專利名稱：等離子體處理系統(tǒng)和方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明是1998年5月13日申請的未決申請的部分繼續(xù)申請，該未決申請的題為“具有雙離子源的處理系統(tǒng)(Processing System withDual Ion Source)”，序列號為09／076，971。
本發(fā)明涉及應用通過所產(chǎn)生的離子來產(chǎn)生的等離子體對單面或雙面的基片進行處理的系統(tǒng)和方法，更具體地說，涉及在基片表面上進行淀積涂層的系統(tǒng)和方法。
在各種工業(yè)應用領域中(特別是半導體、光學以及磁薄膜的處理中)都應用商用的等離子體源來進行表面淀積和表面蝕刻。這種等離子體源形成能夠與表面化學地和／或物理地相互作用以淀積或除去材料的離子種類和活性中子。
在許多方法中，應用來自等離子體源的高能離子能夠進行具有單一特性的材料的淀積或進行用其它方法不是很有效的蝕刻表面。處理在等離子體中的基片的方法包括安裝在真空室中的離子源，基片放在該真空室中。給離子源輸送具有特定化學特性的氣體以將其離子化。所產(chǎn)生的等離子體是各種活性中子和離子化學種類以及高能電子的混合物。與表面相互作用的離子種類的能量取決于等離子體的電特性和壓力。一般地，通過基片偏壓控制碰撞到基片上的離子的能量?？商鎿Q的是，如果基片是電漂移型的，則可以通過電子能量分布確定離子能量，該電子能量分布確定了在等離子體電壓和存在零凈電流的表面上的電壓(偏移電壓)之差。由于淀積或蝕刻處理的特性和所得到的材料的特性主要取決于這個參數(shù)，因此需要控制離子能量。
在一些應用中，需要同時處理雙面基片。在制造用于磁存儲系統(tǒng)中的磁硬盤的過程中在淀積各種材料的薄層的過程中這種處理方式比較典型。在這種情況下，將離子源設置在盤的相對的兩側(cè)上。然而，當在一個處理室中同時運行兩種這樣的離子源時，應用陽極產(chǎn)生等離子體電勢的離子源易于造成等離子體不穩(wěn)定性并且容易振蕩。這種不穩(wěn)定的特性造成不能預期離子的產(chǎn)生和不穩(wěn)定的處理過程。此外，已經(jīng)證明很難涂覆具有滿足硬盤(例如計算機存儲器應用)上的保護性薄膜的要求的特性的薄膜。在這種情況下更薄的涂層允許磁頭更貼近磁盤飛馳以增加面密度。在淀積保護涂層的過程中，涂層應該具有足夠的硬度、密度和附著力以及在所完成的磁盤中具有實用的品質(zhì)(包括較高淀積速率和在表面上較低的宏觀顆粒數(shù))。因此，需要改善基片的處理系統(tǒng)和方法，其中離子源在處理室中穩(wěn)定地運行，并且為了它們的預期的目的改善淀積層的特性。
這些相同的實際要求也要求單面涂層符合這些標準。例如，如果保護性涂層對光學基片是所需的，則應用這種盤時就要求在較高的速率下以所需的硬度、密度和附著力淀積所淀積的涂層，同時要求該涂層極薄并且出現(xiàn)的各種顆粒的變化最小。
依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種新穎的基片處理系統(tǒng)。該基片處理系統(tǒng)包括處理室、設置在該室中的基片處理支架、輸送生成氣體(process gas)到處理室的氣體源、至少一個位于處理室中的離子源和給一個或多個離子源(如果有不止一個離子源)提供電壓并還給室的其它表面提供能量的能量源。每個離子源對生成氣體進行離子化以產(chǎn)生用于處理設置在基片支架中的基片的離子。每個離子源具有陰極和陽極。能量源對離子源的一個或多個陰極以及一個或多個陽極提供能量。在使用不止一個陽極的情況下，能量源以時分多路的方式給離子源提供能量以使在任何時候只給一個陽極提供能量。
依據(jù)本發(fā)明可以對元件加偏壓來有選擇地控制來自離子源并到達特定的表面并與該表面相互作用的離子的能量。例如，通過對離子源的元件加偏壓可以產(chǎn)生用于在基片上淀積的較高的能量的離子和用于在室的壁上進淀積的較低的能量的離子。因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對在表面上的淀積類型的預定控制，并且能夠有選擇性地控制所淀積的薄膜的特性。
尤其是當應用包含烴氣比如乙烯的等離子體形成類似于金剛石的碳(DLC)時，以較低的能量的離子(＜100eV)在壁上所淀積的碳將比以更高的能量的離子(180-200eV)在基片上形成的碳具有更低的應力。隨著碳在壁上累積，更低的應力將使它更不易脫落，并且在所涂覆的基片的表面上出現(xiàn)的顆粒將更小。雖然在這個實例中在基片上所淀積的層比在該壁上所淀積的碳具有更高的應力，但是由于所淀積的層如此的薄并且較硬的淀積表面作為在下面的層的最有效的保護層，因此對于本系統(tǒng)來說這不成問題。
因此可以將DLC涂層的薄層淀積作為在磁媒質(zhì)或其它媒質(zhì)(例如光學媒體)的一側(cè)或兩側(cè)上的保護層，而且與濺射形成的碳膜相比具有更好的特性。在這個實例中，所淀積的層淀積作為較硬的保護層，該層具有足夠低數(shù)量的小顆粒以使在由導致“滑動”或“檢定”的生產(chǎn)測試(制造商通常應用這種測試來確定是否生產(chǎn)了滿意的并適合銷售的盤)的制造工序中拒收盤的可能性最小。在盤不能通過這些測試的情況下，生產(chǎn)者被迫放棄該盤，降低了產(chǎn)量和利益率。本發(fā)明極大地降低了這種問題。
