TWI506664B - 離子束源及用以濺射非傳導材料之裝置 - Google Patents

離子束源及用以濺射非傳導材料之裝置 Download PDF

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Description

離子束源及用以濺射非傳導材料之裝置
本發明係有關於一種離子束源及一種產生此一源之方法。
離子束沉積系統適合金屬沉積，因為導電金屬靶材提供了良好的電氣路徑及散熱路徑，避免任何放電或散熱問題。
此等系統可用於絕緣材料沉積，但這樣該靶材會被很快地充電，因為陽離子流入射到其表面上。此頻繁地導致在該源內發生電弧。
以往的解決辦法提供了一次級電子源，諸如提供電子熱發射之一熱絲或者一電漿源，該電漿源諸如一考夫曼管、空心陰極或一電感耦合電漿。
儘管此等裝置已運用有數十年，但仍存在很多問題。尤其是它們均必須安裝在真空系統內，這可影響離子源、靶材及基板操作。熱絲技術可產生雜質、可因熱膨脹及收縮而不可靠且只可操作於一惰性真空環境中。該等電漿源都具有成本、熱管理及可能的雜質問題。
根據一個層面，本發明在於一種與一非導電靶材一起使用之離子束源，其包括擷取離子之一柵極及將脈衝電力提供給該柵極以擷取該等離子之一電源。
該等應用已意識到，透過脈衝方式發送該射束，到該絕緣靶材之正離子流會在一短時間段內停止。此為在該離子源及/或腔體電漿中產生之電子充分中和及使該靶材大幅放電提供了足夠時間。出於本說明書之目的“大幅放電”是允許該靶材在該濺射時間段中發揮作用而不發生電弧所需要的放電。就實際應用而言，假設在離開該源與該靶材之該等離子之間有足夠的電位差，可接受在該靶材上積聚一些電荷。
在較佳實施例中，該電源包括一DC電壓、將該電源連接到該柵極或者與該柵極斷開之一電源開關及切換該電源開關之一脈衝產生器。可選擇地，用於將該電力切換到該柵極之該電源將該柵極在一DC電源電壓與接地端之間切換。
在此後一種情況中，該電路可包括連接在一DC電源電壓導軌與一中點之間的一第一FET、連接在該中點與接地端之間的一第二FET、彼此連接且各自與一FET並聯之一對二極體、連接到該中點及與該柵極有關之一電容之一電感器及用於交替地導通該等FET之一脈衝產生器，藉此，當一FET導通時，該電路將實質上使該柵極保持在導軌電壓，及當該等FET斷開時，將該柵極衰減到該接地電壓。
可提供一檢測器，其用於檢測一電弧產生之電流突波及產生一暫時禁止信號以暫時地將該柵極保持在接地狀態。
該檢測器在該柵極電壓下檢測電流變化及/或電壓之變化率且將其與一參考值或多個參考值比較。該檢測器可以以一轉換器之形式。
另外地，本發明包括具有一輸出之一半橋式DC電源，其包括連接在一DC電源電壓導軌與一中點之間的一第一FET、連接在該中點與接地端之間的一第二FET、串聯且與其各自FET並聯之一對二極體、連接到該中點及與該柵極相聯結之一電容之一電感器及用於交替地導通該等FET之一脈衝產生器，藉此，當一FET導通時，該電路將基本上使該輸出保持在導軌電壓，及當該等FET斷開時，將該輸出衰減到該接地電壓。
該源可進一步包括一檢測器，該檢測器用以檢測該輸出處之一電流突波及產生一暫時性禁止信號以暫時地將該輸出保持在接地狀態。該檢測器檢測該輸出處之電流變化及/或電壓變化率且將其與一參考值或多個參考值比較。該檢測器包括一轉換器。
儘管上文已定義本發明，但要理解其包括上文或下面描述中提出之該等特徵之任一發明性組合。
圖式簡單說明
