TWI548767B - 應用於磁控濺鍍裝置之環狀陰極 - Google Patents

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Description

應用於磁控濺鍍裝置之環狀陰極
本發明大致上係關於一種用於將材料沈積於基板上之磁控濺鍍裝置，其中經沈積之膜具有低缺陷位準之一預測性厚度分佈。更特定言之，本發明係關於一種應用於一磁控濺鍍裝置之環狀陰極及併有該環狀陰極之磁控濺鍍裝置。
濺鍍塗佈係一種廣泛應用在一基板上沈積材料之一薄膜之技術。在一濺鍍沈積製程中，通常藉由一輝光放電中之氣體原子與電子之間的碰撞產生離子。該等離子藉由一電場使靶材材料之原子自該靶材表面噴射而加速進入該陰極處之塗層材料之靶材。將一基板放置於一適合位置使其攔截該等所噴射原子之一部分。如此，於該基板之表面上沈積靶材材料之一塗層。在反應濺鍍中，一氣態物種亦存在該基板表面並與來自該靶材表面之原子發生反應以形成期望塗層材料，且在一些實施例中，其與來自該靶材表面之原子結合以形成期望塗層材料。
在操作中，當准許濺鍍氣體(例如氬氣)進入一塗佈腔時，施加於該陰極與該陽極之間的一直流(DC)電壓將該氬氣電離為一電漿，且帶正電荷之氬氣離子被吸引至帶負電荷之陰極。該等離子用足夠的能量衝擊該陰極前方之靶材並導致靶材原子或原子簇自該靶材濺鍍出來。該等靶材粒子之一些衝擊並沈積於待塗佈之晶圓或基板材料上，藉此形成一膜。
為達到提高的沈積速率及較低的操作壓力，使用磁性增強型陰極。在一平面磁控中，該陰極包含配置成一封閉迴路並安裝在相對於塗層材料之平坦靶材板之一固定位置之永久磁鐵之一陣列。因此，磁場導致該等電子在一封閉迴路中行進，通常被稱為「軌道(race track)」，此建立沿其發生該靶材材料之濺鍍或腐蝕之路徑或區域。在一磁控陰極中，一磁場侷限輝光放電電漿並增加該等電子在該電場之影響下移動之路徑長度。此導致氣體原子至電子碰撞概率之一提高，藉此導致濺鍍速率比並未使用磁性侷限之情況下獲得之濺鍍速率大得多。進一步言之，可在一很小的氣壓下完成該濺鍍製程。
通常在濺鍍期間在2*10^-2 Pa至1*10^-1 Pa之一壓力下操作一磁控濺鍍系統。為建立此壓力，通常將該腔泵抽至小於1*10^-4 Pa之一壓力，且將一受控制之氣流(通常為氬氣，且在反應濺鍍之情況中為氬氣及氧氣)饋送進入該腔以維持期望壓力。在一個二極體系統之情況中，即，當未使用磁鐵時，需要大於2 Pa之一壓力以能夠激發並維持一電漿。高壓力具有極大地減小平均自由路徑之缺點，繼而導致氣體大量分散。此產生渾濁塗層。
期望產生提高塗佈速率及跨一個別基板、基板與基板之間以及每次運行之間的產品均勻性之一磁控濺鍍系統。
陰極幾何形狀，特別係該陰極形狀、位置及尺寸與待塗佈之物體之間的關係，對沈積速率及塗佈面積以及產品品質及一致性有一顯著影響。跨一基板之層厚度之變化係被稱為逕流。可通過模型化預測該逕流。期望在大直徑基板上提供良好的膜厚度一致性、低逕流。
在許多塗層設備中使用遮罩以將塗佈速率變化減小至可接受之位準。但是隨著時間變化，該等遮罩通常累積大量塗層材料。一旦該遮罩上之材料達到一臨界厚度，則可立即剝落且造成折損該塗層品質之粒子。修整並維持此等遮罩亦為複雜的製程。進一步言之，隨著遮罩被塗佈，該等遮罩逐漸改變其等之形狀，此不斷地變更該塗層分佈。在一些情況中，遮蔽該等經濺鍍粒子之一顯著部分減小材料利用率。在該先前技術中，需要阻擋40%之該塗層材料之大量遮罩以達成跨一100毫米晶圓正/負1.5%之一可接受的厚度分佈(逕流)。需要一穩定系統來提供每次運行之間的均勻性。期望提供並未使用一遮罩之一裝置。
該陽極對該帶負電荷之陰極提供一差動電荷。此可如同對腔壁提供一電荷般簡易地提供。然而，亦於曝露於該等經濺鍍原子之任意表面上沈積該經濺鍍材料。若該塗層係一電絕緣材料(諸如一金屬氧化物)，則在該濺鍍設備之其他部分上積累該材料可能會產生問題。特定言之，在該陽極上積累一絕緣塗層干擾維持該電漿之電荷平衡所需要之該陽極自該電漿移除電子之能力。此使得該電漿不穩定並干擾沈積控制。塗層積累將導致該陽極位置移動至該系統中之另一表面。此不穩定性影響塗層品質。已提出大量先前技術陽極以克服該陽極經該塗層材料塗佈之問題。許多先前技術陽極在亦增加電弧效應之問題之極高電壓下工作，此損壞塗層品質。可提供一穩定陽極位置之一低電壓陽極對確保一致的塗層品質係重要的。
