磁控濺鍍裝置的製作方法

2023-04-27 01:30:51 2

專利名稱：磁控濺鍍裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及在襯底上沉澱膜的裝置和方法，尤其涉及一種用於將材料沉澱到襯底上的反應磁控濺鍍裝置和技術，在所述裝置和技術中，所沉澱的膜具有預定的厚度分布，且所述裝置可連續和重複的操作非常長的時間。
背景技術：
在濺鍍法中，離子一般由輝光放電中的氣體原子和電子之間的碰撞所產生。這些離子由電場加速到靶陰極之中並導致所述靶材料的原子從所述陰極表面噴射出。襯底放置在適當的位置以使其截取所噴射出的原子的一部分。因此，靶材料鍍膜就沉澱在所述襯底的表面上。
濺鍍鍍膜是一項廣泛應用的技術，用於在襯底上沉澱材料薄膜。濺鍍是由於氣體離子轟擊靶而導致的材料從靶上的物理噴射。在這種技術的一種形式，即已知的DC濺鍍中，形成於陽極和靶陰極之間的由等離子體放電所產生的正離子被吸引到所述靶陰極並撞擊所述靶陰極，將原子從陰極的靶表面撞出，因而提供原子。一些撞出的原子撞擊所述襯底的表面並形成鍍膜。在反應濺鍍中，氣態類物質也出現在所述襯底表面並與來自所述靶表面的原子發生反應，在一些實施例中是與這些原子結合，以形成理想的鍍膜材料。
在操作中，當使氬進入鍍膜腔時，加在所述靶陰極與所述陽極之間的DC電壓將所述氬電離以形成等離子體，且所述正電荷氬離子被吸引到所述負電荷靶。所述離子用大量的能量撞擊所述靶並導致靶原子或原子團從所述靶濺出。所述濺出的靶材料中的一些撞擊要進行鍍膜的晶片或襯底材料並沉澱在所述晶片或襯底材料上，因此就形成了膜。
為了獲得增加的沉澱速度並降低操作壓力，目前已採用了提高磁性的靶。在平面磁控管中，所述陰極包括永磁體，所述永磁體以閉環方式布置，並安裝於與平的靶板相對固定的位置處。所產生的磁場導致電子在閉環內移動，所述閉環一般稱為「跑道」，所述跑道建立了一個通道或區域，靶材料的濺鍍或腐蝕沿著這個通道或區域發生。在磁控陰極中，磁場約束所述輝光放電等離子體並增加所述電子在電場的影響下移動的路徑的長度。這就會導致在所述氣體中原子與電子的碰撞機率的增加，從而導致比沒有使用磁約束所獲得的濺鍍速度高得多的濺鍍速度。而且所述濺鍍方法也可以以低得多的氣體壓力來實現
平面的和圓柱形的磁控管用在反應或非反應濺鍍中的一個限制是，通過濺鍍而沉澱的膜並沒有達到許多精密的用途中所要求的高度的均勻性或可重複性。
希望產生一種磁控濺鍍系統，這種濺鍍系統從設備到設備、從運行批次到運行批次穿過單獨的襯底增加產量和產品的均勻度，這是人們所希望的。設備的幾何結構，尤其是所述陰極與要進行鍍膜的物體之間的關係，對沉澱速度和鍍膜的面積以及產品質量和一致性都有著極大的影響。穿過襯底的層厚的變化稱為溢流(runoff)。通過模塑所述設備的幾何結構可預測這種溢流。
在許多鍍膜設備中用掩模來將所述鍍膜速度的變化降到可接受的水平。但隨著時間的推移，這些掩模典型地聚集大量的鍍膜材料。一旦所述材料達到臨界厚度，它就會剝落並促成顆粒的形成，而這些顆粒會降低所述鍍膜的質量。清理焊縫並保持這樣的掩模也是很精緻的工藝。所以，希望提供一種並不使用掩模的裝置。
已知使單獨的襯底圍繞其本身的軸旋轉的裝置的幾何結構，這種裝置有一個偏置陰極，所述陰極與所述襯底的垂直和水平距離大致相同。這種幾何結構導致低的溢流且並不使用掩模。不過，這種結構中會浪費許多鍍膜材料。這些方面的例子可在2004年H.A.Macleod所著的《薄膜濾光片》(物理學院出版社，Dirac House，Temple Back，BristolBS1 6BE，UK，2001)和P.Baumeister所著的《光學鍍膜技術》(SPIE，Bellingham，WA)中找到。
可選的，在多個軸的行星驅動系統上支撐多個襯底也是已知的。這種結構在Macleod和Baumeister的文章中也進行過描述。
將行星驅動系統的中心軸放置在帶有所述陰極靶的中心點的軸上，這一點在發明人為Scobey的專利No.5,851,365和Baumeister的文章(9-37章)中都進行過描述，在該文中提到，「建議將所述源放置在離所述旋轉中心不遠的位置，以避免大的蒸汽碰撞角。」發明人為Bergfelt的專利No.4,222,345也公開了一種將每次旋轉的偏移降到最小的軸的幾何結構，但這種裝置要求特製的掩模或會導致大的溢流。所述陰極靶在的Bergfelt的專利中並沒有明確說明。似乎是一種點源。
發明人為Scobey的專利No.5,851,365中所公開的設備是一種相對較慢、大批量的機器，這種機器在行星驅動器中處理15英寸的襯底。這種設備的尺寸使得將所述驅動系統保持在良好的公差之內變得很困難，進而導致鍍膜質量的變化和溢流。試圖通過增加批量來提高產量還受到增加的缺陷損失和減少的產出的限制。
本發明的一個目的在於提供一種具有幾何結構的磁控濺鍍鍍膜裝置，這種幾何結構能夠提供快速的鍍膜，而保持高的鍍膜質量並降低材料浪費。
本發明的一個目的在於提供一種磁控濺鍍鍍膜裝置和操作方法，這種裝置和方法通過減少周期時間來進一步增加產量。
本發明的另一個目的在於提供一種濺鍍鍍膜裝置，這種裝置產生高質量的鍍膜而無需使用掩模。
發明簡述[17]本發明實現了通過降低周期時間而不是通過增加批量來提高產量。生產率的進一步提高通過提高產品質量和均勻度來實現。本發明提供一種幾何結構，這種幾何結構通過大的陰極和行星驅動系統的使用來提高鍍膜速度，同時通過降低所述陰極上的功率密度來保持較低的缺陷水平。這一點通過採用一種新的裝置幾何結構來實現，這種裝置幾何結構位於所述陰極與所述襯底之間並與中心行星軸準直。
