專利名稱：磁控濺鍍裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及在襯底上沉淀膜的裝置和方法，尤其涉及一種用于將材料沉淀到襯底上的反應(yīng)磁控濺鍍裝置和技術(shù)，在所述裝置和技術(shù)中，所沉淀的膜具有預(yù)定的厚度分布，且所述裝置可連續(xù)和重復(fù)的操作非常長(zhǎng)的時(shí)間。
背景技術(shù)：
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(chǎn)生。這些離子由電場(chǎng)加速到靶陰極之中并導(dǎo)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(dāng)?shù)奈恢靡允蛊浣厝∷鶉娚涑龅脑拥囊徊糠?。因此，靶材料鍍膜就沉淀在所述襯底的表面上。
濺鍍鍍膜是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的技術(shù)，用于在襯底上沉淀材料薄膜。濺鍍是由于氣體離子轟擊靶而導(dǎo)致的材料從靶上的物理噴射。在這種技術(shù)的一種形式，即已知的DC濺鍍中，形成于陽(yáng)極和靶陰極之間的由等離子體放電所產(chǎn)生的正離子被吸引到所述靶陰極并撞擊所述靶陰極，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并形成鍍膜。在反應(yīng)濺鍍中，氣態(tài)類物質(zhì)也出現(xiàn)在所述襯底表面并與來自所述靶表面的原子發(fā)生反應(yīng)，在一些實(shí)施例中是與這些原子結(jié)合，以形成理想的鍍膜材料。
在操作中，當(dāng)使氬進(jìn)入鍍膜腔時(shí)，加在所述靶陰極與所述陽(yáng)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(fù)電荷靶。所述離子用大量的能量撞擊所述靶并導(dǎo)致靶原子或原子團(tuán)從所述靶濺出。所述濺出的靶材料中的一些撞擊要進(jìn)行鍍膜的晶片或襯底材料并沉淀在所述晶片或襯底材料上，因此就形成了膜。
為了獲得增加的沉淀速度并降低操作壓力，目前已采用了提高磁性的靶。在平面磁控管中，所述陰極包括永磁體，所述永磁體以閉環(huán)方式布置，并安裝于與平的靶板相對(duì)固定的位置處。所產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致電子在閉環(huán)內(nèi)移動(dòng)，所述閉環(huán)一般稱為“跑道”，所述跑道建立了一個(gè)通道或區(qū)域，靶材料的濺鍍或腐蝕沿著這個(gè)通道或區(qū)域發(fā)生。在磁控陰極中，磁場(chǎng)約束所述輝光放電等離子體并增加所述電子在電場(chǎng)的影響下移動(dòng)的路徑的長(zhǎng)度。這就會(huì)導(dǎo)致在所述氣體中原子與電子的碰撞幾率的增加，從而導(dǎo)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(shí)現(xiàn)
平面的和圓柱形的磁控管用在反應(yīng)或非反應(yīng)濺鍍中的一個(gè)限制是，通過濺鍍而沉淀的膜并沒有達(dá)到許多精密的用途中所要求的高度的均勻性或可重復(fù)性。
希望產(chǎn)生一種磁控濺鍍系統(tǒng)，這種濺鍍系統(tǒng)從設(shè)備到設(shè)備、從運(yùn)行批次到運(yùn)行批次穿過單獨(dú)的襯底增加產(chǎn)量和產(chǎn)品的均勻度，這是人們所希望的。設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)，尤其是所述陰極與要進(jìn)行鍍膜的物體之間的關(guān)系，對(duì)沉淀速度和鍍膜的面積以及產(chǎn)品質(zhì)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(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)可預(yù)測(cè)這種溢流。
在許多鍍膜設(shè)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(shí)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(dá)到臨界厚度，它就會(huì)剝落并促成顆粒的形成，而這些顆粒會(huì)降低所述鍍膜的質(zhì)量。清理焊縫并保持這樣的掩模也是很精致的工藝。所以，希望提供一種并不使用掩模的裝置。
已知使單獨(dú)的襯底圍繞其本身的軸旋轉(zhuǎn)的裝置的幾何結(jié)構(gòu)，這種裝置有一個(gè)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(jié)構(gòu)導(dǎo)致低的溢流且并不使用掩模。不過，這種結(jié)構(gòu)中會(huì)浪費(fèi)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(xué)院出版社，Dirac House，Temple Back，BristolBS1 6BE，UK，2001)和P.Baumeister所著的《光學(xué)鍍膜技術(shù)》(SPIE，Bellingham，WA)中找到。
可選的，在多個(gè)軸的行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上支撐多個(gè)襯底也是已知的。這種結(jié)構(gòu)在Macleod和Baumeister的文章中也進(jìn)行過描述。
將行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的中心軸放置在帶有所述陰極靶的中心點(diǎn)的軸上，這一點(diǎn)在發(fā)明人為Scobey的專利No.5,851,365和Baumeister的文章(9-37章)中都進(jìn)行過描述，在該文中提到，“建議將所述源放置在離所述旋轉(zhuǎn)中心不遠(yuǎn)的位置，以避免大的蒸汽碰撞角?！卑l(fā)明人為Bergfelt的專利No.4,222,345也公開了一種將每次旋轉(zhuǎn)的偏移降到最小的軸的幾何結(jié)構(gòu)，但這種裝置要求特制的掩?；驎?huì)導(dǎo)致大的溢流。所述陰極靶在的Bergfelt的專利中并沒有明確說明。似乎是一種點(diǎn)源。
發(fā)明人為Scobey的專利No.5,851,365中所公開的設(shè)備是一種相對(duì)較慢、大批量的機(jī)器，這種機(jī)器在行星驅(qū)動(dòng)器中處理15英寸的襯底。這種設(shè)備的尺寸使得將所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保持在良好的公差之內(nèi)變得很困難，進(jìn)而導(dǎo)致鍍膜質(zhì)量的變化和溢流。試圖通過增加批量來提高產(chǎn)量還受到增加的缺陷損失和減少的產(chǎn)出的限制。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種具有幾何結(jié)構(gòu)的磁控濺鍍鍍膜裝置，這種幾何結(jié)構(gòu)能夠提供快速的鍍膜，而保持高的鍍膜質(zhì)量并降低材料浪費(fèi)。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于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(shí)間來進(jìn)一步增加產(chǎn)量。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種濺鍍鍍膜裝置，這種裝置產(chǎn)生高質(zhì)量的鍍膜而無(wú)需使用掩模。