為更好地理解本發(fā)明，參考附圖，在此以引用的方式將這些附圖結(jié)合在本發(fā)明中，在附圖中

圖1所示為依據(jù)本發(fā)明的單面淀積系統(tǒng)的示意圖；圖2所示為依據(jù)本發(fā)明的雙面處理系統(tǒng)的示意圖；圖3所示為在不同的電壓方案中處理的盤的表面上測量顆粒的曲線圖；圖4所示為在圖2中所示的實施例中施加偏壓的時間函數(shù)圖；圖5所示為隨著陽極電壓的變化在膜中的應力的變化圖。
附圖1所示的示意圖表示在基片的一個側(cè)面上淀積材料的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是本發(fā)明的一個實施例并還用于解釋本發(fā)明的操作的基本原理。具體地說，室111容納有陽極112和燈絲113。一般燈絲113和陽極112結(jié)合在一起構(gòu)成離子源(如115所示)。正對著離子源115的基片116也設置在室111內(nèi)。室111接地。陽極112通過陽極開關(guān)117連接到陽極能量源118。如在附圖中所示開關(guān)117接地。連接到燈絲113的是燈絲能量源120。燈絲偏壓源121通過偏壓開關(guān)122經(jīng)燈絲能量源連接到燈絲113。在所示的實施例中，偏壓源將燈絲偏壓到地電位。當偏壓開關(guān)122擲向其它位置時，從燈絲偏壓源121給燈絲113施加偏壓?？赡茉O置在基片支架(在附圖1中沒有示出，但在附圖2中示出了)中的基片116在附圖1的相應位置中示出。當偏壓開關(guān)122(連接到每個燈絲113和基片116的閉路上，或者可替換的是連接到在其上設置有基片116的基片支架上的閉路上)擲向其它位置時從基片偏壓源123給基片116施加偏壓。
在運行中室的壁保持接地。這就能夠確保在自然環(huán)境中附圖1所示的設備沒有危險。當需要操作設備時，開關(guān)117和開關(guān)122閉合以將燈絲113連接到一偏壓電位上并將陽極112也連接到一偏壓電位上。當將開關(guān)擲向其它位置時從陽極能量源118給陽極112輸送電壓并從燈絲偏壓源121通過燈絲能量源120給燈絲113輸送電壓。當施加偏置的電壓時陽極電壓上升到大約在50至250伏特(比較可取的是大約為80伏特)之間的正電壓。同時反饋到燈絲的電壓在大約0伏特和負150伏特之間，可取的是大約為負120伏特。這就使得在燈絲和室的內(nèi)壁之間產(chǎn)生小于大約100伏特的電壓差。同時基片電壓116具有與在燈絲上的偏壓相同的負電壓，但是根據(jù)各種因素所施加的電壓可能不同于這些數(shù)字以至于通常在燈絲113和室的壁111之間產(chǎn)生等于在燈絲上的偏壓的電壓差和大約為200伏特的陽極和基片之間的電壓差，上述的各種因素包括所淀積的材料和在運行室中的其它的條件。
當室在運行模式時(包括將偏壓施加到各種運行部件上)，當閥127打開時產(chǎn)生等離子體的氣體通過氣體通道125從氣體源126饋送到室111?？梢詰玫诙怏w源128、第二閥130和第二氣體通道131將第二種氣體輸送到室111。
在運行的過程中，陰極或燈絲113相對于室111負偏壓。同時陽極相對于室111的壁正偏壓。此外，同時對基片116相對于室111的壁進行負偏壓。這種方法能夠控制到達基片116和到達室111的壁的離子的能量。這種方法就能夠控制淀積在室111的壁上的薄膜的特性，并且獨立于淀積在基片116上的薄膜的特性。在所描述的實施例中，如果應用例如從氣體源126中輸送的包含有烴氣的等離子體，則可以將碳淀積在室111的壁上和基片116上的不同特性的薄膜中。在LDC淀積中相對于顆?？刂谱钪匾奶匦允潜∧ΑＴ谑业谋谏弦缶哂械蛻Φ谋∧ひ员悴划a(chǎn)生脫落，以使該室能夠運行合理的時間周期而不需要清洗和／或產(chǎn)生新的真空環(huán)境。這只有在壁上的淀積具有較低的應力情況下才可以實現(xiàn)。而同時在基片116上存在淀積的具有較高應力的薄膜，這種膜作為在下面的層的保護性涂層。在本實施例中，由于在離子源115的陽極和在基片116上的偏壓之間存在的電壓差，所以離子以較高的離子能量撞擊到基片上，以達此目的。而同時與在陽極和基片之間的電壓差相比由于在陽極和壁之間的電壓差較低，所以離子以較低的能量撞擊到室111的壁上。
對于蝕刻應用，通過降低到壁的離子的加速度這種控制方案能夠減少或消除對室111的壁的蝕刻，而同時保持對基片116的蝕刻?？商鎿Q的是，可以應用蝕刻來清洗壁或設置于室內(nèi)在壁的附近的位置的屏蔽件。在室中應用純的氬等離子體能夠?qū)崿F(xiàn)這些。對于其它的應用可以應用包含氯氣或碳氟化合物的氣體。也可以應用氧氣或氫氣作為生成氣體進行蝕刻。
在循環(huán)開始或在氣體流入到室之前將用于淀積的室抽吸到大約10-7乇。在兩種氣體流入到該系統(tǒng)中的時間中，在室中壓力一般上升到大約4毫乇?？扇〉氖窃撓到y(tǒng)在大約1至5毫乇之間的室壓下運行，但是也可以在0．1至20毫乇的范圍的壓力下運行。