相應地，本發明提供一種將鍍膜施加在物體上的磁控濺鍍裝置，所述裝置包括行星驅動系統，所述行星驅動系統包括中心旋轉軸和多個行星，所述行星放置在實質上與所述中心旋轉軸等距的位置，每個行星具有適於獨自旋轉的次軸和限定鍍膜區域的直徑，每個行星適於支撐在物體平面中的一個或多個物體，其中從所述中心旋轉軸到所述次軸的距離包括所述行星驅動系統的旋轉半徑；圓形陰極，所述圓形陰極包括靶，所述靶包括用於形成所述鍍膜的材料，所述鍍膜距所述物體平面有一個投射距離(throw distance)，所述陰極有中心點和陰極直徑，所述陰極直徑大於所述行星直徑並可達所述行星直徑的兩倍；用於向所述陰極提供電壓差的陽極裝置；適於在運行時抽成真空的、容納所述陰極和所述行星驅動系統的腔；和向所述腔提供濺鍍氣流的氣體輸送系統；其中所述行星驅動系統的旋轉半徑和所述投射距離介於所述行星直徑的一半和兩倍之間，以提供所述鍍膜質量的最小徑溢流，而無需使用掩模。
本發明還包括一種將鍍膜施加在物體上的磁控濺鍍裝置，所述裝置包括帶電陰極，所述帶電陰極包括靶，所述靶包括用於形成所述鍍膜的材料，所述陰極有中心點；放置在距所述源有一個投射距離的位置上的行星驅動系統，所述行星驅動系統包括中心旋轉軸和多個行星，每個行星由適於獨自旋轉的次軸支撐，每個行星放置在距所述中心旋轉軸等距的位置，每個行星適於支撐物體以進行二個自由度的旋轉運動；用於向所述陰極提供電壓差的帶電陽極裝置；適於在運行時抽空以降低壓力的、容納所述陰極和所述行星驅動系統的腔；和向所述腔提供濺鍍氣流以形成等離子體的氣體輸送系統；其中所述多個行星中的每一個都有一個直徑d，每個次軸以一個旋轉半徑r放置，以使0.85*d＜r＜1.3*d，所述陰極與所述行星驅動系統之間的投射距離t為0.7*d＜t＜1.3*d，且所述陰極限定材料的範圍，使所述陰極有一個在其中心點周圍的陰極直徑CD，以使d＜CD＜2*d。
附圖簡述[20]在此將結合附圖對本發明的示範性實施例進行描述，在這些附圖中[21]

圖1是本發明的鍍膜系統的等軸測視圖，所述系統的一些外壁被刪去；[22]圖2是圖1中鍍膜腔的內部的示意圖，該圖示出了所述行星驅動系統的細節；[23]圖2A是本發明中陰極到行星幾何結構的示意圖及其參數；[24]圖3是放置在根據本發明的一個實施例的鍍膜腔中的優選陰極、陽極和活性反應源的示意圖；[25]圖3A是雙環陰極截面的示意圖，所述雙環陰極在符合本發明的AC磁控濺鍍裝置中替代圖3中的陰極和陽極；[26]圖4A是與所述鍍膜腔中的行星驅動系統有關的陰極更換裝置的示意性端視圖；[27]圖4B是沿圖4A中陰極更換裝置的B-B線的示意性截面圖；[28]圖5是圖3中的圓柱形中空陽極的截面圖，其中所述陽極位於所述鍍膜腔內；[29]圖6是示意圖，表示模型的陰極到襯底幾何結構，以限定本發明的參數； 圖7示出了根據所述模型，模擬不同投射距離(throw distance)的鍍膜聚集的數據點的曲線圖；[31]圖8示出了兩到十二個行星範圍內的模擬溢流與行星半徑的函數的曲線圖；[32]圖9示出了根據所述模型，增加陰極直徑與最佳的投射距離，以保持最低的溢流的曲線圖；[33]圖10示出了所述陰極距所述中心軸的最佳幾何位置和根據陰極位置的最佳投射距離的曲線圖；[34]圖11示出了根據本發明的鍍膜裝置的實際測得的溢流的曲線圖，所述實際測得的溢流覆蓋根據模型模擬的溢流，這表示所述模擬的有效性。
發明詳述[35]本發明包括磁控濺鍍鍍膜裝置的獨特的幾何結構，這種優化的幾何結構能夠以高的鍍膜速度和高的產量產生鍍膜。這種幾何結構通過減少周期時間有效地提高產量。同時，根據對高的光膜質量和高精度的需求，設計所述裝置的幾何結構。光膜必須具有低的缺陷水平以及低的散射和吸收損失。高產出還取決於高精度，以避免由於鍍膜厚度變化、件與件的變化或批次與批次的變化所導致的損失。
產出可限定為每個周期時間的負載大小乘以所述正常運行時間的百分比。
產出＝負載大小/周期時間×正常運行時間的百分比鍍膜腔的負載大小是在所述機器的一個周期所鍍膜的襯底的面積。鍍膜機的周期時間是其鍍膜一批襯底或其它物體所花費的時間，包括在所述鍍膜之前和之後的所有輔助工序。這個時間實際上是進行一個操作與進行下批同樣一個的操作之間的時間。所述正常運行時間的百分比是當所述鍍膜裝置可用於進行鍍膜的時間的百分比。剩餘的百分比屬於設備整修、調節和修理等有計劃的和沒有計劃的停工時間。
周期時間包括裝載時間、準備時間、實際鍍膜時間、鍍膜輔助操作時間和卸載時間。裝載時間是將所述襯底裝載到所述鍍膜裝置所要求的時間。準備時間是編制所述工具的程序、調整鍍膜條件等所要求的時間。實際鍍膜時間是沉澱所述設計的層所要求的時間，這個時間由所述一種或多種材料的物理沉澱速度所確定。鍍膜輔助操作時間是指實際鍍膜時間之外又加上的時間，是花在從一種材料轉換到下一種材料的時間，或在鍍膜之前和之後將所述沉澱的層加熱和逐漸冷卻的時間。卸載時間是將所述經過鍍膜的襯底或物體從所述鍍膜裝置卸下所要求的時間。