發(fā)明簡(jiǎn)述[17]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了通過降低周期時(shí)間而不是通過增加批量來提高產(chǎn)量。生產(chǎn)率的進(jìn)一步提高通過提高產(chǎn)品質(zhì)量和均勻度來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提供一種幾何結(jié)構(gòu)，這種幾何結(jié)構(gòu)通過大的陰極和行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的使用來提高鍍膜速度，同時(shí)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(diǎn)通過采用一種新的裝置幾何結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，這種裝置幾何結(jié)構(gòu)位于所述陰極與所述襯底之間并與中心行星軸準(zhǔn)直。
相應(yīng)地，本發(fā)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括中心旋轉(zhuǎn)軸和多個(gè)行星，所述行星放置在實(shí)質(zhì)上與所述中心旋轉(zhuǎn)軸等距的位置，每個(gè)行星具有適于獨(dú)自旋轉(zhuǎn)的次軸和限定鍍膜區(qū)域的直徑，每個(gè)行星適于支撐在物體平面中的一個(gè)或多個(gè)物體，其中從所述中心旋轉(zhuǎn)軸到所述次軸的距離包括所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)半徑；圓形陰極，所述圓形陰極包括靶，所述靶包括用于形成所述鍍膜的材料，所述鍍膜距所述物體平面有一個(gè)投射距離(throw distance)，所述陰極有中心點(diǎn)和陰極直徑，所述陰極直徑大于所述行星直徑并可達(dá)所述行星直徑的兩倍；用于向所述陰極提供電壓差的陽(yáng)極裝置；適于在運(yùn)行時(shí)抽成真空的、容納所述陰極和所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的腔；和向所述腔提供濺鍍氣流的氣體輸送系統(tǒng)；其中所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)半徑和所述投射距離介于所述行星直徑的一半和兩倍之間，以提供所述鍍膜質(zhì)量的最小徑溢流，而無(wú)需使用掩模。
本發(fā)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，所述靶包括用于形成所述鍍膜的材料，所述陰極有中心點(diǎn)；放置在距所述源有一個(gè)投射距離的位置上的行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括中心旋轉(zhuǎn)軸和多個(gè)行星，每個(gè)行星由適于獨(dú)自旋轉(zhuǎn)的次軸支撐，每個(gè)行星放置在距所述中心旋轉(zhuǎn)軸等距的位置，每個(gè)行星適于支撐物體以進(jìn)行二個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；用于向所述陰極提供電壓差的帶電陽(yáng)極裝置；適于在運(yùn)行時(shí)抽空以降低壓力的、容納所述陰極和所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(tǒng)；其中所述多個(gè)行星中的每一個(gè)都有一個(gè)直徑d，每個(gè)次軸以一個(gè)旋轉(zhuǎn)半徑r放置，以使0.85*d＜r＜1.3*d，所述陰極與所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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范圍，使所述陰極有一個(gè)在其中心點(diǎn)周圍的陰極直徑CD，以使d＜CD＜2*d。
附圖簡(jiǎn)述[20]在此將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施例進(jìn)行描述，在這些附圖中[21]

圖1是本發(fā)明的鍍膜系統(tǒng)的等軸測(cè)視圖，所述系統(tǒng)的一些外壁被刪去；[22]圖2是圖1中鍍膜腔的內(nèi)部的示意圖，該圖示出了所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)；[23]圖2A是本發(fā)明中陰極到行星幾何結(jié)構(gòu)的示意圖及其參數(shù)；[24]圖3是放置在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的鍍膜腔中的優(yōu)選陰極、陽(yáng)極和活性反應(yīng)源的示意圖；[25]圖3A是雙環(huán)陰極截面的示意圖，所述雙環(huán)陰極在符合本發(fā)明的AC磁控濺鍍裝置中替代圖3中的陰極和陽(yáng)極；[26]圖4A是與所述鍍膜腔中的行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)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(yáng)極的截面圖，其中所述陽(yáng)極位于所述鍍膜腔內(nèi)；[29]圖6是示意圖，表示模型的陰極到襯底幾何結(jié)構(gòu)，以限定本發(fā)明的參數(shù)； 圖7示出了根據(jù)所述模型，模擬不同投射距離(throw distance)的鍍膜聚集的數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線圖；[31]圖8示出了兩到十二個(gè)行星范圍內(nèi)的模擬溢流與行星半徑的函數(shù)的曲線圖；[32]圖9示出了根據(jù)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(jù)陰極位置的最佳投射距離的曲線圖；[34]圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的鍍膜裝置的實(shí)際測(cè)得的溢流的曲線圖，所述實(shí)際測(cè)得的溢流覆蓋根據(jù)模型模擬的溢流，這表示所述模擬的有效性。
發(fā)明詳述[35]本發(fā)明包括磁控濺鍍鍍膜裝置的獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)，這種優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)能夠以高的鍍膜速度和高的產(chǎn)量產(chǎn)生鍍膜。這種幾何結(jié)構(gòu)通過減少周期時(shí)間有效地提高產(chǎn)量。同時(shí)，根據(jù)對(duì)高的光膜質(zhì)量和高精度的需求，設(shè)計(jì)所述裝置的幾何結(jié)構(gòu)。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(chǎn)出還取決于高精度，以避免由于鍍膜厚度變化、件與件的變化或批次與批次的變化所導(dǎo)致的損失。
產(chǎn)出可限定為每個(gè)周期時(shí)間的負(fù)載大小乘以所述正常運(yùn)行時(shí)間的百分比。
產(chǎn)出＝負(fù)載大小/周期時(shí)間×正常運(yùn)行時(shí)間的百分比鍍膜腔的負(fù)載大小是在所述機(jī)器的一個(gè)周期所鍍膜的襯底的面積。鍍膜機(jī)的周期時(shí)間是其鍍膜一批襯底或其它物體所花費(fèi)的時(shí)間，包括在所述鍍膜之前和之后的所有輔助工序。這個(gè)時(shí)間實(shí)際上是進(jìn)行一個(gè)操作與進(jìn)行下批同樣一個(gè)的操作之間的時(shí)間。所述正常運(yùn)行時(shí)間的百分比是當(dāng)所述鍍膜裝置可用于進(jìn)行鍍膜的時(shí)間的百分比。剩余的百分比屬于設(shè)備整修、調(diào)節(jié)和修理等有計(jì)劃的和沒有計(jì)劃的停工時(shí)間。
周期時(shí)間包括裝載時(shí)間、準(zhǔn)備時(shí)間、實(shí)際鍍膜時(shí)間、鍍膜輔助操作時(shí)間和卸載時(shí)間。裝載時(shí)間是將所述襯底裝載到所述鍍膜裝置所要求的時(shí)間。準(zhǔn)備時(shí)間是編制所述工具的程序、調(diào)整鍍膜條件等所要求的時(shí)間。實(shí)際鍍膜時(shí)間是沉淀所述設(shè)計(jì)的層所要求的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間由所述一種或多種材料的物理沉淀速度所確定。鍍膜輔助操作時(shí)間是指實(shí)際鍍膜時(shí)間之外又加上的時(shí)間，是花在從一種材料轉(zhuǎn)換到下一種材料的時(shí)間，或在鍍膜之前和之后將所述沉淀的層加熱和逐漸冷卻的時(shí)間。卸載時(shí)間是將所述經(jīng)過鍍膜的襯底或物體從所述鍍膜裝置卸下所要求的時(shí)間。