盡管結(jié)合附圖1的描述包括從氣體輸送源128和126輸送的氣體，該系統(tǒng)具有僅淀積來自活性氣體的離子的功能，該活性氣體例如在淀積碳的情況下可以是乙烯。在這種情況下應用在其它氣體源上的控制閥關(guān)掉該氣體源(例如氬氣源)。
對磁媒質(zhì)的DLC保護性的外涂層有幾個要求。一個要求是該膜必需足夠硬以致它可以很薄，例如大約為50埃，而且還能夠足夠地有效地保護該媒質(zhì)。另一個要求是在基片上留下的顆粒必需足夠細微，以便低速飛馳的磁頭不會由于與顆粒碰撞而毀壞。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在壓力大于3毫乇的情況下運行時，能夠降低在基片上的顆粒大小。這很大的可能是由于較大的帶電顆粒進行了電荷交換并變成了中性。在另一方面，如果乙烯的壓力大于2．3毫乇，DLC膜就變得更軟。這可能是由于撞擊到基片表面上的高能離子將一些能量傳遞到松散地鍵接到表面的中性的乙烯分子。
為了得到較硬的膜和較低的顆粒等級，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)我們可以將惰性氣體比如氬氣加入到在室中的氣體中。顆粒等級的降低是由于總的氣體壓力引起的，而表面上與氣體的成分無關(guān)。然而，膜的特性僅取決于部分活性氣體(在本例中為乙烯)的分壓，并且獨立于惰性氣體(在本例中為氬氣)的分壓。由此，通過在大約2毫乇的乙烯的分壓下運行我們實現(xiàn)了較硬的DLC膜，而同時通過對于4毫乇的總壓力維持2毫乇的氬氣的分壓獲得較低的顆粒等級。
在淀積碳的淀積模式中當兩種氣體流動時，乙烯氣體一般以大約14sccm的速率流動，而氬氣以類似的速率流動但從2個源中饋送到室中，每個源的流量為該流量的一半。在整個時間內(nèi)氣體輸送到真空系統(tǒng)繼續(xù)運行的室中。
現(xiàn)在參考附圖2，所示為本發(fā)明的一個實施例，在該實施例中依據(jù)本發(fā)明對基片的兩側(cè)進行處理。如今這種類型的淀積方法用于制造計算機存儲器應用系統(tǒng)的存儲磁盤。在這個附圖中所示的淀積方法還能夠控制淀積在室的壁上的材料的質(zhì)量以使淀積在基片表面上的不希望出現(xiàn)的顆粒最小。在附圖2中，所示為封閉的處理室10，一個基片支架12具有通過轉(zhuǎn)換開關(guān)9連接到偏壓電壓8的電連接線路11?；Ъ?2支持著在處理室10內(nèi)的基片14。離子源20和22設置在基片14的相對的兩側(cè)?？扇〉氖翘幚硎?0是導電的并接地。如果應用鋁盤或其它的導電材料來制造例如硬磁盤，則在處理的過程中給基片14施加電偏壓。還可以應用其它的盤基底材料(比如玻璃、塑料或其它的輕的基底材料)來制造比如用在小型計算機(比如膝上型設備)上的存儲盤。
同如附圖1所示的一樣，相對于接地的室對陽極施加正電壓。在本發(fā)明的原始發(fā)明中，燈絲偏壓保持接地。通過中性的電子氣體碰撞產(chǎn)生等離子體，通過陰極施加電子或者在這種情況下通過燈絲施加電子。在燈絲和正偏壓陽極之間的電壓差決定了從燈絲發(fā)射的電子的能量。等離子體電勢一般地在陽極電勢附近。在一般運行情況下，為產(chǎn)生等離子體需要在陰極和陽極之間產(chǎn)生適當?shù)碾妱莶睢Ｒ虼水斣趦呻姌O之間具有基本相同的電勢時，沒有等離子體產(chǎn)生。然而，應用流過該系統(tǒng)或流入該系統(tǒng)的合適的氣體，并在陰極和陽極之間形成足夠的電勢差，則在離子源中產(chǎn)生等離子體。大約要求具有100伏特的電壓差才能實現(xiàn)可靠地產(chǎn)生等離子體。如果增加陽極電壓而同時室保持接地，則如果是在淀積碳的情況下將在接地的表面上淀積具有更高應力的膜。當具有更高應力的碳淀積在室的壁上時，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將導致更多顆粒淀積在基片的表面上。因此為了降低淀積在壁上的材料的應力，可以以更低的陽極電壓來運行。然而，為了產(chǎn)生足夠的電壓差來確保高能量的等離子體并在基片上實現(xiàn)淀積高應力膜，施加到一個或多個陰極的電壓應該使陰極相對于地負向偏壓。這就將室的壁放置在正的陽極和負的陰極的極限電壓之間的電壓偏壓中。因為在室的壁上淀積更低的應力材料的過程中也對基片施加負偏壓，所以凈效應是在基片上淀積更多的高度應力的高能離子。結(jié)果這種更低的應力淀積并不能在基片表面上形成與在壁上淀積更高的應力材料的情況一樣多的淀積顆粒。此外，為防止或降低電弧放電，如附圖2所示，以在兩個陽極都沒有施加偏壓的過程中的脈沖之間的時間周期交替地對在兩個或更多的陽極系統(tǒng)中的陽極施加脈沖偏壓。在對陽極施加脈沖偏壓的過程中，如果一個陽極接地(沒有施加能量)，相應燈絲或陰極同樣地接地，并根據(jù)電壓差繼續(xù)產(chǎn)生等離子體。