本發明可以以各種方式實施，且現在將參照附圖以範例方式揭露特定實施例。
第1圖是一試驗裝置之透視圖；第2圖是第1圖之裝置之局部剖視圖；第3圖是利用第1圖與第2圖之該裝置之SiO2薄膜厚度A(Y軸)對Si晶圓上之位置(X軸)之一曲線圖；第4圖是該SiO2薄膜之折光率n(Y軸)對Si晶圓上之位置(X軸)之相應曲線圖；第5圖是與一離子束源一起使用之一脈衝電源之示意圖；第6圖是電源之一可選擇形式之詳細電路；第7圖是第6圖之該源之電流與電壓之測試曲線；第8圖說明了一離子束脈衝發生器電路之方塊圖；第9圖是受組配為一電壓應力均衡器之半橋電路。
在第1圖與第2圖中，標示為10之一試驗裝置包括一真空室11與一離子源12。在此實施例中，離子源12是一寬束離子源，其將一束離子自柵極13發射到一目標靶材14，使靶材材料沉積到腔室11頂部之一晶圓(圖未示)上。該離子源可以是WO-A-2008/009898中描述之類型，WO-A-2008/009898之內容作為參考資料納入本文。在該結構中，加速器柵極13由四個個別柵極構成，其中一個保持在一正電壓以作為一離子源，而其它柵極保持在一負電壓或接地電壓來以一射束形式拋射該等產生的離子。
第3圖說明了利用具有一3mm厚絕緣SiO2靶材之裝置沉積在Si晶圓各處上之SiO2層之厚度A。需要注意的第一點是該層具有一厚度。如果已積聚電荷，該射束會隨即透過電弧作用遭破壞且不會發生沉積。點所示之總趨勢是該晶圓上之一傾斜厚度，其符合該靶材之傾斜度。該等較高點因灰塵而不遵循越過該晶圓而厚度普遍降低之趨勢。這被認為是由於原型裝置位於一“不潔”區域而不位於一“乾淨”空間中。在第4圖中，顯示了晶圓各處之折射率且都一致地在1.5左右，1.5適用於薄膜沉積。因此，此等結果表明，一脈衝離子束可適用於一絕緣靶材以沉積該靶材材料，而不需要任何次級電子源。
第5圖說明了一恰當電源之一概要佈置圖。標記為GRD1、GRD2、GRD3及GRD4之柵極對應於以上提及之柵極。概括地標示為16之各個電源連接到GRD1到GRD3之每一者，而GRD4接地。在射束控制單元17中，提供一繼電器18以斷開所有該等電源。
以19顯示了另一組開關，其可根據控制一電力切換裝置21之一脈衝產生器20而在接地端與該電源幹綫電壓之間切換。
考慮到離子源11，需要慎重考慮該電力切換之設計，因為該設計需要能夠處理多達1600伏。
因此，離子首先產生在一電感耦合電漿中。該等柵極擷取出該等離子且將它們聚焦成一射束。該第一柵極(GRD1)透過將該柵極與電感耦合電漿總成浮動至相對於接地端為正1600伏而擷取出該等離子。因此，該等離子經歷一負電勢以使它們穿越該柵極。接著的兩個柵極(GRD2與GRD3)相對於接地端為負偏壓以使該等離子進一步穿越。最後的柵極(GDR4)接地。所有射束功率來自可提供0.5安培或更多之該第一柵極電壓。在標準最大GDR1電壓1600伏下，GDR2與GDR3偏壓分別為-350伏及-75伏。為了將該射束調節到一電流設定點及固定電壓，ICP RF電力被調整為一閉環控制系統。此測量返回電源電壓下的GRD1電流。
第6圖說明了用於GRD1之基本離子束脈衝發生器電路，其還包括電弧檢測與諧振轉換之裝置。與GRD2及GRD3有關之較低電壓/電力還可利用一諧振電路或者僅利用以一電阻器充電之有限電容。在一個組態中，GRD2具有諧振電路及GRD3是一50歐姆電阻器。在第6圖中，該諧振電路形成於一電感器L與一柵極電容C之間。此能夠使該柵極有效地充電及放電，而沒有電阻性充電功率損失P=fCV2 。
