CN1900353A - 可抽空的磁控管室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空抽吸系统和与溅射反应器(50)相关的方法，溅射反应器(50)具有密封至靶(18)及其背板(20)的真空抽吸磁控管室(32)。主溅射室(14)真空密封至靶前部并被低温抽吸(26)。旁路管道(51)和阀门(54)连接磁控管室和主室。在旁路阀被关闭并且低温抽气泵被打开之前，连接至磁控管室的机械粗抽泵(34)通过旁路管道将主室抽吸至小于1托，并且之后，继续抽吸磁控管室以减小靶上的压差。只要压差超过例如20托的极限，例如当存在泄露或电气故障时，则跨过旁路阀连接的压差开关(58)立即打开旁路阀。旁路管道还用在通风过程中。

Description

可抽空的磁控管室
技术领域
本发明一般地涉及材料的溅射。具体地，本发明涉及溅射室的真空抽吸系统。
背景技术
溅射是在硅集成电路的制造中有效建立的技术，其中金属靶被溅射以将靶材料沉积到硅晶片上。近年来，在诸如平板电脑显示器和大平板电视之类的平板显示器的制造中已经为了类似的目的而使用了溅射。可以制造的各种类型平板显示器通常包括在诸如玻璃或聚合物之类的通常称作面板的大、薄绝缘矩形衬底上形成的薄膜晶体管(TFTs)，并包括液晶显示器(LCDs)、等离子显示器、场发射器和有机发光二极管(OLEDs)。几乎所有的面板制造设备都是由其大尺寸而出名的。最初一代基于具有480mm左右的横向尺寸的面板。最新一代预期在一侧上具有超过2m的面板尺寸。该大尺寸已经引入了在最近的设备中限于大约300mm的晶片制造设备没有经历过的一些问题。
传统的平板溅射反应器10示意性地图示在图1的剖视图中。Demaray等在美国专利5,565,071中公开了这种反应器的更多细节，其通过引用包含在这里。主真空处理室14中的底座12支撑将被溅射涂覆的面板16，使其与结合到背板20的靶18相对，背板20被密封至处理室14但是与处理室14电隔离。靶18可以包括结合到背板20的一个或多个靶块。氩溅射气体从氩气源22通过质流控制器24进入主室14。高真空泵26(例如低温抽气泵)通过闸门阀28连接至真空处理室14，并将处理室14内的基准压强保持在大约10-6至10-7托的范围内，但是氩气压力通常保持在毫托范围内用于等离子溅射。未示出的DC功率供应装置将靶18相对于底座12或处理室14或包含在其中的防护罩电偏压至足够大的负压，以将氩气激发成等离子体。正的氩离子被强烈地吸引到负偏压的靶18，以从其溅射材料，然后溅射的材料撞击面板16并将靶的材料涂覆到面板16上。在活性溅射中，诸如氮气之类的活性气体附加地进入处理室14中，用于与溅射的金属反应以形成金属氮化物。尽管如此，处理室压力保持在毫托范围或以下。
具有相对的磁极的磁控管30位于靶18和背板20的后面，以在靶18的整个溅射面上建立水平的磁场，由此加强了等离子体并增大了溅射速率。磁控管30的形式通常比图示的要复杂得多。磁控管30在背板20的后部附近在一维或二维上扫描，以提供均匀的衬底与靶的腐蚀。在晶片溅射反应器中，磁控管30通常被封入冷却靶18的冷却水槽中，因为在连续溅射的情况下磁控管30可能会变得非常热。但是，这样的构造对于大面板来说使用溅射反应器不实际。背板20和靶18必须相对薄以允许来自背侧磁控管30的磁场投影穿过它们。但是，非常大尺寸的靶意味着背板20需要承受真空处理室中的高真空与大气压力(760托或14磅每平方英寸)加上冷却水的重量和静液压之间巨大的力。通过在相对薄的背板20中形成液体冷却通道并从处理室14外部供应冷却剂以冷却背板20和附装的靶18来解决该问题。围绕磁控管30的磁控管室32形成在背板20的后部，并真空密封到背板20。磁控管室32被抽吸成真空，例如小于1托，更典型地是200至500毫托，由此显著减小了背板20必须承受的力。