在許多鍍膜裝置設計中，所述產量的最大化通過利用大的腔以增加所述裝載規模來實現。增加所述腔的尺寸使得控制所述鍍膜過程變得更加困難，並因此而典型地犧牲工藝精度。在本發明中，產量的最大化並不通過減少周期時間而損害效率。所述優選實施例的裝載規模是六個200mm直徑的襯底。所述面積相當於300英寸2。與現有技術中的用於沉澱同樣的鍍膜產品的大多數裝置如前面所述的Scobey裝置相比，這個規模是比較小的。而且，與本發明中所使用的12英寸陰極相比，Scobey裝置使用直徑為4或6英寸的陰極。對於相同的總功率來講，在所述較大的靶上的功率密度(每個靶面積的功率)小2到5倍。現在已觀察到所述電弧速度與所述功率密度有關。因此，本發明的一個重要優點在所產出的膜中的低缺陷密度中實現，這就歸因於所述靶上的非常低的功率密度。
本發明的另一個優點在所述反應過程中實現。根據本發明，提供大的陰極來降低電弧，而保持高的沉澱速度。保持與所述較大陰極兼容的低溢流的幾何結構要求較短的投射距離。在所述反應過程中，這種較短的投射距離能夠使所述反應源放置得離所述襯底更近，而並不是來自所述陰極的濺鍍靶材料過度鍍膜所述襯底。所述反應氣體源的位置靠近所述襯底使(例如)更有效的氧化稱為可能，並有助於本發明中的氧化物的3到5倍的更高鍍膜速度。對於反應鍍膜過程，採用1.35nm/s的平均鍍膜速度，根據本發明即可產生405in2nm/s，不包括轉換靶或裝載和卸載部件的任何時間。這個產量比Scobey裝置的產量要高30％，而所述周期時間有可能短3到5倍。對於製造過程來講，這是一個重要優點。這樣短的鍍膜時間能夠允許採用更多更快的，所述反饋迴路可提高質量和產量。這就能夠根據用戶的需求變化實現較短的開發周期和做出更好的反應。
所述濺鍍鍍膜裝置的優選實施例在圖1中示出，該實施例包括一般用1表示的預真空鎖腔，和鍍膜腔2，在所述鍍膜腔2和所述預真空鎖腔1之間有一個閘式閥3。陰極12和行星驅動系統14安裝在所述鍍膜腔2中，所述行星驅動系統用於支撐進行鍍膜的襯底或其它物體23。
所述行星驅動系統14在圖2中更詳細地示出，該行星驅動系統14包括主圓柱形平臺16，所述平臺16可圍繞中心旋轉軸30旋轉並帶有多個如6個行星17，所述行星17從所述平臺伸出，每個行星17可圍繞其本身的次軸40獨自旋轉。獨自旋轉可包括協調旋轉速度，所述協調旋轉速度相對於圍繞所述中心旋轉軸30的旋轉。優選所述次軸平行於所述中心旋轉軸30，但也可以成其它的一些角度。優選所述陰極12的中心點C(圖2A)與所述行星驅動系統14的中心旋轉軸30準直，這樣就限定了所述裝置的中心軸。可將所述陰極12從所述中心旋轉軸移位，移位距離可達所述陰極直徑的三分之一。放置每個行星17，以使每個行星17處於大致相同的條件下。在所述優選實施例中，每個行星17在其外自由端包括磁鎖閂18，以支撐與所述陰極12相對的襯底或其它的物體。優選磁鎖閂的更詳細描述在美國專利No.10/968,642中公開，該專利由本發明的受讓人所擁有並通過參考合併到本發明中。所述裝置在本文中的向上濺鍍結構中進行描述。不過，本發明的幾何結構也可同樣地用於向下、水平或其它方向濺鍍。
本發明的幾何結構的參數在圖2A中示出。一般用14所表示的行星驅動系統具有中心旋轉軸30和以旋轉半徑r分開放置的次軸40。由所述次軸40所承載的行星17中的每一個都有行星直徑d，所述直徑d限定可用的最大鍍膜面積。所示出的物體平面46位於所述襯底或其它物體的鍍膜表面上。投射距離t在所述物體平面46與所述陰極12的靶平面44之間測得。陰極12有一個用C標明的中心點和陰極直徑CD。所示出的陰極中心軸50由中心旋轉軸30經陰極位移距離52轉變而成。
行星鍍膜幾何結構中的行星以距所述中心旋轉軸30的一個一般距離r放置。通常希望將所述行星排列得儘可能地近，以利於塗層材料的最佳使用。每個行星可支撐單個或多個襯底、光學稜鏡、透鏡或其它物體23。要進行鍍膜的物體23可包括放置在支撐襯底上的多個較小的單獨部件。所述行星直徑d僅限定每個行星17的可用鍍膜面積。該結構的行星17本身並不需要這種尺寸，但其能夠支撐這種直徑的襯底23或在這個區域進行鍍膜的多個物體23。在一個優選實施例中，如大體積光學裝置這樣的大型物體可具有達32mm的厚度。所述行星驅動安裝或所述陰極安裝中的高度調節裝置允許對不同的襯底或物體厚度進行投射距離補償。對行星直徑d、行星數量n和行星之間所要求的間隔s來講，每個行星圍繞所述中心旋轉軸30進行旋轉的半徑r由以下等式給出，此時達到最緊密排列r＝(d+s)/2sinα(等式1)，且α＝360°/2n (等式2)。
通過將所述陰極12定位於所述行星驅動系統14的軸30上，所述鍍膜方法就符合於所述多個襯底23。離軸幾何結構產生高的和低的鍍膜速度區，這些速度區必須通過較高的旋轉速度進行平衡，以將一個行星到下一個行星的厚度變化降到最小。因此，所述中心旋轉軸30的旋轉速度可大大低於非對稱裝置的旋轉速度。這樣做是理想的，因為所述較低的旋轉速度減少所述驅動系統14的磨損，進而產生較少的降低所述塗層質量的顆粒。
圖3所示出的具有塗層材料靶24的陰極12的直徑大於通過舉例說明的現有技術中具有5到8個行星的緊密封裝行星驅動系統的直徑，這有助於提高所述鍍膜速度且具有較低的缺陷。所述陰極直徑CD大於所述行星直徑d且小於所述行星直徑d的兩倍。所述較大的陰極直徑降低所述靶24的功率密度，儘管在所述陰極12的總功率較高。這就將在所述靶24上的電荷形成和因其所導致的電弧降到最小。所述熱負荷分布在較大的陰極區域，這樣就易於所述靶的冷卻。由於材料從較大的區域濺鍍，所以，與從較小的靶濺鍍相同數量的塗層材料相比，在所述靶表面的腐蝕速度就較慢。此外，更多的塗層材料就可以使用，這樣就延長了更換靶的時間。具有圓柱形對稱如圓形或環形源的靶24是所述行星驅動系統14的對稱的最佳匹配。尤其對於較大的陰極直徑來說，「圓形的」理解為包括環形幾何形狀。優選陰極的更詳細描述在美國專利No.11/177,465中公開，該專利由本發明的受讓人所擁有並通過參考合併到本發明中。
