用在磁控濺射設(shè)備中的一體化陽極和活性反應(yīng)氣體源裝置的制造方法
【專利說明】用在磁控濺射設(shè)備中的一體化陽極和活性反應(yīng)氣體源裝置
[0001]本申請是申請日為2011年10月08日、申請?zhí)枮?01110304009.8，以及發(fā)明名稱為“用在磁控濺射設(shè)備中的一體化陽極和活性反應(yīng)氣體源裝置”的中國發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明通常涉及用于將材料沉積在襯底上的磁控濺射設(shè)備。更具體地，本發(fā)明涉及用在磁控濺射設(shè)備中的一體化陽極和活性反應(yīng)氣體源裝置以及將其合并的磁控濺射設(shè)備。
[0003]發(fā)明背景
[0004]濺射鍍膜是用于將材料的薄膜沉積在襯底上的一種廣泛使用的技術(shù)。在濺射沉積工藝中，離子通常通過氣體原子和輝光放電中的電子之間的碰撞產(chǎn)生。離子通過電場被加速到陰極處的鍍膜材料的靶中，使靶材料的原子從靶表面噴射。襯底被放置在適當?shù)奈恢蒙?，以便它攔截一部分噴射的原子。因此，靶材料的鍍膜沉積在襯底的表面上。在反應(yīng)濺射中，氣體物質(zhì)也存在于襯底表面處，并與來自靶表面的原子起反應(yīng)，且在一些實施方式中與來自靶表面的原子組合，以形成期望的鍍膜材料。
[0005]在操作中，當濺射氣體例如氬被導入鍍膜室時，施加在陰極和陽極之間的DC電壓將氬離子化成等離子體，且?guī)д姷臍咫x子被吸引到帶負電的陰極。離子以相當大的能量撞擊陰極前方的靶，并使靶原子或原子團簇從靶中被濺射出來。一些靶粒子撞擊并沉積在待鍍膜的晶片或襯底材料上，從而形成膜。
[0006]為了獲得增加的沉積速率和較低的操作壓力，使用磁控增強的陰極。在平面磁控管中，陰極包括被布置在閉環(huán)中并被安裝在相對于鍍膜材料的平坦靶板固定的位置上的永久磁鐵的陣列。因此，磁場使電子在通常稱為“跑道”的閉環(huán)中行進，該跑道建立靶材料的濺射或腐蝕發(fā)生所沿著的路徑或區(qū)域。在磁控管陰極中，磁場約束輝光放電等離子體，并增加在電場的影響下移動的電子的路徑長度。這導致氣體原子-電子碰撞概率的增加，從而導致比在沒有使用磁約束的情況下獲得的濺射速率高得多的濺射速率。此外，濺射過程可在低得多的氣體壓力下完成。
[0007]一般，磁控濺射系統(tǒng)在濺射期間在2*10' 2Pa_ 1*10' 1帕的壓力下操作。為了建立這個壓力，室一般被抽氣到〈1*10~4帕的壓力，且氣體，通常是氬氣(且在反應(yīng)濺射氬和氧或氮的情況下)的控制流被饋送到室中以維持期望的壓力。在二極管系統(tǒng)的情況下，即，當不使用磁鐵時，需要>2帕的壓力以能夠點燃并維持等離子體。高壓具有平均自由程極大地減小的缺點，這引起大范圍的氣體散射。這導致模糊(hazy)的鍍膜。
[0008]在磁控濺射設(shè)備中，陽極提供不同于帶負電的陰極的電荷。這可與電荷被提供到室壁一樣被簡單地提供。然而，被濺射的材料也被沉積在暴露于被濺射的原子的任何表面上。如果鍍膜是電絕緣材料例如金屬氧化物，則材料在濺射裝置的其它部分上的堆積可能引起問題。特別是，絕緣鍍膜在陽極上的堆積干擾陽極從等離子體移除電子的能力，如維持等離子體的電荷平衡所需要的。這使等離子體不穩(wěn)定，并干擾沉積控制。鍍膜堆積將使陽極位置移動到系統(tǒng)中的另一表面。這個不穩(wěn)定性影響鍍膜質(zhì)量。為了克服陽極被涂有鍍膜材料的問題，有很多現(xiàn)有技術(shù)陽極被提出。很多現(xiàn)有技術(shù)陽極在非常高的電壓處起作用，但這也增加了電弧放電問題，會損壞鍍膜質(zhì)量。期望能提供穩(wěn)定的陽極位置的低壓陽極，以確保一致的鍍膜質(zhì)量。
[0009]在2005年3月7日提交的公布號20060049041的美國專利中公開了陽極容器，其可在低壓時提供穩(wěn)定的陽極位置。該陽極包括具有與鍍膜室連通的單個開口的容器的內(nèi)表面。容器的內(nèi)表面是電子的優(yōu)選返回路徑。陽極容器也是濺射氣體的源，其從陽極容器中的進氣口通過該單個開口進入鍍膜室。該單個開口的尺寸及其位置起到防止鍍膜材料堆積在陽極的帶電內(nèi)表面上的作用。
[0010]很多光學鍍膜需要氧化物或其它化合物的沉積。這樣的材料優(yōu)選地在反應(yīng)濺射模式中產(chǎn)生，在該模式中，金屬靶被濺射，且氧、氮或另一反應(yīng)氣體被添加到該工藝。被濺射的材料和活性氧物質(zhì)同時到達襯底。為了獲得最佳氧氣部分壓力，需要找到最佳氣流，例如氧氣流。如果氧氣流流量太低，則膜不是化學計量的，且具有高吸收損失。如果它太高，靶表面變得比所需要的更氧化，妨礙以最高可能的沉積速率的操作。金屬靶的濺射速率可以是完全氧化的靶的濺射速率的10倍。如果氧被活化并導向襯底，則可增加氧化有效性，因而增加可能的沉積速率。在此公開了對氧化物的反應(yīng)濺射過程。所有方面可類似地應(yīng)用于氮或其它反應(yīng)過程。
