由度的旋转运动； 

用于向所述阴极提供电压差的带电阳极装置； 

适于在运行时抽空以降低压力的、容纳所述阴极和所述行星驱动系统的腔；和 

向所述腔提供溅镀气流以形成等离子体的气体输送系统； 

其中所述多个行星中的每一个都有一个直径d，每个次轴以一个旋转半径r放置，以使0.85*d＜r＜1.3*d，所述阴极与所述行星驱动系统之间的投射距离t为0.7*d＜t＜1.3*d，且所述阴极限定材料的范围，使所述阴极有一个在其中心点周围的阴极直径CD，以使d＜CD＜2*d。 

附图简述 

在此将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述，在这些附图中：

图1是本发明的镀膜系统的等轴测视图，所述系统的一些外壁被删去；

图2是图1中镀膜腔的内部的示意图，该图示出了所述行星驱动系统的细节；

图2A是本发明中阴极到行星几何结构的示意图及其参数；

图3是放置在根据本发明的一个实施例的镀膜腔中的优选阴极、阳极和活性反应源的示意图；

图3A是双环阴极截面的示意图，所述双环阴极在符合本发明的AC磁控溅镀装置中替代图3中的阴极和阳极；

图4A是与所述镀膜腔中的行星驱动系统有关的阴极更换装置的示意性端视图；

图4B是沿图4A中阴极更换装置的B-B线的示意性截面图；

图5是图3中的圆柱形中空阳极的截面图，其中所述阳极位于所述镀膜腔内；

图6是示意图，表示模型的阴极到衬底几何结构，以限定本发明的参数；

图7示出了根据所述模型，模拟不同投射距离(throw distance)的镀膜聚集的数据点的曲线图；

图8示出了两到十二个行星范围内的模拟溢流与行星半径的函数的曲线图；

图9示出了根据所述模型，增加阴极直径与最佳的投射距离，以保持最低的溢流的曲线图；

图10示出了所述阴极距所述中心轴的最佳几何位置和根据阴极位置的最佳投射距离的曲线图；

图11示出了根据本发明的镀膜装置的实际测得的溢流的曲线图，所述实际测得的溢流覆盖根据模型模拟的溢流，这表示所述模拟的有效性。

发明详述 

本发明包括磁控溅镀镀膜装置的独特的几何结构，这种优化的几何结构能够以高的镀膜速度和高的产量产生镀膜。这种几何结构通过减少周期时间有效地提高产量。同时，根据对高的光膜质量和高精度的需求，设计所述装置的几何结构。光膜必须具有低的缺陷水平以及低的散射和吸收损失。高产出还取决于高精度，以避免由于镀膜厚度变化、件与件的变化或批次与批次的变化所导致的损失。

产出可限定为每个周期时间的负载大小乘以所述正常运行时间的百分比。

产出＝负载大小/周期时间×正常运行时间的百分比 

镀膜腔的负载大小是在所述机器的一个周期所镀膜的衬底的面积。镀膜机的周期时间是其镀膜一批衬底或其它物体所花费的时间，包括在所述镀膜之前和之后的所有辅助工序。这个时间实际上是进行一个操作与进行下批同样一个的操作之间的时间。所述正常运行时间的百分比是当所述镀膜装置可用于进行镀膜的时间的百分比。剩余的百分比属于设备整修、调节和修理等有计划的和没有计划的停工时间。 

周期时间包括装载时间、准备时间、实际镀膜时间、镀膜辅助操作时间和卸载时间。装载时间是将所述衬底装载到所述镀膜装置所要求的时间。准备时间是编制所述工具的程序、调整镀膜条件等所要求的时间。实际镀膜时间是沉淀所述设计的层所要求的时间，这个时间由所述一种或多种材料的物理沉淀速度所确定。镀膜辅助操作时间是指实际镀膜时间之外又加上的时间，是花在从一种材料转换到下一种材料的时间，或在镀膜之前和之后将所述沉淀的层加热和逐渐冷却的时间。卸载时间是将所述经过镀膜的衬底或物体从所述镀膜装置卸下所要求的时间。

在许多镀膜装置设计中，所述产量的最大化通过利用大的腔以增加所述装载规模来实现。增加所述腔的尺寸使得控制所述镀膜过程变得更加困难，并因此而典型地牺牲工艺精度。在本发明中，产量的最大化并不通过减少周期时间而损害效率。所述优选实施例的装载规模是六个200mm直径的衬底。所述面积相当于300英寸²。与现有技术中的用于沉淀同样的镀膜产品的大多数装置如前面所述的Scobey装置相比，这个规模是比较小的。而且，与本发明中所使用的12英寸阴极相比，Scobey装置使用直径为4或6英寸的阴极。对于相同的总功率来讲，在所述较大的靶上的功率密度(每个靶面积的功率)小2到5倍。现在已观察到所述电弧速度与所述功率密度有关。因此，本发明的一个重要优点在所产出的膜中的低缺陷密度中实现，这就归因于所述靶上的非常低的功率密度。 