離子源20包括陽極30和電子源。電子源可能包括設置在陽極30附近的燈絲32。將燈絲能量源34連接到燈絲32。離子源22包括陽極40和電子源，該電子源包括設置在陽極40附近的燈絲42和連接到燈絲42的燈絲能量源44。燈絲能量源34和44電加熱相應的燈絲32和42以在相應的離子源20和22中產(chǎn)生電子。燈絲32和42還具有離子源的陰極的作用。在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以應用其它的電子源，比如冷陰極電子源。陽極30和40通過轉(zhuǎn)換開關(guān)16和17連接到能量源50以便能夠按照如下所述地對相應的離子源22和20提供能量。此外，通過在偏壓源19和燈絲42之間的轉(zhuǎn)換開關(guān)21和在偏壓源19和燈絲32之間的轉(zhuǎn)換開關(guān)23將偏壓源19連接到燈絲32和42。
氣體源54將生成氣體輸送到處理室10。具體地說，氣體源54給在陽極30和40和基片之間的區(qū)域中的每個離子源20和22輸送氣體。合適的生成氣體例如(但并限于這些)用于淀積類似于金剛石的碳的乙烯、甲烷和乙炔，用于淀積氮化硅的硅烷和氨的混合物以及用于蝕刻的氬氣、氧氣或氫氣。
通過連接到室的真空泵60可以從室10中排空氣體。如在附圖1中已經(jīng)討論的，氣體源54和真空泵60能夠控制在室10中的氣體的流率和壓力。
在運行中，每個離子源20和22對生成氣體進行離子化以形成生成氣體的離子?？刂圃撾x子流向基片14進行淀積或蝕刻。當離子源20和22通電時，在處理室10中形成等離子體。燈絲32和42供應電子以對在等離子體中的生成氣體的分子進行離子化。然后朝基片14對該離子進行加速穿過在基片表面上的等離子罩。附圖2的處理系統(tǒng)能夠同時處理基片14的兩個側(cè)面。
還能夠應用其它的設備和技術(shù)產(chǎn)生等離子體執(zhí)行這種步驟。例如，適當?shù)臍怏w穿過應用電磁能來加速電子以產(chǎn)生等離子體的區(qū)域，然后輸送該等離子體并通過該系統(tǒng)的陽極進行偏壓。
如上所示，當同時對離子源20和22通電時能夠觀測到不穩(wěn)定性和振蕩。相信這種不穩(wěn)定性和振蕩是如下的原因在室10內(nèi)的等離子體對于燈絲32和42產(chǎn)生的電子是一種低阻抗通路。因此，當對兩離子源通電時，所產(chǎn)生的第一等離子區(qū)產(chǎn)生了用于所有電子的低阻抗通路，并將電子傳導離開其它的等離子體源。即使兩種離子源都能夠運行，等離子體阻抗也并不匹配，由此產(chǎn)生了不平衡的電子共用和振蕩。在使用熱燈絲電子源的離子源的正常運行下，當對給定的陽極進行偏置時，通過一個偏置陽極集聚了從電子源發(fā)射的所有電子流。
依據(jù)本發(fā)明的一方面，以同步化地時分多路的方式對離子源20和22通電以使在任何時候僅只有一個陽極被通電。具體地說，對離子源20和22的相應的陽極30和40施加時分多路電壓。施加在陽極30和40的電壓在時間上不重疊以使在任何時候僅只有一個離子源被通電。離子源交替地開和關(guān)，因而消除了在源之間的離子和等離子體電子的相互作用。通過一個陽極和然后通過其它的陽極交替地集聚電子。同步地或時分多路地操作使得不需要復雜的屏蔽或柵格以將一個等離子體與其它等離子體進行電隔離。
可取的是施加在陽極30和40上的交替電壓的頻率小于大約100千赫茲。通常，與在離子源20和22中的離子的反應次數(shù)相比陽極電壓的頻率應該很低。這樣就能夠確保相對于陽極電壓的開關(guān)次數(shù)仍然能夠快速地開關(guān)每個離子源。在優(yōu)選的實施例中，陽極電壓的頻率范圍大約為1至5千赫茲。
在將陽極脈沖偏置到正電壓的時候，還以負向偏置或脈沖輸送對燈絲的偏壓。此外，同時在負方向上偏置基片。在這種方式中在燈絲和陽極之間的電壓差足夠產(chǎn)生高能等離子體，并且對基片施加足夠的負電壓以使能夠應用由等離子體產(chǎn)生的高能離子進行淀積，由此產(chǎn)生極硬的表面，盡管所淀積的膜很薄，這種表面還是能夠形成一種保護性的涂層。然而，由于更低的電壓差和由此造成更低的能量的離子淀積在該表面上，造成到壁的能量級低很多，所以在該系統(tǒng)中的其它元件已經(jīng)輸送脈沖的整個時間中已經(jīng)接地的室10的壁形成了軟磁材料淀積。
對于具有兩個離子源的處理室，可取的是陽極電壓的占空比小于50％或更小并且可取的是兩者相等。也可應用不相等的占空比當可能導致對基片14的兩側(cè)面的不均衡的處理。在時間上陽極電壓是不重疊的?？扇〉氖敲總€陽極電壓(并且由此給陰極施加負偏壓)具有大約40％的占空比，以便在陽極電壓的每個周期的一部分時間中兩離子源20和22都斷開。
適當?shù)哪芰吭?0對本領域中的熟練技術(shù)人員來說是公知的。討論過源并在本申請的原始申請中也示出過，在此將這些公開內(nèi)容和討論都以引用的方式結(jié)合在本申請中。用于對在系統(tǒng)中的所有元件提供能量的能量源要求適當?shù)目刂坪鸵赃m當?shù)臅r分多路的方式進行切換以確保陽極、陰極和基片的正確的偏壓。組裝這種結(jié)構(gòu)的這些元件在本領域中是公知的。