在許多鍍膜裝置設(shè)計(jì)中，所述產(chǎn)量的最大化通過利用大的腔以增加所述裝載規(guī)模來實(shí)現(xiàn)。增加所述腔的尺寸使得控制所述鍍膜過程變得更加困難，并因此而典型地犧牲工藝精度。在本發(fā)明中，產(chǎn)量的最大化并不通過減少周期時(shí)間而損害效率。所述優(yōu)選實(shí)施例的裝載規(guī)模是六個(gè)200mm直徑的襯底。所述面積相當(dāng)于300英寸2。與現(xiàn)有技術(shù)中的用于沉淀同樣的鍍膜產(chǎn)品的大多數(shù)裝置如前面所述的Scobey裝置相比，這個(gè)規(guī)模是比較小的。而且，與本發(fā)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(duì)于相同的總功率來講，在所述較大的靶上的功率密度(每個(gè)靶面積的功率)小2到5倍。現(xiàn)在已觀察到所述電弧速度與所述功率密度有關(guān)。因此，本發(fā)明的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在所產(chǎn)出的膜中的低缺陷密度中實(shí)現(xiàn)，這就歸因于所述靶上的非常低的功率密度。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在所述反應(yīng)過程中實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，提供大的陰極來降低電弧，而保持高的沉淀速度。保持與所述較大陰極兼容的低溢流的幾何結(jié)構(gòu)要求較短的投射距離。在所述反應(yīng)過程中，這種較短的投射距離能夠使所述反應(yīng)源放置得離所述襯底更近，而并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(yīng)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，并有助于本發(fā)明中的氧化物的3到5倍的更高鍍膜速度。對(duì)于反應(yīng)鍍膜過程，采用1.35nm/s的平均鍍膜速度，根據(jù)本發(fā)明即可產(chǎn)生405in2nm/s，不包括轉(zhuǎn)換靶或裝載和卸載部件的任何時(shí)間。這個(gè)產(chǎn)量比Scobey裝置的產(chǎn)量要高30％，而所述周期時(shí)間有可能短3到5倍。對(duì)于制造過程來講，這是一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。這樣短的鍍膜時(shí)間能夠允許采用更多更快的，所述反饋回路可提高質(zhì)量和產(chǎn)量。這就能夠根據(jù)用戶的需求變化實(shí)現(xiàn)較短的開發(fā)周期和做出更好的反應(yīng)。
所述濺鍍鍍膜裝置的優(yōu)選實(shí)施例在圖1中示出，該實(shí)施例包括一般用1表示的預(yù)真空鎖腔，和鍍膜腔2，在所述鍍膜腔2和所述預(yù)真空鎖腔1之間有一個(gè)閘式閥3。陰極12和行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14安裝在所述鍍膜腔2中，所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于支撐進(jìn)行鍍膜的襯底或其它物體23。
所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14在圖2中更詳細(xì)地示出，該行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14包括主圓柱形平臺(tái)16，所述平臺(tái)16可圍繞中心旋轉(zhuǎn)軸30旋轉(zhuǎn)并帶有多個(gè)如6個(gè)行星17，所述行星17從所述平臺(tái)伸出，每個(gè)行星17可圍繞其本身的次軸40獨(dú)自旋轉(zhuǎn)。獨(dú)自旋轉(zhuǎn)可包括協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)速度，所述協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)于圍繞所述中心旋轉(zhuǎn)軸30的旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選所述次軸平行于所述中心旋轉(zhuǎn)軸30，但也可以成其它的一些角度。優(yōu)選所述陰極12的中心點(diǎn)C(圖2A)與所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14的中心旋轉(zhuǎn)軸30準(zhǔn)直，這樣就限定了所述裝置的中心軸?？蓪⑺鲫帢O12從所述中心旋轉(zhuǎn)軸移位，移位距離可達(dá)所述陰極直徑的三分之一。放置每個(gè)行星17，以使每個(gè)行星17處于大致相同的條件下。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)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(duì)的襯底或其它的物體。優(yōu)選磁鎖閂的更詳細(xì)描述在美國(guó)專利No.10/968,642中公開，該專利由本發(fā)明的受讓人所擁有并通過參考合并到本發(fā)明中。所述裝置在本文中的向上濺鍍結(jié)構(gòu)中進(jìn)行描述。不過，本發(fā)明的幾何結(jié)構(gòu)也可同樣地用于向下、水平或其它方向?yàn)R鍍。
本發(fā)明的幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)在圖2A中示出。一般用14所表示的行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有中心旋轉(zhuǎn)軸30和以旋轉(zhuǎn)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(gè)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位于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(cè)得。陰極12有一個(gè)用C標(biāo)明的中心點(diǎn)和陰極直徑CD。所示出的陰極中心軸50由中心旋轉(zhuǎn)軸30經(jīng)陰極位移距離52轉(zhuǎn)變而成。
行星鍍膜幾何結(jié)構(gòu)中的行星以距所述中心旋轉(zhuǎn)軸30的一個(gè)一般距離r放置。通常希望將所述行星排列得盡可能地近，以利于涂層材料的最佳使用。每個(gè)行星可支撐單個(gè)或多個(gè)襯底、光學(xué)棱鏡、透鏡或其它物體23。要進(jìn)行鍍膜的物體23可包括放置在支撐襯底上的多個(gè)較小的單獨(dú)部件。所述行星直徑d僅限定每個(gè)行星17的可用鍍膜面積。該結(jié)構(gòu)的行星17本身并不需要這種尺寸，但其能夠支撐這種直徑的襯底23或在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行鍍膜的多個(gè)物體23。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如大體積光學(xué)裝置這樣的大型物體可具有達(dá)32mm的厚度。所述行星驅(qū)動(dòng)安裝或所述陰極安裝中的高度調(diào)節(jié)裝置允許對(duì)不同的襯底或物體厚度進(jìn)行投射距離補(bǔ)償。對(duì)行星直徑d、行星數(shù)量n和行星之間所要求的間隔s來講，每個(gè)行星圍繞所述中心旋轉(zhuǎn)軸30進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的半徑r由以下等式給出，此時(shí)達(dá)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定位于所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14的軸30上，所述鍍膜方法就符合于所述多個(gè)襯底23。離軸幾何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高的和低的鍍膜速度區(qū)，這些速度區(qū)必須通過較高的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行平衡，以將一個(gè)行星到下一個(gè)行星的厚度變化降到最小。因此，所述中心旋轉(zhuǎn)軸30的旋轉(zhuǎn)速度可大大低于非對(duì)稱裝置的旋轉(zhuǎn)速度。這樣做是理想的，因?yàn)樗鲚^低的旋轉(zhuǎn)速度減少所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14的磨損，進(jìn)而產(chǎn)生較少的降低所述涂層質(zhì)量的顆粒。