在本發明的幾何結構中，增加所述投射距離t使得所述靶看上去更像一個點源並逐漸導致位於所述行星區域的中間的鍍膜厚重區域。減少所述投射距離t以在所述行星區域的圓周增加塗層。產出低徑向溢流的理想關係可在這兩種極端情況之間找到。圖9示出了在每種情況下可以怎樣增加所述靶直徑而優化所述投射距離，以將溢流降到最低。對六個緊密封裝的、8英寸直徑的、在它們之間具有0.5英寸的間隔的行星的情況進行了計算。令人驚訝的是，所述陰極直徑可增加到1.5到兩倍於所述行星的尺寸，而對所述低溢流沒有太大的影響。若超過這個尺寸，所述溢流就會迅速地增加。在陰極直徑大於所述行星直徑的兩倍以上的情況下，對低溢流塗料將會需要採用掩模。
利用大的陰極的脈衝DC磁控濺鍍是優選的方法。在所述優選實施例中，多個0.25英寸厚、直徑為12英寸的鍍膜材料靶安裝在所述機器中。結合高利用率，這種鍍膜材料的數量可持續許多批次。在所述優選實施例中，在連續設備運行的情況下，所述機器僅需每周整修一次。通過增加所述靶的體積或利用多個具有相同塗層材料的陰極可延長這個時間段。作為選擇，本發明也可在DC磁控管和AC磁控濺鍍中實現。
至少一個陰極12安裝在所述鍍膜腔2內。可提供另外的陰極12，以在出現故障或在一個陰極12中的塗料供應用完的情況下備用。作為選擇，可提供幾個不同的陰極12，以使不同的塗料能夠連續地沉澱而並不將所述處理腔2打開而暴露在空氣中。光學塗層通常由多層不同的材料組成。在這些情況下就需要靶。多陰極更換裝置60的例子在圖4A和4B中示出。陰極更換裝置60允許兩個或更多(在此情況下是三個)不同的濺鍍陰極12之中的一個在沉澱腔中的精確相同的位置的高度準確的放置。在此實施例中，所述兩個、三個或更多的陰極12放置在旋轉固定裝置62上，以使所述陰極12可通過旋轉運動快速而準確地定位。所述旋轉系統底座62位於具有所述裝置的中心軸的軸上。如圖4A所示，陰極1位於所述鍍膜位置之中。通過將所述底座旋轉120或240度，所述三個陰極中的任何一個可在所述鍍膜位置中定位。所述陰極底座62的內部處於大氣壓力下，如圖4B所示。所述底座62有一個避免真空的可旋轉的密封墊64，所述密封墊附在所述腔壁32或門上。所述這些陰極的電氣和冷卻水連接66處於大氣壓力之下並通過所述腔壁32傳送到所述陰極底座62之外。本發明可以用一種方式使用，這種方式使得所述陰極更換裝置的另外的使用如濺鍍靶24在被確定為向下以使碎片能夠落下而離開所述陰極時可以被調節(或「保持在高溫下」)。許多可供選擇的裝置可以用來交換所述陰極。這樣的裝置可基於其它的旋轉或線性轉換。圖4B所示的伸縮式光閘66可以關閉以保護所述襯底23，而在所述鍍膜過程之前，在所述鍍膜腔中，新定位的陰極12可在真空下進行調節或保持在高溫。在所述打開位置中，所述光閘66並不對從所述靶到所述襯底的塗料流造成大的阻礙。
可對所述陰極12的位置進行調節，以通過移動所述陰極12的安裝平臺或所述驅動系統14或對二者都移動來改變所述投射距離。這可通過手動或啟動電動機來進行。也可以進行這樣的調節，以改進不同材料的幾何結構，或在所述靶使用中腐蝕時保持所述距離。在所述優選實施例中，所述這些陰極可通過所述的交換裝置定位，且所述整個行星驅動系統的高度可通過受控電動機進行調節。所述調節可在所述處理腔處於真空下進行。
對經過鍍膜的裝置如濾光片、反射鏡和半導體電路中的低缺陷密度的需求要求在所述濺鍍靶有很少或沒有電弧的陰極。在圖3中，所示出的陰極12有一個陽極20，其中將氣體加入腔中，離開所述陰極12並穿過所述陽極20。這就避免了接近於所述陰極12的小體積的高壓，在這個位置磁場很強，例如在所述暗區屏蔽(未示出)與所述陰極12之間，在這裡必須禁止濺鍍。優選所述陽極開口21離所述陰極12至少2英寸遠，以在所述靶區域24上能夠有均勻的壓力分布。現已發現所述陽極電壓對陽極與陰極之間的距離並不敏感。在此陰極優選實施例中，所述陰極的非撞擊表面13被電氣絕緣。這種電氣絕緣可通過絕緣材料的使用來實現，如KaptonTM帶、TeflonTM或陶瓷，也可通過絕緣塗料的鍍膜來實現，如通過等離子體噴塗方式鍍膜的緻密的氧化鋁。作為選擇，所述陰極的這些表面13可暴露在標準大氣壓力下，這樣空氣就成為所述電氣絕緣體。而且，為了減少穿過所述陰極體的磁場而增加所述陰極直徑會減少所述電弧。通過用等離子體噴塗氧化鋁到延伸的陰極未被撞擊的側面來將延伸的陰極絕緣，並用TeflonTM板來將所述底部絕緣，將所述電弧速度從＞100電弧/s降到在相同的高沉澱速度下的＜0.1電弧/s是可能的。所述陰極可用任何電氣模式(DC、脈衝DC和雙陰極AC)驅動。
所述陽極(在圖2中未示出)向所述負電荷陰極提供電荷差動。這可以像提供給所述腔壁32的電荷一樣簡單來提供。現有技術中已提出許多陽極來解決所述陽極被所述塗層材料鍍膜以及所述陽極的位置移動到所述系統中的其它表面的問題，這些陽極中的許多在非常高的電壓下運行，而這種非常高的電壓會增加電弧的問題。在AC系統中，所述陽極的功能可選擇由所述陰極本身來提供。本發明優選使用圖3A中所示出的雙環陰極12A/12B。在此實施例中，將AC電壓循環地加在所述陰極12A和12B之間。在循環之外，所述無源陰極起到所述陽極的作用。本實施例的優點在於在所述濺鍍期間，鍍膜材料從所述陽極除去。
