專(zhuān)利名稱(chēng)：用惰性氣體混合物噴鍍硅介質(zhì)膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地說(shuō)與利用磁控管真空濺射在基質(zhì)上噴鍍膜的工藝有關(guān)，更具體地說(shuō)，則與用于噴鍍絕緣體、半導(dǎo)體(諸如硅)以及它們的電介質(zhì)的工藝有關(guān)。
各種磁控管?chē)婂児に囉脕?lái)在各種大小的基質(zhì)上噴鍍薄膜。有一類(lèi)工藝用來(lái)在玻璃基質(zhì)上產(chǎn)生光學(xué)薄膜。這些基質(zhì)包括用于建筑物窗戶(hù)的大尺寸建筑玻璃、卡車(chē)和轎車(chē)風(fēng)擋用的車(chē)輛玻璃、計(jì)算機(jī)和圖像顯示器屏幕以及小型光學(xué)元件。這類(lèi)工藝如下完成將上述基質(zhì)中的一種通過(guò)一個(gè)真空室，用等離子體放電產(chǎn)生的離子去轟擊標(biāo)靶，于是標(biāo)靶的物質(zhì)在真空室內(nèi)濺射噴鍍。如果希望薄膜僅由標(biāo)靶的物質(zhì)單獨(dú)構(gòu)成，那么該物質(zhì)就應(yīng)直接濺射噴鍍到基質(zhì)上去。另一方面，人們常常希望噴鍍一種化合物，標(biāo)靶物質(zhì)只是該化合物的一種成分；這可以通過(guò)將反應(yīng)氣體引入真空室來(lái)完成，反應(yīng)氣體與基質(zhì)表面上的濺射元素相化合就形成了所要的化合物。這種反應(yīng)濺射噴鍍的一個(gè)實(shí)例是介質(zhì)膜的噴鍍，此時(shí)標(biāo)靶物質(zhì)是一種金屬(諸如鈦)，而反應(yīng)氣體是氧或氮。再舉一例，標(biāo)靶物質(zhì)是一種幾乎不導(dǎo)電的元素或半導(dǎo)體元素(諸如硅)，它由標(biāo)靶濺射出來(lái)然后與反應(yīng)氣體(諸如氧)化合從而生成電介質(zhì)(諸如二氧化硅)薄膜，即介質(zhì)膜。
近年來(lái)，對(duì)非金屬、基本不導(dǎo)電元素或它們的電介質(zhì)化合物的濺射噴鍍膜的需求大為增加。然而，生產(chǎn)這類(lèi)膜片的現(xiàn)行濺射噴鍍工藝很難控制，這類(lèi)工藝通常不能以穩(wěn)定的方式操作。硅介質(zhì)膜的噴鍍是最困難的，與此同時(shí)，對(duì)它的需求卻迅速增長(zhǎng)。現(xiàn)行工藝給出的噴鍍速率要比生產(chǎn)大多數(shù)金屬膜時(shí)的噴鍍速率小得多。
為了提高經(jīng)濟(jì)效益，基質(zhì)必須以高速通過(guò)磁控管濺射噴鍍?cè)O(shè)備，這就意味著物質(zhì)噴鍍淀積在基質(zhì)上的速率需要維持在一個(gè)高水平，但當(dāng)生產(chǎn)二氧化硅或其它的這類(lèi)膜片時(shí)情況并非如此。二氧化硅膜越來(lái)越普及地用作玻璃上形成的多層層疊的一層或幾層，這種層疊是為了提供波長(zhǎng)選擇透過(guò)率及(或)反射特性。二氧化硅的折射率低。然而，當(dāng)大型基質(zhì)，如建筑物或汽車(chē)上的玻璃，需要鍍膜時(shí)，這種膜的淀積速率則令人特別關(guān)注。設(shè)備方面所需的投資很大，因此，希望基質(zhì)能以一個(gè)適當(dāng)?shù)乃俾释ㄟ^(guò)排成一列的若干常用的濺射噴鍍真空室。
