專利名稱：高功率脈沖磁控管濺射(hipims)中的電弧抑制和脈動的制作方法
高功率脈沖磁控管濺射(HIPIMS)中的電弧抑制和脈動
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背景技術(shù)：
本發(fā)明 一般涉及生成濺射以便在襯底上產(chǎn)生涂層，更具體地說， 涉及高功率脈沖磁控管濺射(HIPIMS)。
濺射是一種物理過程，通過該過程，固體靶材料中的原子由于通 過高能離子轟擊材料而被噴射到氣相中。濺射的過程一般用于薄膜淀 積。用于濺射過程的高能離子由在濺射設(shè)備中感生的等離子供應(yīng)。實 際上，多種技術(shù)用于修改等離子性質(zhì)，特別是離子密度以實現(xiàn)最佳濺 射條件。用于修改等離子體性質(zhì)的一些技術(shù)包括使用RF(射頻)交流 電、AC電源、DC電源、DC和AC電源疊加、諸如雙才及或單才及電源 等脈沖DC電源，利用磁場及對耙施加偏置電壓。
濺射源通常是利用磁場誘捕在靠近靶表面的閉合等離子體環(huán)路中 的電子的磁控管。電子沿磁場線周圍的環(huán)路中的螺旋路徑行進。在靶 表面附近，電子經(jīng)受的與氣體中性物的電離碰撞比其它情況下將發(fā)生 的電離碰撞更多。濺射氣體是惰性氣體， 一般為氬，但能使用其它氣 體。由于這些碰撞產(chǎn)生的額外氬離子導(dǎo)致了相對更高的淀積率。已知 的是在耙那邊布置強的永磁體以便形成此類磁場環(huán)路。在靶表面上的 等離子體環(huán)路位置處，可形成跑道(racetrack)，這是材料的優(yōu)選腐蝕區(qū)。 為提高材料利用，使用了允許在相對更大的靶區(qū)上掃描等離子體環(huán)路的可移動^茲性布置。
直流電(DC)磁控管濺射是使用交叉電場和磁場的熟知技術(shù)。DC
磁控管濺射的一種增強是脈沖DC。該技術(shù)使用所謂的"斷續(xù) 器，，(chopper),其中，感應(yīng)器線圈L和開關(guān)用于將DC電源修改為單極 或雙極脈沖電源，參見

圖1。感應(yīng)器線圈L是斷續(xù)器，并且能優(yōu)選包 括位于DC電源與磁控管陰極之間的抽頭(tap)。電子開關(guān)S定期打開 和閉合以形成脈沖。在開關(guān)S的4妄通時間中，在線圈L的抽頭與》茲控 管陽極之間的有效捷徑(shortcut)將負陰極電壓關(guān)閉，優(yōu)選是通過線圏 L的自動變換效應(yīng)(auto transforming effect)過沖為正電壓。在斷開時間 期內(nèi)，來自DC電源的電流繼續(xù)流入線圈L并在其磁場中存儲能量。 在開關(guān)S再次斷開時，在磁控管陰極形成短的負高壓峰值。這有助于 磁控管等離子體的較快再引弧(reigniting)和恢復(fù)原始放電電流。
如現(xiàn)有技術(shù)中所述的高功率脈沖磁控管濺射(HIPIMS)技術(shù)使用 一般在5 Hz到200 Hz的脈沖的相對更低重復(fù)頻率和20到500微秒的 脈沖時間。放電峰值電流范圍從用于較小陰極的100A到用于較大陰 極的最高4kA，這對應(yīng)于在陰極大約0.1到10A/cn^量級的電流密度。 一種常見的技術(shù)使用如圖2所示的連線。
在圖2和圖3中，DC電源將電容器組C充電到起始電壓，該電
壓通過帶有一定電感Ld和電阻Rcab的電纜放電到磁控管中?？蛇x的
是，電感L被串聯(lián)引入以限制磁控管放電電流的上升時間。在圖3中， 由安培表檢測電弧。在電源的脈沖期間發(fā)生電弧時，電容器^皮斷開連 接，并且只有電纜加可選線圈Ll中剩余的能量一皮放電成電弧放電。
圖6示出實驗的結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示電流的測量上升時間為現(xiàn)有技術(shù) HIPIMS》文電中頻率的函數(shù)。在此示例中，靶由鉭(Ta)制成，靶具有 300毫米的直徑，并且實驗是使用旋轉(zhuǎn)磁體陣列。對于10Hz(100毫秒 周期)的低重復(fù)頻率，在電壓脈沖開始和電流上升開始之間有較長的延 遲(大約5微秒)。使用100Hz(10毫秒周期)的重復(fù)頻率時，延遲稍微 更短(超過4微秒)。使用500Hz(2毫秒周期)相對較高的頻率時，電流更快地開始上升，僅在大約1.5微秒內(nèi)便上升。
標準HIPIMS技術(shù)有許多缺點。 一個缺點是提供了為高儲能和為 實質(zhì)上與磁控管操作電壓不同的電壓量定的較大和昂貴的電容器。另 一個缺點是磁控管在接近恒定電壓的模式中操作，與在恒定電流模式 中操作磁控管相反。又一缺點是如圖6的實驗中所示，磁控管電流脈 沖有長的起始時間(5到IO微秒)。另一缺點是在電壓脈沖與電流上升 的開始之間有長的延遲(2到20微秒)。
在使用高的占空比(接通時間50%到99%)、短的斷開時間(100納 秒到10微秒)及高頻率(10-500kHz)時，使用斷續(xù)器是一個好的選擇。 占空比相當于接通時間除以周期時間的百分比。此類情況下，線圈中 的能量損失保持在可接受范圍內(nèi)，并且線圈大小不是太大。然而， HIPIMS使用較低的頻率(5Hz到200Hz)和0.01%到10%的低占空比。 這不利于斷續(xù)器操作，因為完全的峰值放電電流將在長的等離子體斷 開期間流過線圈，導(dǎo)致線圈中出現(xiàn)高的電阻性損失。此外，用于巨大 儲能的線圈尺寸是不可行的。
Helmersson、 Christie和V16ek的現(xiàn)有技術(shù)文獻顯示，HIPIMS的 一個主要缺陷是每平均輸入功率相對更低的淀積率。更低淀積率的原 因是濺射的材料可在良好進行的HIPIMS》文電中相對高度地電離化， 并且離子被吸回到陰極，并因此，它們大部分未到達襯底。