可通過沈積速率之一提高或負載大小之一增加或該兩者實現一提高的塗佈能力。為提高沈積速率，必須提高該靶材之功率密度。然而，較高的功率密度導致電弧效應之一增加，且在一些靶材(諸如矽)中，導致靶材裂化之一增加。一較大的靶材在並未提高該功率密度之情況下允許一較高的材料移除速率。該經沈積膜之較大氧化效率亦可提高反應濺鍍之沈積速率。維持逕流限制係對增加負載大小之一挑戰。在該陰極及行星式驅動器共用一共同中心點之一同心系統中，針對較大基板或大量基板增大該行星式驅動器系統需要投擲距離之一增加。此藉由提高粒子碰撞之概率增加氣體分散之問題，亦被稱為「平均自由路徑之一減小(a reduction of the mean free path)」。結果係該塗層之表面粗糙度之一增加，被視為分散或渾濁之一增加。期望針對一個3微米厚度應用之產出量提高至大於3600 cm2/hr同時維持正/負0.5%之一逕流。對於一些工業，塗佈一300毫米基板之能力係必要的。期望在不犧牲塗層品質之情況下增加能力。亦期望維持一低溫製程(儘管功率輸入增加)以能夠處理溫度敏感材料。
此發明之一目的係提供一種應用於一磁控濺鍍塗佈裝置中之環狀陰極，該磁控濺鍍塗佈裝置具在一大表面積上提供快速塗佈同時維持高塗層品質並最小化材料浪費之一幾何形狀。
此發明之另一目的係提供一種磁控濺鍍塗佈裝置，該磁控濺鍍塗佈裝置包含在不使用一遮罩之情況下產生高品質塗層之一環狀陰極幾何形狀。
此發明之一目的係提供一種磁控濺鍍塗佈裝置，該磁控濺鍍塗佈裝置併有與一低電壓陽極器皿結合之一環狀陰極中。
此發明之一目的係提供一種應用於一磁控濺鍍塗佈裝置中之環狀陰極，該磁控濺鍍塗佈裝置併有位在該陰極環狀之中心處之一陽極器皿。
此發明之另一目的係提供一種應用於一磁控濺鍍塗佈裝置中之環狀陰極，該磁控濺鍍塗佈裝置併有位在該陰極環狀之中心處之一反應氣體出口。
此發明之一目的係提供一種應用於一磁控濺鍍塗佈裝置中之環狀陰極，該磁控濺鍍塗佈裝置併有可輸送一活化反應氣體之位在該陰極環狀之中心處之一陽極器皿。
本發明已發現增加具有一行星式驅動器系統之一磁控濺鍍裝置之塗佈面積及靶材材料效率之一環狀陰極幾何形狀，其中該陰極軸係偏移至該行星式驅動器。該環狀陰極幾何形狀及針對該等基板之偏離中心之雙旋轉系統在不使用遮罩之情況下允許實現跨大基板之良好的塗層均勻性。藉由降低該陰極上之功率密度維持低缺陷位準。
因此，本發明提供一種磁控濺鍍裝置，其包含：
針對主旋轉具有一中心旋轉軸C並支撐複數個行星托盤之一行星式驅動器系統，每一行星托盤(planet)在一行星托盤中心點Cs處具有一副旋轉軸，且每一行星托盤表示藉由rw(行星托盤半徑)描述之一塗佈面積，該行星式驅動器系統具有自該中心旋轉軸C至一行星托盤中心點Cs之一載體半徑rC；包含包括形成一塗層之材料之一環狀靶材之一環狀陰極，該陰極具有一中心點Cc、大於該行星托盤半徑之一外半徑(r2)(r2>rW)、大於該外半徑之四分之一之一內半徑r1(r2>r1>1/4*r2)；其中該陰極中心點Cc係安置於對該中心旋轉軸C距離該載體半徑rC之2/3與4/3之間之一偏移距離rT處(2/3*rC<rT<4/3*rC)，且該偏移距離rT大於該陰極之外半徑之一半(rT>1/2*r2)；且其中垂直自一靶材表面至一行星托盤表面之一投擲距離h係介於該陰極之該外半徑r2之三分之一與一倍於該陰極之該外半徑之間(1/3*r2<h<r2)；罩住該陰極及行星式驅動器系統且經調適以在操作中抽真空之一腔；及提供一濺鍍氣流進入該腔之一氣體輸送系統。
該磁控濺鍍裝置在不使用一遮罩之情況下對一基板提供一濺鍍塗層。
上文該磁控濺鍍裝置，其進一步包含用於一反應氣體之一活化源。
如上文界定之該磁控濺鍍裝置，其中一反應氣體之該活化源係位於該環狀陰極之中心處。
該磁控濺鍍裝置進一步包含對該陰極提供一電壓差之一陽極，使得該陽極係較佳的電子返回路徑，該陽極包括具有與該等腔壁電隔離之一絕緣外表面之一器皿之一內部導電表面，該器皿具有與一腔內部連通之一開口，該開口顯著小於該器皿之周長以為該內部導電表面遮蔽大部分經濺鍍材料。
該磁控濺鍍裝置，其中一濺鍍氣源係耦合於該器皿以通過該開口提供一濺鍍氣體進入該腔，且將該開口製成允許一氣流將該陽極器皿內之壓力局部增加至大於該真空腔之壓力的尺寸。
上文磁控濺鍍裝置進一步包含一反應氣體之一活化源。
該磁控濺鍍裝置，其中包含一濺鍍氣源之陽極係位於使與該腔內部連通之該器皿之開口位於該環狀陰極之中心處之位置。
