CN101796213B - 溅射*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设备(10)，其用于将至少一种所选材料溅射到衬底(5)上并且引起这种材料的反应，该设备包括：真空腔(11)，在其中设置衬底架(12)；至少一个磁控溅射机构(15)，其设置在靠近衬底架(12)的工作区中并且具有所选材料的靶，该靶适合于产生用于将至少一种材料溅射到衬底(5)上的第一等离子体；以及用于产生次要等离子体的次要等离子体机构(16)，其设置在靠近磁控溅射机构(15)并且靠近衬底架(12)的工作区中，溅射机构(15)和次要等离子体机构(16)形成溅射区和活化区。设置至少两个电磁体(1、3)和/或放射状磁化的环形磁体以及至少一个磁多极(2)以产生磁场来包含次要等离子体，该磁多极(2)是由多个永久磁体形成的。本发明还涉及一种用于涂覆衬底的方法，其中首先通过溅射工艺将材料沉积在衬底上，然后所沉积的材料在等离子体中反应以形成化合物，该等离子体包含必要的活性反应组分，其中借助于磁场增加等离子体密度和等离子体的电离度，该磁场由至少两个电磁体(1、3)和/或放射状磁化的环形磁体以及至少一个磁多极(2)产生，该磁多极(2)是由多个永久磁体形成的。

Description

溅射***
技术领域
本发明涉及一种设备，其用于将至少一种所选材料溅射到衬底上并且引起这种材料的反应，该设备包括：真空腔，在其中设置衬底架；至少一个磁控溅射机构，其设置在靠近衬底架的工作区中并且具有所选材料的靶，该靶适合于产生用于将至少一种材料溅射到衬底上的第一等离子体(first plasma)；以及用于产生次要等离子体(secondaryplasma)的次要等离子体机构，其设置在靠近磁控溅射机构并且靠近衬底架的工作区中，溅射机构和次要等离子体机构形成溅射区和活化区。本发明还涉及一种用于涂覆衬底的方法，其中首先通过溅射工艺将材料沉积在衬底上，然后所沉积的材料在等离子体中反应以形成化合物，该等离子体包括必要的活性反应组分。
背景技术
反应磁控溅射的使用对于应用金属化合物的薄膜是已知的。在这种关联中进行反应溅射，使得衬底固定在金属靶之上，并且所应用的金属膜的组合与金属原子的沉积发生在相同的时间和相同的位置处。为了获得具有可接受的沉积率的化学计量的(stoichiometric)膜，需要对条件小心地进行平衡，使得膜完全地组成或者组合在衬底上，但没有过度的反应使溅射靶表面“中毒”，因为这样的情况会导致较低的溅射率并且经常导致在靶表面上形成弧。
此外，已知可以交替地将衬底(金属化合物在其上沉积)引导在溅射靶之上并且通过活性气氛。这样，金属原子的沉积在所有情况下在时间上和空间上部分地与膜的组合分离。另外还知道由于组合区中的氧被等离子体活化，可以改进氧化层的沉积，这是因为受激的氧组分更容易与金属层反应。
上述现有技术的缺点是需要将反应区与沉积区物理地并且大气地分离。这种分离，例如限制了能够设置在特定真空腔中的靶与反应区的数目，从而限制了膜应用的整体数量。
为了避免这个缺点，在EP 0 516 436B1中提出将溅射区与活化区大气地并且物理地结合在一起，由于移除了所有的分隔板或者不使用有差别的抽吸(pumping)，因此这两个区的等离子体有效地混合以形成单一的连续等离子体，该等离子体既用于从靶溅射材料也用于材料在衬底上的反应。公开了一种磁控溅射设备，其中设置有溅射机构和次要等离子体机构，其在所有情况下形成溅射区和活化区，这些区大气地并且物理地相邻，并且适合于改进溅射机构的等离子体以引起活性气体的离子与具有相对较低的周围部分活性气体压力的溅射材料的反应。在这种情况中，提供引导衬底通过相关的所选工作区的衬底架。
借助于在EP 0 516 436B1中所公开的设备、通过溅射以及随后引起的反应(例如氧化)能够显著地改进涂覆工艺。工艺时间主要由所引起的反应(例如沉积材料的氧化)限制。
发明内容
本发明的一个目的在于以这样的方式改进先前已知的设备：增加活化区中的反应速率使得能够缩短工艺时间。根据本发明，这个目的是这样实现的：设置至少两个电磁体和/或放射状磁化的环形磁体以及至少一个磁多极以产生磁场来包含次要等离子体，该磁多极是由多个永磁体形成的。
本发明提供一种设备，其中增加了活化区中的反应速率，使得能够缩短工艺时间。
在本发明的一个发展中，衬底架是鼓状物并且至少一个电磁体和/或放射状磁化的环形磁体设置在该鼓状物内部。因此，增加了靠近衬底或者在衬底上的等离子体密度。由此增加的活性反应组分(诸如离子和原子团)的浓度导致了反应速率的增加。
在本发明的一个配置中，所有被设置用来产生磁场的磁体都设置在真空腔外部。这有利于机械布置。此外，还减少了用于冷却磁部件的费用。
在本发明的一个替换配置中，所有被设置用来产生磁场的磁体都设置在真空腔内部。这减少了设备的安装尺寸。