在硅或硅介質(zhì)噴鍍淀積的過(guò)程中，主要不希望發(fā)生的現(xiàn)象是弧光放電。頻繁的弧光放電會(huì)使得工藝過(guò)程偏離給定的工作參數(shù)值。有兩類(lèi)弧光放電發(fā)生第一類(lèi)是人們主要關(guān)心的、此時(shí)電弧通過(guò)等離子體(它是電子的導(dǎo)體)由標(biāo)靶表面向陽(yáng)極表面前進(jìn)。為了使不導(dǎo)電的標(biāo)靶物質(zhì)能夠成為等離子體工藝流程的陰極，則對(duì)其摻雜某些導(dǎo)電物質(zhì)，諸如在硅靶中摻些鋁。但是，由于在鍍膜中任何顯量的導(dǎo)電物質(zhì)都是不期望的，所以標(biāo)靶中少量的導(dǎo)電物質(zhì)使得標(biāo)靶在它的厚度上，比之導(dǎo)電物質(zhì)由金屬標(biāo)靶物質(zhì)濺射噴鍍的情況，具有高得多的電阻。
一個(gè)等價(jià)串聯(lián)電路存在于噴鍍室內(nèi)的金屬電極表面(它與標(biāo)靶的背面相接)與陽(yáng)極(它離開(kāi)被轟擊的標(biāo)靶表面一定距離)之間。該串聯(lián)電路包含標(biāo)靶物質(zhì)本身的高電阻，從而形成了一個(gè)電壓降通過(guò)標(biāo)靶物質(zhì)厚度、緊鄰標(biāo)靶表面的陰極鞘，以及陰極陽(yáng)極之間的等離子體本身。與幾乎不導(dǎo)電的標(biāo)靶物質(zhì)同時(shí)存在的第一類(lèi)電弧，據(jù)信具有兩個(gè)同時(shí)起作用的成因。一個(gè)成因是由于標(biāo)靶的高電阻，使得它在較高的溫度下工作，從而使得電子易于由標(biāo)靶表面逃逸。另一個(gè)成因據(jù)信是通過(guò)陰極鞘的較大電壓降，它使得在那一區(qū)域內(nèi)的離子以較高的能量撞擊標(biāo)靶表面，從而使得由標(biāo)靶表面撞出更多的電子。增高的電子數(shù)分布增大了在標(biāo)靶表面和陽(yáng)極之間產(chǎn)生弧光放電的概率，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的電流流過(guò)該串聯(lián)電路。此時(shí)，連接在標(biāo)靶背面的電極表面和陽(yáng)極之間的電源常常會(huì)暫時(shí)失效，這就使得以提供高噴鍍淀積速率工作的穩(wěn)定參數(shù)運(yùn)行的工藝過(guò)程，即使不是不可能，也難以維持進(jìn)行。這類(lèi)電弧也會(huì)撞擊出顆粒物質(zhì)，它們可能成為噴鍍淀積膜的不希望有的一部分。
作為第二類(lèi)弧光放電的一個(gè)成因就是，二氧化硅或其它不導(dǎo)電物質(zhì)不僅噴鍍?cè)谥付ǖ幕|(zhì)上，而且也會(huì)噴鍍?cè)谡婵帐覂?nèi)的其它表面上，包括電源跨接其上的陽(yáng)極和標(biāo)靶，以及鄰近標(biāo)靶的其它表面。一個(gè)電負(fù)載周期性地產(chǎn)生在這種介質(zhì)膜的兩邊，足以使它擊穿，從而造成弧光放電。它會(huì)引起濺射噴鍍工藝過(guò)程的某種中斷，同時(shí)也會(huì)在真空室內(nèi)產(chǎn)生一些顆粒物質(zhì)，其中一部分會(huì)附著到基質(zhì)表面上。
為了避免第二個(gè)弧光放電的成因，對(duì)二氧化硅和其它麻煩的電介質(zhì)的噴鍍工藝做了許多重大的改進(jìn)。一種改進(jìn)就是制成圓柱形的硅靶，然后使之在噴鍍過(guò)程中繞軸旋轉(zhuǎn)；在標(biāo)靶表面上形成的氧化物被濺射出去，提供了一種自?xún)艋奶攸c(diǎn)。另一些改進(jìn)是對(duì)屏蔽層做的，它們覆蓋在標(biāo)靶附近的一些表面上。進(jìn)一步的改進(jìn)還包括陽(yáng)極成型和定位。然而，這些措施并不能減少上面討論的、在標(biāo)靶表面和陽(yáng)極之間的第一類(lèi)電弧的成因。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的就是改進(jìn)這種濺射噴鍍方法，使標(biāo)靶—陽(yáng)極弧光放電的概率大為降低。
本發(fā)明的另一個(gè)目的則是使這種濺射噴鍍工藝過(guò)程能以穩(wěn)定的方式進(jìn)行。