HIPIMS中使用的高放電電流值也增大了形成電弧的風(fēng)險。眾所 周知的是，在電弧發(fā)生時，放電電壓下降到10-100V的范圍，電流增 大，并且放電本身收縮到一個或多個微小的熱陰極斑點。由于系統(tǒng)中 能量放電太快，電弧是不可接受的。此類熱斑點及熔滴和顆粒的排放 對耙表面造成的損害已有描述。已用于HIPIMS的一些電源使用電弧 抑制能力。 一個常見的電弧抑制技術(shù)使用圖3的連線方案。
電弧的出現(xiàn)通過圖4和圖5中的曲線圖示出。圖4示出無電弧發(fā) 生的典型HIPIMS脈沖，而圖5是電弧事件的示例。電弧發(fā)生時，放 電阻抗大大降低。這導(dǎo)致電流急劇增大，但增大在幅度和上升方面受到L^、 Ll和Rcab的串聯(lián)阻抗限制。通過熟知的技術(shù)之一(例如，通過 超過閾值電流)檢測到電弧時，開關(guān)Sl立即設(shè)為斷開狀態(tài)，只帶有受 使用的電子儀器和開關(guān)元件限制的延遲。不過，在電纜和線圈中存儲 的能量E可能較大。如果在開關(guān)斷開前的峰值電流是Ipeak,并且有效
的電感L=Lcab + Ll ，則能量E=L Ipeak2 / 2。例如，Ipeak=2kA和L=l .OpH 得出能量E= 2J。這是能夠例如在長達200微秒期間內(nèi)電弧電壓為50V 時輸送200A的電弧電流的能量。
在使用HIPIMS淀積裝飾或硬涂層的技術(shù)工藝中，上述標準電弧 抑制可足以防止或限制靶損壞，并能夠?qū)崿F(xiàn)適當質(zhì)量的淀積，特別是 在小心選擇脈沖條件以防止或限制經(jīng)常發(fā)生電弧和禁止電弧形成時。 不過，對于諸如半導(dǎo)體晶片處理、薄膜磁頭、MEMS及光學(xué)或磁數(shù)據(jù) 存儲等對顆粒敏感的工藝，饋入電弧的殘余能量可能太大。淀積期間 從電弧排放的熔滴可導(dǎo)致在硅晶片或另一村底上產(chǎn)生的某些裝置發(fā) 生故障。甚至更嚴重的問題可以是顆粒在處理室中累積，例如，在安 裝新輩巴后。此類新耙經(jīng)常顯得比舊的濺射侵蝕靶更易于發(fā)生電弧。即 使在工藝本身期間未發(fā)生電弧，這樣累積的顆粒也可能以后在生產(chǎn)工 藝期間從反應(yīng)器壁釋放(release)。
用于電弧抑制的標準技術(shù)具有的一個缺點是在電弧抑制電子反應(yīng) 后留下太多的能量可用于電弧放電。大約在0.1到IO焦耳量級的此能 量足以加熱陰極斑點，形成完全電弧放電，并在大多數(shù)技術(shù)上感興趣 的靶材料上排放熔滴。最好是在檢測到電弧后限制電弧的電弧能量和 壽命。

發(fā)明內(nèi)容
下面的內(nèi)容陳述了本發(fā)明的筒化摘要以便提供本發(fā)明 一些示例方 面的基本理解。此摘要不是本發(fā)明的詳盡概述。另外，此摘要無意識 別本發(fā)明的重要要素，也無意描述本發(fā)明的范圍。摘要的唯一用途是 以簡化形式陳述本發(fā)明的一些概念，以作為后面陳述的更詳細說明的
1前序。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了 一種用于生成靶濺射以在襯底上 產(chǎn)生涂層的設(shè)備。設(shè)備包括帶陰極和陽極的磁控管。電源可操作連接 到磁控管，并且至少一個電容器可操作連接到電源。設(shè)備也包括可操 作連接到該至少一個電容器的電感。也提供了第一開關(guān)和第二開關(guān)。 第 一開關(guān)將電源可操作連接到磁控管以便為磁控管充電，并且第 一開 關(guān)配置為根據(jù)第 一脈沖為磁控管充電。第二開關(guān)可操作連接以便將磁 控管放電。第二開關(guān)配置為根據(jù)第二脈沖將磁控管放電。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提供了 一種用于生成靶濺射以在襯底上 產(chǎn)生涂層的設(shè)備。設(shè)備包括帶陰極和陽極的磁控管。電源可操作連接 到磁控管，并且至少一個電容器可操作連接到電源。至少一個檢測器 可操作連接到磁控管，其中，該至少一個檢測器配置用于檢測電弧正 在形成。也提供了第一開關(guān)和第二開關(guān)。第一開關(guān)將電源可操作連接 到磁控管以便為磁控管充電，并且笫一開關(guān)配置為根據(jù)第一脈沖為磁 控管充電。第二開關(guān)可操作連接以便將磁控管放電，并且第二開關(guān)配 置為將磁控管放電并在該至少 一個檢測器檢測到電弧形成時，禁止電 弧的形成。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提供了 一種用于生成靶濺射以在襯底上 產(chǎn)生涂層的設(shè)備。設(shè)備包括帶陰極和陽極的磁控管。電源可操作連接 到磁控管，并且至少一個電容器可操作連接到電源。設(shè)備也包括可操 作連接到該至少一個電容器的電感。也提供了第一開關(guān)和第二開關(guān)。 第 一 開關(guān)將電源可操作連接到磁控管以便為磁控管充電，并且第一開 關(guān)配置為根據(jù)第 一脈沖為磁控管充電。第二開關(guān)可操作連接以便將磁 控管放電。第二開關(guān)配置為根據(jù)第二脈沖將磁控管放電。至少一個檢 測器可操作連接到磁控管，其中，該至少一個檢測器配置用于檢測電