圖3所示出的具有涂層材料靶24的陰極12的直徑大于通過舉例說明的現(xiàn)有技術(shù)中具有5到8個(gè)行星的緊密封裝行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直徑，這有助于提高所述鍍膜速度且具有較低的缺陷。所述陰極直徑CD大于所述行星直徑d且小于所述行星直徑d的兩倍。所述較大的陰極直徑降低所述靶24的功率密度，盡管在所述陰極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(dǎo)致的電弧降到最小。所述熱負(fù)荷分布在較大的陰極區(qū)域，這樣就易于所述靶的冷卻。由于材料從較大的區(qū)域?yàn)R鍍，所以，與從較小的靶濺鍍相同數(shù)量的涂層材料相比，在所述靶表面的腐蝕速度就較慢。此外，更多的涂層材料就可以使用，這樣就延長(zhǎng)了更換靶的時(shí)間。具有圓柱形對(duì)稱如圓形或環(huán)形源的靶24是所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14的對(duì)稱的最佳匹配。尤其對(duì)于較大的陰極直徑來說，“圓形的”理解為包括環(huán)形幾何形狀。優(yōu)選陰極的更詳細(xì)描述在美國(guó)專利No.11/177,465中公開，該專利由本發(fā)明的受讓人所擁有并通過參考合并到本發(fā)明中。
在本發(fā)明的幾何結(jié)構(gòu)中，增加所述投射距離t使得所述靶看上去更像一個(gè)點(diǎn)源并逐漸導(dǎo)致位于所述行星區(qū)域的中間的鍍膜厚重區(qū)域。減少所述投射距離t以在所述行星區(qū)域的圓周增加涂層。產(chǎn)出低徑向溢流的理想關(guān)系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(yōu)化所述投射距離，以將溢流降到最低。對(duì)六個(gè)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(jìn)行了計(jì)算。令人驚訝的是，所述陰極直徑可增加到1.5到兩倍于所述行星的尺寸，而對(duì)所述低溢流沒有太大的影響。若超過這個(gè)尺寸，所述溢流就會(huì)迅速地增加。在陰極直徑大于所述行星直徑的兩倍以上的情況下，對(duì)低溢流涂料將會(huì)需要采用掩模。
利用大的陰極的脈沖DC磁控濺鍍是優(yōu)選的方法。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)0.25英寸厚、直徑為12英寸的鍍膜材料靶安裝在所述機(jī)器中。結(jié)合高利用率，這種鍍膜材料的數(shù)量可持續(xù)許多批次。在所述優(yōu)選實(shí)施例中，在連續(xù)設(shè)備運(yùn)行的情況下，所述機(jī)器僅需每周整修一次。通過增加所述靶的體積或利用多個(gè)具有相同涂層材料的陰極可延長(zhǎng)這個(gè)時(shí)間段。作為選擇，本發(fā)明也可在DC磁控管和AC磁控濺鍍中實(shí)現(xiàn)。
至少一個(gè)陰極12安裝在所述鍍膜腔2內(nèi)?？商峁┝硗獾年帢O12，以在出現(xiàn)故障或在一個(gè)陰極12中的涂料供應(yīng)用完的情況下備用。作為選擇，可提供幾個(gè)不同的陰極12，以使不同的涂料能夠連續(xù)地沉淀而并不將所述處理腔2打開而暴露在空氣中。光學(xué)涂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(gè)或更多(在此情況下是三個(gè))不同的濺鍍陰極12之中的一個(gè)在沉淀腔中的精確相同的位置的高度準(zhǔn)確的放置。在此實(shí)施例中，所述兩個(gè)、三個(gè)或更多的陰極12放置在旋轉(zhuǎn)固定裝置62上，以使所述陰極12可通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)快速而準(zhǔn)確地定位。所述旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)底座62位于具有所述裝置的中心軸的軸上。如圖4A所示，陰極1位于所述鍍膜位置之中。通過將所述底座旋轉(zhuǎn)120或240度，所述三個(gè)陰極中的任何一個(gè)可在所述鍍膜位置中定位。所述陰極底座62的內(nèi)部處于大氣壓力下，如圖4B所示。所述底座62有一個(gè)避免真空的可旋轉(zhuǎn)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處于大氣壓力之下并通過所述腔壁32傳送到所述陰極底座62之外。本發(fā)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(shí)可以被調(diào)節(jié)(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。這樣的裝置可基于其它的旋轉(zhuǎn)或線性轉(zhuǎn)換。圖4B所示的伸縮式光閘66可以關(guān)閉以保護(hù)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(jìn)行調(diào)節(jié)或保持在高溫。在所述打開位置中，所述光閘66并不對(duì)從所述靶到所述襯底的涂料流造成大的阻礙。
可對(duì)所述陰極12的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以通過移動(dòng)所述陰極12的安裝平臺(tái)或所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14或?qū)Χ叨家苿?dòng)來改變所述投射距離。這可通過手動(dòng)或啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)來進(jìn)行。也可以進(jìn)行這樣的調(diào)節(jié)，以改進(jìn)不同材料的幾何結(jié)構(gòu)，或在所述靶使用中腐蝕時(shí)保持所述距離。在所述優(yōu)選實(shí)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(gè)行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高度可通過受控電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。所述調(diào)節(jié)可在所述處理腔處于真空下進(jìn)行。