本发明的另一个优点在所述反应过程中实现。根据本发明，提供大的阴极来降低电弧，而保持高的沉淀速度。保持与所述较大阴极兼容的低溢流的几何结构要求较短的投射距离。在所述反应过程中，这种较短的投射距离能够使所述反应源放置得离所述衬底更近，而并不是来自所述阴极的溅镀靶材料过度镀膜所述衬底。所述反应气体源的位置靠近所述衬底使(例如)更有效的氧化称为可能，并有助于本发明中的氧化物的3到5倍的更高镀膜速度。对于反应镀膜过程，采用1.35nm/s的平均镀膜速度，根据本发明即可产生405in²nm/s，不包括转换靶或装载和卸载部件的任何时间。这个产量比Scobey装置的产量要高30％，而所述周期时间有可能短3到5倍。对于制造过程来讲，这是一个重要优点。这样短的镀膜时间能够允许采用更多更快的，所述反馈回路可提高质量和产量。这就能够根据用户的需求变化实现较短的开发周期和做出更好的反应。 

所述溅镀镀膜装置的优选实施例在图1中示出，该实施例包括一般用1表示的预真空锁腔，和镀膜腔2，在所述镀膜腔2和所述预真空锁腔1之间有一个闸式阀3。阴极12和行星驱动系统14安装在所述镀膜腔2中，所述行星驱动系统用于支撑进行镀膜的衬底或其它物体23。

所述行星驱动系统14在图2中更详细地示出，该行星驱动系统14包括主圆柱形平台16，所述平台16可围绕中心旋转轴30旋转并带有多个如6个行星17，所述行星17从所述平台伸出，每个行星17可围绕其本身的次轴40独自旋转。独自旋转可包括协调旋转速度，所述协调旋转速度相对于围绕所述中心旋转轴30的旋转。优选所述次轴平行于所述中心旋转轴30，但也可以成其它的一些角度。优选所述阴极12的中心点C(图2A)与所述行星驱动系统14的中心旋转轴30准直，这样就限定了所述装置的中心轴。 可将所述阴极12从所述中心旋转轴移位，移位距离可达所述阴极直径的三分之一。放置每个行星17，以使每个行星17处于大致相同的条件下。在所述优选实施例中，每个行星17在其外自由端包括磁锁闩18，以支撑与所述阴极12相对的衬底或其它的物体。优选磁锁闩的更详细描述在美国专利No.10/968,642中公开，该专利由本发明的受让人所拥有并通过参考合并到本发明中。所述装置在本文中的向上溅镀结构中进行描述。不过，本发明的几何结构也可同样地用于向下、水平或其它方向溅镀。

本发明的几何结构的参数在图2A中示出。一般用14所表示的行星驱动系统具有中心旋转轴30和以旋转半径r分开放置的次轴40。由所述次轴40所承载的行星17中的每一个都有行星直径d，所述直径d限定可用的最大镀膜面积。所示出的物体平面46位于所述衬底或其它物体的镀膜表面上。投射距离t在所述物体平面46与所述阴极12的靶平面44之间测得。阴极12有一个用C标明的中心点和阴极直径CD。所示出的阴极中心轴50由中心旋转轴30经阴极位移距离52转变而成。

行星镀膜几何结构中的行星以距所述中心旋转轴30的一个一般距离r放置。通常希望将所述行星排列得尽可能地近，以利于涂层材料的最佳使用。每个行星可支撑单个或多个衬底、光学棱镜、透镜或其它物体23。要进行镀膜的物体23可包括放置在支撑衬底上的多个较小的单独部件。所述行星直径d仅限定每个行星17的可用镀膜面积。该结构的行星17本身并不需要这种尺寸，但其能够支撑这种直径的衬底23或在这个区域进行镀膜的多个物体23。在一个优选实施例中，如大体积光学装置这样的大型物体可具有达32mm的厚度。所述行星驱动安装或所述阴极安装中的高度调节装置允许对不同的衬底或物体厚度进行投射距离补偿。对行星直径d、行星数量n和行星之间所要求的间隔s来讲，每个行星围绕所述中心旋转轴30进行旋转的半径r由以下等式给出，此时达到最紧密排列：

r＝(d+s)/2sinα(等式1)，且 

α＝360°/2n   (等式2)。 

通过将所述阴极12定位于所述行星驱动系统14的轴30上，所述镀膜方法就符合于所述多个衬底23。离轴几何结构产生高的和低的镀膜速度区，这些速度区必须通过较高的旋转速度进行平衡，以将一个行星到下一个行星的厚度变化降到最小。因此，所述中心旋转轴30的旋转速度可大大低于非对称装置的旋转速度。这样做是理想的，因为所述较低的旋转速度减少所述驱动系统14的磨损，进而产生较少的降低所述涂层质量的颗粒。