弧正在形成。電弧的檢測激活(activate)第二開關(guān)以禁止電弧的形成。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于生成靶濺射以在村底上 產(chǎn)生涂層的設(shè)備。設(shè)備包括帶陰極和陽極的磁控管。電源可操作連接到磁控管，并且至少一個電容器可操作連接到電源。設(shè)備也包括可操 作連接到該至少一個電容器的線圈。也提供了笫一開關(guān)和第二開關(guān)。 第 一開關(guān)將電源可操作連接到磁控管以便為磁控管充電，并且第 一開 關(guān)配置為根據(jù)第 一脈沖為磁控管充電。第二開關(guān)可操作連接以便將磁 控管放電，并且在沿線圈的某個點連接。第二開關(guān)配置為根據(jù)第二脈 沖將磁控管放電。至少一個檢測器可操作連接到磁控管，其中，該至 少 一個檢測器配置用于檢測電弧正在形成。電弧的檢測激活第二開關(guān) 以禁止電弧的形成。響應(yīng)至少一個檢測器檢測到電弧，控制第一開關(guān) 和第二開關(guān)以禁止電弧的形成。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提供了 一種向生成濺射以在村底上產(chǎn)生 涂層的設(shè)備實施電壓脈沖的方法。方法包括向第一開關(guān)施加第一脈沖 以便從電源為磁控管充電的步驟。方法也包括向第二開關(guān)施加第二脈 沖以便將磁控管放電的步驟。
附圖簡述
在參照附圖閱讀以下說明時，本發(fā)明涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白
本發(fā)明的上述和其它方面，其中
圖1是斷續(xù)器原理的現(xiàn)有技術(shù)示意圖2是HIPIMS應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)示意圖3是帶電弧抑制的HIPIMS應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)示意圖4是示出在典型脈沖期間現(xiàn)有技術(shù)中HIPIMS應(yīng)用的電壓和安
培的曲線圖5是示出發(fā)生電弧時在典型脈沖期間現(xiàn)有技術(shù)中HIPIMS應(yīng)用 的電壓和安培的曲線圖6是示出不同頻率和隨時間變化的電流中的已測量上升的曲線
圖7是帶有用于應(yīng)用不同模式的兩個開關(guān)的本發(fā)明的第一示例示 意圖；圖8是圖7中使用的高頻才莫式的示例示意圖9是圖7中使用的第一脈沖內(nèi)多個子脈沖模式的示例示意圖IO是圖7中使用的脈沖預(yù)電離^t式的示例示意圖11是示出使用鈦(Ti)靶的實驗的曲線圖12是示出使用鉭(Ta)靶的實驗的曲線圖13是示出實驗和電弧對電壓影響的曲線圖14是示出實驗和電弧對電流影響的曲線圖15是帶有兩個開關(guān)和電弧檢測的本發(fā)明的第二示例示意圖16是示出在系統(tǒng)檢測到電弧時切換發(fā)生后在圖15的系統(tǒng)中的 電壓和電流的曲線圖17是帶有兩個開關(guān)和電弧檢測設(shè)計的本發(fā)明的另一第二示例 示意圖18是示出在系統(tǒng)檢測到電弧時切換發(fā)生后在圖17的系統(tǒng)中的 電壓和電流的曲線圖；以及
圖19是帶有用于應(yīng)用不同模式的兩個開關(guān)和電弧檢測設(shè)計的本 發(fā)明的第三示例示意圖。
具體實施例方式
包含本發(fā)明的一個或多個方面的示例^^描述并在圖形中示出。這 些示出的示例無意成為有關(guān)本發(fā)明的限制。例如，本發(fā)明的一個或多 個方面可在其它實施例且甚至其它類型的裝置中利用。另外，某些術(shù) 語在本文中只是為了方便而使用，并且不可視為有關(guān)本發(fā)明的限制。 還有，在圖形中，相同的標號用于表示相同的要素。
在HIPIMS中，使用接通時間低于10微秒的快速切換不是通常已 知的。圖7的示例基于在低頻率(l到200Hz)處進行的測量而設(shè)計，顯 示以微秒表示的電流的高上升時間，將最短脈沖接通時間限制為大約 IO微秒，并因而將最大頻率限制為大約lkHz(基于1%的占空比)。圖 6中的實驗顯示了在剩余等離子體密度保持相對足夠高時高功率磁控管放電的較快切換可能性的明顯趨勢?；谠陬l率范圍20到500kHz 中通過DC脈沖賊射和斷續(xù)器的實驗，等離子體可在0.2微秒內(nèi)再引 弧，并且不必施加頻率的限制。相反，在脈沖接通和斷開時間可與離 子通過鞘層和預(yù)鞘層飛行的時間(0.2微秒到5微秒)匹敵時，預(yù)期有不 同的物理現(xiàn)象。
圖7的本發(fā)明的示例包括在此設(shè)計中的第一開關(guān)Sl和第二開關(guān) S2。第一開關(guān)Sl可操作連接以便為磁控管充電，并且配置為實施第 一電壓，并能夠根據(jù)第一脈沖為磁控管充電。第二開關(guān)S2可操作連 接以便將磁控管放電并可配置為根據(jù)第二脈沖將磁控管放電。在此示 例中，也提供了電感，并且電感可操作連接到至少一個電容器。在此 示例中的電感是線圈L,但理解其它結(jié)構(gòu)可用于提供電感。線圈L具 有在HIPIMS操作期間與現(xiàn)有技術(shù)的圖2中線圏Ll類似的功能。因 此，圖7中的線圈L也限制磁控管放電電流上升的斜率。線圈L也限 制電弧發(fā)生時的峰值電流。圖7的示例設(shè)備也可包括帶有陰極和陽極 的磁控管、位于磁控管附近且用于濺射原子以在村底上產(chǎn)生涂層的 靶、可操作連接到磁控管的電源及可操作連接到電源的至少 一個電容 器C。線圈L可操作連接到至少一個電容器C。電源可以是DC電源。 圖7的示例設(shè)備可在磁控管陰極上的電流密度介于0.1到10 A/cn^之 間時應(yīng)用HIPIMS脈動(pulsing)。