對(duì)經(jīng)過鍍膜的裝置如濾光片、反射鏡和半導(dǎo)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(gè)陽(yáng)極20，其中將氣體加入腔中，離開所述陰極12并穿過所述陽(yáng)極20。這就避免了接近于所述陰極12的小體積的高壓，在這個(gè)位置磁場(chǎng)很強(qiáng)，例如在所述暗區(qū)屏蔽(未示出)與所述陰極12之間，在這里必須禁止濺鍍。優(yōu)選所述陽(yáng)極開口21離所述陰極12至少2英寸遠(yuǎn)，以在所述靶區(qū)域24上能夠有均勻的壓力分布?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)所述陽(yáng)極電壓對(duì)陽(yáng)極與陰極之間的距離并不敏感。在此陰極優(yōu)選實(shí)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(shí)現(xiàn)，如KaptonTM帶、TeflonTM或陶瓷，也可通過絕緣涂料的鍍膜來實(shí)現(xiàn)，如通過等離子體噴涂方式鍍膜的致密的氧化鋁。作為選擇，所述陰極的這些表面13可暴露在標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)而增加所述陰極直徑會(huì)減少所述電弧。通過用等離子體噴涂氧化鋁到延伸的陰極未被撞擊的側(cè)面來將延伸的陰極絕緣，并用TeflonTM板來將所述底部絕緣，將所述電弧速度從＞100電弧/s降到在相同的高沉淀速度下的＜0.1電弧/s是可能的。所述陰極可用任何電氣模式(DC、脈沖DC和雙陰極AC)驅(qū)動(dòng)。
所述陽(yáng)極(在圖2中未示出)向所述負(fù)電荷陰極提供電荷差動(dòng)。這可以像提供給所述腔壁32的電荷一樣簡(jiǎn)單來提供?，F(xiàn)有技術(shù)中已提出許多陽(yáng)極來解決所述陽(yáng)極被所述涂層材料鍍膜以及所述陽(yáng)極的位置移動(dòng)到所述系統(tǒng)中的其它表面的問題，這些陽(yáng)極中的許多在非常高的電壓下運(yùn)行，而這種非常高的電壓會(huì)增加電弧的問題。在AC系統(tǒng)中，所述陽(yáng)極的功能可選擇由所述陰極本身來提供。本發(fā)明優(yōu)選使用圖3A中所示出的雙環(huán)陰極12A/12B。在此實(shí)施例中，將AC電壓循環(huán)地加在所述陰極12A和12B之間。在循環(huán)之外，所述無(wú)源陰極起到所述陽(yáng)極的作用。本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于在所述濺鍍期間，鍍膜材料從所述陽(yáng)極除去。
圖5中所詳細(xì)示出的用在本發(fā)明中的優(yōu)選陽(yáng)極在相關(guān)的美國(guó)專利申請(qǐng)No.11/074,249中公開，該專利申請(qǐng)于2005年3月7日提交，由本發(fā)明的受讓人所擁有，并通過參考合并到本發(fā)明中。參看圖5，陽(yáng)極20以容器或?qū)Ч艿男问绞境霾⒕哂秀~或不銹鋼內(nèi)導(dǎo)電壁22，所述導(dǎo)電壁22在第一末端有一個(gè)開口21，所述開口21直接耦合到真空腔2并用于與所述真空腔2相互聯(lián)系。所述容器20的外壁26在下面簡(jiǎn)稱為外體并可電氣絕緣。在所述截面圖中，所示出的水冷卻管28實(shí)質(zhì)上位于所述陽(yáng)極20的周圍，以保持所述陽(yáng)極在運(yùn)行時(shí)的溫度。所示出的進(jìn)氣口29用于提供一個(gè)管道，濺鍍氣體進(jìn)入所述管道之后可進(jìn)入所述陽(yáng)極腔，以給所述陽(yáng)極加壓。所述陽(yáng)極20可安裝在所述真空鍍膜腔2的外部或內(nèi)部。而且，所述開口21可位于所述陽(yáng)極導(dǎo)管的一個(gè)側(cè)面上或一個(gè)末端上。在運(yùn)行時(shí)，用氬氣為所述陽(yáng)極20加壓，所述氬氣在適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火電壓和之后的保持電壓出現(xiàn)時(shí)促使等離子體在所述鍍膜腔2中的形成。所述容器內(nèi)的壓力避免鍍膜材料進(jìn)入所述陽(yáng)極20并干涉所述陽(yáng)極20的運(yùn)行。圖5所示出的陽(yáng)極設(shè)計(jì)成用低的陽(yáng)極電壓運(yùn)行且有少量的電弧或沒有電弧。優(yōu)選采用約30伏特的低陽(yáng)極電壓來減少過程中的變化。
所述理想的陽(yáng)極參數(shù)，即面積、陽(yáng)極接地距離和壓力產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在此優(yōu)選實(shí)施例中，所述陽(yáng)極包括一個(gè)管，所述管的直徑至少為d＝10cm，長(zhǎng)度至少為h＝20cm，如圖5所示。對(duì)于低濺鍍工藝來講，所述腔壓力低于2mTorr。所述陽(yáng)極的高的壓力通過減小所述陽(yáng)極20的開口21并經(jīng)過所述入口29將所述處理氣體加入到所述陽(yáng)極中來實(shí)現(xiàn)。理想的開口具有約20cm2的面積且優(yōu)選是圓形的。在操作時(shí)，可將所述陽(yáng)極加壓到大于3mTorr。預(yù)想所述陽(yáng)極20可在延長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行近乎連續(xù)的運(yùn)行；已對(duì)所述陽(yáng)極進(jìn)行了試驗(yàn)，在這種試驗(yàn)中，所述陽(yáng)極連續(xù)地運(yùn)行了2000小時(shí)以上，而并沒有將所述陽(yáng)極20從運(yùn)行中取出以進(jìn)行清潔或改變，而且也認(rèn)為使所述陽(yáng)極在連續(xù)的運(yùn)行中運(yùn)行10000小時(shí)以上是可能的。
許多光學(xué)涂料要求沉淀氧化物或其它的化合物。這樣的材料理想地在反應(yīng)濺鍍模式中產(chǎn)生，在這種模式中，對(duì)金屬靶進(jìn)行濺鍍且將氧、氮或另一種反應(yīng)氣體加入到所述過程中。所述經(jīng)過濺鍍的材料和所述活性氧同時(shí)到達(dá)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，所述膜就并不是按化學(xué)計(jì)量且會(huì)有高的吸收損失。如果所述氧流太高，所述靶表面就會(huì)變得過分氧化而多于所必須進(jìn)行的氧化，進(jìn)而妨礙以最大可能的沉淀速度的運(yùn)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(yīng)氣體在其基本形式時(shí)流動(dòng)并穿過質(zhì)量流量控制器，且通過簡(jiǎn)單的氣體管道或復(fù)雜的歧管進(jìn)入所述鍍膜腔中。如果所述氧在所述這些襯底被活化并引導(dǎo)，就可以提高所述氧化的有效性。
本發(fā)明包括將所述活化反應(yīng)源36放置得離產(chǎn)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幾率。如圖3所示的定向氧活化或加速裝置36的使用有助于化學(xué)計(jì)量膜的形成并將所述靶的氧化降到最低。這樣的裝置可以是感應(yīng)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(tǒng)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(yīng)源36恰好位于所述靶表面平面44，或?qū)⑵涠ㄎ灰允顾鲫帢O12位于所述氧源36與所述物體平面46之間，所述活化反應(yīng)源36位于所述濺鍍靶表面24的瞄準(zhǔn)線之外，因?yàn)楸苊庠谒鲅踉?6形成大量的鍍膜是很重要的。在本發(fā)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的位置更接近于所述襯底23。因此，所述靶表面平面24就接近于所述物體平面46，所述物體表面平面46允許將所述氧活化源36移動(dòng)到更接近于所述襯底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并允許在較高的速度下進(jìn)行鍍膜。所述輸出的方向應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到最佳的氧化有效性。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的優(yōu)選實(shí)施例中，感應(yīng)耦合反應(yīng)活化源的輸出口位于所述陰極中心C外13英寸，所述靶表面平面44下面0.75英寸，并朝向所述行星旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)14成30度的角。
在此優(yōu)選實(shí)施例中已實(shí)現(xiàn)具有激光鏡質(zhì)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)在60rpm下進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)上述速度。