图3所示出的具有涂层材料靶24的阴极12的直径大于通过举例说明的现有技术中具有5到8个行星的紧密封装行星驱动系统的直径，这有助于提高所述镀膜速度且具有较低的缺陷。所述阴极直径CD大于所述行星直径d且小于所述行星直径d的两倍。所述较大的阴极直径降低所述靶24的功率密度，尽管在所述阴极12的总功率较高。这就将在所述靶24上的电荷形成和因其所导致的电弧降到最小。所述热负荷分布在较大的阴极区域，这样就易于所述靶的冷却。由于材料从较大的区域溅镀，所以，与从较小的靶溅镀相同数量的涂层材料相比，在所述靶表面的腐蚀速度就较慢。此外，更多的涂层材料就可以使用，这样就延长了更换靶的时间。具有圆柱形对称如圆形或环形源的靶24是所述行星驱动系统14的对称的最佳匹配。尤其对于较大的阴极直径来说，“圆形的”理解为包括环形几何形状。优选阴极的更详细描述在美国专利No.11/177,465中公开，该专利由本发明的受让人所拥有并通过参考合并到本发明中。

在本发明的几何结构中，增加所述投射距离t使得所述靶看上去更像一个点源并逐渐导致位于所述行星区域的中间的镀膜厚重区域。减少所述投射距离t以在所述行星区域的圆周增加涂层。产出低径向溢流的理想关系可在这两种极端情况之间找到。图9示出了在每种情况下可以怎样增加所述靶直径而优化所述投射距离，以将溢流降到最低。对六个紧密封装的、8英寸直径的、在它们之间具有0.5英寸的间隔的行星的情况进行了计算。令人惊讶的是，所述阴极直径可增加到1.5到两倍于所述行星的尺寸，而对所述低溢流没有太大的影响。若超过这个尺寸，所述溢流就会迅速地增加。在阴极直径大于所述行星直径的两倍以上的情况下，对低溢流涂料将会需要采用掩模。

利用大的阴极的脉冲DC磁控溅镀是优选的方法。在所述优选实施例中，多个0.25英寸厚、直径为12英寸的镀膜材料靶安装在所述机器中。结合高利用率，这种镀膜材料的数量可持续许多批次。在所述优选实施例中，在连续设备运行的情况下，所述机器仅需每周整修一次。通过增加所述靶的体积或利用多个具有相同涂层材料的阴极可延长这个时间段。作为选择，本发明也可在DC磁控管和AC磁控溅镀中实现。

至少一个阴极12安装在所述镀膜腔2内。可提供另外的阴极12，以在出现故障或在一个阴极12中的涂料供应用完的情况下备用。作为选择，可提供几个不同的阴极12，以使不同的涂料能够连续地沉淀而并不将所述处理腔2打开而暴露在空气中。光学涂层通常由多层不同的材料组成。在这些情况下就需要靶。多阴极更换装置60的例子在图4A和4B中示出。阴极更换装置60允许两个或更多(在此情况下是三个)不同的溅镀阴极12之中的一个在沉淀腔中的精确相同的位置的高度准确的放置。在此实施例中，所述两个、三个或更多的阴极12放置在旋转固定装置62上，以使所述阴极12可通过旋转运动快速而准确地定位。所述旋转系统底座62位于具有所述装置的中心轴的轴上。如图4A所示，阴极1位于所述镀膜位置之中。通过将所述底座旋转120或240度，所述三个阴极中的任何一个可在所述镀膜位置中定位。所述阴极底座62的内部处于大气压力下，如图4B所示。所述底座62有一个避免真空的可旋转的密封垫64，所述密封垫附在所述腔壁32或门上。所述这些阴极的电气和冷却水连接66处于大气压力之下并通过所述腔壁32传送到所述阴极底座62之外。本发明可以用一种方式使用，这种方式使得所述阴极更换装置的另外的使用如溅镀靶24在被确定为向下以使碎片能够落下而离开所述阴极时可以被调节(或“保持在高温下”)。许多可供选择的装置可以用来交换所述阴极。这样的装置可基于其它的旋转或线性转换。图4B所示的伸缩式光闸56可以关闭以保护所述衬底23，而在所述镀膜过程之前，在所述镀膜腔中，新定位的阴极12可在真空下进行调节或保持在高温。在所述打开位置中，所述光闸56并不对从所述靶到所述衬底的涂料流造成大的阻碍。

可对所述阴极12的位置进行调节，以通过移动所述阴极12的安装平台或所述驱动系统14或对二者都移动来改变所述投射距离。这可通过手动或启动电动机来进行。也可以进行这样的调节，以改进不同材料的几何结构，或在所述靶使用中腐蚀时保持所述距离。在所述优选实施例中，所述这些阴极可通过所述的交换装置定位，且所述整个行星驱动系统的高度可通过受控电动机进行调节。所述调节可在所述处理腔处于真空下进行。