現(xiàn)在參考附圖3，在該附圖3中所示為本發(fā)明的比較曲線。在附圖3A中，所示為當實際應用多路復用的陽極和接地的燈絲以及壁和施加偏壓的基片進行淀積時在碳淀積過程中的離子源的顆粒數(shù)據(jù)圖。測量基片或盤的兩個表面以找到典型的表面顆粒淀積，具體地說，采集大約7小時的數(shù)據(jù)。在每小時中連續(xù)地涂290個基片。在與在商業(yè)上制造硬磁盤相類似的條件下進行這些測試。簡要地說，將電鍍NiP的鋁基片預熱到大約200攝氏度，淀積大約300埃的鉻的薄金屬膜層和250埃的鈷合金層，此后在該表面上涂覆碳膜。這些工序中的每個工序都在分離的處理室中進行，并且通過一個保持大約10-7乇的真空度的主室來將基片從一個室轉(zhuǎn)移到另一個室中，以避免污染。應用Tencor Surfscan 364D來測量在基片表面上的顆粒，該Tencor Surfscan364D分析校準過大小和強度的點束激光照亮的顆粒散射的光。對于所處理的每100基片，測量在一個基片的兩個表面的每個表面上的顆粒數(shù)(尺寸大于或等于2微米的顆粒)并標繪出平均顆粒數(shù)。此外，為了比較的目的還給出了背景盤的顆粒數(shù)(參見實心方塊)，這種盤沒有涂覆以離子源淀積的碳。由于對基片進行機械處理產(chǎn)生的顆粒、原始基片表面缺陷以及由其它處理步驟產(chǎn)生的顆粒都可能對這種表面背景顆粒數(shù)有作用。應用在這些實驗中的離子源的主要設置如下陽極電壓=120V，基片偏壓=負80伏特，燈絲電壓=接地，屏蔽電壓=接地，陰極或燈絲發(fā)射電流=0．35A，氣體和氣流C2H4以14sccm(×2)的流率和Ar=14sccm，總的壓力=4毫乇，處理持續(xù)時間=8秒。應用Ar等離子體(在3．0毫乇的壓力下)在原位置上清洗離子源的鋁電弧濺射型的襯套(屏蔽)90分鐘。該數(shù)據(jù)說明在基片表面上所觀測到的顆粒數(shù)在開始淀積后的一個小時內(nèi)快速地增加并在2小時內(nèi)達到它的頂峰。然后該顆粒數(shù)慢慢地接近大約100顆／側(cè)面的穩(wěn)定水平。整個實驗的平均顆粒數(shù)為131每面。后來通過應用掃描電子顯微鏡和能量分散的X-射線光譜學識別在基片表面上的這些顆粒(加上背景顆粒)為碳碎片，由于離子源淀積的碳膜具有較高的應力該碳碎片從離子源的室的襯套上脫落。此外，除了以更高的陽極電壓(大于120V)和更小的基片偏壓外在其它條件類似的情況下進行許多實驗。發(fā)現(xiàn)所施加的陽極電壓越高，顆粒數(shù)的初始峰值越大最終基線顆粒數(shù)越大，表明顆粒的產(chǎn)生與在室的壁或屏蔽上的碳的應力直接相關(guān)。
附圖3B所示為當依據(jù)本發(fā)明運行等離子體系統(tǒng)時在碳淀積的過程中顆粒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還是運行大約7小時，每小時處理大約290個基片。該離子源的主要設置如下陽極電壓為50至100V，基片偏壓為負150至100伏特，燈絲電壓負150至100伏特，屏蔽電壓接地，燈絲發(fā)射電流為0．5A，氣體和氣流C2H4為14sccm(×2)和Ar為7sccm(×2)，室中的總壓力為4毫乇，處理時間為8．0秒。應用Ar等離子體(在3．0毫乇的壓力下)在原位置上清洗鋁電弧濺射型的室的壁或襯套(屏蔽)60分鐘。對于每處理的100個基片測量在三個基片的兩側(cè)面上的大于或等于2微米的顆粒數(shù)并繪制每面的平均顆粒數(shù)(空的菱形)。此外為了進行比較也示出了沒有涂覆離子源淀積碳的兩背景盤的顆粒數(shù)(一個在開始時用，另一個在結(jié)尾)。在圖中這些都為填實了的方塊。這些數(shù)據(jù)表明所觀測的在基片表面上的顆粒數(shù)在7小時的實驗過程中保持在背景水平(大約在50至70顆／面)。對于整個實驗每側(cè)面的平均數(shù)為52每側(cè)面，這在附圖3A所示的結(jié)果的基礎上有極大的改進。在實際的產(chǎn)生環(huán)境中，通過更好的基片處理和制備將會降低在這些附圖中所示的背景顆粒數(shù)。使產(chǎn)品不合格和產(chǎn)量低下的原因是通過在原位置的淀積處理產(chǎn)生的顆粒。因此，與通過本發(fā)明的原始申請的處理工序和方法所得到的結(jié)果相比，減去背景顆粒數(shù)表明依據(jù)本發(fā)明的如下的教導能夠獲得極大的改進。
在附圖4中所示為給處理系統(tǒng)的元件施加的偏壓的時間變化情況。如在該附圖中所示，最上的圖線為給涂覆的基片的第一側(cè)面上的陽極上施加的偏壓。中間的圖線為給正對著基片的第二或其它側(cè)面的陽極施加的偏壓。在最下面的圖線為施加在盤或基片(如在附圖2中的基片14)上的電壓，也可以是給燈絲比如在附圖2中的燈絲32施加的電壓。如圖所示當通電時給陽極施加正偏壓。因此如示出的那樣首先將正電壓施加到正對著所涂覆的盤或基片的第二側(cè)面的陽極。同時對盤和燈絲施加負偏壓。然后將這些電壓、燈絲偏壓、在盤或基片上施加的負偏壓以及在正對著盤的第二側(cè)面的陽極上施加的正偏壓都接地。此后，在對著基片或盤的第一側(cè)面的陽極上施加正電壓，給燈絲施加負偏壓。在離子源沒有通電的周期時間中將所有的這些施加的電壓都接地。在陽極通電的周期中這種循環(huán)周期繼續(xù)進行。通常對每個陽極的通電的周期時間包括大約35至40百分比的周期時間并且在其余的20至30百分比的周期時間中元件都接地。