包含反應氣源之一活化源之磁控濺鍍裝置，其中該陽極係位於使與該腔內部連通之該器皿之開口位於該環狀陰極之中心處之位置。
包含作為一濺鍍氣源之陽極之磁控濺鍍裝置，其中一反應氣體之該活化源係位於該環狀陰極之中心處。
包含作為一濺鍍氣源之陽極之磁控濺鍍裝置，其中該陽極進一步包含耦合於該器皿以通過該開口提供一活化反應氣體以及該濺鍍氣體進入該腔之一反應氣體之一源。
上文包含作為一濺鍍氣源及一反應氣源之陽極之磁控濺鍍裝置，其中進入包括該陽極之該器皿之該腔中之開口係位於該環狀陰極之中心處。
上文包含作為一濺鍍氣源及一反應氣源之陽極之磁控濺鍍裝置係位於該環狀陰極之中心處，該磁控濺鍍裝置進一步包含位於距離該陰極之一距離處之一輔助活化反應源。
該磁控濺鍍裝置，其中該內半徑r1大於該外半徑r2之1/2，使得r2>r1>1/2*r2。
該磁控濺鍍裝置，其中該內半徑r1大於該外半徑r2之0.70，使得r2>r1>0.70*r2。
該磁控濺鍍裝置，其中0.95*r2>r1>0.6*r2。
該磁控濺鍍裝置，其中該陰極外半徑r2等於或大於1.11倍於該行星托盤半徑(r2>1.11*rW)。
該磁控濺鍍裝置，其中該陰極包括相對於該陰極之靶材材料之一側上之永久磁性材料之內部及外部同心環，該等內部及外部同心環具有相反極性，其中其等之軸垂直於該靶材之一表面用於提供接近該靶材之一表面處之一磁場。
如請求項1中界定之磁控濺鍍裝置，其進一步在該腔內包含一或多個交替環狀陰極，該一或多個交替環狀陰極包含包括形成一塗層之材料之一環狀靶材，其中偏移距離rT大於一倍於該外半徑r2(rT>1*r2)。
一磁控濺鍍裝置，其進一步包括用於調適一靶材表面平面與物體平面之間的投擲距離之構件。
有利的是，本發明之逕流及行星托盤之間的結果兩者之 塗層均勻性比先前技術增加。顯著放寬對垂直及水平定位之機構偏差之公差。因此隨著緊密地機構控制可達成行星托盤之間的均勻性之顯著改良。此品質控制可在相對較大之基板(300毫米)上予以維持，且無論是否針對增加的負載而按比例增大，仍維持一相對較短的投擲距離。根據本發明，此均勻性可在未使用一遮罩之情況下達成。
現在將根據圖式描述本發明之例示性實施例。
圖1中展示該磁控濺鍍塗佈裝置10之塗佈腔2之一等角視圖。幫浦8抽空該塗佈腔2以在真空條件下操作，意味壓力在大氣壓以下。腔壁32係被接地並與帶正電荷之陽極20及帶負電荷之陰極12隔離。圖3A及圖3B中更詳細參見之一行星式驅動器14包括可繞一中心旋轉軸C旋轉之一載體16或支架，其中複數個(例如，七個或八個)行星托盤17放射狀地支撐在該中心旋轉軸C周圍。在該中心軸C與該行星托盤軸Cs之間界定一載體半徑rC。一環狀陰極12(在此實施例中兩個陰極12)係展示各自具有偏離該行星式驅動器14之中心軸C之一中心軸Cc。為呈具有與該塗佈腔2連通之一開口之一器皿之形式之陽極20遮蔽塗層材料並偏離至該陰極12之靶材材料的直線。陰極12之中心處展示一活化反應氣源36。此等位置可與包括該陰極12之中心處之一陽極及經安置在距離該陰極12之一距離處之一活化反應源20之36顛倒。雖然一活化源36之一較佳位置係在距離C之一半徑位置rC處(參見圖2C)，但是圖2A及圖2B中展示一替代性實 施例，其中在亦用作該反應氣源之該環狀陰極12之中心放置陽極20'。若該陽極20'係該陰極之中心處之一活化反應氣源(圖1中之36)，則一輔助活化氧氣源可位於圖1中之20處以實現一較高沈積速率。該磁控濺鍍塗佈裝置10包含用於裝載及卸載供塗佈基板或其他物體23之一裝載鎖1。此允許該沈積腔2一直保持在真空條件下。此處以向上濺鍍組態描繪該裝置。然而，本發明之幾何形狀同樣適用於向下、水平或其他定向濺鍍。
脈衝直流(DC)磁控濺鍍係一較佳製程。替代地，本發明亦可以DC磁控、交流(AC)磁控濺鍍及射頻(RF)磁控濺鍍實施。
許多光學塗層在其等之光譜回應之特徵方面有所區別。舉例而言，用於分色之一邊緣濾光器使一種色彩通過同時排斥其他色彩。為此揭示內容之目的，跨一完整200毫米或300毫米之基板的塗佈所需要之精度假設為0.5%。就前文之例而言，若該邊緣係500毫米，則此將轉化為一2.5奈米之絕對邊緣放置變化。該光譜特徵之放置係關於該塗層設計中之若干層之厚度。因此，跨該基板之塗佈速率之變化必須在0.5%以下。若在相同批次中塗佈多個基板，則自一基板至另一基板之變化必須為0.5%之一部分。一光譜特徵之放置之變化亦被稱為逕流。