对经过镀膜的装置如滤光片、反射镜和半导体电路中的低缺陷密度的需求要求在所述溅镀靶有很少或没有电弧的阴极。在图3中，所示出的阴极12有一个阳极20，其中将气体加入腔中，离开所述阴极12并穿过所述阳极20。这就避免了接近于所述阴极12的小体积的高压，在这个位置磁场很强，例如在所述暗区屏蔽(未示出)与所述阴极12之间，在这里必须禁止溅镀。优选所述阳极开口21离所述阴极12至少2英寸远，以在所述靶区域24上能够有均匀的压力分布。现已发现所述阳极电压对阳极与阴极之间的距离并不敏感。在此阴极优选实施例中，所述阴极的非撞击表面13被电气绝缘。这种电气绝缘可通过绝缘材料的使用来实现，如Kapton^TM带、Teflon^TM或陶瓷，也可通过绝缘涂料的镀膜来实现，如通过等离子体喷涂方式镀膜的致密的氧化铝。作为选择，所述阴极的这些表面13可暴露在标准大气压力下，这样空气就成为所述电气绝缘体。而且，为了减少穿过所述阴极体的磁场而增加所述阴极直径会减少所述电弧。通过用等离子体喷涂氧化铝到延伸的阴极未被撞击的侧面来将延伸的阴极绝缘，并用Teflon^TM板来将所述底部绝缘，将所述电弧速度从＞100电弧/s降到在相同的高沉淀速度下的＜0.1电弧/s是可能的。所述阴极可用任何电气模式(DC、脉冲DC和双阴极AC)驱动。

所述阳极(在图2中未示出)向所述负电荷阴极提供电荷差动。这可以像提供给所述腔壁32的电荷一样简单来提供。现有技术中已提出许多阳极来解决所述阳极被所述涂层材料镀膜以及所述阳极的位置移动到所述系统中的其它表面的问题，这些阳极中的许多在非常高的电压下运行，而这种非常高的电压会增加电弧的问题。在AC系统中，所述阳极的功能可选择由所述阴极本身来提供。本发明优选使用图3A中所示出的双环阴极12A/12B。在此实施例中，将AC电压循环地加在所述阴极12A和12B之间。在循环之外，所述无源阴极起到所述阳极的作用。本实施例的优点在于在所述溅镀期间，镀膜材料从所述阳极除去。 

图5中所详细示出的用在本发明中的优选阳极在相关的美国专利申请No.11/074,249中公开，该专利申请于2005年3月7日提交，由本发明的受让人所拥有，并通过参考合并到本发明中。参看图5，阳极20以容器或导管的形式示出并具有铜或不锈钢内导电壁22，所述导电壁22在第一末端有一个开口21，所述开口21直接耦合到真空腔2并用于与所述真空腔2相互联系。所述容器20的外壁26在下面简称为外体并可电气绝缘。在所述截面图中，所示出的水冷却管28实质上位于所述阳极20的周围，以保持所述阳极在运行时的温度。所示出的进气口29用于提供一个管道，溅镀气体进入所述管道之后可进入所述阳极腔，以给所述阳极加压。所述阳极20可安装在所述真空镀膜腔2的外部或内部。而且，所述开口21可位于所述阳极导管的一个侧面上或一个末端上。在运行时，用氩气为所述阳极20加压，所述氩气在适当的点火电压和之后的保持电压出现时促使等离子体在所述镀膜腔2中的形成。所述容器内的压力避免镀膜材料进入所述阳极20并干涉所述阳极20的运行。图5所示出的阳极设计成用低的阳极电压运行且有少量的电弧或没有电弧。优选采用约30伏特的低阳极电压来减少过程中的变化。 

所述理想的阳极参数，即面积、阳极接地距离和压力产生一个优选实施例，在此优选实施例中，所述阳极包括一个管，所述管的直径至少为d＝10cm，长度至少为h＝20cm，如图5所示。对于低溅镀工艺来讲，所述腔压力低于2mTorr。所述阳极的高的压力通过减小所述阳极20的开口21并经过所述入口29将所述处理气体加入到所述阳极中来实现。理想的开口具有约20cm²的面积且优选是圆形的。在操作时，可将所述阳极加压到大于3mTorr。预想所述阳极20可在延长的时间进行近乎连续的运行；已对所述阳极进行了试验，在这种试验中，所述阳极连续地运行了2000小时以上，而并没有将所述阳极20从运行中取出以进行清洁或改变，而且也认为使所述阳极在连续的运行中运行10000小时以上是可能的。 