圖5中所詳細示出的用在本發明中的優選陽極在相關的美國專利申請No.11/074,249中公開，該專利申請於2005年3月7日提交，由本發明的受讓人所擁有，並通過參考合併到本發明中。參看圖5，陽極20以容器或導管的形式示出並具有銅或不鏽鋼內導電壁22，所述導電壁22在第一末端有一個開口21，所述開口21直接耦合到真空腔2並用於與所述真空腔2相互聯繫。所述容器20的外壁26在下面簡稱為外體並可電氣絕緣。在所述截面圖中，所示出的水冷卻管28實質上位於所述陽極20的周圍，以保持所述陽極在運行時的溫度。所示出的進氣口29用於提供一個管道，濺鍍氣體進入所述管道之後可進入所述陽極腔，以給所述陽極加壓。所述陽極20可安裝在所述真空鍍膜腔2的外部或內部。而且，所述開口21可位於所述陽極導管的一個側面上或一個末端上。在運行時，用氬氣為所述陽極20加壓，所述氬氣在適當的點火電壓和之後的保持電壓出現時促使等離子體在所述鍍膜腔2中的形成。所述容器內的壓力避免鍍膜材料進入所述陽極20並幹涉所述陽極20的運行。圖5所示出的陽極設計成用低的陽極電壓運行且有少量的電弧或沒有電弧。優選採用約30伏特的低陽極電壓來減少過程中的變化。
所述理想的陽極參數，即面積、陽極接地距離和壓力產生一個優選實施例，在此優選實施例中，所述陽極包括一個管，所述管的直徑至少為d＝10cm，長度至少為h＝20cm，如圖5所示。對於低濺鍍工藝來講，所述腔壓力低於2mTorr。所述陽極的高的壓力通過減小所述陽極20的開口21並經過所述入口29將所述處理氣體加入到所述陽極中來實現。理想的開口具有約20cm2的面積且優選是圓形的。在操作時，可將所述陽極加壓到大於3mTorr。預想所述陽極20可在延長的時間進行近乎連續的運行；已對所述陽極進行了試驗，在這種試驗中，所述陽極連續地運行了2000小時以上，而並沒有將所述陽極20從運行中取出以進行清潔或改變，而且也認為使所述陽極在連續的運行中運行10000小時以上是可能的。
許多光學塗料要求沉澱氧化物或其它的化合物。這樣的材料理想地在反應濺鍍模式中產生，在這種模式中，對金屬靶進行濺鍍且將氧、氮或另一種反應氣體加入到所述過程中。所述經過濺鍍的材料和所述活性氧同時到達所述襯底。例如，需要找到最佳的氧局部壓力的最佳氧流。如果所述氧流太低，所述膜就並不是按化學計量且會有高的吸收損失。如果所述氧流太高，所述靶表面就會變得過分氧化而多於所必須進行的氧化，進而妨礙以最大可能的沉澱速度的運行。金屬靶的濺鍍速度可比完全氧化的靶的濺鍍速度高十倍。所述反應氣體在其基本形式時流動並穿過質量流量控制器，且通過簡單的氣體管道或複雜的歧管進入所述鍍膜腔中。如果所述氧在所述這些襯底被活化並引導，就可以提高所述氧化的有效性。
本發明包括將所述活化反應源36放置得離產生的膜非常接近的位置，這樣來提高所述活化物(或其它的氣體分子)在撞擊腔壁之前撞擊所述鍍膜表面的機率。如圖3所示的定向氧活化或加速裝置36的使用有助於化學計量膜的形成並將所述靶的氧化降到最低。這樣的裝置可以是感應或電容耦合等離子體源，所述等離子體源可以有或沒有提取或加速系統的。所述源輸出可以是電離或以其它方式活化的活性氧(如原子氧和臭氧)。所述活化反應源36恰好位於所述靶表面平面44，或將其定位以使所述陰極12位於所述氧源36與所述物體平面46之間，所述活化反應源36位於所述濺鍍靶表面24的瞄準線之外，因為避免在所述氧源36形成大量的鍍膜是很重要的。在本發明中使用大的陰極12，與較小的陰極的使用相比，所述陰極12的位置更接近於所述襯底23。因此，所述靶表面平面24就接近於所述物體平面46，所述物體表面平面46允許將所述氧活化源36移動到更接近於所述襯底23的位置，而保持在所述氧活化源36沒有大量鍍膜的形成。這樣就提高了所述氧化的有效性並允許在較高的速度下進行鍍膜。所述輸出的方向應進行優化以達到最佳的氧化有效性。
在根據本發明的一個方面的優選實施例中，感應耦合反應活化源的輸出口位於所述陰極中心C外13英寸，所述靶表面平面44下面0.75英寸，並朝向所述行星旋轉驅動系統14成30度的角。
在此優選實施例中已實現具有雷射鏡質量的物理鍍膜速度，SiO2為1.2nm/s，Nb2O5為1.2nm/s，Ta2O5為1.5nm/s。所述主驅動系統在60rpm下進行操作，以實現上述速度。
在所述陰極的外部的一個氧源的使用打破了所述鍍膜裝置的圓柱形對稱。對與所述陰極中心相對排列的兩個氧源的使用已進行了成功的試驗。這樣就降低了對快速主驅動旋轉的需求，但增加了工藝的複雜性。理想的結構將是圓形的氧源，以保持所述圓柱形對稱。
本說明書公開了對氧化物的反應濺鍍方法。所有的方面均可類似地用於氮化物或其它反應過程。
上述優選的大的陰極軸上幾何結構的另一種選擇是將所述大的陰極12放置在略微偏離所述行星驅動系統14的軸，從而將其移到離所述襯底平面更近的位置。這樣就保持所述高的沉澱速度並降低本發明中的電弧速度。圖10用曲線圖示出了直徑為12英寸沒有掩模的陰極的情況，其中有六個緊密封裝的8英寸襯底，間隔為0.5英寸。在投射距離為7.7英寸的情況下，在所述陰極位於帶有所述旋轉驅動系統的軸上時，所述溢流最少。在將所述陰極放置得離所述襯底更近時，它需要被從所述旋轉中心的位置移動。根據模擬結果，所述溢流比軸上實施例中的溢流略微減少。在這個例子中，這一點一直適用，直到將所述陰極移置其直徑的約。然後所述溢流急速上升。在從沒有移置到所述陰極直徑的的陰極移置範圍內，沒有掩模的運行可產出低於0.5％的溢流。在更大的移置時，所述溢流就會急速升高，而且，如果希望得到低的溢流，就需要採用掩模。