在所述陰極的外部的一個(gè)氧源的使用打破了所述鍍膜裝置的圓柱形對(duì)稱。對(duì)與所述陰極中心相對(duì)排列的兩個(gè)氧源的使用已進(jìn)行了成功的試驗(yàn)。這樣就降低了對(duì)快速主驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的需求，但增加了工藝的復(fù)雜性。理想的結(jié)構(gòu)將是圓形的氧源，以保持所述圓柱形對(duì)稱。
本說明書公開了對(duì)氧化物的反應(yīng)濺鍍方法。所有的方面均可類似地用于氮化物或其它反應(yīng)過程。
上述優(yōu)選的大的陰極軸上幾何結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)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淀速度并降低本發(fā)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(gè)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，在所述陰極位于帶有所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軸上時(shí)，所述溢流最少。在將所述陰極放置得離所述襯底更近時(shí)，它需要被從所述旋轉(zhuǎn)中心的位置移動(dòng)。根據(jù)模擬結(jié)果，所述溢流比軸上實(shí)施例中的溢流略微減少。在這個(gè)例子中，這一點(diǎn)一直適用，直到將所述陰極移置其直徑的約。然后所述溢流急速上升。在從沒有移置到所述陰極直徑的的陰極移置范圍內(nèi)，沒有掩模的運(yùn)行可產(chǎn)出低于0.5％的溢流。在更大的移置時(shí)，所述溢流就會(huì)急速升高，而且，如果希望得到低的溢流，就需要采用掩模。
在這種變化中，所述陰極與所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的對(duì)稱被打破，而且它所帶來的好處也就失去了。當(dāng)襯底由所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳送時(shí)，所述襯底在高的和低的通量沉淀區(qū)域之間移動(dòng)。若短層要求從行星到行星的高度均勻性，所述主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)速度必須大大高于前述的對(duì)稱方案中的驅(qū)動(dòng)速度。這樣就會(huì)增加這種方法的復(fù)雜性并會(huì)導(dǎo)致較高缺陷的產(chǎn)生。
在運(yùn)行時(shí)，減少周期時(shí)間的一個(gè)方面包括減少所述過程當(dāng)中的非鍍膜時(shí)間。一個(gè)例子是減少抽空和排放所述腔所需的時(shí)間量。通常所使用的技術(shù)是包括一種預(yù)真空鎖裝置來裝載和卸載進(jìn)行鍍膜的物體。這就允許所述沉淀腔在所有的時(shí)間都保持在降低壓力的真空條件下。降低的壓力意指低于大氣壓力。要求有一種部件處理系統(tǒng)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(tài)，而處理氣體通過質(zhì)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(yù)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于大氣壓力下以裝載或卸載所述襯底，或者使所述預(yù)真空鎖腔1中的壓力重新恢復(fù)到所述處理腔2的壓力以進(jìn)行襯底的轉(zhuǎn)移。所述預(yù)真空鎖腔1包括帶有盒升運(yùn)器5的裝載容器4和帶有機(jī)械手7的轉(zhuǎn)移通道6。所述機(jī)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(zhuǎn)移通道6中伸出。
實(shí)際的鍍膜時(shí)間由于快速沉淀速度的鍍膜所減少?？斓乃俣韧ㄟ^利用延長(zhǎng)的陰極和優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，所述優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)位于所述襯底或物體與所述陰極之間，這將在下面進(jìn)行描述。脈沖DC磁控濺鍍是優(yōu)選的鍍膜方法，因?yàn)樗鲫帢O的占空因數(shù)可達(dá)90％或更高。在所述陰極減少或消除電弧也會(huì)減少電弧的恢復(fù)時(shí)間。通過精心的設(shè)計(jì)，就不需要掩模來控制所述襯底上的溢流。這就會(huì)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(chǎn)生的停工時(shí)間。沒有掩模，產(chǎn)量也會(huì)較高，因?yàn)樗鲅谀５膭兟鋾?huì)導(dǎo)致所述涂層質(zhì)量中的缺陷。
所述鍍膜輔助操作時(shí)間的減少通過在相同的沉淀腔中鍍膜所有的材料來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)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?qū)⒂糜诓煌繉拥亩鄠€(gè)陰極在一個(gè)批次中定位。此外，在開始鍍膜之前，通過關(guān)閉光閘50(見圖4B)可將陰極在所述腔中進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述光閘50在所述調(diào)節(jié)過程期間屏蔽所述襯底。合并所述光閘和所述陰極排列60可在從一種材料轉(zhuǎn)換到下一種材料時(shí)減少輔助操作時(shí)間。
整修所述裝置的檢修時(shí)間通過在許多表面上安裝易于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(fù)到工作狀態(tài)。
許多光學(xué)涂料在其光譜響應(yīng)中具有鑒別特征。例如，用于色彩分離的導(dǎo)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(duì)用于所述涂料的整個(gè)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(dǎo)角在500nm，這就會(huì)轉(zhuǎn)換到2.5nm的絕對(duì)導(dǎo)角位置的變化。所述光譜特征位置與所述鍍膜設(shè)計(jì)中的層的厚度有關(guān)。因此，在鍍膜所述200mm襯底中，鍍膜速度的變化需低于0.5％。若在相同的批次中鍍膜多個(gè)襯底，從一種襯底到另一種的變化需要是這個(gè)值的一小部分。光譜特征位置的變化也稱為溢流。
本發(fā)明中幾何結(jié)構(gòu)的性能已通過數(shù)字模型進(jìn)行了預(yù)測(cè)。在所述模型中，假定在任何情況下，在任何時(shí)候，在襯底上的點(diǎn)P的厚度沉淀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(diǎn)P之間的角度。這些參數(shù)在圖6中示出。等式3表明從所述靶的分布軸向?qū)ΨQ，且粘著系數(shù)并不取決于所述鍍膜入射角。項(xiàng)f是描述所述靶的噴射特征的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的常數(shù)。對(duì)所述模擬來說，在此使用0.7的值。具有大直徑的延長(zhǎng)的靶接近于加權(quán)點(diǎn)源的陣列。在任何情況下在任何時(shí)候的沉淀厚度等于所有點(diǎn)源所貢獻(xiàn)的厚度之和。