传统来说，机械的粗抽泵34通过粗抽阀36将磁控管室32抽吸到需要的亚托的压力，并在面板处理过程中保持在该压力。低温抽气泵26是高真空泵，其在非常低的压力下非常有效，但是不能在远高于1托的压力下运转。因此，当主室14从大气压力被抽吸降到开始运转时，在低温闸门阀28被关闭时，相同的粗抽泵34还通过第二粗抽阀38抽吸处理室14。当粗抽泵34将主室14中的压力减小到大约200-500毫托的过渡压力时，关闭第二粗抽阀38，并打开低温闸门阀28以允许低温泵26将主室14中的压力进一步减小到需要的压力10-6托以下。但是，第一粗抽阀36保持打开，使得粗抽泵34继续将磁控管室32抽吸到亚托的压力。
在操作中，面板16通过狭口阀门40从保持在大约10-3至10-6托范围内的中心传输室插入到主室14中。对于串连系统，两个狭口阀门定位在主室14的相对侧上，以允许面板16沿着真空隔离室的路径传递。本发明不限于包含本发明的溅射反应器的较大系统的构造。
但是，传统的抽吸系统还有一些缺点。在从760托往下抽吸的过程中，必须最小化背板20上的压差，例如至小于20托。在两个室14、32之间需要匹配抽吸速率，并且需要仔细安排它们运转的时间以避免在抽吸过程中靶背板20上的压差过大。此外，当主室14通风至大气用于维修保养时，需要将两个室14、32以相同速率增大至大气压力。阀36、38中的一个或另一个的故障或误控制可能引起仅室14、32中的一个中的压力快速变化。必须立即解决泵故障，因为大气可能通过任意一个故障的泵34、26回流，从而迅速增大压差。还需要快速检测室泄露并由此进行调节抽吸。在电源或计算机故障的情况下，阀28、36、38和泵26、34的状态变得不确定。最大值处大于大约20托的任何压差将引起背板20过度弯曲，由此可能引起结合的靶18或多个靶块从背板20脱离。大的压差可以引起背板20永久变形并且甚至破裂。诸如钼之类的难熔材料的大溅射靶非常昂贵，因此需要最小化由于抽吸故障引起的靶失效。
发明内容
真空抽吸系统真空抽吸溅射反应器，在溅射反应器中，磁控管真空室包围在溅射靶背侧上扫描的磁控管，并且在溅射靶前侧上的处理室在溅射过程中保持在低压处。高真空泵(例如低温抽气泵)连接至处理室。低真空泵(例如机械粗抽泵)或粗抽管路通过粗抽阀连接至磁控管室。旁路管道连接磁控管室和处理室，并包括阀，该阀优选的是常开(NO)阀。跨过旁路阀连接的压差开关检测旁路阀上的压力在可接受的压差之上的时间，该可接受的压差例如在1和30托之间，优选是大约20托，并且旁路阀由此打开。
对于初始的抽吸降压，至高真空泵的闸门阀被关闭而旁路阀被打开。粗抽阀被打开以允许粗抽，用于将磁控管室和处理室两者都抽吸到合适的低压。当压力达到过渡压力时，旁路阀被关闭，而至高真空泵的闸门阀被打开。
对于系统通风，至高真空泵的闸门阀被关闭，旁路阀被打开，并且通风阀开放至大气。
附图说明
图1是包含传统真空抽吸的溅射反应器的示意性剖视图。
图2是包含本发明的真空抽吸的第一实施例的溅射反应器的示意性剖视图。
图3是包含本发明的真空抽吸的第二实施例的溅射反应器的示意性剖视图。
具体实施方式