在這種變化中，所述陰極與所述旋轉驅動系統之間的對稱被打破，而且它所帶來的好處也就失去了。當襯底由所述行星驅動系統傳送時，所述襯底在高的和低的通量沉澱區域之間移動。若短層要求從行星到行星的高度均勻性，所述主旋轉驅動速度必須大大高於前述的對稱方案中的驅動速度。這樣就會增加這種方法的複雜性並會導致較高缺陷的產生。
在運行時，減少周期時間的一個方面包括減少所述過程當中的非鍍膜時間。一個例子是減少抽空和排放所述腔所需的時間量。通常所使用的技術是包括一種預真空鎖裝置來裝載和卸載進行鍍膜的物體。這就允許所述沉澱腔在所有的時間都保持在降低壓力的真空條件下。降低的壓力意指低於大氣壓力。要求有一種部件處理系統來在所述腔中裝載或卸載襯底或其它物體。
圖1和圖2中所示出的鍍膜腔2通過泵浦口22來抽成真空狀態，而處理氣體通過質量流量控制器(未示出)來提供給所述處理腔2。圖1中所示出的閘式閥3能夠使所述預真空鎖腔1中的壓力不受所述處理腔2中的壓力的限制而處於大氣壓力下以裝載或卸載所述襯底，或者使所述預真空鎖腔1中的壓力重新恢復到所述處理腔2的壓力以進行襯底的轉移。所述預真空鎖腔1包括帶有盒升運器5的裝載容器4和帶有機械手7的轉移通道6。所述機械手7的控制裝置安裝在圓柱形罐8中，所述圓柱形罐8從所述轉移通道6中伸出。
實際的鍍膜時間由於快速沉澱速度的鍍膜所減少。快的速度通過利用延長的陰極和優化的幾何結構來實現，所述優化的幾何結構位於所述襯底或物體與所述陰極之間，這將在下面進行描述。脈衝DC磁控濺鍍是優選的鍍膜方法，因為所述陰極的佔空因數可達90％或更高。在所述陰極減少或消除電弧也會減少電弧的恢復時間。通過精心的設計，就不需要掩模來控制所述襯底上的溢流。這就會提高鍍膜速度，減少由增加的電弧和清潔所述掩模表面所產生的停工時間。沒有掩模，產量也會較高，因為所述掩模的剝落會導致所述塗層質量中的缺陷。
所述鍍膜輔助操作時間的減少通過在相同的沉澱腔中鍍膜所有的材料來實現。本發明包括陰極更換裝置60(見圖4A和4B)，所述陰極更換裝置60按順序將用於不同塗層的多個陰極在一個批次中定位。此外，在開始鍍膜之前，通過關閉光閘50(見圖4B)可將陰極在所述腔中進行調節，所述光閘50在所述調節過程期間屏蔽所述襯底。合併所述光閘和所述陰極排列60可在從一種材料轉換到下一種材料時減少輔助操作時間。
整修所述裝置的檢修時間通過在許多表面上安裝易於拆卸和安裝的硬箔來降到最少。通過保持幾套工具，所述硬箔的快速交換迅速將所述裝置恢復到工作狀態。
許多光學塗料在其光譜響應中具有鑑別特徵。例如，用於色彩分離的導角濾鏡允許一種色彩通過而拒絕另一種色彩。為了此公開的目的，對用於所述塗料的整個200mm襯底的精度要求假定為0.5％。為了所述例子的目的，若所述導角在500nm，這就會轉換到2.5nm的絕對導角位置的變化。所述光譜特徵位置與所述鍍膜設計中的層的厚度有關。因此，在鍍膜所述200mm襯底中，鍍膜速度的變化需低於0.5％。若在相同的批次中鍍膜多個襯底，從一種襯底到另一種的變化需要是這個值的一小部分。光譜特徵位置的變化也稱為溢流。
本發明中幾何結構的性能已通過數字模型進行了預測。在所述模型中，假定在任何情況下，在任何時候，在襯底上的點P的厚度沉澱與下面的等式成比例
cosf(s)cos(i)/d2(等式3)其中，s是鍍膜線與所述源法線之間的角度，i是所述源(靶)與點P之間的角度。這些參數在圖6中示出。等式3表明從所述靶的分布軸向對稱，且粘著係數並不取決於所述鍍膜入射角。項f是描述所述靶的噴射特徵的根據經驗確定的常數。對所述模擬來說，在此使用0.7的值。具有大直徑的延長的靶接近於加權點源的陣列。在任何情況下在任何時候的沉澱厚度等於所有點源所貢獻的厚度之和。
為了對襯底溢流做出估計，對沿著穿過所述襯底的徑向線的多個點進行估計。由於所述的這些襯底圍繞其本身的中心點旋轉，所以並不預想有方位不對稱。這些點在行星旋轉驅動系統中的位置在小的時間間隔內確定，且用於每個點的鍍膜材料根據上面的等式3聚集。所述溢流通過產生在所述襯底上的最大到最小鍍膜聚集的比率來確定。
圖7示出了這些模擬中的一個的結果的例子。該計算對三個不同投射距離情況下的8英寸直徑的襯底和12英寸直徑的延長塗料靶進行。對較短的投射距離，所述鍍膜速度較高。作為第二順序效果，現已觀察到所述襯底外部的速度比在所述中心的速度升高得快。這樣就導致穿過所述部件的溢流的傾斜。對於7.5英寸的投射距離來講，所述溢流是(1.585/1.574)-1＝0.70％；對於7.7英寸的投射距離來講，所述溢流是(1.564/1.556)-1＝0.51％；對於7.9英寸的投射距離來講，所述溢流是(1.544/1.533)-1＝0.72％。對於每種塗層幾何結構來講，投射距離可在將所述溢流降到最少之處得到。對於上述情況來講，投射距離是7.7英寸。最少的可能溢流在所述部件中心處的速度和邊緣處的速度相等時實現。
圖8示出了模擬溢流與單點源的行星半徑的函數。所述數據的計算針對8英寸襯底直徑的、0.5英寸行星與行星間隔的兩個到十二個行星。行星的數量寫在每個溢流結果之後。在每種模擬中，對所述點源與所述旋轉驅動平面之間的投射距離進行優化，以達到最小的溢流。最佳的投射距離表明與所述行星旋轉半徑的近乎線性的關係，即從所述襯底中心到所述源中心的線與所述靶表面之間的角度是恆定的。對於8英寸的行星來講，所述最佳角度約為35度。