有幾個使用圖7的示例的操作模式，使用增大的脈沖頻率來提高 HIPIMS系統(tǒng)的效率。如圖8所示，在用于圖7的示例的一個^l喿作才莫 式中，用于第一開關(guān)Sl的脈沖形式(第一脈沖)具有高頻率。第一開關(guān) Sl的第一脈沖和第二開關(guān)S2的第二脈沖的示例脈沖形狀在用于此高 頻率沖莫式的圖8的示意圖中示出。圖8的高頻率才莫式可在不同的水平 上操作，包括200Hz-100kHz的高頻率脈沖操作，優(yōu)選示例發(fā)生在l kHz 到20kHz之間。在此模式中也能夠?qū)崿F(xiàn)帶有更低功率損失的較低有效 占空比(0.1%到10%)。在此示例中可使用0.2微秒到IOO微秒的接通 時間(trto的時間期)，優(yōu)選示例發(fā)生在從2微秒到40微秒。電流密度可以是區(qū)域平均的。
高頻率才莫式能夠以在時間to將充電電容器C連接到線圈L開始。
要理解，充電電容器可以是至少一個電容器，并且圖形能指多個電容
器。激活開關(guān)S2在時間t2打開使等離子體在時間延遲(t2-to)后引弧。
如圖8的示例中所示，在線圈L中存儲的能量能夠?qū)е聨缀踉凇菲澘毓?陰極上立即發(fā)生的電壓過沖和磁控管電流的相對更快上升時間。磁控 管放電電流在時間t《Sl斷開)與t3(S2接通)之間衰退。時間t3可選擇 為介于t后的短時間到較長時間之間，包括剩余的期間。圖8的示例
模式中每個第 一脈沖以電壓過沖和在相同的初始時期(t2-to)內(nèi)相對快
的電流上升開始。能量效率通過用于為電容器C充電的第一開關(guān)Sl 的相對長的斷開時間而達到。此時期示為to發(fā)生前的期間。初始時期 (t2-to)較短，并用于在線圈L中存儲能量。在第二脈沖激活第二開關(guān) S2前，在第一開關(guān)Sl ;波激活以在線圈L中存儲能量時經(jīng)過了相對短 的時間。第二開關(guān)S2的激活造成磁控管的》文電。從時間to-tp電容 器C的電荷載入線圈L，并且磁控管的電流放電發(fā)生。具體而言，磁 控管放電從時間t2-t3發(fā)生。從時間h-t3，來自線圈L的剩余能量被 放電到磁控管中。
圖9中示出用于圖7示例的第二操作模式。在此模式中，第二脈 沖運用(exert)在第 一脈沖的一個主HIPIMS脈沖內(nèi)形成的多個子脈沖。 第一脈沖可以是單個相對長的脈沖，以便向磁控管實施電壓，并且第 一脈沖是在時期t-to內(nèi)通過使用第一開關(guān)Sl形成。第二脈沖可以是 如圖9中^t式的示例中所示隨后在開關(guān)S2形成的多個子脈沖或一系 列的更短子脈沖。圖9的才莫式可在不同水平操作，包括lHz-10kHz的 主頻率，優(yōu)選示例發(fā)生在10Hz到lkHz之間。第一脈沖具有可在此模 式中使用的占空比(0.1%到10%)。在此才莫式中，可使用0.2微秒到100 微秒，優(yōu)選為2微秒到20微秒的接通時間(時期trto)。第二脈沖接通 時間(時期t3-t2，等于At皿)可以為0.2微秒到IOO微秒，優(yōu)選示例為2 微秒到20微秒。類似地，第二脈沖斷開時間(時期At。ff)可以是0.2微秒到100微秒，優(yōu)選示例為2微秒到20微秒。由于第二脈沖占空比
可具有許多不同的值，因此，存在才莫式的許多示例。例如，第二脈沖
占空比(At。n)/( AW+^。江)范圍可從30%到99%。因此，要理解，可以
設(shè)計許多不同類型的脈沖配置，包括用于第二脈沖的不同類型的恒定
和可變時期。例如，甚至At。n也可在Sl的單個主HIPIMS脈沖內(nèi)的每 個第二脈沖期間具有不同的時間量。
在圖9的第二^^莫式示例的操作期間，時期t!-to用于為電容器C充 電，加載線圈L,并且將磁控管的電流;改電。第二脈沖，確切地說第 一子脈沖，可以在開關(guān)S2打開時以適當?shù)难舆t開始。在時間to-t2內(nèi)， 電容器C的電荷只加載線圈L。在線圈L中存儲的能量導(dǎo)致磁控管陰 極上電壓過沖和磁控管電流相對更快的上升時間。第二脈沖隨后能通 過切換S2打開和閉合而運用更短的脈沖序列。第二脈沖內(nèi)的每個脈 沖可以以電壓過沖和相對快的電流上升開始。具體而言，每次S2接 通時，磁控管放電從時間t2-h開始。在時期^-t3內(nèi)，來自線圈L的 能量被放電到磁控管中。在第二脈沖的子脈沖系列結(jié)束時，磁控管放 電電流在開關(guān)Sl斷開時的時間t!后衰退，直至線圈L中存儲的剩余 能量^U丈電。在to前開關(guān)Sl的斷開時間內(nèi)，電容器C^皮充電，并且 等離子體密度衰退而無任何能量輸入。
圖10中示出圖7的第三操作沖莫式。此^t式可以稱為脈沖預(yù)電離模 式。此模式是圖8的第一模式和圖9的第二模式的交替序列，表現(xiàn)為 在根據(jù)圖8的模式為主HIPIMS脈沖的第 一脈沖內(nèi)，形成第二脈沖的 多個子脈沖。這樣，在第二脈沖中存在類似于第一模式的脈沖，這些 脈沖可以在開關(guān)Sl的第一脈沖時期內(nèi)使用以確保通過仍保持低的平 均放電功率，等離子體密度的衰退不會太快。因此，此示例模式可視 為前兩個示例模式的組合要素。在圖10的示例中，在S1圖形中，第 一長脈沖對應(yīng)于根據(jù)第二操作模式的脈沖，而三個連續(xù)的脈沖涉及第 一模式，"高頻率"操作模式(參見圖8)。兩個模式之間的比率可根據(jù)技 術(shù)需要進行選擇。因此，在一個示例中，第一脈沖和第二脈沖可定期在第一模式(圖8)與第二模式(圖9)之間更改。如上所述，圖10的模式
可相應(yīng)地表征為第二模式的頻率("主頻率")與第一才莫式的特性交替。