图2的剖视图中示意性示出的发明的溅射反应器50与传统反应器主要在其气体抽吸和压力监控方面不同。机械粗抽泵34通过粗抽阀36连接至磁控管室32以粗抽磁控管室32和主室14。旁路管道51包括连接至磁控管室32的磁控管气体管路52和连接至处理室14的主室气体管路53以及中间的旁路闸门阀54。旁路闸门阀54打开或关闭决定了两个室14、32是否互相真空隔离或压力平衡。在此实施例中，优选的是在旁路管道51上没有其它阀门。根据此构造，不需要从粗抽泵34至主室14的直接连接，因为粗抽泵34能够通过打开的旁路阀54抽吸处理室14。应当理解该设备可以用连接至共用粗抽管路并专用于诸如此反应器50之类的各个系统的一个这样的粗抽阀36来提供粗抽管路至多个系统。诸如对流式真空计之类的中间压力粗抽真空计56测量粗抽管路上的压力，其通常是100毫托以上，大概是机械粗抽泵34的下压力极限。
旁路阀54优选是常开(NO)阀。就是说，正信号或功率必须施加至NO旁路阀54来关闭它。在没有这样的正信号或功率的情况下，弹簧或其它的被动装置引起NO旁路阀54打开，由此连通主室14和磁控管室32。因此，在功率输出或多种计算机故障的情况下，旁路阀54打开直到两个室14、32之间的压力平衡。
差压开关58越过旁路阀54连接至旁路管道51。差压开关58检测闭合的旁路阀54的任一方向上产生过大的压差由此在两个室14、32之间产生过大的压差的时间。如果差压超过例如20托的预定压差极限，则打开旁路阀54以平衡两个室14、32之间的压力，并且由此减小背板20上的差压。差压开关58直接连接至旁路阀54或通过控制器60连接至旁路阀54或通过与控制器60分离的专用电子装置连接至旁路阀54，控制器60检测所有的测量压力并控制所有的阀。20托的差压极限被认为是合理的。但是，也可以使用优选小于30托并优选大约1托的其它压力极限。超出极限的差压可能引起背板充分变形，使得靶块18从背板20脱离。
在可替换构造中，差压开关58的一个或两个端可以直接连接到处理室14或磁控管室32中。尽管差压开关58最容易实现为打开/关闭压力检测器，但是其可以输出差压值至控制器60，并且当测量的差压超过极限时控制器60开动动作。可替换地，差压开关58可以被实现为旁路阀54的相对侧上的两个压力传感器(例如稍后描述的粗抽真空计56和室真空计66)，并且它们输送各自的压力信号至控制器60，控制器60确定压差的幅度何时超过压差极限。
处理室14中的压力在直接耦合至处理室14的压力检测管道64上监测。诸如对流真空计之类的中间压力室真空计66耦合至压力检测管道64，以测量大约100毫托以上至大气压力的压力。诸如电容压力计之类的低压真空计68通过真空计隔离阀70耦合至压力检测管道64。低压真空计68敏感于从大约1托下至10-8托及以下的压力。这样的低压真空计可以具有膜片构造或依赖于热灯丝发射，并需要被保护免受明显大约1托的压力。由此，通常实践中仅在主室压力减小到过渡压力或更小时才打开隔离阀70。
有时候，处理室14需要被打开用于维修或替换靶组件18、20。对于这些情况，带有通风阀76的通风管道74耦合至主室14(或可以耦合至磁控管室32)以将系统通风至大气。在正常工作中，通风阀76保持关闭。