當FET Q1導通時，該柵極電容C經過電感L充電。當該柵極電壓柵極達到電源電壓時，與電容C諧振之行為試圖繼續使該電壓增大，但二極體D1阻止其增大。因此，正是由於Q1、D1之壓降及電感L的電阻，現在電流陷於電感L中。因此，電流只緩慢地衰減，保持接近於該峰值充電值。當Q1斷開時，該電流可較快地衰減，迫使Q1/Q2之結點為負，且該結點由Q2本體二極體箝制於0伏。此後不久，Q2導通。當該電流已衰減為零，其接著反向且開始再次增強，現在使該柵極電容放電。同樣，發生一諧振轉換且電流再一次陷於L中，但現在以相反方向由Q2/D2箝制。當Q2斷開及Q1再次導通時，此循環繼續。
該FET Q1與該FET Q2由脈衝輸入22處之脈衝切換為導通或斷開。由於反相器23，到達FET Q2之脈衝與到達FET Q1之脈衝異相。
該電路有效地對該柵極電容進行充電與放電，使儲存在電感L中之能量循環。柵極轉換是“軟式”，電磁干擾與D1/D2之速度要求也是如此。而且，電流自同一裝置體二極體到(同一)FET往返於Q1到Q2中。因此，在低電磁干擾下，沒有強制性二極體恢復且切換是足夠的。不利的是，循環電流之數量級典型地比該射束電流高，因此Q1、Q2、D1、D2及L需要針對此電流定大小。
為過電流與過度dV/dt二者提供保護。輸出電流由標示為24之電流轉換器檢測。該轉換器輸出與一參考限比較。如果檢測到一過電流，則一單穩態25被觸發以給定當脈衝發送停止時之一空白期。此透過改變分別將脈衝饋入Q1與Q2之各個端閘26、27之每一者上之一輸入來實現。Q1與Q2都斷開達該空白期持續時間。類似地，如果一過度dV/dt降低(例如，負)被檢測到，則將開啟一空白期。
典型地，當發生一電弧時，電流開始增大。該電弧電流很快地逐步增大到一反常高值。當此超過儲存在L中之值時，該輸出電壓下降且該柵極電容放電。此通常會發生得遠快於正常斷開轉換，因此其由該dV/dt電路檢測。L之動作限制該電路之電流增大，因此該系統通常在過電流發生之前檢測到該電弧。
當檢測到該電弧時，Q1斷開，因此Q1/Q2之結點由該Q2本體二極體箝制。接著，L經過該Q2本體二極體及該電弧放電。電弧電壓近似固定在大約100伏，因此該電流放電在大約12μ s中為線性。傳遞給該電弧之能量是該柵極電容與該L儲存之能量之和。由於諧振行為，此等能量近似相等：E=0.5CV2 +0.5LI2 且對於一可識別事件：C=3500pF、L=500μH、V=800V及I=2A。因此，E=1.12+1，其等於2mJ。該能量與電流平方及電壓平方成比例，因此在一全系統電壓1600伏下，電弧能量將近似為8mJ。
這樣一事件說明在第7圖中。該GRD1電流利用該電流轉換器測量。因此，此不傳送該等DC位準。該實際射束電流是該等切換轉換之間的兩個穩定位準之差。當該射束被迫斷開時，此是離子電流與電子電流之正射束。在示波器軌跡中，該電流近似為0.5安培。
藉由調整電漿源RF電力，實現正常地調整離子束電流。電流在該DC電源下測量。電源單元響應、輸出電容及電路去耦合電容CD 表示，其只檢測平均電流。其未經受脈衝發送。而且，在一足夠短電弧空白時間及足夠低的電弧速率下，其也不受電弧影響。電弧空白時間設定為100μs。1Hz之電弧速率將導致僅丟失0.01%沉積時間。