许多光学涂料要求沉淀氧化物或其它的化合物。这样的材料理想地在反应溅镀模式中产生，在这种模式中，对金属靶进行溅镀且将氧、氮或另一种反应气体加入到所述过程中。所述经过溅镀的材料和所述活性氧同时到达所述衬底。例如，需要找到最佳的氧局部压力的最佳氧流。如果所述氧流太低，所述膜就并不是按化学计量且会有高的吸收损失。如果所述氧流太高，所述靶表面就会变得过分氧化而多于所必须进行的氧化，进而妨碍以最大可能的沉淀速度的运行。金属靶的溅镀速度可比完全氧化的靶的溅镀速度高十倍。所述反应气体在其基本形式时流动并穿过质量流量控制器，且通过简单的气体管道或复杂的歧管进入所述镀膜腔中。如果所述氧在所述这些衬底被活化并引导，就可以提高所述氧化的有效性。

本发明包括将所述活化反应源36放置得离产生的膜非常接近的位置，这样来提高所述活化物(或其它的气体分子)在撞击腔壁之前撞击所述镀膜表面的几率。如图3所示的定向氧活化或加速装置36的使用有助于化学计量膜的形成并将所述靶的氧化降到最低。这样的装置可以是感应或电容耦合等离子体源，所述等离子体源可以有或没有提取或加速系统的。所述源输出可以是电离或以其它方式活化的活性氧(如原子氧和臭氧)。所述活化反应源36恰好位于所述靶表面平面44，或将其定位以使所述阴极12位于所述氧源36与所述物体平面46之间，所述活化反应源36位于所述溅镀靶表面24的瞄准线之外，因为避免在所述氧源36形成大量的镀膜是很重要的。在本发明中使用大的阴极12，与较小的阴极的使用相比，所述阴极12的位置更接近于所述衬底23。因此，所述靶表面平面24就接近于所述物体平面46，所述物体表面平面46允许将所述氧活化源36移动到更接近于所述衬底23的位置，而保持在所述氧活化源36没有大量镀膜的形成。这样就提高了所述氧化的有效性并允许在较高的速度下进行镀膜。所述输出的方向应进行优化以达到最佳的氧化有效性。

在根据本发明的一个方面的优选实施例中，感应耦合反应活化源的输出口位于所述阴极中心C外13英寸，所述靶表面平面44下面0.75英寸，并朝向所述行星旋转驱动系统14成30度的角。

在此优选实施例中已实现具有激光镜质量的物理镀膜速度，SiO₂为1.2nm/s，Nb₂O₅为1.2nm/s，Ta₂O₅为1.5nm/s。所述主驱动系统在60rpm下进行操作，以实现上述速度。 

在所述阴极的外部的一个氧源的使用打破了所述镀膜装置的圆柱形对称。对与所述阴极中心相对排列的两个氧源的使用已进行了成功的试验。这样就降低了对快速主驱动旋转的需求，但增加了工艺的复杂性。理想的结构将是圆形的氧源，以保持所述圆柱形对称。

本说明书公开了对氧化物的反应溅镀方法。所有的方面均可类似地用于氮化物或其它反应过程。

上述优选的大的阴极轴上几何结构的另一种选择是将所述大的阴极12放置在略微偏离所述行星驱动系统14的轴，从而将其移到离所述衬底平面更近的位置。这样就保持所述高的沉淀速度并降低本发明中的电弧速度。图10用曲线图示出了直径为12英寸没有掩模的阴极的情况，其中有六个紧密封装的8英寸衬底，间隔为0.5英寸。在投射距离为7.7英寸的情况下，在所述阴极位于带有所述旋转驱动系统的轴上时，所述溢流最少。在将所述阴极放置得离所述衬底更近时，它需要被从所述旋转中心的位置移动。根据模拟结果，所述溢流比轴上实施例中的溢流略微减少。在这个例子中，这一点一直适用，直到将所述阴极移置其直径的约

。然后所述溢流急速上升。在从没有移置到所述阴极直径的

的阴极移置范围内，没有掩模的运行可产出低于0.5％的溢流。在更大的移置时，所述溢流就会急速升高，而且，如果希望得到低的溢流，就需要采用掩模。 

在这种变化中，所述阴极与所述旋转驱动系统之间的对称被打破，而且它所带来的好处也就失去了。当衬底由所述行星驱动系统传送时，所述衬底在高的和低的通量沉淀区域之间移动。若短层要求从行星到行星的高度均匀性，所述主旋转驱动速度必须大大高于前述的对称方案中的驱动速度。这样就会增加这种方法的复杂性并会导致较高缺陷的产生。

在运行时，减少周期时间的一个方面包括减少所述过程当中的非镀膜时间。一个例子是减少抽空和排放所述腔所需的时间量。通常所使用的技术是包括一种预真空锁装置来装载和卸载进行镀膜的物体。这就允许所述沉淀腔在所有的时间都保持在降低压力的真空条件下。降低的压力意指低于大气压力。要求有一种部件处理系统来在所述腔中装载或卸载衬底或其它物体。