圖3A及圖3B中更詳細地示意地展示該行星式驅動器14及該環狀陰極12。該行星式驅動器14包含一中心軸C(驅動器系統繞其旋轉)及複數個副軸Cs(每一行星托盤17獨立地繞其旋轉)。該中心軸C與該副軸Cs之間的距離係一載體半徑rC。每一行星托盤17具有界定一最大可用塗佈面積之一半徑rW。所期望之行星托盤17之數目及大小決定該行星式驅動器14之大小及該裝置10之產能。
在距離該中心旋轉軸C之一共同距離rC處支撐呈一行星式塗佈幾何形狀之該等行星托盤17。通常期望將該等行星托盤17配置儘可能接近以最佳地使用塗層材料。每一行星托盤可支撐單一基板或複數個基板、光學稜鏡、透鏡或其他物體23。待塗佈之該物體23可包括安裝於一支撐基板上之複數個較小的分離部件。該行星托盤半徑rw僅界定每一行星托盤17之可使用塗佈面積。一行星托盤17在結構上無需為自身之此尺寸，但其可支撐此半徑之一基板23或待於此區域內塗佈之多個物體23。在一較佳實施例中，大的物體(諸如塊體光學結構)可具有至多達32毫米之一厚度。由於受控制之高度調整，一充分界定之靶材表面對物體表面距離導致最小逕流。
獨立行星式旋轉可包括相對於圍繞該中心旋轉軸C之旋轉之一協調旋轉速率。該副軸Cs係較佳地平行於該中心旋轉軸C，但可能呈一些其他角度。每一行星托盤17係經安置以經歷與每一其他行星托盤17大致上相同之條件。明確地參見圖3B，在該等基板或其他物體23之塗層表面處圖解說明一物體平面46。在該物體平面46與該陰極12之靶材表面平面44之間量測一投擲距離h。
該環狀陰極12具有大於該行星托盤半徑rW之一大的半徑r2。取決於針對塗佈所選擇之行星托盤大小及數目，該陰極半徑r2可經最佳化以維持一所需逕流。一其他因數係環寬度。該陰極具有一內半徑r1。該環愈狹窄(即，r1/r2愈大)，則達成相同均勻性之該支架或該基板17可能愈大。一較大陰極半徑需要一較低功率密度以達成高沈積速率，儘管該陰極12中之一高總功率。此最小化該靶材24上積累之電荷及所形成之電弧效應。該陰極12之該中心軸Cc自該中心軸C平移一偏移距離rT。此平移或偏移距離rT等於該載體半徑rC之2/3與4/3之間。一最佳偏移等於該載體半徑rC(rT=rC)，同時自0.7至1.3倍於該載體半徑之一範圍達成類似逕流控制。此等值隨陰極環寬度r1/r2及可參見圖8A之所判定之逕流限制而變化。該偏移距離係根據待塗佈之基板之基板大小或數量而變化。
圖4B中明確地展示，該陰極12具有在該靶材之腐蝕區域量測之一內半徑r1及一外半徑r2。與此等半徑一起界定一較佳狹窄環。該塗層材料之該陰極12及該靶材24兩者具有大致上相同的圓環形狀及尺寸。一內半徑可大至0.98*r2，且應至少為0.25*r2。然而經改良之結構可為0.55*r2。對於一300毫米基板而言，以r1/r2為0.7或更大之一狹窄陰極環達成一最佳逕流。該外半徑r2係取決於該等行星托盤17之半徑rW。該半徑r2大於該行星托盤半徑(r2>rW)，且理論上係2倍於該行星托盤17之半徑。該陰極半徑可大於r2>2*rW，但此取決於該腔之空間限制。在比較相等寬度之環(例如，r2-r1)時，一較大半徑(r2)環狀陰極導致較好的塗層均勻性。此可參見圖6。重要的是應注意一大型靶材自身不一定導致良好的均勻性。模擬展示圓形(非環形)高利用率陰極導致不良均勻性。圖6中展示模擬資料。已通過數字模型預測本發明之幾何形狀之效能。此幾何形狀之模擬展示對於一給定靶材及基板大小(外半徑)，軌道環愈狹窄，跨該基板至針對該內直徑r1近似0.98*r2之一實際限制之塗層均勻性愈好。已進一步觀察到在比較相等寬度之環時較大直徑環狀陰極導致更好的塗層均勻性。圖6呈現一放射狀逕流對相對環半徑r1/r2之一圖表，一基板大小rW/r2=0.69。該圖表明確地展示該逕流隨該環變窄而降低。小於2%之一逕流被視為r1/r2>0.25。預測r1/r2>0.55之一環具有一較佳逕流。一理想範圍看來介於0.9>r1/r2>0.55之間。在該相對軸上，該投擲距離h係針對該相對環半徑r1/r2描繪。從r1/r2=0.25增加至r1/r2=0.9，自靶材平面44至物體平面46之該投擲距離h自90毫米增加至240毫米。