任一才莫式中第一脈沖的主頻率可以是lHz-10kHz,優(yōu)選示例發(fā)生在 10Hz到lkHz之間。在一個模式中，可以使用0.2微秒到100微秒， 優(yōu)選為2微秒到20微秒的接通時間(時期t一o)。第 一脈沖斷開時間期 間第二脈沖的子脈沖接通時間可以為0.2微秒到IO微秒，優(yōu)選示例在 1微秒到5微秒之間。在此才莫式中，第一脈沖的占空比可以在0.1%與 10%之間。任一模式的許多示例均存在，因為在第一開關(guān)S1斷開時間 內(nèi)第二脈沖的子脈沖占空比可以具有許多不同的值。例如，在斷開時
間(At。n)/(At。n+At。ff)內(nèi)，第二脈沖的子脈沖占空比范圍可以從0.01%到 20%。另外，與第一示例;f莫式中要素不同的其它類型的脈沖可以在第 二脈沖內(nèi)使用。
圖8-10的任一示例可用作向生成濺射以在村底上產(chǎn)生涂層的設(shè) 備實施電壓脈沖的方法。在示例方法中，笫一脈沖纟皮施加到第一開關(guān) 以便從電源為磁控管充電。示例方法也包括向第二開關(guān)施加第二脈沖 以便將磁控管放電的步驟。在此示例方法中，第一脈沖和第二脈沖可 以包括圖8-10的示例。
可以設(shè)計圖7的一個示例，其中，線圈"
對于每lkV,
可以有l(wèi)kA/lps的充電，其中，L在一個示例中等于1 pH。線圈L 可以在O.l到100nH的范圍中。
可以設(shè)計圖7的一個示例，其中，電容器 * 。在高頻率模 式中，對于每lkA，有10V/lps的放電。電容器C可以等于1 pF。
盡管通過高電壓、高電流、相對快的開關(guān)實現(xiàn)另外的電子儀器存 在技術(shù)復(fù)雜性(如圖7的第一示例中的一樣)，但本發(fā)明本身的生成器 可以相對更小、更便宜和更快。在脈沖之間的時延更短時，在脈沖之 間為電容器充電而輸送的能量相對更小，并且電容器可具有更低的電 容，這導(dǎo)致了更小的尺寸和更低的成本。線圈L的變換效應(yīng)允許在電源中使用相對更低的電壓。因此，電源的成本可以降低。另外，更小 的電容器允許調(diào)節(jié)反饋環(huán)路的延遲更小。
每個這些優(yōu)點有助于形成可靠、可重復(fù)、無電弧的工藝，這些工
藝是對顆粒敏感的襯底的短時間處理(200毫秒到10分鐘)的關(guān)鍵特 性，如半導(dǎo)體晶片、薄膜磁頭、MEMS、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲、磁性數(shù)據(jù)存 儲々某體或平板顯示器的處理。本發(fā)明的其它優(yōu)點涉及在斷續(xù)器開關(guān)S2 接通時斷續(xù)器斷開時間的有益效應(yīng)。在此時期內(nèi)，靶電壓切換為正值。 來自等離子體的一些電子最終在靶上并且等離子體電勢到達正值。鞘 層、預(yù)鞘層及等離子體中存在的離子現(xiàn)在從靶被向襯底和壁加速。單 個脈沖的效應(yīng)取決于沖斷開時間和把電壓。最終效應(yīng)部分取決于重 復(fù)頻率。效應(yīng)也取決于開關(guān)S2沿線圈L的接觸點。此接觸點可稱為 抽頭。在線圈L的磁控管末端與抽頭之間存在的更多繞組將產(chǎn)生更高 的電壓變換效應(yīng)、在斷開時間內(nèi)在靶上更高的正電壓以及更高的離子 能量和從耙附近區(qū)域相對更快的離子耗盡。
本發(fā)明的第一示例可與使用電源的濺射裝置一起使用，例如與圖 7的示例一起使用。使用此電源和使用任何模式的切換方法的第一示 例的膜淀積方法可用于在前端半導(dǎo)體晶片處理中溝槽和通孔的金屬 化。對于穿孔/晶片通孔，該方法也可用于硅的深通孔中一般金屬化、 浸潤或種子層。例如，第二脈沖和第二開關(guān)沿感應(yīng)器線圈的位置均可 以調(diào)整以便為襯底提供所需的涂層以及用于在村底上形成一個或多 個層。另外層的示例可以是浸潤層或種子層。該方法也可用于根據(jù)斷 續(xù)器斷開時間和/或線圈抽頭的位置，優(yōu)化溝槽和/或通孔中的底部和/ 或側(cè)壁覆蓋。在另一示例中，通過調(diào)整斷續(xù)器斷開時間和/或線圈抽頭 的位置，該方法可用于優(yōu)化到村底的離子通量。通過調(diào)整第二脈沖斷 開時間(即，斷續(xù)器斷開時間)和/或調(diào)整第二開關(guān)沿感應(yīng)器線圈的位置， 也可優(yōu)化淀積速率。因此，可獲得許多應(yīng)用希望得到的不同且相對更 高的淀積速率。使用帶有更多可切換抽頭的線圈，如可調(diào)整與開關(guān)S2 的接觸點的線圈，或者更改線圈L,這有助于找到設(shè)備的最佳水平。此類效應(yīng)可用于優(yōu)化到襯底的離子通量及離子能量。襯底上的半導(dǎo)體 晶片或其它結(jié)構(gòu)中的溝槽和通孔的底部和側(cè)壁覆蓋也可以優(yōu)化。此 外，通過調(diào)整第二脈沖(即，斷續(xù)器斷開時間)和/或調(diào)整線圏抽頭的位 置，如沿感應(yīng)器抽頭調(diào)整第二開關(guān)，笫一示例的方法可用于優(yōu)化膜應(yīng) 力、微結(jié)構(gòu)、機械性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)及涂層的其它性質(zhì)。
通過本發(fā)明的脈動方法，可以部分補償HIPIMS應(yīng)用中與DC磁
控管濺射相比相對更低的特定速率的上述缺陷。在斷續(xù)器接通時間的
持續(xù)時間與穿過靶鞘層和預(yù)鞘層的離子飛行時間匹敵(在大約0.2微秒 到5微秒范圍內(nèi))時，可能限制相當大部分的離子化濺射顆粒一皮拉回 耙。通過在離子到達把前，斷續(xù)器斷開時間產(chǎn)生逆向的電場和加速， 可禁止顆粒纟皮拉回靶。