在所討論的產(chǎn)生附圖4所示的曲線的實驗中，提到應用屏蔽元件或襯套。對于本領域的人員來說屏蔽元件或襯套是公知的，它們被應用在半導體領域中。在本發(fā)明中屏蔽或襯套用于淀積在室的壁上并且能夠簡化對室的清洗。一般地一個襯套可以使用一段時間比如大約一周或者更長的時間。然后能夠比較容易地將它從室中取出以便清洗室。當需要清洗壁時能夠快速地完成而不用使室停止運行。因此襯套或屏蔽能夠快速地被更換以便將室抽空而不需要較長的延遲來清洗壁，由此能夠更快地使系統(tǒng)運行。
已經(jīng)找到了在系統(tǒng)中對室按照對盤一樣地進行預處理將室暴露在純氬等離子體中大約一個小時降低在基片的表面上的顆粒淀積。我們相信在運行該系統(tǒng)對盤進行涂覆之前這種類型的處理除去了在室中或與該室相連的襯套中的污染，凈化了室或應用在室中的襯套或屏蔽。
到現(xiàn)在為止已經(jīng)討論了具有一個或兩個離子源的處理系統(tǒng)。如在附圖2中所描述的在附圖4所示的離子源的時分多路操作可以施加在具有兩個或更多個離子源的處理系統(tǒng)中。在每種情況下，在任何時候僅對一個離子源進行提供能量。例如，對具有四個離子源的處理系統(tǒng)通以具有25％或更小的占空比的非重疊陽極電壓。施加在兩個或更多個離子源上的陽極電壓取決于離子源的數(shù)量、所需的占空比、所需的操作頻率和所處理的表面或結(jié)構(gòu)的類型。在每種情況中，能夠消除在離子源之間的相互作用，并且根據(jù)所施加的其它電壓、淀積選擇性和材料質(zhì)量的選擇性進行預選以及預定。
施加到陽極的電壓可以從對工作氣體進行有效的離子化所需的最小值所確定的較低的電壓(大約50伏)變化到在接地的壁上開始放電電弧所需的最大值(在陽極電壓和接地的壁之間的電壓差一般地大于200伏)。在基片表面上的顆粒數(shù)隨著陽極電壓和在陽極電壓與壁之間的電壓差的增加開始增加，因此最佳的陽極電壓一般是在該電壓下能夠?qū)崿F(xiàn)所需的淀積速率、膜特性和可靠地開始放電的最低電壓。
控制相對電壓能夠控制所淀積的膜的應力和硬度。特別是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的當在基片的兩側(cè)面上同時淀積DLC薄膜的情況是這樣的。此外，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當Va-Vs＞120伏時產(chǎn)生很硬(＞25 GPa)并具有很高的應力(大約為3-4 Gpa)的膜，而當Va-Vs接近40伏時，膜的硬度小得多(大約為9Gpa)，同時應力較低(＜0．5 Gpa)。
這在附圖5中示出，所示為在該系統(tǒng)中涂覆的盤或基片上和壁上淀積的綜合應力。在這種情況下，如附圖4所示，運行參數(shù)為C2H4的壓力為2．3毫乇，Ar的壓力為1．8毫乇和0．5A的燈絲發(fā)射電流。壁或屏蔽元件接地。燈絲的偏置電壓與盤的相同，改變這兩者以使它們都維持比陽極電壓小200伏。因此如果陽極電壓為120伏，則盤和燈絲電壓為負80伏。涂黑的圓圈表示在室的屏蔽或壁上淀積的應力或GPa。涂黑的方塊表示在盤上淀積的應力。離子加速度大致等于離子碰撞的表面的電壓和陽極電壓之間的電壓差。由于在陽極和基片之間的電壓差保持恒定，離子以大約200eV的能量與基片相碰撞。此外，隨著陽極電壓改變，由于電壓差保持恒定所以膜的應力大致恒定。然而，由于壁保持地電壓，因而到壁的離子加速度可以從60eV變化到120eV，并且淀積在壁上的碳的應力也顯著地變化。當?shù)矸e在壁上的碳的應力較低(小于2Gpa)時，碳更不容易脫落，并且在基片表面上實現(xiàn)了更低的顆粒等級。
雖然本發(fā)明的機理并不是完全理解，但是現(xiàn)在我們相信形成等離子體、相對于接地的壁正向偏壓以及在等離子體和偏壓的基片(如果對基片施加了偏壓)之間的連接上的整個離子罩上對離子進行加速。應用除了比如離子束以外的等離子體比應用其它可能的等離子體允許更高的淀積速率。依據(jù)本發(fā)明我們已經(jīng)實現(xiàn)了以等于或大于15埃每秒的速率淀積保護性涂層。
對分格的離子束源(一種能夠打開和關(guān)掉的源)的偏壓等離子體方法的優(yōu)點是一般難以在較低的離子能量下獲得較高的的淀積速率，因為受到在加速柵格中的空間電荷的限制。此外，等離子罩的本質(zhì)特征確保了能夠?qū)υ谡麄€表面面積上的基片表面進行正常的離子加速，而離子束則具有從基片軸線偏離正常入射的一定的發(fā)散性。
雖然已經(jīng)示出并描述了目前認為的本發(fā)明的優(yōu)選實施例，很顯然對于本領域的熟練技術(shù)人員來說在不脫離由附加權(quán)利要求所確定的本發(fā)明的范圍內(nèi)能夠作出各種變型和改進。
權(quán)利要求