本發(fā)明的一個(gè)較一般的目的是提高高質(zhì)量膜的噴鍍淀積速率。
本發(fā)明的一個(gè)專(zhuān)用目的是改進(jìn)形成介質(zhì)層的硅化物的噴鍍工藝。
這些目的和附加的一些目的可用本發(fā)明達(dá)到，該發(fā)明概述如下由不導(dǎo)電體或至多是半導(dǎo)體的材料制成的標(biāo)靶，用在至少包含兩種不同惰性氣體的混合氣體中去噴鍍?cè)撐镔|(zhì)或該物質(zhì)的介電化合物構(gòu)成的膜。例如，當(dāng)噴鍍淀積硅基介質(zhì)化合物膜時(shí)，濺射將在磁控管真空室內(nèi)的硅靶上發(fā)生，此時(shí)磁控管室內(nèi)注有由一種或多種反應(yīng)氣體(通常是氧及/或氮)和兩種不同惰性氣體組成的混合氣體。惰性氣體的一種特定組合是使磁控管室中的氬保持它的分壓在占惰性氣體總分壓的20％-80％的范圍內(nèi)，其余的分壓則由氦或氖氣，或由氦氖組合氣體產(chǎn)生。其它的惰性氣體還有氪、氙和氡，但是通常不用這些氣體，因?yàn)樗鼈儾灰兹〉?、價(jià)格高或難以使用。
各種惰性氣體的相對(duì)分壓通過(guò)控制各種氣體的氣流流量來(lái)維持，由不同氣體源產(chǎn)生的單種氣體被控制，以其相應(yīng)的相對(duì)流速流入磁控管室。另一種代替的辦法是，惰性氣體能以對(duì)應(yīng)于所希望的相對(duì)分壓的比例預(yù)先混合，然后由單一容器引入真空室內(nèi)。
在由金屬靶濺射噴鍍金屬膜時(shí)，常用一種惰性氣體。為了提高噴鍍淀積速率，一種惰性氣體也用于結(jié)合反應(yīng)氣體的某些反應(yīng)濺射噴鍍中。的確，在二氧化硅的噴鍍中為了提高它的淀積速率，一種惰性氣體也與氧氣混合。然后，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用一種惰性氣體并不能改進(jìn)工藝過(guò)程的可控制性和穩(wěn)定性，而在大多數(shù)情況中，卻使工藝過(guò)程在這方面的性能變壞。因而，現(xiàn)在二氧化硅通常不用一種惰性氣體，而僅用氧氣進(jìn)行噴鍍。然而，作為本發(fā)明的一部分已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用兩種惰性氣體的組合來(lái)代替僅僅一種惰性氣體時(shí)，能夠獲得使用一種惰性氣體的所有好處。一般而言，具有較低原子數(shù)的惰性氣體占了惰性氣體總體的大部分體積。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)至少兩種惰性氣體的適當(dāng)組合能夠大大減少標(biāo)靶—陽(yáng)極弧光放電的發(fā)生，從而使得給定的工藝過(guò)程能受控，以產(chǎn)生最大噴鍍淀積速率的穩(wěn)定方式進(jìn)行。這種有效益的結(jié)果，據(jù)信是由于標(biāo)靶表面和惰性氣體亞穩(wěn)態(tài)之間能量傳遞而造成的。這有助于減小陰極鞘的阻抗，從而減小穿過(guò)陰極鞘的電壓降，因此減小了標(biāo)靶—陽(yáng)極弧光放電的概率。在陰極鞘內(nèi)的離子于是不再撞擊具有這樣高能級(jí)的標(biāo)靶。被減少的弧光放電和電壓脈動(dòng)使得工藝流程能夠通過(guò)自動(dòng)反饋控制回路而受控在所要求的工作點(diǎn)上以穩(wěn)定方式進(jìn)行。以前認(rèn)為，當(dāng)由硅靶或其它非導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料制成的標(biāo)靶進(jìn)行噴鍍膜時(shí)，這樣一種控制系統(tǒng)不能使用。