至少一个电磁体优选地连接到交流电压源以产生磁交变场。有利地，至少其中一个产生磁交变场的电磁体设置在衬底架前面。因此，等离子体内部的离子流进一步集中在衬底上。
在本发明的一个配置中，至少一个电磁体连接到直流电压源以产生恒定磁场。因此，能够进一步修改被产生用来包含次要等离子体的磁场。
至少一个电磁体优选地以这样的方式操作：产生叠加的恒定场与交变场，使得能够无需磁场的极性颠倒而实现磁场强度的改变。因此，导致等离子体的有效浓缩以及衬底上的反应所需的离子的释放。
在本发明的又一个配置中，次要等离子体机构是微波发生器。这种类型的发生器已经成功用于产生所需要的等离子体。
优选地将微波发生器设置为产生脉冲微波。因此，在具有相同输出的情况下，获得了比连续微波操作更高的等离子体密度。
所设置的磁体优选地产生具有最大磁通量密度的磁场，该最大磁通量密度超出依赖于微波频率的所需的磁通量密度，该微波频率对于在微波等离子体中产生电子回旋共振(ECR)是必需的。这种共振状态导致改进的等离子体激励以及等离子体密度和电子温度的显著增加。对于共振情况所必需的磁通量密度BECR根据下式进行计算：BECR＝fμWme/e0，其中fμW是微波频率，me是电子质量，e0是基本电荷。对于典型的2.45GHz的微波频率来说，由此产生出875高斯的磁通量密度，使得能够出现ECR条件。
在本发明的又一个配置中，在衬底架处施加的电势不同于真空腔的电势。因此，在衬底的方向中引起等离子体离子的进一步加速。
本发明还基于提供一种用于涂覆衬底的方法的目的，其中增加了在衬底上沉积的金属所引起的反应(例如氧化)的反应速率。根据本发明，这个目的是这样实现的：借助于磁场增加等离子体的密度和电离度，该磁场由至少两个电磁体和/或放射状磁化的环形磁体以及至少一个磁多极产生，该磁多极是由多个永久磁体形成的。
本发明提供一种用于涂覆衬底的方法，其中增加了在衬底上沉积的金属所引起的反应的反应速率。
在其他的从属权利要求中给出了本发明的其他发展和配置。在附图中示出了本发明的一个实施例并且将在下面详细说明。
附图说明
在附图中：
图1示出了鼓状真空涂覆设备的横截面的示意性简化图；
图2示出了在活化区的区域中的磁控溅射设备的细节；
图3示出了通过图2中的多极磁体的截面1-1；
图4示出了根据图2的布置中的磁场线以及等离子体包含的示意图；以及
图5示出了在活化区的区域中的另一个实施例中的磁控溅射设备的细节平面图。
具体实施方式
被选择作为实施例的溅射设备是在EP 0 516 436B1中所描述的溅射***的发展，在此引用该文件的公开。
参考图1，溅射***10具有外壳11，其***形成真空腔。外壳11自身可以连接到真空***(未示出)。在外壳11(在下文中还将其指定为腔11)的真空外壳的***上设置磁控溅射设备15，其与等离子体产生设备16紧密相邻。在该实施例中，等离子体产生设备16是微波发生器。
在操作期间，通过入口14在腔11中引入惰性溅射气体(诸如例如氩气)。另外，通过入口14引入反应气体(诸如例如氧气)。当将衬底(其设置在鼓状物12上)旋转进入较大的等离子体111的区域19中时，沉积从靶15溅射的金属膜。当在靶15下面的区域19中沉积该膜时，该膜与反应气体的反应立即开始。如果引导衬底5进入微波发生器16下面的等离子体的区域18中，该反应继续并且完成从膜到具有所期望的化学计量的电介质的转换。为了获得具有所期望厚度的电介质膜，可以通过旋转鼓状物12重复这个顺序。通过更多的溅射靶等离子体产生设备的布置，可以将不同材料的多层膜施加到衬底5。
为了增加反应速率(在氧气作为反应气体的情况中为氧化速率)，在区域18中的活化区中设置磁场布置，该磁场布置包括两个电磁体1、3以及磁多极2，该磁多极2由多个永磁体构成。该磁场用于包含电子。微波发生器16操作在2.45千兆赫下，并且由该磁场布置激发的磁场具有大于875高斯的最大磁通量密度，从而引起共振状态(ECR状态)。磁场与等离子体的离子的相互作用可以被忽略为ECR等离子体中的离子具有热行为。
在根据图3的磁场布置中，在鼓状物12内部设置电磁体。多极磁体2和第二电磁体3相对于电磁体1设置在外壳11上的真空腔外部。通过磁场配置使固定在鼓状物12上的衬底5在旋转鼓状物12上移动。借助于两个电磁体，构成了用于电子的轴向包含的双磁镜。在这里还可以使用放射状磁化的环形磁体来代替磁性线圈。由于磁镜场的曲率，会发生放射状地向外地电子漂移。这种漂移移动导致了等离子体的不稳定性。为了稳定性，借助于多极磁体2实现电子的放射状磁包含，该多极磁体2设置在两个电磁体1、3之间。