1．一種基片處理系統(tǒng)，包括接地的處理室；設置在所說的處理室中的基片支架；與所說的處理室相連接以給所說的處理室輸送生成氣體的氣體源；在所說的處理室中的離子源，該離子源對所說的生成氣體進行離子化以產(chǎn)生用于處理設置在正對著所說的離子源的所說的基片支架中的基片表面的離子，所說的離子源包括第一陽極和第一電子源；能量源，該能量源對所說的陽極、所說的電子源和所說的基片施加偏壓以使在所說的基片支架上的基片和所說的陽極偏置到正電壓的電平而同時所說的電子源偏置到負電壓。
2．如權(quán)利要求1所述的基片處理系統(tǒng)，其中包括第二陽極和第二電子源的第二離子源被設置得正對著在所說的基片支架上的基片的相對的表面，其中所說的能量源適于給該第一陽極和所說的第二陽極中的每個施加時分多路電壓。
3．如權(quán)利要求2所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的能量源包括以小于大約100千赫茲的頻率給所說的第一陽極和所說的第二陽極中的每個施加脈沖的、周期性的電壓的裝置。
4．如權(quán)利要求2所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的能量源包括以小于在所說的室中的等離子體的反應時間的頻率給所說的第一陽極和所說的第二陽極中的每個施加脈沖的、周期性的電壓的裝置。
5．如權(quán)利要求2所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的能量源包括以占空比小于50％給所說的第一陽極和所說的第二陽極中的每個施加脈沖的、周期性的電壓的裝置，且在給陽極脈沖施加正電壓的時間中所說的電子源負向偏置。
6．如權(quán)利要求2所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的能量源包括以占空比小于50％給每個所說的陽極施加脈沖的、周期性的正電壓而給該第一和第二陽極的每個電子源施加負電壓的裝置，其中在每個脈沖的周期電壓的一部分周期中所說的第一離子源和所說的第二離子源都斷開。
7．如權(quán)利要求1所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的氣體源給所說的室輸送C2H4。
8．如權(quán)利要求2所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的氣體源給所說的室輸送乙烯和氬氣。
9．如權(quán)利要求2所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的能量源包括具有第一和第二脈沖輸出的能量源，每個所說的脈沖輸出連接到所說的第一和第二陽極和所說的電子源，其中所說的第一和第二輸出包括具有相移的脈沖以使在不同的時間上給所說的第一和第二陽極輸送能量，而當將脈沖輸出施加到所說的電子源時就給所說的電子源輸送能量。
10．如權(quán)利要求2所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的生成氣體是乙烯并且在將氣體饋送到室中的時間中在該室中的壓力保持在約4毫乇。
11．如權(quán)利要求1所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的第一和第二電子源每個都包括用于產(chǎn)生電子的燈絲和連接到所說的燈絲以對所說的燈絲進行加熱并給所說的燈絲施加負偏壓的燈絲能量源。
12．如權(quán)利要求3所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的能量源包括以大約1至5千赫茲的范圍的頻率給每個所說的第一陽極和所說的第二陽極施加脈沖的、周期性的電壓的裝置。
13．如權(quán)利要求1所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的離子源產(chǎn)生用于蝕刻所說的基片的所說的生成氣體的離子。
14．如權(quán)利要求2所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的離子源產(chǎn)生用于蝕刻所說的基片的所說的生成氣體的離子。
15．一種處理基片的方法，包括如下步驟將基片設置在處理室中；將所說的處理室接地；給所說的處理室輸送生成氣體；應用位于所說的室中并正對著基片的表面的離子源將所說的生成氣體離子化以產(chǎn)生用于處理基片的表面的所說的生成氣體的離子，所說的離子源包括陽極和電子源；和在給該電子源和所說的基片施加負偏壓的同時給所說的陽極施加正偏壓。
16．如權(quán)利要求15所述的方法，包括給所說的室輸送乙烯和氬氣作為所說的生成氣體。
17．如權(quán)利要求15所述的方法，其中所說的基片的其它表面暴露在包括至少一第二陽極和至少一第二電子源的第二離子源中，且以范圍在大約1至5千赫茲的頻率通過給該第一和至少第二陽極中的每個施加脈沖的、周期性的正電壓和給該第一和至少所說的第二電子源施加負電壓來對該第一陽極和所說的第二陽極輸送能量。
18．如權(quán)利要求17所述的方法，其中給該第一陽極和所說的第二陽極以及所說的它們的電子源輸送能量的步驟包括分別以異相的第一和第二周期性電壓給該第一陽極和所說的第二陽極以及所說的電子源輸送能量。