圖11-14包括有助于示出早期電弧檢測益處的多個實驗結(jié)果。圖 11是示出使用鈦(Ti)靶的實驗的曲線圖。此實驗顯示在電弧發(fā)生時鈥 靶的電壓和靶的電流。圖12是示出使用鉭(Ta)靶的實驗的曲線圖。此 實驗顯示在電弧發(fā)生時鉭靶的電壓和靶的電流。圖13是示出實驗和 電弧對電壓影響的曲線圖。圖14是示出實驗和電弧對電流影響的曲 線圖。此曲線圖示出電流如何在電弧發(fā)生時在更大值保持更長時段。
圖15中示出了使用電弧檢測的本發(fā)明的第二示例。基本構(gòu)想是在 檢測到電弧在形成或開始形成后，防止或禁止在磁控管陰極附近的位 置形成電弧。圖15的示例包括至少一個檢測器。檢測器可以是諸如 電壓表(V)或安培表(A)等儀表。在其它示例中，檢測器可以是能監(jiān)視 安培、伏特或多個指示以檢測電弧在形成的一種裝置。在圖15的示 例中，兩個檢測器， 一個電壓表(V)和一個安培表(A)放置在磁控管附 近，并且可操作連接到磁控管。電壓表(V)和安培表(A)配置用于檢測 電弧在形成。要理解，在其它示例中，只提供一個檢測器，并且在其 它示例中，可在各種位置提供其它檢測器，包括在磁控管附近的位置。 當提供一個檢測器時，它可以是電壓表或安培表，配置為檢測電弧在 形成或開始形成。圖15的示例也可包括帶有陰極和陽極的磁控管、
19位于磁控管附近且用于濺射原子以便在襯底上產(chǎn)生涂層的靶、可操作 連接到磁控管的電源、可操作連接到電源的至少 一個電容器C及可操 作連接以便為磁控管充電和配置為根據(jù)第一脈沖為磁控管充電的第
一開關(guān)S1。電源可以是DC電源。
在圖15的示例中，第二開關(guān)S2^皮放置靠近磁控管的陰極。開關(guān) S2通常是打開的，并且允許脈動操作。在檢測到電弧時，開關(guān)S2接 通，并且在磁控管陰極與陽極之間形成有效的捷徑。在開關(guān)S2形成 捷徑的同時，開關(guān)S1可斷開。備選，在開關(guān)S2接通以形成能量的捷 徑時，開關(guān)Sl可在開關(guān)S2一皮激活之前或之后很短的時期接通。切換 的效應(yīng)在圖16中示出。因此，第一開關(guān)Sl也可以4皮控制以響應(yīng)至少 一個檢測器檢測到電弧形成。開關(guān)Sl可纟皮控制以禁止或限制電弧的 形成。除第二開關(guān)外還控制第一開關(guān)，這提供了設(shè)備中能量的另外控 制。在此示例中，也可以提供電感。電感可以是線圈L，它也可與圖 15電弧檢測示例一起使用，其中，線圈可操作連接到至少一個電容器 C，并且線圏配置為限制磁控管放電電流的上升時間，并且限制電弧 發(fā)生時的峰值電 流。
除圖15中所示方案還使用電感的圖17中示出電弧檢測設(shè)備的另 一示例。在此示例中的電感是線圈L2,但其它示例可用于提供電感。 線圈L2與現(xiàn)有技術(shù)圖3的線圈Ll在HIPIMS操作期間具有類似的功 能，即，限制磁控管放電電流的上升時間。圖17中的線圈L2也限制 電弧發(fā)生時的峰值電流。因此，此示例還包括可操作連接到至少一個 電容器C并配置為限制磁控管放電電流的上升時間和限制電弧發(fā)生時 的峰值電流的線圏。如圖15所示，第二開關(guān)S2可以在沿線圈的某個 點操作連接。在檢測到電弧之后，優(yōu)選直接在陰極將時延降到最低， 將開關(guān)S2接通并在沿線圏連接開關(guān)S2的點與磁控管陽極之間形成有 效捷徑。這甚至產(chǎn)生了磁控管陰極上電壓為零的更短的時間，之后是 通過線圏L2的自動變換效應(yīng)形成的正電壓。捷徑有助于相對更快地 消滅(extinguish)電弧。圖18中示出響應(yīng)電弧檢測的切換效應(yīng)。第二開關(guān)S2位于靠近陰極的位置以便對電弧檢測快速做出反應(yīng)。
本發(fā)明的第一示例和第二示例的組合在圖19中所示的第三示例
中示出。圖19相對于圖7是類似的，但在其設(shè)計中包括一些不同。 例如，圖19組合電容器C中存儲的能量和線圈L的有效效應(yīng)。如圖 所示，開關(guān)S2可在沿線圈L的某個點連接以產(chǎn)生斷續(xù)器效應(yīng)。在此 設(shè)計中使用兩個開關(guān)Sl和S2。開關(guān)Sl打開到線圏L的電容器組， 并且S2用作斷續(xù)器開關(guān)。線圈L具有在HIPIMS操作期間與現(xiàn)有技 術(shù)的圖2中線圈Ll類似的功能。因此，圖19中的線圏L也限制磁控 管放電電流上升的斜率。線圈L也限制電弧發(fā)生時的峰值電流。圖19 的示例也可以包括帶有陰極和陽極的磁控管和位于磁控管附近且用 于濺射原子以在襯底上產(chǎn)生涂層的靶。在圖19中，DC電源將電容器 組C充電到起始電壓。該電壓可通過帶有某一電感L^和電阻R^的 電纜放電到磁控管中。如圖所示，圖19還包括測量電流和電壓的電 弧檢測設(shè)備。在此示例中，電弧檢測由可操作連接到磁控管的至少一 個檢測器執(zhí)行，其中，磁控管配置用于^r測電弧在形成。電弧形成的 檢測激活第二開關(guān)S2以禁止電弧的形成。因此，通過使設(shè)備對檢測 到電弧形成或開始形成做出反應(yīng)，檢測降低了電弧的有害效應(yīng)。在開 關(guān)S2形成有效捷徑的同時，開關(guān)S1可斷開。備選，在開關(guān)S2接通 以形成能量的捷徑時，開關(guān)Sl可在開關(guān)S2被激活之前或之后短時期 4姿通。因此，第一開關(guān)Sl也可以祐:控制以響應(yīng)至少一個^r測器^r測 到電弧。電弧;險測的其它示例在技術(shù)領(lǐng)域已熟知，并且也可應(yīng)用到此 示例。對于圖19的斷續(xù)器和線圈L，使用lkV的》丈電電壓，其中， 正斷開時間電壓100V抽頭在離》茲控管末端10%處。對于圖17的電容 器C，對于每lkA,有100V/200ps的放電。電容器C可等于50pF， 其中，電容器C是在0.1到100pF的范圍內(nèi)。