圖8示出了在僅使用兩個或三個行星時，所述溢流相當高，完全超過了0.5％。在向較高數量的襯底增加時，所述溢流快速下降。對於五個行星來講，所述溢流降到0.5％以下並在更多的襯底時進一步減少。這就揭示出五個和更多的行星的最佳數量。圖8還包括對鍍膜材料利用率(相對效率)的估計。所述利用率在對三個行星時有最高值且對更多的行星時平穩下降。低的溢流與鍍膜材料利用率之間的折衷結果表明最佳的行星數量是五到八個。這一點在圖8中用曲線圖示出。行星的數量寫在每個溢流結果之後。在每種模擬中，對所述點源與所述物體平面之間的投射距離進行優化，以達到最小的溢流。假定所述間隔s既小又實用，最緊密的行星封裝可用下面的公式表示0.85*d＜r＜1.3*d其中，d是所述行星直徑，r是所述行星驅動系統的半徑，如從所述中心旋轉軸30到次軸40。
如上所述，對於高的鍍膜速度時的低缺陷來講，具有大的延長的源是理想的。此處所用的陰極的尺寸描述用在所述靶上的材料的最大直徑。目前存在具有不同磁性和屏蔽結構的許多不同的陰極。因此，預計模型不同而尺寸相同的陰極的噴射特徵略微有所不同。所述噴射特徵還受到像壓力、電壓等具體的進展條件的影響。隨著所述靶尺寸的增加，需要降低所述投射距離以保持最少的溢流。這種關係在圖9中示出，該圖示出的是放置在8.5英寸旋轉半徑上的8英寸直徑的行星。例如，點源需要放置在距所述襯底平面11英寸的位置。對於8英寸直徑的陰極來講，所述最佳的投射距離約為10英寸，對於12英寸的陰極來講，所述投射距離小於8英寸。所述溢流保持在低水平並接近於所述點源值，直到所述靶直徑變成所述行星的直徑d的約1.5倍。對於大於這個尺寸的陰極來講，所述溢流快速增加。為了將溢流保持在0.5以下，所述靶直徑應小於1.5d；為了將溢流保持在2％以下，所述靶直徑應小於2d。沒有掩模的運行的最佳投射距離介於0.7d＜t＜1.3d之間。材料利用的效率還隨著更大陰極尺寸而增加，即更高份額的濺鍍靶材料沉澱在所述襯底上。
在本發明的優選實施例中，將六個200mm的襯底在所述行星驅動系統的8.5英寸基本半徑上旋轉。根據所鍍膜的材料，最小的溢流的投射距離t典型地介於7.5與8英寸之間。所述陰極的直徑為12英寸。在此結構中已示出了沉澱速度，SiO2和NbTa2O5為1.2nm/s，Ta2O5為1.5nm/s。所述材料利用率估計為25％。沒有掩模的所述部件的溢流低於0.5％。圖11示出了這種幾何結構中實際鍍膜部分的厚度的測量值，所述測量值由根據模型模擬的溢流所覆蓋。SiO2和Ta2O5所測得的溢流低於0.5％。所述這些結果表明了所述模擬的有效性。所述溢流可通過降低所述襯底直徑來進一步降低。低於0.2％的溢流可在上述幾何結構中150mm直徑的襯底上實現，代價是材料利用率的降低。
上述的模型通過利用200mm直徑的襯底得到了驗證。不過，所述模型對不同比例是不變的。相同的幾何結構可用於更小或更大的襯底。所有的附圖示出了所述向上濺鍍結構。不過，這些幾何結構的考慮對空間方向是不變的。向下、水平或其它任何方向濺鍍都是可能的。
權利要求
1.一種將鍍膜施加在物體上的磁控濺鍍裝置，包括行星驅動系統，所述行星驅動系統包括中心旋轉軸和多個行星，所述多個行星放置在實質上與所述中心旋轉軸等距的位置，每個行星具有適於獨自旋轉的次軸和限定鍍膜區域的直徑，每個行星適於支撐在物體平面中的一個或多個物體，其中從所述中心旋轉軸到所述次軸的距離包括所述行星驅動系統的旋轉半徑；圓形陰極，所述圓形陰極包括靶，所述靶包括用於形成所述鍍膜的材料，所述圓形陰極距所述物體平面有一個投射距離，所述陰極有中心點和陰極直徑，所述陰極直徑大於所述行星直徑並可達所述行星直徑的兩倍；用於向所述陰極提供電壓差的陽極裝置；適於在運行時抽成真空的、容納所述陰極和所述行星驅動系統的腔；和向所述腔提供濺鍍氣流的氣體輸送系統，其中所述行星驅動系統的旋轉半徑和所述投射距離介於所述行星直徑的一半和兩倍之間，以提供所述鍍膜質量的最小徑向溢流，而無需使用掩模。
2.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述陰極的中心點實質上與所述中心旋轉軸準直，因此而限定所述裝置的中心軸。
3.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述陰極的中心點從與所述中心旋轉軸的準直轉換到達所述陰極直徑的三分之一。
4.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，還包括調節靶表面與所述物體平面之間的投射距離的裝置。
5.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述陰極被支撐在陰極更換裝置上，以在真空狀態下更換所述腔中的靶。
6.如權利要求5所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述陰極更換裝置能夠支撐多種靶材料，以在單獨的批次中將多種不同材料層施加在所述物體上。