本發(fā)明附加的目的、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)由以下描述它的具體設(shè)備將變得明顯，這些描述應(yīng)結(jié)合相應(yīng)的示意圖來(lái)閱讀。


圖1示意說(shuō)明本發(fā)明有所改進(jìn)的一類(lèi)磁控管濺射噴鍍裝置。
圖2是圖1所示裝置沿2-2方向的部分剖面圖。
圖3一條曲線，它對(duì)圖1和圖2的裝置說(shuō)明了理想的工作點(diǎn)。
圖4示意說(shuō)明對(duì)圖1和圖2中磁控管裝置進(jìn)行控制的系統(tǒng)。
圖5示出兩條曲線，它們說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明確定圖1和圖2中系統(tǒng)的工作參數(shù)的方法。
圖6示出一條曲線，它說(shuō)明了圖1和圖2中系統(tǒng)的最優(yōu)工作點(diǎn)。
作為起點(diǎn)，參看圖1，我們敘述作為現(xiàn)在實(shí)用的濺射噴鍍裝置及其工藝流程的一個(gè)例子。如圖1所示的磁控管是一類(lèi)使用具有細(xì)長(zhǎng)圓柱體形狀的陰極11的裝置，陰極11由電動(dòng)機(jī)激勵(lì)源13造成以勻速繞其軸15旋轉(zhuǎn)。攜帶到陰極11圓柱體外表面上的是一層在噴鍍過(guò)程中被濺射出來(lái)的標(biāo)靶物質(zhì)17，基質(zhì)19沿路徑20移動(dòng)，后者垂直于陰極11的旋轉(zhuǎn)軸15。基質(zhì)在那條路徑上被某種易行的機(jī)構(gòu)，例如被電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的支承輥21所帶動(dòng)，而沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的永磁裝置25被定位在陰極11之內(nèi)，且面向著欲鍍膜的基質(zhì)19。永磁裝置25不隨標(biāo)靶11而轉(zhuǎn)動(dòng)，但它的穩(wěn)定位置?？陕宰鬓D(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整。永磁裝置25由沿其長(zhǎng)軸連續(xù)排列的許多磁鐵構(gòu)成，排列長(zhǎng)度決定了噴鍍區(qū)的寬度?；|(zhì)19的寬度，極而言之，要比永磁裝置25的長(zhǎng)度略短。
噴鍍過(guò)程在真空室40內(nèi)進(jìn)行，它通常由金屬四壁構(gòu)成，如圖1中的虛線所示。一個(gè)真空泵系統(tǒng)29使室內(nèi)的氣壓維持在與工藝操作相一致的低壓水平。一種噴鍍工藝流程氣體由氣源33通過(guò)導(dǎo)管31，或其它形式的管道被傳送到真空室40內(nèi)。
圖1和圖2所示的這類(lèi)磁控管由直流電源37供電，另一類(lèi)磁控管則可用各種形狀的交流電流或脈沖電流。本發(fā)明的各種特性對(duì)這類(lèi)磁控管也有適用性。但在圖1和圖2中所示的磁控管，其陰極11與一相對(duì)于真空室壁電位(它通常維持在地電位)為負(fù)的電壓相連接。用于標(biāo)靶17的材料也是導(dǎo)電的，所以標(biāo)靶物質(zhì)的外表面也保持在負(fù)電位。
十分經(jīng)常的是，金屬真空室壁27的內(nèi)表面也用作為濺射裝置的陽(yáng)極。此時(shí)，各壁仍保持地電位。另一種替代辦法是，使用一個(gè)分開(kāi)的陽(yáng)極39，安置在與噴鍍區(qū)35相對(duì)的陰極11的對(duì)面，此陽(yáng)極39通過(guò)與電源37相接而保持在正電位。