图1和图2中所示出的镀膜腔2通过泵浦口22来抽成真空状态，而处理气体通过质量流量控制器(未示出)来提供给所述处理腔2。图1中所示出的闸式阀3能够使所述预真空锁腔1中的压力不受所述处理腔2中的压力的限制而处于大气压力下以装载或卸载所述衬底，或者使所述预真空锁腔1中的压力重新恢复到所述处理腔2的压力以进行衬底的转移。所述预真空锁腔1包括带有盒升运器5的装载容器4和带有机械手7的转移通道6。所述机械手7的控制装置安装在圆柱形罐8中，所述圆柱形罐8从所述转移通道6中伸出。

实际的镀膜时间由于快速沉淀速度的镀膜所减少。快的速度通过利用延长的阴极和优化的几何结构来实现，所述优化的几何结构位于所述衬底或物体与所述阴极之间，这将在下面进行描述。脉冲DC磁控溅镀是优选的镀膜方法，因为所述阴极的占空因数可达90％或更高。在所述阴极减少或消除电弧也会减少电弧的恢复时间。通过精心的设计，就不需要掩模来控制所述衬底上的溢流。这就会提高镀膜速度，减少由增加的电弧和清洁所述掩模表面所产生的停工时间。没有掩模，产量也会较高，因为所述掩模的剥落会导致所述涂层质量中的缺陷。

所述镀膜辅助操作时间的减少通过在相同的沉淀腔中镀膜所有的材料来实现。本发明包括阴极更换装置60(见图4A和4B)，所述阴极更换装置60按顺序将用于不同涂层的多个阴极在一个批次中定位。此外，在开始镀膜之前，通过关闭光闸50(见图4B)可将阴极在所述腔中进行调节，所述光闸50在所述调节过程期间屏蔽所述衬底。合并所述光闸和所述阴极排列60可在从一种材料转换到下一种材料时减少辅助操作时间。

整修所述装置的检修时间通过在许多表面上安装易于拆卸和安装的硬箔来降到最少。通过保持几套工具，所述硬箔的快速交换迅速将所述装置恢复到工作状态。

许多光学涂料在其光谱响应中具有鉴别特征。例如，用于色彩分离的导角滤镜允许一种色彩通过而拒绝另一种色彩。为了此公开的目的，对用于所述涂料的整个200mm衬底的精度要求假定为0.5％。为了所述例子的目的，若所述导角在500nm，这就会转换到2.5nm的绝对导角位置的变化。所述光谱特征位置与所述镀膜设计中的层的厚度有关。因此，在镀膜所述200mm衬底中，镀膜速度的变化需低于0.5％。若在相同的批次中镀膜多个衬底，从一种衬底到另一种的变化需要是这个值的一小部分。光谱特征位置的变化也称为溢流。

本发明中几何结构的性能已通过数字模型进行了预测。在所述模型中，假定在任何情况下，在任何时候，在衬底上的点P的厚度沉淀与下面的等式成比例：

cos^f(s)cos(i)/d²(等式3) 

其中，s是镀膜线与所述源法线之间的角度，i是所述源(靶)与点P之间的角度。这些参数在图6中示出。等式3表明从所述靶的分布轴向对称，且粘着系数并不取决于所述镀膜入射角。项f是描述所述靶的喷射特征的根据经验确定的常数。对所述模拟来说，在此使用0.7的值。具有大直径的延长的靶接近于加权点源的阵列。在任何情况下在任何时候的沉淀厚度等于所有点源所贡献的厚度之和。 

为了对衬底溢流做出估计，对沿着穿过所述衬底的径向线的多个点进行估计。由于所述的这些衬底围绕其本身的中心点旋转，所以并不预想有方位不对称。这些点在行星旋转驱动系统中的位置在小的时间间隔内确定，且用于每个点的镀膜材料根据上面的等式3聚集。所述溢流通过产生在所述衬底上的最大到最小镀膜聚集的比率来确定。

图7示出了这些模拟中的一个的结果的例子。该计算对三个不同投射距离情况下的8英寸直径的衬底和12英寸直径的延长涂料靶进行。对较短的投射距离，所述镀膜速度较高。作为第二顺序效果，现已观察到所述衬底外部的速度比在所述中心的速度升高得快。这样就导致穿过所述部件的溢流的倾斜。对于7.5英寸的投射距离来讲，所述溢流是(1.585/1.574)-1＝0.70％；对于7.7英寸的投射距离来讲，所述溢流是(1.564/1.556)-1＝0.51％；对于7.9英寸的投射距离来讲，所述溢流是(1.544/1.533)-1＝0.72％。对于每种涂层几何结构来讲，投射距离可在将所述溢流降到最少之处得到。对于上述情况来讲，投射距离是7.7英寸。最少的可能溢流在所述部件中心处的速度和边缘处的速度相等时实现。