如圖4A及圖4B所示，該大環狀陰極12包含一內磁環35及一外磁環37。該環靶材可被描述為具有一內軌道半徑及一外軌道半徑。一磁控陰極之軌道描述上面噴射材料之面積。對此模式之主要影響係該靶材24前方之水平磁場強度。該磁場係由該靶材下方之兩個同心環中之永久磁鐵35、37產生。該內磁環35具有大致上等於或小於r1之一半徑，且該外磁環具有大致上等於或大於r2之一半徑。該兩個磁環35、37具有相反極性，其等之軸垂直於該靶材24之表面44。由於該環相對狹窄，可達成產生低靶材電壓(- 2500伏特與-650伏特之間)並通常在該等經沈積層中產生低應力的高磁場。在該大環狀陰極中，在該環內部存在足夠空間以包含額外磁鐵來最佳化該磁場形狀以更好地利用靶材。該陰極可用任意電模式(例如，RF、DC、脈衝DC、中頻(MF)、雙陰極AC、單陰極AC)驅動。
根據本發明之幾何形狀允許該塗佈裝置在投擲距離並未具有一大的增加之情況下按比例增大以得到較大產能。此有助於維持塗層品質同時增加產能。圖7A及圖8A圖表顯示增加載體半徑rC對於表面均勻性之影響。圖7B顯示藉由增加載體半徑rC而使行星托盤數目增加(因此基板增加)之可能性。圖8B圖表顯示最佳投擲距離以及增加的載體半徑。在圖7中，用該陰極之一恆定r2直徑作出計算。在圖8A及圖8B中，用一固定靶材位置rT作出計算，其中正規化rC=rT。參見圖8A中之圖表，可在未對逕流產生一大的影響之情況下容納偏離此最佳位置以增加負載大小或基板尺寸。圖8B中之該圖表展示亦可用針對rC=rT正規化之一固定靶材位置對不同靶材環尺寸r1/r2作出投擲距離h之必要增加。該投擲距離影響塗佈速率及使用該靶材材料之效率。其亦對塗層品質產生一重要的影響。該靶材至基板距離愈大，則經濺鍍之原子將分散進入剩餘的工作氣體(氬氣及氧氣)之概率愈高。該分散導致該經濺鍍粒子之能量減小及方向之一變化。此二機制皆對塗層品質產生一負面影響、導致粗糙塗層，且在介電膜之情況中導致渾濁及光散射。本發明中之較低投擲距離h在改良塗佈能力及較大 塗佈能力之品質方面係重要的。
圖9A中之圖表顯示行星托盤大小rW對均勻性之影響。可見該陰極環愈狹窄(r1/r2=0.90)，則達成相同均勻性之該行星托盤可能愈大。對於2%之一逕流而言：對於r1/r2>=0.48，rW<0.67*r2或對於r1/r2>=0.48，r2>1.50* rW
對於r1/r2>=0.55，rW<0.69*r2或對於r1/r2>=0.55，r2>1.45* rW
對於r1/r2>=0.76，rW<0.80*r2或對於r1/r2>=0.76，r2>1.25* rW
對於r1/r2>=0.90，rW<0.90*r2或對於r1/r2>=0.90，r2>1.11* rW
對於0.5%之一逕流而言：對於r1/r2>=0.48，rW<0.50*r2或對於r1/r2>=0.48，r2>2.00* rW
對於r1/r2>=0.55，rW<0.52*r2或對於r1/r2>=0.55，r2>1.92* rW
對於r1/r2>=0.76，rW<0.58*r2或對於r1/r2>=0.76，r2>1.72* rW
對於r1/r2>=0.90，rW<0.65*r2或對於r1/r2>=0.90，r2>1.54* rW
類似地，圖10A圖解說明均勻性隨著靶材24及陰極12之不同內半徑r1的行星托盤大小之變化。最狹窄的環(最大的r1)再次導致最低的逕流。圖10B圖解說明相對於相對行星托盤大小之對陰極直徑(r2)之一相對平坦的相對投擲距離。
已構建此幾何形狀之一實例，此幾何形狀包含七個150毫米半徑rW之基板及具有290毫米之一外半徑r2之一環狀陰極。該內陰極半徑r1係220毫米且r1/r2係0.76。該載體半徑rC係等於400毫米之偏移距離rT。圖11展示證明相對於針對不同投擲距離h跨一300毫米基板(rW+150毫米)位置之相對逕流之此原型之資料。210毫米之一投擲距離展示最佳逕 流結果。
在一較佳實施例中，如圖1所示，兩個陰極12係包含於該塗佈腔2中，該塗佈腔2具有不同靶材24以提供用於多層塗層之不同材料。每一陰極12係獨立地操作，同時可關閉閒置陰極以避免污染。(未展示)靶材24可為(例如)形成SiO2之矽及形成Ta2O5之鉭。為使兩個陰極12固定在一腔2中，該偏移距離rT必須大於該陰極外半徑r2。由於該設計對偏移rT之小的變化相對不敏感，因此可在不犧牲塗層品質之情況下依此方式提供額外及不同的靶材材料。每一陰極之12rT對該行星式驅動器14之關係相同。因此可在該腔中安置多個陰極以提供額外材料或降低運行時間。考慮到該等不同靶材之間之交叉污染，該塗佈腔2中之可用空間及一較大腔之額外幫浦成本將部分決定陰極之數目。