在所描述的本發(fā)明的實(shí)例中，標(biāo)靶物質(zhì)17主要由硅構(gòu)成。如所期望的，標(biāo)靶17應(yīng)只含有硅元素，但由于硅是非導(dǎo)體，少量百分比的導(dǎo)電元素(如鋁之類(lèi))會(huì)混入硅中。鋁的百分?jǐn)?shù)通常約在重量百分比2-10的范圍。由于鋁原子也由標(biāo)靶與硅原子一起濺射出去，所以只有包含足夠的鋁，才能給標(biāo)靶物質(zhì)一個(gè)磁控管工作所需的導(dǎo)電水平。這樣一種低比例的導(dǎo)電材料似乎不會(huì)影響被噴鍍的膜片。這種標(biāo)靶在這里叫做“實(shí)值地”純硅。
如果正被噴鍍淀積的膜是硅本身，則通過(guò)管道31引入室40的工藝流程氣體，按照本發(fā)明將至少是兩種惰性氣體的組合。不需要引入反應(yīng)氣體，保持在室40中的只是惰性氣體。然而，如果噴鍍?cè)诨|(zhì)19上的膜是硅的化合物，則一種或幾種反應(yīng)氣體將要通過(guò)管道31或另設(shè)管道(圖中未繪出)與惰性氣體同時(shí)引入。例如，如果在基質(zhì)19上要噴鍍二氧化硅膜，則氧氣要作為反應(yīng)氣體引入室40；另一方面，如果要噴鍍氮化硅膜，那么氮?dú)鈱⒆鳛榉磻?yīng)氣體引入室40。多于一種的反應(yīng)氣體也可使用，這取決于指定的噴鍍膜。為了形成被噴鍍的電介質(zhì)或其它化合物，反應(yīng)氣體在基質(zhì)19的表面上與由標(biāo)靶17濺射出來(lái)的硅原子起化學(xué)反應(yīng)。噴鍍?cè)谑?0內(nèi)進(jìn)行，室40保持很低的氣壓，通常在1-10毫乇的范圍。
在討論有關(guān)兩種或多種惰性氣體混合的特性之前，在電介質(zhì)(諸如二氧化硅)噴鍍中所涉及的其它工藝流程參數(shù)要相對(duì)圖3加以說(shuō)明。噴鍍淀積速率在垂直軸上給出，而反應(yīng)氣體和惰性氣體的流量的相對(duì)比例沿水平軸給出。曲線43給出了反應(yīng)氣體和惰性氣體相對(duì)比例的變化對(duì)噴鍍淀積速率的影響。在一種極端情況45時(shí)，室40內(nèi)的氣體是100％的惰性氣體，不引進(jìn)反應(yīng)氣體，此時(shí)噴鍍淀積速率最高。而在相反的極端情況47中，真空室40內(nèi)僅有反應(yīng)氣體而不引進(jìn)惰性氣體，這時(shí)的噴鍍淀積速率最低。對(duì)反應(yīng)濺射噴鍍工藝過(guò)程所推薦的工作區(qū)如影區(qū)49所示，位于曲線43的時(shí)滯效應(yīng)部分。也就是說(shuō)，推薦的工作區(qū)51的范圍是大致在曲線43的兩個(gè)端點(diǎn)45和47的兩個(gè)極值之間。這一范圍的特征是高噴鍍淀積速率和噴鍍?cè)诨|(zhì)上的完全反應(yīng)薄膜。
在這一范圍內(nèi)反應(yīng)氣體和惰性氣體的相對(duì)百分比造成了室40中反應(yīng)氣體的分壓基本上為零。這就是說(shuō)，引進(jìn)室中的所有反應(yīng)氣體基本上都與硅原子化合了。這一推薦范圍可以通過(guò)測(cè)量來(lái)確定，需要對(duì)反應(yīng)氣體和惰性氣體的各種不同比例測(cè)量某一段時(shí)間內(nèi)在基質(zhì)上噴鍍淀積的物質(zhì)量。另一種替代方法是，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與淀積速率成正比的一個(gè)量，在某些工藝流程中存在這樣一個(gè)量可以是等離子體的一條或多條特定發(fā)射線的強(qiáng)度。于是，等離子體強(qiáng)度成為圖3垂直軸上的量。如果給定的工藝流程許可的話，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)將使流進(jìn)反應(yīng)室的反應(yīng)氣體與惰性氣體的相對(duì)比例的自動(dòng)控制成為可能，從而保持住在范圍53中的噴鍍淀積速率。如上所述，硅噴鍍工藝過(guò)程迄今還沒(méi)有穩(wěn)定得足以容許這種自動(dòng)控制，但應(yīng)用本發(fā)明造成的提高了的穩(wěn)定性現(xiàn)在將使之成為可能。