图3的剖视图中示意性图示的本发明另一个实施例的溅射反应器80依赖于至处理室14和磁控管室32的传统抽吸端口，并可以以软管或其它容易构造的元件形成旁路管道82。粗抽阀36连接在粗抽管路84和包含Y耦合器86的系列软管或导管之间。单个磁控管气体管路88连接磁控管室32至Y耦合器86。旁路气体管路90连接Y耦合器86至旁路阀54。主室气体管路53连接旁路阀90至处理室14。由此，旁路管道82由磁控管气体管路88、Y耦合器86、旁路管路90和主室气体管路53构造。结果，可以在使用中将现有的溅射反应器改造成发明的抽吸布置。此图还示出直接连接在处理室14和磁控管室32之间的压差开关58，尽管如此，其也可以容易地连接在磁控管管路88或旁路管路90和主室管路53或室和气体管路的一些组合之间。
假设两个室14、32已经被关闭并保持在大气压力处，现在将描述抽吸降压的过程。在抽吸降压过程中，狭口阀门40、粗抽阀36、隔离阀24和高压闸门阀28被假设为关闭并且质流控制器24可以保持关闭。在抽吸降压开始时，控制器60确定旁路阀54是打开的并且其关闭通风阀76。此后，控制器60打开粗抽阀36，并且粗抽泵34开始通过旁路管道51、82抽吸磁控管室32，并且还抽吸主室14。当控制器60根据两个中间压力真空计56、66确定室压力减小到低于过渡(cross-over)压力时，控制器60打开高真空闸门阀28和真空计隔离阀70，并关闭旁路阀54。粗抽泵34继续抽吸磁控管室32，高真空泵26抽吸主室14。当控制器60根据高真空计68确定主室14中的压力已经减小到正常的基准压力(例如在10-6托以下)时，完成抽吸降压过程。此后，控制器60控制狭口阀门40和质流控制器24以及靶18的功率供应装置，以溅射处理一系列面板16。
通风过程由关闭狭口阀门40和质流控制器24来开始。控制器60关闭真空计隔离阀70和高真空闸门阀28，并立即打开旁路阀54以将主室14连接至磁控管室32。之后，控制器60关闭粗抽阀36并且之后打开通风阀74以将两个室14、32通风至大气。此后，可以从背板20移除磁控管室32，并且可以从处理室14移除背板20和附装的靶18。
如果在操作过程中室14、32中的任一个室14、32中发生泄露，或者在其它形式的故障的情况下，旁路压差开关58检测偏移超过极限的差压，并自动检测超过的压力，并发送中断信号至控制器60，控制器60立即打开旁路阀54。如果低温抽气泵26或高真空泵68的阀门28、70没有被及时关闭，则可能损坏低温抽气泵26或高真空泵68，但是至少昂贵的靶/背板组件18、20不会被不可修复地损坏。低压或高压室真空计66、68可以可选地标记主室14中的高压状态。
尽管已经对于使用平板溅射描述了本发明，但是对实现用于溅射到大致圆形的硅晶片上的溅射反应器其也是有利的，特别是对于那些较大尺寸的，其中该溅射反应器包含其中带有液体冷却通道的薄的靶/背板组件和真空抽吸的磁控管室。晶片反应器通常具有绕中心轴旋转的磁控管。本发明可以有利地应用于这样的晶片反应器。
由此，本发明提供了一种简单但是更加可靠的真空抽吸系统。

Claims (20)

1.一种溅射系统，包括：
主室，用于保持待溅射涂覆的衬底，并在与所述衬底相对的带有溅射靶一侧上可真空密封，并可连接至能够将所述主室抽吸到低于1毫托以下的压力的高真空泵；
磁控管室，其被构造成包含扫描磁控管，并可真空密封至所述靶；
粗抽阀，其连接在真空粗抽管路和所述磁控管室之间；和
旁路管道，其连接所述磁控管室和所述主室，并包含旁路阀。
2.如权利要求1所述的溅射系统，其中所述旁路阀是常开的。
3.如权利要求2所述的溅射系统，其中除了所述旁路阀，没有其它的阀门包含在所述主室和所述磁控管室之间的所述旁路管道上。
4.如权利要求1所述的溅射系统，其中所述靶包括带有内部液体冷却通道的背板和结合至所述背板的至少一个靶块。