圖19的示例也配置為提供為圖7所述的脈動方法，其中，第一開 關(guān)Sl根據(jù)第一脈沖為磁控管充電，并且第二開關(guān)S2根據(jù)第二脈沖將 磁控管放電。用于圖7的三個示例才莫式的任何才莫式可以與圖19的兩個開關(guān)一起使用。在陰極上具有更多電子是一種技術(shù)復(fù)雜性。不過， 帶有更低生成器電壓和更小電容器的更小、更便宜和更快的生成器是 圖19的設(shè)計的優(yōu)點。
本發(fā)明已參照上述示例實施例描述。在閱讀和理解此說明書后， 其他人將明白修改和變化。包含本發(fā)明的 一個或多個方面的示例實施 例旨在包括落在隨附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有此類修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于生成靶濺射以在襯底上產(chǎn)生涂層的設(shè)備，包括磁控管，包括陰極和陽極；電源，可操作連接到所述磁控管；至少一個電容器，可操作連接到所述電源；電感，可操作連接到所述至少一個電容器；第一開關(guān)，將所述電源可操作連接到所述磁控管以便為所述磁控管充電，并配置用于向所述磁控管實施第一脈沖；以及第二開關(guān)，可操作連接以便將所述磁控管放電并配置為根據(jù)第二脈沖將所述磁控管放電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所迷電感是線圈，并且所述 第二開關(guān)在沿所述線圏的某個點可操作連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括 帶有電感和電阻的電纜用于將所述至少一個電容器的起始電壓放電到所述磁控管中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3任一項所述的設(shè)備，其中所述第一脈沖和 所述第二脈沖具有在0.2微秒與5微秒之間的接通時間和斷開時間。
5. —種用于生成靶濺射以在襯底上產(chǎn)生涂層的設(shè)備，包括 磁控管，包括陰極和陽極；電源，可操作連接到所述磁控管；至少一個電容器，可操作連接到所述電源；第 一 開關(guān)，可操作連接以便為所述磁控管充電并配置為根據(jù)第一 脈沖為所述磁控管充電；以及至少一個檢測器，可操作連接到所述磁控管，其中所述至少一個 檢測器配置用于檢測在形成的電??；以及笫二開關(guān)，可操作連接以將所述磁控管放電并配置為將所述磁控管力丈電，并在所述至少一個檢測器檢測到所述電弧形成時，禁止所述電弧的形成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，還包括電感，可操作連接到所述至少一個電容器并配置為限制磁控管放 電電流的上升時間和限制電弧發(fā)生時的峰值電流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述電感是線圈，并且所述 第二開關(guān)在沿所述線圏的某個點可操作連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5到7任一項所述的設(shè)備，其中所述第二開關(guān)位 于靠近所述陰極的位置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5到8任一項所述的設(shè)備，其中響應(yīng)所述至少一 個檢測器檢測到所述電弧，控制所述第一開關(guān)。
10. —種用于生成靶濺射以在村底上產(chǎn)生涂層的設(shè)備，包括 磁控管，包括陰極和陽極；電源，可操作連接到所述磁控管； 至少一個電容器，可操作連接到所述電源； 電感，可操作連接到所述至少一個電容器； 第一開關(guān)，可操作連接以便為所述磁控管充電并配置為根據(jù)第一 脈沖為所述》茲控管充電；以及第二開關(guān)，可操作連接以便將所述磁控管放電并配置為根據(jù)第二脈沖將所述磁控管放電；以及至少一個檢測器，可操作連接到所述磁控管；其中所述至少一個檢測器配置用于檢測電弧的形成；以及其中所述電弧的檢測激活所述第二開關(guān)以禁止所述電弧的所述形成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述電感是線圈，并且所 述第二開關(guān)在沿所述線圈的某個點可操作連接。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或權(quán)利要求11所述的設(shè)備，還包括 帶有電感和電阻的電纜，用于將所述至少一個電容器的起始電壓放電到所述磁控管中。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10到12任一項所述的設(shè)備，其中響應(yīng)所述至少一個檢測器檢測到所述電弧，控制所述第一開關(guān)。