[0011]為了在具有低光學吸收曲線或沒有光學吸收曲線的磁控濺射設(shè)備中產(chǎn)生介電鍍膜，必須提供額外的活性反應(yīng)氣體源來提供氧或氮以產(chǎn)生等離子體。市場上可買到的活性反應(yīng)氣體源的例子包括來自JDSU(JDS尤尼弗思公司)的PAS、來自Pro Vac公司的Taur1n源、來自Kaufman&Robinson公司的KRI源、來自Leybold公司的APS源。當前的活性反應(yīng)氣體源是復(fù)雜的。一些源需要昂貴的電子器件。一些源需要燈絲，而燈絲的壽命是有限的。這些設(shè)備非常昂貴，且可能需要密集的維護。
[0012]在圖3A和3B中示出了現(xiàn)有技術(shù)的陽極容器19和分開的反應(yīng)氣體源36的配置。陰極12被定位成其中心在中心旋轉(zhuǎn)軸C處。提供氬氣的離子化源的陽極容器19被布置在陰極12的一側(cè)，而離子化氧的反應(yīng)氣體源36被布置在陰極12的相對側(cè)。襯底17在反應(yīng)氣體源36之上繞著陰極12的圓周旋轉(zhuǎn)。在使用標準陰極12的反應(yīng)濺射的情況下，觀察到靶磨損的大變化，其限制了靶的利用。在圖3B中的截面圖中可看到靶14，在接近于反應(yīng)氣體(氧化)源36的側(cè)面上，由于靶氧化(毒化)的增加，靶磨損低；而在接近于陽極19的一側(cè)，由于等離子體密度的增加，靶磨損高。
[0013]因此，非常期望用于磁控濺射設(shè)備中的活性反應(yīng)氣體的更簡單的、更不昂貴的和更可靠的源。
[0014]也期望增加所沉積的膜的氧化的效率，以便增加反應(yīng)濺射的沉積速率。
[0015]也期望維持低溫處理(即使功率輸入增加)，以便能夠處理溫度敏感材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，通過使陽極容器與反應(yīng)氣體源成一整體，可在磁控濺射設(shè)備中提供活性反應(yīng)物質(zhì)，用于在更簡單的、更有效的和更有成本效益的設(shè)備中應(yīng)用介電鍍膜。
[0017]因此，本發(fā)明包括用于給物體鍍膜的磁控濺射設(shè)備，其包括:
[0018]鍍膜室，其適合于在操作中被抽真空；
[0019]陰極，其包括靶，所述靶包括用于形成鍍膜的材料；
[0020]—個或多個鍍膜區(qū)域，其具有支撐物以支撐在鍍膜區(qū)域內(nèi)的待鍍膜的物體；以及
[0021]一體化陽極和活性反應(yīng)氣體源裝置，其包括容器，該容器包括:
[0022]容器的內(nèi)導電表面，該內(nèi)導電表面電親合到電源的正輸出端，包括用于將電壓差提供到陰極的陽極，使得該陽極是電子的優(yōu)選返回路徑；
[0023]容器的絕緣外表面，與所述鍍膜室的室壁電絕緣；
[0024]通向容器內(nèi)部的與鍍膜室連通的單個開口 ；
[0025]濺射氣體源，其被耦合到容器中，用于通過所述單個開口將濺射氣體提供到鍍膜室中；以及
[0026]反應(yīng)氣體源，其被耦合到容器中，用于通過所述單個開口將反應(yīng)氣體提供到鍍膜室中。
[0027]進一步限定了本發(fā)明的實施方式，其中單個開口比容器的圓周小，以使內(nèi)導電表面與大部分被派射的材料隔尚。
[0028]進一步限定了本發(fā)明的實施方式，其中設(shè)置所述單個開口的尺寸，使得濺射氣體和反應(yīng)氣體的氣流能夠被選擇成局部地升高所述容器內(nèi)的壓力以高于所述鍍膜室中的壓力。
[0029]進一步限定了本發(fā)明的實施方式，其中提供到所述陽極的電壓是15到80伏，所述陽極包括所述容器的所述內(nèi)導電表面。
[0030]進一步限定了本發(fā)明的實施方式，其中濺射氣體是氬，而反應(yīng)氣體是氧或氮。
[0031]進一步限定了本發(fā)明的實施方式，其中包括所述一體化陽極和活性反應(yīng)氣體源裝置的所述容器的所述單個開口被耦合到所述鍍膜室的室壁，所述室壁為所述鍍膜室與所述陰極相鄰的共同室壁。
[0032]進一步限定了本發(fā)明的實施方式，其中容器的絕緣外表面被布置在鍍膜室的外部。
[0033]進一步限定了本發(fā)明的實施方式，其中從待鍍膜的物體的表面平面到包含容器的單個開口的平面的距離等于或大于從待鍍膜的物體的表面平面到靶的表面平面的距離。
[0034]進一步限定了本發(fā)明的實施方式，其中包括一體化陽極和活性反應(yīng)氣體源裝置