第8圖表示與構建第5圖之19、20及21有關之基本元件之一方塊圖，在該圖中，左上角處之電源為24伏管理電源，其利用線性調節器為信號電子器件提供15伏與5伏。一獨立的15伏用來執行該浮動式導軌轉換器，此為橋式驅動器與該浮動式GRD1電流檢測器提供了8個浮動式導軌。故障指示由跨接在與該15伏調節器串聯之一電阻器處之一LED提供。切換裝置故障不可避免地導致選通(gates)或短路，其增大該轉換器之負荷且因此點亮該LED。該轉換器本身基於一自振盪半橋式驅動器。該等轉換器電壓固定在15伏電源導軌，因此該等輸出被半調節。次級是已整流之半波。四個輸出與其它四個輸出相位相反以給出一近似對稱負荷。中間是該等橋、驅動器及保護邏輯。還說明了該等柵極。關於保護，GRD1電流由一500：1電流轉換器檢測。一基本定時功能由一8MHz石英鐘模組提供，可從該8MHz石英鐘模組分離出各種基本時鐘頻率。
為了在1200V(大多數用電裝置之標準擊穿極限)以上實現穩定操作，該電路利用一電壓應力平衡器以用於串聯之功率電晶體，可從第9圖中看到，其中一半橋包括2個串聯的裝置(例如FET)。Q1-Q4利用每一“切換位置”中之兩個電晶體Q1/Q2與Q3/Q4形成半橋。因此Q1/Q2在一起及Q3/Q4在一起。該平衡器之細節未作顯示，其根據需要僅在C1、C2、C5及C6之間保持V1=V2=V3=V4循環充電。
如果當Q1/Q2斷開時，Q1兩端之電壓超出該電源電壓之一半，則D1’將導向電荷傳導入C1，從而將Q1兩端之電壓限制在該電源導軌之一半。對於該橋之下半部，就Q4而言同樣如此，經由D4進入C2。如果當Q1/Q2斷開時，Q2兩端之電壓超出該電源電壓之一半，C3兩端之電壓將上升到該電源電壓之一半以上。當Q1與Q2接著導通時，C3兩端之電壓則從C3經由D5轉移到C5。當C5保持在該電源電壓之一半時，因此C3兩端之電壓且因此C2斷開時兩端之電壓也將保持在電源電壓之一半。D3’、C4、D6’及C6執行互補功能以保護Q3。
在Q1/Q2及Q3/Q4交替地完全導通或完全斷開之情況下，該橋之輸出可以是一方波、脈波調變(PWM)波形或其 它波形。相比於主要電力通過量，平衡電流/能量通常很小，因此可應用相對小及便宜的元件。
儘管特別適合於將脈衝電源提供給一離子束源，如上所述，然而該電路可具有很多其它應用，尤其是需要處理適度高電壓之情況。因此，本發明包括該電路本身及其在用於離子束濺射之一離子束源之情況下之用法。還要注意的是，本發明之該等電路通常可透過具有針對每一柵極或輸出之一電路及一公共時鐘脈衝源來提供三個或更多迅速同步之脈衝輸出。
本發明還包括濺射一非導電靶材之一方法，其包括利用一離子束源照射一靶材及將該電源脈衝發送給該離子束源之步驟。
10‧‧‧試驗裝置
11‧‧‧真空室、腔室、離子源
12‧‧‧離子源
13‧‧‧加速器柵極
14‧‧‧目標靶材
16‧‧‧電源
17‧‧‧射束控制單元
18‧‧‧繼電器
19‧‧‧開關
20‧‧‧脈衝產生器
21‧‧‧電力切換裝置
22‧‧‧脈衝輸入
23‧‧‧反相器
24‧‧‧電流轉換器
25‧‧‧單穩態
26、27‧‧‧端閘
C‧‧‧柵極電容
CD ‧‧‧電路去耦合電容
D1‧‧‧二極體
L‧‧‧電感、電感器
GRD1、GRD2、GRD3、GRD4‧‧‧柵極
Q1,Q2‧‧‧脈衝饋入
第1圖是一試驗裝置之透視圖；
第2圖是第1圖之裝置之局部剖視圖；
第3圖是利用第1圖與第2圖之該裝置之SiO2薄膜厚度A(Y軸)對Si晶圓上之位置(X軸)之一曲線圖；
第4圖是該SiO2薄膜之折光率n(Y軸)對Si晶圓上之位置(X軸)之相應曲線圖；