图8示出了模拟溢流与单点源的行星半径的函数。所述数据的计算针对8英寸衬底直径的、0.5英寸行星与行星间隔的两个到十二个行星。行星的数量写在每个溢流结果之后。在每种模拟中，对所述点源与所述旋转驱动平面之间的投射距离进行优化，以达到最小的溢流。最佳的投射距离表明与所述行星旋转半径的近乎线性的关系，即从所述衬底中心到所述源中心的线与所述靶表面之间的角度是恒定的。对于8英寸的行星来讲，所述最佳角度约为35度。

图8示出了在仅使用两个或三个行星时，所述溢流相当高，完全超过了0.5％。在向较高数量的衬底增加时，所述溢流快速下降。对于五个行星来讲，所述溢流降到0.5％以下并在更多的衬底时进一步减少。这就揭示出五个和更多的行星的最佳数量。图8还包括对镀膜材料利用率(相对效率)的估计。所述利用率在对三个行星时有最高值且对更多的行星时平稳下降。低的溢流与镀膜材料利用率之间的折衷结果表明最佳的行星 数量是五到八个。这一点在图8中用曲线图示出。行星的数量写在每个溢流结果之后。在每种模拟中，对所述点源与所述物体平面之间的投射距离进行优化，以达到最小的溢流。假定所述间隔s既小又实用，最紧密的行星封装可用下面的公式表示：

0.85*d＜r＜1.3*d 

其中，d是所述行星直径，r是所述行星驱动系统的半径，如从所述中心旋转轴30到次轴40。 

如上所述，对于高的镀膜速度时的低缺陷来讲，具有大的延长的源是理想的。此处所用的阴极的尺寸描述用在所述靶上的材料的最大直径。目前存在具有不同磁性和屏蔽结构的许多不同的阴极。因此，预计模型不同而尺寸相同的阴极的喷射特征略微有所不同。所述喷射特征还受到像压力、电压等具体的进展条件的影响。随着所述靶尺寸的增加，需要降低所述投射距离以保持最少的溢流。这种关系在图9中示出，该图示出的是放置在8.5英寸旋转半径上的8英寸直径的行星。例如，点源需要放置在距所述衬底平面11英寸的位置。对于8英寸直径的阴极来讲，所述最佳的投射距离约为10英寸，对于12英寸的阴极来讲，所述投射距离小于8英寸。所述溢流保持在低水平并接近于所述点源值，直到所述靶直径变成所述行星的直径d的约1.5倍。对于大于这个尺寸的阴极来讲，所述溢流快速增加。为了将溢流保持在0.5以下，所述靶直径应小于1.5d；为了将溢流保持在2％以下，所述靶直径应小于2d。没有掩模的运行的最佳投射距离介于0.7d＜t＜1.3d之间。材料利用的效率还随着更大阴极尺寸而增加，即更高份额的溅镀靶材料沉淀在所述衬底上。

在本发明的优选实施例中，将六个200mm的衬底在所述行星驱动系统的8.5英寸基本半径上旋转。根据所镀膜的材料，最小的溢流的投射距离t典型地介于7.5与8英寸之间。所述阴极的直径为12英寸。在此结构中已示出了沉淀速度，SiO₂和Nb：Ta₂O₅为1.2nm/s，Ta₂O₅为1.5nm/s。所述材料利用率估计为25％。没有掩模的所述部件的溢流低于0.5％。图11示出了这种几何结构中实际镀膜部分的厚度的测量值，所述测量值由根据模型模拟的溢流所覆盖。SiO₂和Ta₂O₅所测得的溢流低于0.5％。所述这些结果表明了所述模拟的有效性。所述溢流可通过降低所述衬底直径来进一步降低。低于0.2％的溢流可在上述几何结构中150mm直径的衬底上实现，代价是材料利用率的降低。 

上述的模型通过利用200mm直径的衬底得到了验证。不过，所述模型对不同比例是不变的。相同的几何结构可用于更小或更大的衬底。所有的附图示出了所述向上溅镀 结构。不过，这些几何结构的考虑对空间方向是不变的。向下、水平或其它任何方向溅镀都是可能的。

Claims (21)

1.一种将镀膜施加在物体上的磁控溅镀装置，包括：

行星驱动系统，所述行星驱动系统包括中心旋转轴和多个行星，所述多个行星放置在实质上与所述中心旋转轴等距的位置，每个行星具有适于独自旋转的次轴和限定镀膜区域的直径，每个行星适于支撑在物体平面中的一个或多个物体，其中从所述中心旋转轴到所述次轴的距离包括所述行星驱动系统的旋转半径；

圆形阴极，所述圆形阴极包括靶，所述靶包括用于形成所述镀膜的材料，所述圆形阴极距所述物体平面有一个投射距离，所述阴极有中心点和阴极直径，所述阴极直径大于所述行星直径并可达所述行星直径的两倍；