可對該陰極12之位置作出調整以藉由移動該陰極12或該旋轉驅動器14或該兩者之一安裝平臺變更該投擲距離。此可經手動或藉由啟動一馬達而完成。亦可作出此調整以改良不同材料之幾何形狀或當該靶材因使用而受到腐蝕時維持該距離。可在真空條件下用該製程腔作出該調整。該行星式驅動器安裝或該陰極安裝中之一高度調整機制允許對不同基板或物體厚度補償投擲距離。在操作中該高度調整可對靶材腐蝕提供持續補償以貫穿一塗佈運行維持修正投擲距離h。
對於約100奈米之一標準層厚度，該等行星托盤17之旋轉速度應在300rpm以上。在極薄層(約10奈米)之情況中，需要較高的行星托盤旋轉速度(大於600 rpm)以產生良好的逕流。此假設該行星式驅動器14係以40 rpm至80 rpm旋轉。
該陽極20對該帶負電荷之陰極提供一差動電荷。圖5中詳細展示之本發明中使用之一較佳陽極20係揭示於2005年3月7日並由本發明之代理人擁有之相關申請案US SN 11/074,249中，該申請案以引用併入本文。現在參考圖5，一陽極20係展示成具有銅或不鏽鋼之內導電表面22之一容器或器皿之形式，該銅或不鏽鋼之內導電表面22具有在一第一端與一真空腔2連通之一開口21，其中該開口係直接耦合至該真空腔2。該容器20之外表面26係電絕緣。在該截面圖中，水冷卻管28係展示大致上圍繞該陽極20以在操作中維持該陽極之溫度。一氣體入口29係展示用於提供濺鍍氣體可進入該陽極器皿之一導管。可選擇該開口21之大小及濺鍍氣流量以對該陽極20局部增壓。該陽極體20可安置於該真空塗佈腔2外部或內部。進一步言之，該開口21可位於該陽極器皿之一側或一端上。顯著小於該器皿之周長之該相對較小開口21以在及該靶材瞄準線之外的該開口21之位置防止塗層材料進入並塗佈該陽極器皿之內導電表面。在操作中，用氬氣對該陽極20增壓，其在一適合激發電壓及其後之一維持電壓存在之情況下可促進該塗佈腔2中之電漿之形成。該器皿20中高於該真空塗佈腔2之剩餘部分之壓力允許一較低陽極電壓及一更穩定的濺鍍條件。正極電源供應器引線25將該電源供應器連接至該陽極20之內導電壁22。圖5中展示之該陽極係經設計以在一低陽極電壓及電弧效應少或無電弧效應下運行。近似+15伏特至+60伏特之一低陽極電壓對於減小製程變化較佳。該陽極20係藉由一絕緣材料33而與該等接地腔壁32電絕緣。
在一較佳實施例中，該陽極包括如圖5中展示之一端至真空腔(2)之一開口(21)及相對端封閉之一圓柱狀器皿，該圓柱狀器皿之直徑為至少d=10厘米及長度為至少h=20厘米。對於低分散製程而言，該腔壓力係在0.267 Pa(2 mTorr)以下。該陽極處之一較高壓力係藉由該陽極20之一收縮開口21及經由該入口29進入該陽極20之一經控制製程氣體流而達成。一最佳開口具有約20平方公分之一面積且較佳為圓形。在操作中，該陽極20可增壓至多於0.400 Pa(3 mTorr)。此陽極20可在將近連續操作中長時間運行。該陽極器皿20可便捷地位於鄰近如圖1所示之亦用作該濺鍍氣源之該陰極12之該腔壁32中。
如圖2所示，一陽極器皿20可整合於該環狀陰極之中心，這係由於該陽極開口相對遠離強磁場之故。此改良該系統之對稱性，其改良靶材利用率。
許多光學塗層需要沈積氧化物或其他化合物。此等材料係較佳地以反應濺鍍模式產生，在該反應濺鍍模式中濺鍍一金屬靶材或將氧氣、氮氣或其他反應氣體添加至該製程。該經濺鍍材料及該活化氧物種同時到達該基板。必須找到(例如針對最佳氧分壓)最佳的氧氣流量。若該氧氣流量過低，則該等膜並非按化學計量且具有高吸收損失。若其過高，則該靶材表面之氧化多於在最高可能沈積速率下之必要防止操作之氧化。對一金屬靶材之濺鍍速率可能比對一完全氧化靶材之濺鍍速率高十倍。在其基本形式中，該反應氣體流過一質量流量(mass flow)控制器並通過一簡單的輸氣管道或一複雜歧管進入該塗佈腔。在活化該氧氣並將其導至該等基板時可增加氧化有效性，因此提高該可能的沈積速率。