5.如权利要求1至4中任一项所述的溅射系统，还包括在所述旁路阀周围连接的压差开关，所述压差开关能够检测差压极限之上的压差，并且其中根据所述压差开关的输出来可操作地控制所述旁路阀。
6.如权利要求1至4中任一项所述的溅射系统，还包括位于所述主室和所述高真空泵之间的闸门阀。
7.如权利要求6所述的溅射系统，其中所述高真空泵是低温抽气泵。
8.如权利要求1至4中任一项所述的溅射系统，还包括真空抽吸所述粗抽管路的机械粗抽泵。
9.如权利要求1至4中任一项所述的溅射系统，还包括：
粗抽压力计，其耦合至所述主室和所述磁控管室中的一个，并能够测量由所述粗抽管路提供的压力；
闸门阀，其将所述主室连接至所述高真空泵；
大气通风管路，其包括连接至所述主室和所述磁控管室中的一个的通风阀；和
控制器，其接收来自所述粗抽压力计的信号并控制所述粗抽阀、所述旁路阀和所述闸门阀，并且所述控制器包括用于执行抽吸降压过程和通风过程的指令。
10.如权利要求9所述的溅射系统，其中所述控制器另外还接收来自所述压差开关的信号。
11.如权利要求1至4中任一项所述的溅射系统，其中所述衬底是矩形面板。
12.如权利要求1至4中任一项所述的溅射系统，其中所述衬底是圆形硅晶片。
13.一种溅射系统，包括：
主室，用于保持待溅射涂覆的衬底；
高真空泵，其通过闸门阀连接至所述主室；
溅射靶，其密封至所述主室；
磁控管室，其密封至所述溅射靶的与所述主室相对一侧，并包围可扫描的磁控管；
粗抽阀，其连接在真空粗抽管路和所述磁控管室之间；和
旁路管道，其连接所述磁控管室和所述主室，并包含旁路阀。
14.如权利要求13所述的溅射系统，还包括在所述旁路阀周围连接的压差开关系统，所述压差开关用于检测差压极限之上的压差。
15.如权利要求14所述的溅射系统，其中所述压差开关系统包括：
耦合至所述磁控管室的第一压力传感器；
耦合至所述主室的第二压力传感器；和
控制所述旁路阀并比较由所述第一压力传感器和第二压力传感器检测的压力的控制器。
16.如权利要求13至15中任一项所述的溅射系统，还包括：
粗抽压力计，其耦合至所述主室和所述磁控管室中的一个，并能够测量由所述粗抽管路提供的压力；和
大气通风管路，其包括连接至所述主室和所述磁控管室中的一个的通风阀。
17.如权利要求16所述的溅射系统，还包括控制器，其接收来自所述粗抽压力计的信号并控制所述粗抽阀、所述旁路阀和所述闸门阀，并且所述控制器包括用于执行抽吸降压过程和通风过程的指令。
18.一种抽吸溅射反应器的方法，所述溅射反应器包括主室，用于保持待溅射涂覆的衬底；溅射靶，其密封至所述主室；磁控管室，其密封至所述溅射靶用于容纳可扫描的磁控管；和旁路管道，其连接所述主室和所述磁控管室，所述方法包含步骤：
粗抽所述磁控管室；
高真空抽吸所述主室；
在溅射沉积到衬底上的过程中关闭所述旁路管道；并且
只要所述磁控管室和所述主室之间的差压超过预定的差压极限，则打开所述旁路管道。
19.如权利要求18所述的方法，还包括抽吸降压过程，所述抽吸降压过程包括通过所述旁路管道从所述磁控管室粗抽所述主室。
20.如权利要求18和19中任一项所述的方法，其中所述溅射反应器还包括连接至所述主室和所述磁控管室中的一个的单个大气通风装置和控制所述大气通风装置的通风阀，并且所述方法还包括通风过程，所述通风过程包括协调所述旁路阀和所述通风阀的打开。
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