14. 一種用于生成靶濺射以在襯底上產(chǎn)生涂層的設(shè)備，包括 磁控管，包括陰極和陽極；電源，可操作連接到所述磁控管；至少一個電容器，可操作連接到所述電源；線圈，可操作連接到所述至少一個電容器；第一開關(guān)，將所述電源可操作連接到所述磁控管以便為所述磁控 管充電，并配置用于向所述磁控管實施第一脈沖；第二開關(guān)，可操作連接以便將所述磁控管放電并在沿所述線圈的 某個點連接，其中所述第二開關(guān)配置為根據(jù)第二脈沖將所述磁控管放 電；至少一個檢測器，可操作連接到所述磁控管，其中所述至少一個 檢測器配置用于檢測在形成的電?。灰约捌渲许憫?yīng)所述至少一個檢測器檢測到所述電弧，控制所述第 一開 關(guān)和所述第二開關(guān)以禁止所述電弧的形成。
15.方法，包括以下步驟將第一脈沖施加到第一開關(guān)以便從電源為磁控管充電；以及 將第二脈沖施加到第二開關(guān)以便將所述磁控管》欠電。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述笫一脈沖包括在為電容器充電期間用于所述第一開關(guān)的較 長斷開時間；以及在所述第二脈沖激活所述第二開關(guān)前，所述第一開關(guān)^f皮激活以便 在線圈中存儲能量時經(jīng)過4交短的時間，其中所述第二開關(guān)的激活造成 所述磁控管的放電。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中 所述第一脈沖的頻率在lkHz與20kHz之間；所述第一脈沖具有在0.1%與10%之間的占空比；以及所述第一 脈沖的接通時間在2微秒與20微秒之間。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15到17任一項所述的方法，其中所述第 一脈沖和所述第二脈沖定期在第一^t式與第二^t式之間更改；所述第一;f莫式包括所述第一脈沖，所述第一脈沖包括在為電容器 充電期間用于所述第一開關(guān)的較長斷開時間；以及在所述第二脈沖激 活所述第二開關(guān)前，所述第一開關(guān)被激活以便在線圈中存儲能量時經(jīng) 過較短的時間，其中所述第二開關(guān)的激活造成所述磁控管的放電；以 及所述第二沖莫式包括所述第一脈沖，所述第一脈沖包括較長的脈沖 以便向所述磁控管實施電壓；以及所述第二脈沖是一系列的短脈沖。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第二模式包括 所述第一脈沖的頻率在10Hz與lkHz之間；所述第一脈沖具有在0.1%與10%之間的占空比；所述第一脈沖的接通時間在2微秒與 20微秒之間；在所述第一脈沖未激活所述第一開關(guān)時，所述第二脈沖具有在 0.01%與20%之間的占空比；以及在所述第一脈沖具有斷開時間時，所述第二脈沖的4妄通時間在1 微秒到5微秒之間。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15到19任一項所迷的方法，其中 所述第 一脈沖是較長的脈沖以便向所迷磁控管實施電壓；以及 所述第二脈沖是一 系列的短脈沖。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中 所述第一脈沖和所述第二脈沖的頻率在10Hz與lkHz之間； 所述第一脈沖具有在0.1%與10%之間的占空比；所述笫 一脈沖的接通時間在2微秒與20微秒之間；以及 所述第二脈沖具有在30%與99%之間的占空比。
22. 根據(jù)權(quán)利要求15到21任一項所述的方法，還包括以下步驟 通過調(diào)整所述第二脈沖或通過沿感應(yīng)器線圈調(diào)整所述第二開關(guān)的位置，優(yōu)化所述襯底上溝槽或通孔的覆蓋。
23. 根據(jù)權(quán)利要求15到22任一項所述的方法，還包括以下步驟 調(diào)整所述第二脈沖，并沿感應(yīng)器線圈調(diào)整所述第二開關(guān)的位置以便為所述村底提供所需涂層和在所述襯底上形成至少一個層。
24. 根據(jù)權(quán)利要求15到23任一項所述的方法，其中 調(diào)整所述第二脈沖，并沿感應(yīng)器線圈調(diào)整所述第二開關(guān)的位置以便優(yōu)化所述涂層的膜應(yīng)力、微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)或光學(xué)性質(zhì) 中的至少一個。
25. 根據(jù)權(quán)利要求15到24任一項所述的方法，還包括以下步驟 通過使用至少一個檢測器檢測電弧在形成；以及激活所述第二開關(guān)以便響應(yīng)檢測到所述電弧將所述磁控管放電，以禁止所述電弧的形成。
26. —種用于制造有涂層襯底的方法，包括如權(quán)利要求15到25 任一項所述方法。
全文摘要
提供了一種用于生成靶濺射以在襯底上產(chǎn)生涂層的設(shè)備。設(shè)備包括帶陰極和陽極的磁控管。電源可操作連接到磁控管，并且至少一個電容器可操作連接到電源。設(shè)備也包括可操作連接到該至少一個電容器的電感。也提供了第一開關(guān)和第二開關(guān)。第一開關(guān)將電源可操作連接到磁控管以便為磁控管充電，并且第一開關(guān)配置為根據(jù)第一脈沖為磁控管充電。第二開關(guān)可操作連接以便將磁控管放電。第二開關(guān)配置為根據(jù)第二脈沖將磁控管放電。
文檔編號H01J37/34GK101589450SQ200780045842
公開日2009年11月25日 申請日期2007年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月12日
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