用于向所述阴极提供电压差的阳极装置；

适于在运行时抽成真空的、容纳所述阴极和所述行星驱动系统的腔；和

向所述腔提供溅镀气流的气体输送系统，

其中所述行星驱动系统的旋转半径和所述投射距离介于所述行星直径的一半和两倍之间，以提供所述镀膜质量的最小径向溢流，而无需使用掩模，

其中，所述阳极装置为容器的形式，所述容器包括导电的内壁和电绝缘的外壁，所述导电的内壁在第一末端具有一个开口，所述开口与所述腔耦合，并与所述腔相互联系；

其中，通过减小所述开口并将所述溅镀气流通过所述气体输送系统加入到所述阳极装置，能够向所述容器增压。

2.如权利要求1所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述阴极的中心点实质上与所述中心旋转轴准直，因此而限定所述装置的中心轴。

3.如权利要求1所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述阴极的中心点从与所述中心旋转轴的准直转换到达所述阴极直径的三分之一。

4.如权利要求1所述的磁控溅镀装置，还包括调节靶表面与所述物体平面之间的投射距离的装置。

5.如权利要求1所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述阴极被支撑在阴极更换装置上，以在真空状态下更换所述腔中的靶。

6.如权利要求5所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述阴极更换装置能够支撑多种靶材料，以在单独的批次中将多种不同材料层施加在所述物体上。

7.如权利要求1所述的磁控溅镀装置，包括DC和脉冲DC磁控装置中的一种。

8.如权利要求1所述的磁控溅镀装置，还包括预真空锁装载装置，以将经过镀膜的物体输送出所述腔并将新的物体输送到所述腔中，而并不在实质上改变所述腔的已降低的压力。

9.如权利要求1所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述阴极的所有非撞击表面都被电气绝缘。

10.如权利要求1所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述阴极是环状的。

11.如权利要求1所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述次轴实质上平行于所述中心旋转轴。

12.如权利要求1所述的磁控溅镀装置，其特征在于，活化的反应气体被从反应源引导到所述物体，所述反应源被放置以使所述靶表面位于所述反应源与所述物体平面之间。

13.一种将镀膜施加在物体上的磁控溅镀装置，所述装置包括：

带电阴极，所述带电阴极包括靶，所述靶包括用于形成所述镀膜的材料，所述阴极有中心点；

放置在距所述阴极有一个投射距离的位置上的行星驱动系统，所述行星驱动系统包括中心旋转轴和多个行星，每个行星由适于独自旋转的次轴支撑，并且每个行星放置在距所述中心旋转轴等距的位置，每个行星适于支撑物体以进行二个自由度的旋转运动；

用于向所述阴极提供电压差的带电阳极装置，其中，所述阳极装置为容器的形式，所述容器具有导电的内壁和电绝缘的外壁，所述导电的内壁在第一末端具有一个开口，所述导电的内壁电连接于电源的正电位，所述开口与所述腔耦合，并与所述腔相互联系；

适于在运行时抽空以降低压力的、容纳所述阴极和所述行星驱动系统的腔；和

向所述腔提供溅镀气流以形成等离子体的气体输送系统；其中，通过减小所述开口并将所述溅镀气流通过所述气体输送系统加入到所述阳极装置，能够向所述容器增压；其中所述多个行星中的每一个都有一个直径d，每个次轴以一个旋转半径r放置，以使0.85*d＜r＜1.3*d，所述阴极与所述行星驱动系统之间的所述投射距离t为0.7*d＜t＜1.3*d，且所述阴极限定材料的范围，使所述阴极有一个在其中心点周围的阴极直径CD，以使d＜CD＜2*d。

14.如权利要求13所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述中心旋转轴实质上与所述阴极的中心点准直，这样就限定了所述装置的中心轴。

15.如权利要求13所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述阴极中心点从与所述中心旋转轴的准直转换到达所述阴极直径的四分之一。

16.如权利要求13所述的磁控溅镀装置，其特征在于，等于从所述中心旋转轴到所述次轴的距离的所述旋转半径r被定义为r＝(d+s)/2sin(α)，其中α＝360°/2n，d＝行星直径，s＝行星间隔，n＝行星数量。

17.如权利要求16所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述行星中的每一个具有直径d，且它们之间的间隔s既小又实用，所述直径d与所述旋转半径r的关系被定义为0.85*d＜r＜1.3*d。

18.如权利要求13所述的磁控溅镀装置，还包括在所述腔处于真空状态下时，调节所述行星驱动系统与所述阴极之间的投射距离t的装置。

19.如权利要求13所述的磁控溅镀装置，其特征在于，行星的数量在5到8之间。

20.如权利要求13所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述衬底直径为8英寸或更小。

21.如权利要求13所述的磁控溅镀装置，其特征在于，所述阴极直径为至少10英寸。

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