為了對(duì)襯底溢流做出估計(jì)，對(duì)沿著穿過所述襯底的徑向線的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)。由于所述的這些襯底圍繞其本身的中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，所以并不預(yù)想有方位不對(duì)稱。這些點(diǎn)在行星旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的位置在小的時(shí)間間隔內(nèi)確定，且用于每個(gè)點(diǎn)的鍍膜材料根據(jù)上面的等式3聚集。所述溢流通過產(chǎn)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(gè)的結(jié)果的例子。該計(jì)算對(duì)三個(gè)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(zhǎng)涂料靶進(jìn)行。對(duì)較短的投射距離，所述鍍膜速度較高。作為第二順序效果，現(xiàn)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(dǎo)致穿過所述部件的溢流的傾斜。對(duì)于7.5英寸的投射距離來講，所述溢流是(1.585/1.574)-1＝0.70％；對(duì)于7.7英寸的投射距離來講，所述溢流是(1.564/1.556)-1＝0.51％；對(duì)于7.9英寸的投射距離來講，所述溢流是(1.544/1.533)-1＝0.72％。對(duì)于每種涂層幾何結(jié)構(gòu)來講，投射距離可在將所述溢流降到最少之處得到。對(duì)于上述情況來講，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(shí)實(shí)現(xiàn)。
圖8示出了模擬溢流與單點(diǎn)源的行星半徑的函數(shù)。所述數(shù)據(jù)的計(jì)算針對(duì)8英寸襯底直徑的、0.5英寸行星與行星間隔的兩個(gè)到十二個(gè)行星。行星的數(shù)量寫在每個(gè)溢流結(jié)果之后。在每種模擬中，對(duì)所述點(diǎn)源與所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)平面之間的投射距離進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最小的溢流。最佳的投射距離表明與所述行星旋轉(zhuǎn)半徑的近乎線性的關(guān)系，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恒定的。對(duì)于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(gè)或三個(gè)行星時(shí)，所述溢流相當(dāng)高，完全超過了0.5％。在向較高數(shù)量的襯底增加時(shí)，所述溢流快速下降。對(duì)于五個(gè)行星來講，所述溢流降到0.5％以下并在更多的襯底時(shí)進(jìn)一步減少。這就揭示出五個(gè)和更多的行星的最佳數(shù)量。圖8還包括對(duì)鍍膜材料利用率(相對(duì)效率)的估計(jì)。所述利用率在對(duì)三個(gè)行星時(shí)有最高值且對(duì)更多的行星時(shí)平穩(wěn)下降。低的溢流與鍍膜材料利用率之間的折衷結(jié)果表明最佳的行星數(shù)量是五到八個(gè)。這一點(diǎn)在圖8中用曲線圖示出。行星的數(shù)量寫在每個(gè)溢流結(jié)果之后。在每種模擬中，對(duì)所述點(diǎn)源與所述物體平面之間的投射距離進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最小的溢流。假定所述間隔s既小又實(shí)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)的半徑，如從所述中心旋轉(zhuǎn)軸30到次軸40。
如上所述，對(duì)于高的鍍膜速度時(shí)的低缺陷來講，具有大的延長(zhǎng)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(jié)構(gòu)的許多不同的陰極。因此，預(yù)計(jì)模型不同而尺寸相同的陰極的噴射特征略微有所不同。所述噴射特征還受到像壓力、電壓等具體的進(jìn)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(guān)系在圖9中示出，該圖示出的是放置在8.5英寸旋轉(zhuǎn)半徑上的8英寸直徑的行星。例如，點(diǎn)源需要放置在距所述襯底平面11英寸的位置。對(duì)于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(duì)于12英寸的陰極來講，所述投射距離小于8英寸。所述溢流保持在低水平并接近于所述點(diǎn)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(duì)于大于這個(gè)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(yīng)小于1.5d；為了將溢流保持在2％以下，所述靶直徑應(yīng)小于2d。沒有掩模的運(yùn)行的最佳投射距離介于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淀在所述襯底上。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，將六個(gè)200mm的襯底在所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的8.5英寸基本半徑上旋轉(zhuǎn)。根據(jù)所鍍膜的材料，最小的溢流的投射距離t典型地介于7.5與8英寸之間。所述陰極的直徑為12英寸。在此結(jié)構(gòu)中已示出了沉淀速度，SiO2和NbTa2O5為1.2nm/s，Ta2O5為1.5nm/s。所述材料利用率估計(jì)為25％。沒有掩模的所述部件的溢流低于0.5％。圖11示出了這種幾何結(jié)構(gòu)中實(shí)際鍍膜部分的厚度的測(cè)量值，所述測(cè)量值由根據(jù)模型模擬的溢流所覆蓋。SiO2和Ta2O5所測(cè)得的溢流低于0.5％。所述這些結(jié)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(jìn)一步降低。低于0.2％的溢流可在上述幾何結(jié)構(gòu)中150mm直徑的襯底上實(shí)現(xiàn)，代價(jià)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(yàn)證。不過，所述模型對(duì)不同比例是不變的。相同的幾何結(jié)構(gòu)可用于更小或更大的襯底。所有的附圖示出了所述向上濺鍍結(jié)構(gòu)。不過，這些幾何結(jié)構(gòu)的考慮對(duì)空間方向是不變的。向下、水平或其它任何方向?yàn)R鍍都是可能的。
權(quán)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括中心旋轉(zhuǎn)軸和多個(gè)行星，所述多個(gè)行星放置在實(shí)質(zhì)上與所述中心旋轉(zhuǎn)軸等距的位置，每個(gè)行星具有適于獨(dú)自旋轉(zhuǎn)的次軸和限定鍍膜區(qū)域的直徑，每個(gè)行星適于支撐在物體平面中的一個(gè)或多個(gè)物體，其中從所述中心旋轉(zhuǎn)軸到所述次軸的距離包括所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)半徑；圓形陰極，所述圓形陰極包括靶，所述靶包括用于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(gè)投射距離，所述陰極有中心點(diǎn)和陰極直徑，所述陰極直徑大于所述行星直徑并可達(dá)所述行星直徑的兩倍；用于向所述陰極提供電壓差的陽(yáng)極裝置；適于在運(yùn)行時(shí)抽成真空的、容納所述陰極和所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的腔；和向所述腔提供濺鍍氣流的氣體輸送系統(tǒng)，其中所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)半徑和所述投射距離介于所述行星直徑的一半和兩倍之間，以提供所述鍍膜質(zhì)量的最小徑向溢流，而無(wú)需使用掩模。