能提供如圖3所述的那種控制的一種濺射噴鍍系統(tǒng)(因而能按本發(fā)明來(lái)控制兩種或多種惰性氣體的相對(duì)比例)，將結(jié)合圖4加以描述。在這一實(shí)例中，特別是對(duì)硅噴鍍工藝流程而言，可以監(jiān)測(cè)對(duì)磁控管室42供電的電源的某種特征量，而不是監(jiān)測(cè)等離子體發(fā)射線的強(qiáng)度。上述監(jiān)測(cè)通過(guò)在與電源37連線路徑中引進(jìn)一個(gè)線路55來(lái)實(shí)現(xiàn)，或通過(guò)直接與電源相接來(lái)實(shí)現(xiàn)(未繪出)。工藝流程控制器57通過(guò)線59接收信號(hào)，該信號(hào)代表了施加到室40內(nèi)磁控管陰極17上的電壓、電流或功率。工藝流程控制器57通過(guò)線61控制由氣體源33引進(jìn)室40的各種氣體的相對(duì)比例。該控制系統(tǒng)的目的是保持最小系統(tǒng)阻抗的工作狀態(tài)。通過(guò)監(jiān)測(cè)如圖6所示的電源電壓，反應(yīng)氣體和惰性氣體的相對(duì)百分比就能以這種方式控制，從而維持在理想的穩(wěn)定工作區(qū)的狀態(tài)。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)考慮在硅的反應(yīng)濺射噴鍍中使用多種惰性氣體，使得該工藝流程能自動(dòng)保持在理想工作區(qū)進(jìn)行。當(dāng)真空室內(nèi)的氣體僅僅只有諸如氧氣之類(lèi)的一種反應(yīng)氣體時(shí)，上述過(guò)程不可能發(fā)生。
當(dāng)電源37是直流電時(shí)，由于弧光放電問(wèn)題最嚴(yán)重，本發(fā)明提供了較大的改進(jìn)；而當(dāng)電源37對(duì)磁控管40提供交流電時(shí)，本發(fā)明也改善了工作狀態(tài)。
引進(jìn)磁控管室40的各種氣體的供應(yīng)源33包括第1惰性氣體的供應(yīng)源63、第2惰性氣體的供應(yīng)源65、以及反應(yīng)氣體的供應(yīng)源67。其它的反應(yīng)氣體和/或惰性氣體也能使用并同時(shí)被引入磁控管室40。一個(gè)閥門(mén)和流量計(jì)系統(tǒng)69用來(lái)測(cè)量由各個(gè)供應(yīng)源進(jìn)入室內(nèi)的各單種氣體的流量，并對(duì)這些流量進(jìn)行閥門(mén)控制。工藝流程控制器57通過(guò)線61接收單種氣體流量的信息，并同樣通過(guò)線61發(fā)出控制信號(hào)以操縱單種氣體供應(yīng)源的閥門(mén)。在噴鍍二氧化硅膜的實(shí)例中，反應(yīng)氣體源67備有氧，而惰性氣體源63或65的一種是氬，而另一種則是氦或氖，或兩種均有。另一種方法是，再備一個(gè)惰性氣體源，它將氦、氖與氬混合之后用于磁控管室40之中。
惰性氣體不同組合的作用以及確定所用兩種不同惰性氣體其中一種的相對(duì)比例的方法將結(jié)合圖5的曲線予以說(shuō)明。曲線71和73顯示了當(dāng)來(lái)自電源的總功率維持恒定時(shí)，由于兩種不同惰性氣體的相對(duì)比例的變化對(duì)電源電壓的影響。這些曲線與使用硅靶、不用反應(yīng)氣體、1號(hào)惰性氣體為氦或氖、2號(hào)惰性氣體為氬的條件下出現(xiàn)的情況相近。在圖5中說(shuō)明的使人感興趣的效應(yīng)是，電壓作為1號(hào)和2號(hào)惰性氣體相對(duì)比例的函數(shù)變化很大，特別是在為了獲得高噴鍍淀積速率而通常希望采用的高功率的情況下尤甚。