在本發明之此態樣之較佳實施例中，一經電感耦合反應活化源36之輸出孔口係位於該環狀陰極12之中心。實驗展示在來自該靶材之濺鍍材料之羽流及活化且電離之氧氣之羽流重疊並同時到達待塗佈之該基板時可達成具有低吸收之金屬氧化物之較高沈積速率。因此，該靶材之中心具有該反應氣源36幾乎係一理想的解決方法。圖1中展示之一經導引之氧氣活化或加速裝置36之使用有助於形成按化學計量之若干膜同時最小化該靶材氧化。此一裝置可為具有或不具有一擷取系統或加速系統之一電感耦合或電容耦合之電漿源。該源輸出可為被電離或以其他方式活化之氧物種(例如，原子氧、臭氧)。實例包含JDSU PAS源、來自ProVac之一Taurion源、來自Leybold之一APS源或其他市售離子或活化源。該活化氧源36係恰好放置於該陰極12之中心中之該靶材表面平面44處。由於防止該氧源36處之積累大量塗層極重要，若該活化反應源與該陰極分開，則應導引其使得該陰極12係在該氧源36與該濺鍍靶材表面24瞄準線之外的物體平面46之間。如圖2C所示，該氧源36可安置 於距離C之一半徑rC上，其開口朝該靶材24及該行星托盤17之方向傾斜。該開口應位於大於或等於距離該物體平面46之距離h之一垂直距離處。一距離h係較佳的。由當前幾何形狀實現將該靶材表面平面44移動接近該物體平面46允許將該氧活化源36定位得更接近該等基板23同時使其免受大量塗層積累之影響。該移動增加該氧化有效性並允許在較高速率下塗佈。針對氧化物揭示該反應濺鍍製程。所有態樣可類似地適用於氮化物或其他反應製程。
在另一較佳實施例中，已發現該陽極器皿20係提供一活化反應氣體之一適合結構。已觀察到該陽極器皿20在其典型配置中含有一電漿。該電漿係由來自該陰極12並通過該陽極20返回至該電源供應器之高密度電子所激發。離子產生及活化物種之產生之影響類似於發生於該陰極之反應：能量e-+Ar=2e-+Ar+或能量e-+Ar=>e-+Ar*。在沒有該等氬原子之此活化之情況下該陽極處將並無可見電漿。已決定檢測對該陽極添加氧以檢測其是否將產生活化氧及電離氧。藉由將該氧氣饋送耦合於該陽極器皿20'中，可沈積一乾淨的SiO2單層。此明確指示使用氬氣及氧氣操作之陽極表現得如同一陽極及一活化反應氣源。額外地，並未觀察到該陽極之該等內側壁之氧化。圖2A中展示該組態。當陽極及氧化源分開時，觀察到限制該靶材利用率之靶材損耗之一大的變化。在接近於該氧化源之該側上，該靶材損耗較低，歸因於靶材氧化之一增加，然而在接近於該陽極之該側上，該靶材損耗較高，歸因於電漿密度之一增加。藉由在該陰極12之中心包含該陽極20，消除一不對稱源。藉由在該陽極器皿20'及該陰極12之中心包含該氧化源，產生一極對稱系統且期望靶材損耗均勻。除實現一較高沈積速率之外，可在距離該陰極12之一距離處(例如，在如圖1所示之20處)提供一輔助活化反應源。
1．．．裝載鎖
2．．．塗佈腔
8．．．幫浦
10．．．磁控濺鍍塗佈裝置
12．．．陰極
14．．．行星式驅動器
17．．．行星托盤
20．．．陽極
20'．．．陽極
21．．．開口
22．．．內導電表面
23．．．基板
24．．．靶材
25．．．電源供應器引線
26．．．容器之外表面
28．．．水冷卻管
29．．．氣體入口
32．．．腔壁
33．．．絕緣材料
35．．．內磁環
36．．．活化反應氣源
37．．．外磁環
44．．．陰極之靶材表面平面
46．．．陰極之物體平面
圖1係已移除一些外壁之本發明之塗層系統之一等角視圖；
圖2A係併有一陽極器皿之一環狀陰極之一示意截面圖，該陽極器皿在其中心處包含關於被塗佈之一行星式基板之一活化反應氣源；
圖2B係具有圖2A關於待塗佈之一行星式基板之活化反應氣源之陰極及陽極之一示意俯視圖；
圖2C係具有單獨放射狀地定位之活化反應氣源之陰極及陽極之一示意俯視圖；
圖3A係根據此發明之一實施例之一環狀陰極靶材及行星式基板之一示意俯視圖；
圖3B係該環狀陰極靶材及該行星式基板驅動器之一示意側視圖；
圖4A係該環狀陰極之一俯視圖；
圖4B係沿著展示該靶材材料、磁鐵及磁場線之圖4A之線IV-IV取得之環狀陰極之一截面圖；
圖5係用於該磁控濺鍍裝置中之一陽極器皿之一截面圖；
圖6係該環狀陰極之一可變內半徑對外半徑比率之一經計算之逕流之一圖表；
圖7A係一經計算之逕流及高度對一相對載體半徑及陰極位置之一圖表；
圖7B係一相對載體半徑及陰極位置之基板之一經計算之數目之一圖表；
圖8A係一經計算之逕流對一正規化載體半徑rC/rT之一圖表；
圖8B係一經計算之投擲距離對該正規化載體半徑rC/rT之一圖表；
圖9A係針對陰極環尺寸r1/r2之一範圍之一經計算之逕流對相對基板大小rW/r2之一圖表；
圖9B係一經計算之正規化投擲距離h/r2對相對基板大小rW/r2之一圖表；
圖10A係一經計算之逕流對相對行星托盤大小rW/r2之一圖表；
圖10B係一經計算之相對投擲距離h/r2對相對行星托盤大小rW/r2之一圖表；
圖11係根據本發明建構之一裝置之經量測之逕流之一圖表。
1．．．裝載鎖
2．．．塗佈腔
8．．．幫浦