19．如權(quán)利要求18所述的方法，其中所說的第一和第二周期性的電壓的占空比小于50％，在周期性電壓的每個周期的一部分中所說的第一和第二離子源和相關(guān)的電子源都沒接通。
20．一種在處理室中運行兩個或更多個離子源的方法，所說的兩個或更多個的離子源每個都具有陽極和電子源，包括如下步驟以時分多路復用的方式給所說的兩個或更多個的離子源的陽極輸送能量以使在任何時候僅給所說的兩個或更多個的離子源中的一個輸送能量；和與所說的陽極同時地給該電子源通以負偏壓。
21．一種基片處理系統(tǒng)，包括處理室；設置在所說的處理室中的基片支架；給所說的處理室輸送生成氣體的氣體；設置在所說的處理室中的第一和第二陽極；在所說的處理室中負向偏壓的電子源，該電子源給所說的室產(chǎn)生電子以對所說的生成氣體進行離子化以產(chǎn)生用于處理設置在該基片支架的負向偏壓的基片的離子；和能量源，該能量源以時分多路的方式相對于該室給所說的第一和第二陽極通以正偏壓和給所說的電子源和所說的基片通以負偏壓以使在任何時候僅給一個所說的陽極提供能量。
22．如權(quán)利要求21所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的基片支架電連接到能量源以有利于對基片支架上的基片進行偏壓。
23．如權(quán)利要求2所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的基片支架電連接到能量源允許對基片支架上的基片進行偏壓。
24．依據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括將離子源設置在所說的基片的不同側(cè)面上。
25．依據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，包括將生成氣體饋送到所說的基片的每側(cè)。
26．一種在處理位置上的薄導電基片的兩個表面上淀積類金剛石的碳的處理系統(tǒng)，包括處理室；設置在所說的處理室中的基片支架；連接到所說的處理室以給所說的室供應氣體的乙烯氣源；能量源和第一和第二等離子體發(fā)生器，每個所說的等離子體發(fā)生器都包括陽極和設置在所說的基片支架上的基片的側(cè)面上的電子源以產(chǎn)生等離子體；所說的能量源連接到所說的第一和第二等離子體發(fā)生器，并且該能量源適合于以時分多路的方式通過給所說的發(fā)生器的陽極施加正電壓和給電子源施加負電壓來給所說的等離子體發(fā)生器通電，以使在任何時候僅給在所說的陽極和所說的等離子體發(fā)生器中的一個輸送能量；和在給所說的等離子體發(fā)生器的陽極施加正電壓的同時給所說的電子源和所說的基片施加負電壓。
27．一種基片處理系統(tǒng)，包括處理室；設置在所說的處理室中的基片支架；連接到所說的處理室以給所說的處理室輸送生成氣體的氣源；在所說的室中與能量源相連接的第一等離子體發(fā)生器，該第一等離子體發(fā)生器對所說的生成氣體進行離子化以產(chǎn)生處理設置在所說的基片支架上的基片的離子；在所說的室中與能量源相連接的第二等離子體發(fā)生器，該第二等離子體發(fā)生器對所說的生成氣體進行離子化以產(chǎn)生處理設置在所說的基片支架上的基片的離子；每個所說的等離子體發(fā)生器設置在所說的基片支架上的基片的相對的兩面上；以時分多路的方式提供能量的能量源，以使在任何時候僅給一個所說的發(fā)生器提供能量；和連接到所說的基片支架的電源，該電源給設置在所說的支架上進行處理的基片施加偏壓。
28．依據(jù)權(quán)利要求24所述的基片處理系統(tǒng)，其中在該室中設置襯套以免淀積在室的壁上。
29．依據(jù)權(quán)利要求1所述的基片處理系統(tǒng)，其中所說的離子源產(chǎn)生所說的生成氣體的離子以腐蝕在所說的室中屏蔽件的表面上的淀積物。
30．依據(jù)權(quán)利要求27所述的基片處理系統(tǒng)，其中該生成氣體包括氬氣。
全文摘要
一種基片處理系統(tǒng)包括處理室(10)、設置在該室中的基片支架(12)、該室輸送生成氣體的氣源(54)、位于該室中的至少一個離子源(20)和能量源,該能量源通過對陽極(30)施加正偏壓和陰極(32)施加負偏壓來給離子源輸送能量,在每個實例中偏壓都是相對于該室的。離子源使生成氣體離子化以產(chǎn)生用于處理設置在室中的基片支架上的基片的離子。一個實施例包括兩個這種離子源。在這種情況下,能量源以時分多路的方式給第一和第二陽極(30,40)和陰極(32,42)提供能量,以使在任何時候僅有一個第一或第二離子源通電,因而消除了離子源之間的相互作用。
文檔編號B01J19/08GK1293717SQ00800061
公開日2001年5月2日 申請日期2000年1月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月22日
發(fā)明者特里·布魯克, 詹姆斯·H·羅杰斯, 謝軍 申請人:英特維克公司