由理論觀點(diǎn)看，一個(gè)最佳的工作點(diǎn)是75或77所示的相對(duì)混合比，前者屬于曲線73的低功率工作狀態(tài)，后者屬于曲線71的高功率工作狀態(tài)。正是這一減少了的電源電壓使得弧光放電發(fā)生的概率降至最小，而同時(shí)又為已知的恒定功率提供了最大的電流。該系統(tǒng)遵守基本電學(xué)關(guān)系供給磁控管的總功率等于通過(guò)標(biāo)靶和陽(yáng)極施加的電壓乘以其中的電流(P＝V×I)。
由于曲線71和75的這些精確的極小值在商業(yè)濺射噴鍍應(yīng)用中不易維持，實(shí)際運(yùn)行將在1號(hào)和2號(hào)惰性氣體不同比例的一個(gè)范圍內(nèi)維持。在硅膜或硅化合物膜的情況中，具有最小原子數(shù)的惰性氣體通常將占大多數(shù)。氦(原子數(shù)2)和氖(原子數(shù)10)兩者的原子數(shù)都比氬(原子數(shù)18)小。然而，我們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)可工作范圍要比上述范圍寬，即20％到80％的惰性氣體是氬，其余的是氖或氦，或兩者的組合。
一旦如圖5所示的那類(lèi)曲線對(duì)給定磁控管濺射噴鍍系統(tǒng)中的給定標(biāo)靶物質(zhì)確定下來(lái)，則兩種或多種不同惰性氣體的比例也就確定了。于是可知，在磁控管室40中的多種惰性氣體的分壓可以相對(duì)于室中所有惰性氣體的分壓維持給定百分比。這些相對(duì)分壓通過(guò)工藝流程控制器57(圖4)維持穩(wěn)定，后者控制兩種或多種惰性氣體的流量速率，使之以確定的相對(duì)比例進(jìn)入室40內(nèi)。一旦確定之后，這些相對(duì)比例保持不變，而工藝流程控制器57則根據(jù)圖6的曲線關(guān)系來(lái)改變各種惰性氣體和反應(yīng)氣體的相對(duì)比例，從而保持運(yùn)行在穩(wěn)定區(qū)。作為使用惰性氣體源各自分開(kāi)的一種替代辦法，它們可以預(yù)先在一個(gè)容器中混合，然后用作為惰性氣體的唯一源。
由圖5的曲線可以看出，兩種惰性氣體的組合產(chǎn)生了一種可能使得磁控管的工作電壓比只使用一種惰性氣體的情況下要小得多。的確，對(duì)于給定的恒定功率，這種電壓即使能夠減少2％也是有利的。即使這樣小量的電壓減少也降低了產(chǎn)生電弧的概率。10％或更大的工作電壓的減少將引起濺射噴鍍工作狀況的極大改進(jìn)。
雖然用保持功率恒定和測(cè)量電壓的手段來(lái)確定兩種不同惰性氣體常用混合比的范圍的方法已結(jié)合圖5敘述過(guò)，但同樣的結(jié)果也能通過(guò)控制和監(jiān)測(cè)其它的參數(shù)組合來(lái)獲得。例如，當(dāng)功率恒定時(shí)，不測(cè)電壓，而代之以測(cè)量施加到磁控管室40上的電流。在圖5曲線上的電壓極小處，該電流達(dá)到極大值。于是運(yùn)行狀態(tài)能被控制以獲得較高的工作電流，比之只用一種惰性氣體工作時(shí)可能產(chǎn)生的工作電流要高。類(lèi)似地，該系統(tǒng)的電壓可以通過(guò)將電源37和工作狀態(tài)置定在低功率或高電流狀態(tài)來(lái)維持。最后，加在磁控管陰極17上的電流能夠通過(guò)將工作狀態(tài)置定在減少電壓或增高功率的狀態(tài)下來(lái)維持恒定，這種電壓減少或功率增高是由兩種惰性氣體混合在一起造成的。
雖然本發(fā)明的各個(gè)方面已相對(duì)于一個(gè)最佳實(shí)施例作了描述，但可以理解的是，本發(fā)明仍有權(quán)利要求在附加的權(quán)利要求書(shū)的全部范圍內(nèi)得到保護(hù)。