10．．．磁控濺鍍塗佈裝置
12．．．陰極
14．．．行星式驅動器
17．．．行星托盤
20．．．陽極
23．．．基板
32．．．腔壁
36．．．活化反應氣源

Claims (20)

  1. 一種磁控濺鍍裝置，其包含：一行星式驅動器系統，其針對主旋轉具有一中心旋轉軸C並支撐複數個行星托盤，每一行星托盤在一行星托盤中心點Cs處具有旋轉之一副軸，且每一行星托盤表示行星托盤半徑rW描述之一塗佈面積，該行星式驅動器系統具有自該中心旋轉軸C至一行星托盤中心點Cs之一載體半徑rC；一環狀陰極，其包含一環狀靶材，該環狀靶材包括用於形成一塗層之材料，該陰極具有一中心點Cc、大於該行星托盤半徑之一外半徑r2(r2>rW)、大於該外半徑之四分之一之一內半徑r1(r2>r1>1/4*r2)；其中該陰極中心點Cc係安置於對該中心旋轉軸C距離該載體半徑rC之2/3與4/3之間之一偏移距離rT處(2/3*rC<rT<4/3*rC)，且該偏移距離rT大於該陰極之該外半徑之一半(rT>1/2*r2)；且其中垂直自一靶材表面至一行星托盤表面之一投擲距離h係介於該陰極之該外半徑r2之三分之一與一倍於該陰極之該外半徑之間(1/3*r2<h<r2)；一腔，其用於罩住該陰極及該行星式驅動器系統且經調適以在操作中抽真空；及一氣體輸送系統，其用於提供一濺鍍氣流至該腔中。
  2. 如請求項1之磁控濺鍍裝置，其係用於在未使用一遮罩之情況下對一基板提供一濺鍍塗層。
  3. 如請求項2之磁控濺鍍裝置，其進一步包含用於對該陰極提供一電壓差之一陽極，使得該陽極係較佳的電子返回路徑，該陽極包括具有與該等腔壁電隔離之一絕緣外表面之一器皿之一內部導電表面，該器皿具有與一腔內部連通之一開口，該開口顯著小於該器皿之一周長以為該內部導電表面遮蔽大部分濺鍍材料。
  4. 如請求項3之磁控濺鍍裝置，其中一濺鍍氣源係耦合於該器皿中以通過該開口提供一濺鍍氣體進入該腔中，且將該開口製成允許一氣流將該陽極器皿內之壓力局部增加至該真空腔之壓力以上的尺寸。
  5. 如請求項2之磁控濺鍍裝置，其進一步包含一反應氣體之一活化源。
  6. 如請求項4之磁控濺鍍裝置，其進一步包含一反應氣體之一活化源。
  7. 如請求項4之磁控濺鍍裝置，其中該陽極係位於使得與該腔內部連通之該器皿之該開口係位於該環狀陰極之中心處之位置處。
  8. 如請求項5之磁控濺鍍裝置，其中一反應氣體之活化源係位於該環狀陰極之中心。
  9. 如請求項6之磁控濺鍍裝置，其中該陽極係位於使得與該腔內部連通之該器皿之該開口係位於該環狀陰極之中心處之位置處。
  10. 如請求項6之磁控濺鍍裝置，其中一反應氣體之活化源係位於該環狀陰極之中心。
  11. 如請求項4之磁控濺鍍裝置，其中該陽極進一步包含耦合於該器皿中以通過該開口提供一活化反應氣體以及該濺鍍氣體進入該腔之一反應氣體之一源。
  12. 如請求項11之磁控濺鍍裝置，其中進入包括該陽極之該器皿之該腔中之該開口係位於該環狀陰極之中心。
  13. 如請求項12之磁控濺鍍裝置，其進一步包含位於距離該陰極之一距離處之一輔助活化反應源。
  14. 如請求項1之磁控濺鍍裝置，其中該內半徑r1大於該外半徑r2之1/2，使得r2>r1>1/2*r2。
  15. 如請求項1之磁控濺鍍裝置，其中該內半徑r1大於該外半徑r2之0.70，使得r2>r1>0.70*r2。
  16. 如請求項1之磁控濺鍍裝置，其中該內半徑r1大於該外半徑r2之0.6且小於該外半徑r2之0.95，使得0.95*r2>r1>0.6*r2。
  17. 如請求項1之磁控濺鍍裝置，其中該外半徑r2等於或大於1.11.倍於該行星托盤半徑(r2>1.11*rW)。
  18. 如請求項1之磁控濺鍍裝置，其中該陰極包括相對於該陰極之靶材材料之一側上之永久磁性材料之內部及外部同心環，該等內部及外部同心環具有相反極性，其中其等之軸垂直於該靶材之一表面用於提供接近該靶材之一表面處之一磁場。
  19. 如請求項1之磁控濺鍍裝置，其進一步在該腔內包含一或多個交替環狀陰極，該一或多個交替環狀陰極包含包括形成一塗層之材料之一環狀靶材，其中偏移距離rT大於一倍於該外半徑r2(rT>1*r2)。
  20. 如請求項1之磁控濺鍍裝置，其進一步包括用於調適一靶材表面平面與物體平面之間的投擲距離之構件。
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