第5圖是與一離子束源使用一起之一脈衝電源之示意圖；
第6圖是電源之一可選擇形式之詳細電路；
第7圖是第6圖之該源之電流與電壓之測試曲線；
第8圖說明了一離子束脈衝發生器電路之方塊圖；
第9圖是受組配為一電壓應力均衡器之半橋電路。
13‧‧‧加速器柵極
14‧‧‧目標靶材

Claims (12)

  1. 一種離子束源，供與一非導電靶材一起使用，其包括用於擷取離子之一柵極及用於將脈衝電力提供給該柵極以擷取該等離子之一電源供應器，其中用於將該電力切換到該柵極之該電源供應器將該柵極在一DC供應電壓與接地端之間切換，及包含：一電路，其包括連接在一DC供應電壓導軌與一中點之間的一第一場效電晶體(FET)、連接在該中點與接地端之間的一第二FET、與一個別FET串聯及並聯之一對二極體，連接到該中點及與該柵極相聯結之一電容之一電感器，及用於交替地導通該等FET之一脈衝產生器，藉此，該電路在一FET切換成導通時將實質上使該柵極保持在導軌電壓，及在該等FET切換成斷開時將該柵極衰減到接地電壓。
  2. 如請求項1所述之離子束源，其中該電源供應器包括一直流(DC)供應器、用於連接及中斷到該柵極的電力供應之一電源開關及用於切換該電源開關之一脈衝產生器。
  3. 如請求項1或2所述之離子束源，其進一步包括一檢測器，該檢測器用於檢測一電弧產生電流突波及用於產生一暫時禁止信號以暫時地將該柵極保持在接地狀態。
  4. 如請求項3所述之離子束源，其中該檢測器檢測柵極電源供應中的電流及/或電壓之變化率且將其與一參考值或多個參考值作比較。
  5. 一種用以濺射非傳導材料之裝置，包括一非導電靶材及 一如請求項1所述之離子束源，其中該電源供應器在一持續時間內提供脈衝以允許該靶材在該脈衝停止時大幅放電，及其中該等第一與第二FET由一對FET構成且該電路進一步包括一電壓平衡器，該電壓平衡器保持一級聯的穩定電壓點以將每一FET斷開時兩端之壓降保持在一預定值，此係藉由允許過電壓對一相聯結電容器充電及允許該電容器在該個別FET對隨後導通時放電來實現。
  6. 一種離子束源，供與一非導電靶材一起使用，其包括用於擷取離子之一柵極及用於將脈衝電力提供給該柵極以擷取該等離子之一電源供應器，該離子束源另包括一檢測器，該檢測器用於檢測一電弧產生電流突波及用於產生一暫時禁止信號以暫時地將該柵極保持在接地狀態，以及其中該檢測器檢測柵極電源供應中的電流及/或電壓之變化率且將其與一參考值或多個參考值作比較。
  7. 如請求項6所述之離子束源，其中該檢測器包括一變換器。
  8. 如請求項1、6或7所述之離子束源，其包括用於每一柵極之一電源供應器，該等電源供應器由一公共脈衝產生器控制。
  9. 一種用以濺射非傳導材料之裝置，其包括一非傳導靶材及一離子束源，該離子束源包括用於擷取離子之一柵極及用於提供脈衝電力給該柵極以擷取該等離子之一電 源供應器，其中該電源供應器在一持續時間內提供脈衝以允許該靶材在該脈衝停止時大幅放電。
  10. 如請求項9項所述之裝置，其進一步包括一檢測器，該檢測器用以檢測輸出處之一電流突波及產生一暫時性禁止信號以暫時地將該輸出保持在接地狀態。
  11. 如請求項10所述之裝置，其中該檢測器檢測該輸出處之電流及/或電壓之變化率且將其與一參考值或多個參考值比較。
  12. 如請求項10所述之裝置，其中該檢測器包括一變換器。
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