ECR条件的存在导致了当经过ECR表面时通过电子的共振激励在等离子体中微波能量吸收的增加。作为共振电子激励的结果，出现了增加的电离过程并且因此出现载荷子密度的增加(等离子体激励)。由等离子体电势分布构成包含离子(静电包含)。等离子体电势分布的原因是电子密度和电子温度中的大的梯度。这些梯度从局部发生到有限程度的ECR条件产生(由微波造成的最大电子激励的位置)。
为了保护设置在外壳上的微波窗口4，该微波窗口4应当以这样的方式定位：在直接在微波窗口4前面的真空侧上不存在ECR条件。因此防止了微波窗口4的过度热应力。远离鼓状物的电磁体3的ECR表面应当优选地设置在大气侧上。此外，通过经由磁等离子体包含避开等离子体来保护微波窗口4。
为了使得对准目标的离子流到衬底上，在衬底5固定于其上的鼓状物12处施加的电势不同于真空腔11的电势。为了这个目的，在鼓状物12处施加负偏压。为了防止离子流到衬底5上，如果优选与中性粒子反应则在此应当施加正偏压。
通过上述磁场布置，引起等离子体包含，其导致了载荷子密度与电子温度的增加。通过鼓状物12的旋转将位于鼓状物12上的衬底5引导经过所包含的等离子体并且因此使其经受改进的氧化。另外，使载荷子的损失最小化，换句话说是使在接收器的区域中的离子和电子的再结合与迁移最小化，在该区域中它们不对等离子体的维持做出贡献并且不能发生衬底5的有效氧化。

Claims (15)

1.一种设备(10)，其用于将至少一种所选材料溅射到衬底(5)上并且引起这种材料的反应，该设备包括：真空腔(11)，在其中设置衬底架(12)；至少一个磁控溅射机构(15)，其设置在靠近衬底架(12)的工作区中并且具有所选材料的靶，该靶适合于产生用于将至少一种材料溅射到衬底(5)上的第一等离子体；以及用于产生次要等离子体的次要等离子体机构(16)，其设置在靠近磁控溅射机构(15)并且靠近衬底架(12)的工作区中，溅射机构(15)和次要等离子体机构(16)形成溅射区和活化区，其特征在于：设置至少两个电磁体(1、3)和/或放射状磁化的环形磁体以及至少一个磁多极(2)以产生磁场来包含次要等离子体，该磁多极(2)是由多个永久磁体形成的。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：衬底架(12)是鼓状物并且至少一个电磁体(1)和/或一个放射状磁化的环行磁体设置在该鼓状物(12)内部。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所有被设置用来产生磁场的磁体(1、2、3)都设置在真空腔(11)外部。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所有被设置用来产生磁场的磁体(1、2、3)都设置在真空腔内部。
5.根据权利要求1-4中任一所述的设备，其特征在于：至少一个用于产生磁交变场的电磁体连接到交流电压源。
6.根据权利要求1-4中任一所述的设备，其特征在于：至少一个用于产生恒定磁场的电磁体连接到直流电压源。
7.根据权利要求1-4中任一所述的设备，其特征在于：至少一个电磁体以产生叠加的恒定场和交变场的方式操作。
8.根据权利要求1-4中任一所述的设备，其特征在于：次要等离子体机构(16)是微波发生器。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：微波发生器(16)设置为产生脉冲微波。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于：由所设置的磁体(1、2、3)产生的磁场的最大磁通量密度至少对应于与用于产生电子回旋共振(ECR)的微波频率匹配的所需磁通量密度。
11.根据权利要求1-4中任一所述的设备，其特征在于：施加在衬底架(12)处的电势不同于真空腔(11)的电势。
12.根据权利要求1-4中任一所述的设备，其特征在于：次要等离子体引起反应以将所选材料转换成氧化物、氮化物、碳化物、氢化物、硫化物、氧氮化物或者它们的混合物。
13.根据权利要求1-4中任一所述的设备，其特征在于：次要等离子体是富氧等离子体并且所引起的反应是氧化。
14.一种用于涂覆衬底的方法，其中首先通过溅射工艺将材料沉积在衬底上，然后所沉积的材料在等离子体中反应以形成化合物，该等离子体包含必要的活性反应组分，其特征在于：借助于磁场增加等离子体密度和等离子体的电离度，该磁场由至少两个电磁体(1、3)和/或放射状磁化的环形磁体以及至少一个磁多极(2)产生，该磁多极(2)是由多个永久磁体形成的。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：由所设置的磁体(1、2、3)产生的磁场的最大磁通量密度至少对应于与用于产生电子回旋共振(ECR)的微波频率匹配的所需磁通量密度。
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