7.一種將鍍膜施加在物體上的磁控濺鍍裝置，所述裝置包括帶電陰極，所述帶電陰極包括靶，所述靶包括用於形成所述鍍膜的材料，所述陰極有中心點；放置在距所述源有一個投射距離的位置上的行星驅動系統，所述行星驅動系統包括中心旋轉軸和多個行星，每個行星由適於獨自旋轉的次軸支撐，並且每個行星放置在距所述中心旋轉軸等距的位置，每個行星適於支撐物體以進行二個自由度的旋轉運動；用於向所述陰極提供電壓差的帶電陽極裝置；適於在運行時抽空以降低壓力的、容納所述陰極和所述行星驅動系統的腔；和向所述腔提供濺鍍氣流以形成等離子體的氣體輸送系統，其中所述多個行星中的每一個都有一個直徑d，每個次軸以一個旋轉半徑r放置，以使0.85*d＜r＜1.3*d，所述陰極與所述行星驅動系統之間的投射距離t為0.7*d＜t＜1.3*d，且所述陰極限定材料的範圍，使所述陰極有一個在其中心點周圍的陰極直徑CD，以使d＜CD＜2*d。
8.如權利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述中心旋轉軸實質上與所述陰極的中心點準直，這樣就限定了所述裝置的中心軸。
9.如權利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述陰極中心點從與所述中心旋轉軸的準直轉換到達所述陰極直徑的四分之一。
10.如權利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，等於從所述中心旋轉軸到所述次軸的距離的所述旋轉半徑r被定義為r＝(d+s)/2/sin(α)，其中α＝360°/2n。
11.如權利要求10所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述行星中的每一個具有直徑d，且它們之間的間隔s既小又實用，所述直徑d與所述旋轉半徑r的關係被定義為0.85*d＜r＜1.3*d。
12.如權利要求7所述的磁控濺鍍裝置，還包括在所述腔處於真空狀態下時，調節所述行星驅動系統與所述陰極之間的投射距離t的裝置。
13.如權利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，行星的數量在5到8之間。
14.如權利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述襯底直徑為8英寸或更小。
15.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，包括DC和脈衝DC或AC磁控裝置中的一種。
16.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，還包括預真空鎖(load-lock)裝載裝置，以將經過鍍膜的物體輸送出所述腔並將新的物體輸送到所述腔中，而並不在實質上改變所述腔的已降低的壓力。
17.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述陰極的所有非撞擊表面都被電氣絕緣。
18.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述陰極是環狀的。
19.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述陽極是容器的內表面。
20.如權利要求19所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，容納所述陽極的所述容器放置在所述腔之外並包括開口，所述開口與所述腔的內部相互聯繫。
21.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述次軸實質上平行於所述中心旋轉軸。
22.如權利要求19所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述濺鍍氣流源放置在所述陽極容器內。
23.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，活化的反應氣體被從反應源引導到所述物體，所述反應源被放置以使所述靶表面位於所述反應源與所述物體平面之間。
24.如權利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，所述陰極直徑為至少10英寸。
25.如權利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特徵在於，磁控濺鍍裝置包括雙陰極AC濺鍍裝置，所述陰極包括雙環陰極，在所述雙環陰極之間循環施加AC電壓，所述陽極裝置包括所述雙環陰極的交替功能。
全文摘要
本發明涉及以高的生產速度將材料澱積在襯底上的磁控濺鍍裝置和技術，其中所澱積的膜具有預定的厚度分布，且所述裝置可在非常長的時間段連續地並可重複地運行。本發明已通過減少周期時間實現了產量的增加。提高的鍍膜速度通過將行星驅動系統與大的陰極耦合來實現。所述陰極直徑大於行星的直徑且小於所述行星直徑的兩倍。較低的缺陷率通過所述陰極的較低功率密度實現，所述陰極的較低功率降低電弧，且通過陰極到行星的幾何結構將溢流降到最小，而無需使用掩模。
文檔編號C23C14/35GK1737190SQ20051009282
公開日2006年2月22日 申請日期2005年8月22日 優先權日2004年8月20日
發明者馬克斯·K.·太爾西, 理察·I.·塞登, 喬治·J.·歐肯法思, 傑裡米·賀思, 羅伯特·E.·克林格 申請人:Jds尤尼弗思公司