權(quán)利要求
1.在真空室(40)內(nèi)由基本上全由非導(dǎo)電元素構(gòu)成的標(biāo)靶表面(17)向基質(zhì)(19)上濺射噴鍍物質(zhì)的方法包含以下各步驟向真空室中引進(jìn)組合氣體它包含至少一種能與標(biāo)靶元素起反應(yīng)的氣體(67)，以及至少第1和第2惰性氣體(63，65)的組合；使真空室中第1惰性氣體(63)的分壓落在所述至少第1和第2惰性氣體組合的總分壓的20％-80％的范圍內(nèi)；維持(由31)流進(jìn)真空室中至少一種所述反應(yīng)氣體和至少所述的第1和第2兩種惰性氣體總組合的相對(duì)比例，使得系統(tǒng)運(yùn)行在理想工作區(qū)(49)，此時(shí)真空室中所述至少一種反應(yīng)氣體的分壓基本為零。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中第1惰性氣體為氬。
3.按照權(quán)利要求1或2的方法，其中第2惰性氣體為氦或氖。
4.按照上述任一權(quán)利要求的方法，其中所說(shuō)的標(biāo)靶的不導(dǎo)電元素為硅。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其中氣體引進(jìn)步驟包括引進(jìn)基本唯一的氧氣作為所說(shuō)的至少一種與硅起反應(yīng)的氣體。
6.按照上述任一權(quán)利要求的方法，其中分壓形成步驟包括使第1惰性氣體進(jìn)入真空室的流量落在進(jìn)入真空室的惰性氣體組合的總流量的20％-80％的范圍內(nèi)。
7.按照權(quán)利要求6的方法，其中控制第1惰性氣體進(jìn)入真空室流量的步驟包括控制這種流量使之小于進(jìn)入真空室的惰性氣體組合的總流量的50％。
8.按照上述任一權(quán)利要求的方法，其中維持真空室中反應(yīng)氣體和惰性氣體相對(duì)比例的步驟包括監(jiān)測(cè)(55)真空室內(nèi)等離子體的特性，以及控制流進(jìn)真空室的反應(yīng)氣體和惰性氣體的相對(duì)比例，以維持所述特性在預(yù)定的界限(49)內(nèi)。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其中監(jiān)測(cè)步驟包括監(jiān)測(cè)等離子體發(fā)射的一條或多條輻射譜線的強(qiáng)度。
10.按照權(quán)利要求8的方法，其中監(jiān)測(cè)步驟包括監(jiān)測(cè)施加到真空室內(nèi)標(biāo)靶和陽(yáng)極上的電源的一個(gè)特征量。
全文摘要
公開(kāi)了向基質(zhì)(19)上噴鍍非導(dǎo)體或半導(dǎo)體元素(如硅)薄膜或它們的化合物形成的電介質(zhì)(如二氧化碳、氮化硅之類(lèi))薄膜時(shí)，控制磁控管濺射噴鍍系統(tǒng)(圖1)的工藝流程的方法和裝置。使用了兩種不同惰性氣體(63，65)的混合物。選擇兩種或多種惰性氣體的相對(duì)比例，以便減少濺射噴鍍時(shí)發(fā)生弧光放電的概率，由此能夠通過(guò)自動(dòng)反饋控制系統(tǒng)(57，59，61)控制工藝流程，從而將它穩(wěn)定維持在噴鍍淀積速率特征曲線的理想時(shí)滯區(qū)(49)內(nèi)。
文檔編號(hào)C23C14/54GK1131703SQ9511524
公開(kāi)日1996年9月25日 申請(qǐng)日期1995年8月2日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月2日
發(fā)明者S·扎拉比安, R·特里, J·D·沃爾夫 申請(qǐng)人:美國(guó)Boc氧氣集團(tuán)有限公司