2.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述陰極的中心點(diǎn)實(shí)質(zhì)上與所述中心旋轉(zhuǎn)軸準(zhǔn)直，因此而限定所述裝置的中心軸。
3.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述陰極的中心點(diǎn)從與所述中心旋轉(zhuǎn)軸的準(zhǔn)直轉(zhuǎn)換到達(dá)所述陰極直徑的三分之一。
4.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，還包括調(diào)節(jié)靶表面與所述物體平面之間的投射距離的裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述陰極被支撐在陰極更換裝置上，以在真空狀態(tài)下更換所述腔中的靶。
6.如權(quán)利要求5所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述陰極更換裝置能夠支撐多種靶材料，以在單獨(dú)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，所述靶包括用于形成所述鍍膜的材料，所述陰極有中心點(diǎn)；放置在距所述源有一個(gè)投射距離的位置上的行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括中心旋轉(zhuǎn)軸和多個(gè)行星，每個(gè)行星由適于獨(dú)自旋轉(zhuǎn)的次軸支撐，并且每個(gè)行星放置在距所述中心旋轉(zhuǎn)軸等距的位置，每個(gè)行星適于支撐物體以進(jìn)行二個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；用于向所述陰極提供電壓差的帶電陽(yáng)極裝置；適于在運(yùn)行時(shí)抽空以降低壓力的、容納所述陰極和所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(tǒng)，其中所述多個(gè)行星中的每一個(gè)都有一個(gè)直徑d，每個(gè)次軸以一個(gè)旋轉(zhuǎn)半徑r放置，以使0.85*d＜r＜1.3*d，所述陰極與所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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范圍，使所述陰極有一個(gè)在其中心點(diǎn)周圍的陰極直徑CD，以使d＜CD＜2*d。
8.如權(quán)利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述中心旋轉(zhuǎn)軸實(shí)質(zhì)上與所述陰極的中心點(diǎn)準(zhǔn)直，這樣就限定了所述裝置的中心軸。
9.如權(quán)利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述陰極中心點(diǎn)從與所述中心旋轉(zhuǎn)軸的準(zhǔn)直轉(zhuǎn)換到達(dá)所述陰極直徑的四分之一。
10.如權(quán)利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，等于從所述中心旋轉(zhuǎn)軸到所述次軸的距離的所述旋轉(zhuǎn)半徑r被定義為r＝(d+s)/2/sin(α)，其中α＝360°/2n。
11.如權(quán)利要求10所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述行星中的每一個(gè)具有直徑d，且它們之間的間隔s既小又實(shí)用，所述直徑d與所述旋轉(zhuǎn)半徑r的關(guān)系被定義為0.85*d＜r＜1.3*d。
12.如權(quán)利要求7所述的磁控濺鍍裝置，還包括在所述腔處于真空狀態(tài)下時(shí)，調(diào)節(jié)所述行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與所述陰極之間的投射距離t的裝置。
13.如權(quán)利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，行星的數(shù)量在5到8之間。
14.如權(quán)利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述襯底直徑為8英寸或更小。
15.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，包括DC和脈沖DC或AC磁控裝置中的一種。
16.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，還包括預(yù)真空鎖(load-lock)裝載裝置，以將經(jīng)過鍍膜的物體輸送出所述腔并將新的物體輸送到所述腔中，而并不在實(shí)質(zhì)上改變所述腔的已降低的壓力。
17.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述陰極的所有非撞擊表面都被電氣絕緣。
18.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述陰極是環(huán)狀的。
19.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述陽(yáng)極是容器的內(nèi)表面。
20.如權(quán)利要求19所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，容納所述陽(yáng)極的所述容器放置在所述腔之外并包括開口，所述開口與所述腔的內(nèi)部相互聯(lián)系。
21.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述次軸實(shí)質(zhì)上平行于所述中心旋轉(zhuǎn)軸。
22.如權(quán)利要求19所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述濺鍍氣流源放置在所述陽(yáng)極容器內(nèi)。
23.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，活化的反應(yīng)氣體被從反應(yīng)源引導(dǎo)到所述物體，所述反應(yīng)源被放置以使所述靶表面位于所述反應(yīng)源與所述物體平面之間。
24.如權(quán)利要求7所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，所述陰極直徑為至少10英寸。
25.如權(quán)利要求1所述的磁控濺鍍裝置，其特征在于，磁控濺鍍裝置包括雙陰極AC濺鍍裝置，所述陰極包括雙環(huán)陰極，在所述雙環(huán)陰極之間循環(huán)施加AC電壓，所述陽(yáng)極裝置包括所述雙環(huán)陰極的交替功能。
全文摘要
本發(fā)明涉及以高的生產(chǎn)速度將材料淀積在襯底上的磁控濺鍍裝置和技術(shù)，其中所淀積的膜具有預(yù)定的厚度分布，且所述裝置可在非常長(zhǎng)的時(shí)間段連續(xù)地并可重復(fù)地運(yùn)行。本發(fā)明已通過減少周期時(shí)間實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量的增加。提高的鍍膜速度通過將行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與大的陰極耦合來實(shí)現(xiàn)。所述陰極直徑大于行星的直徑且小于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(shí)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)將溢流降到最小，而無(wú)需使用掩模。
文檔編號(hào)C23C14/35GK1737190SQ20051009282
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者馬克斯·K.·太爾西, 理查德·I.·塞登, 喬治·J.·歐肯法思, 杰里米·賀思, 羅伯特·E.·克林格 申請(qǐng)人:Jds尤尼弗思公司