TWI464282B - 具有高能脈衝磁管噴濺之射頻基板偏壓 - Google Patents

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Description

具有高能脈衝磁管噴濺之射頻基板偏壓 [優先權之主張]
本申請案主張於2006年12月14日所提出申請之美國臨時專利申請案第60/869,912號之優先權，於此併入該專利申請案之內容，以供參考。本申請案也主張於2006年12月12日所提出申請之美國臨時專利申請案第60/869,566號之優先權，於此併入該專利申請案之內容，以供參考。本申請案也主張於2006年12月12日所提出申請之美國臨時專利申請案第60/869,578號之優先權，於此併入該專利申請案之內容，以供參考。
本發明係相關於噴濺，特別是相關於高能脈衝磁管噴濺(high power impulse magnetron sputtering,HIPIMS)。
噴濺是一種物理製程，係藉由高能離子間之撞擊，將固體目標材料之原子放出至氣相中。噴濺製程通常使用於薄膜沉積。噴濺製程中之高能離子係由噴濺設備產生之電漿所提供。實際上，有多種用來修正電漿特性的技術藉以獲得最佳的噴濺狀態，特別是修正離子密度。有一些用來修正電漿特性的技術包括使用射頻(RF)交流電、交流電源、直流電源、直流與交流重疊電源、脈衝式直流電源(例如雙極或單極電源)、利用磁場或對目標物運用偏壓。
噴濺源通常是磁管，該磁管係在接近目標的表面之封閉式電漿迴路中利用磁場來捕捉電子。電子繞著磁力線以 螺旋狀路徑在迴路中行進。該電子比起其他發生的狀況，經歷較多與目標表面附近氣態中性粒子之離子碰撞。噴濺氣體是一種惰性物質，通常為氬，雖然也可使用其他氣體。因這些碰撞所產生之額外氬離子能導致相對較高的沉積率。為了產生這種磁場迴路，已知可在目標物外佈建強烈的永久磁鐵。在目標物的表面之電漿迴路的所在位置會形成粒子軌道(racetrack)，其係為材料的理想沖蝕區域。為了增加材料的利用，係使用移動式的磁力配置，其可允許清除在相對較大的目標的區域中之電漿迴路。
直流(DC)磁管噴濺是一種使用交互電場與磁場的熟知技術。較直流磁管更為提昇的是脈衝式直流。該技術使用所謂的“截波器(chopper)”，其中，電感器線圈L及開關係用來將直流電源供應器修正為單極或雙極脈衝供應器，見第1圖。電感器L為該截波器，且可較佳地包含位於直流電源供應器與磁管陰極之間的分接頭(tap)。電性開關S係週期性地開路(open)及閉路(close)，以產生脈波。在開關S係啟動(on－time)時，在線圈L的分接頭與磁管陽極之間有效捷徑(effective shortcut)能將負陰極電壓關閉(switch off)，較佳地由由線圈L的自動轉換效應上衝(overshoot)至正電壓。在切斷(off－time)期間，來自直流電源供應器之電流持續流進線圈L，並在其磁場中儲存能量。當開關S再一次作用切斷時，在磁管陰極處會形成短負高電壓峰(short negative high voltage peak)。這會有助於磁管電漿之相當快速的再激發(reignite)，並能恢復最初的 放電電流。
習知技術所描述的高能脈衝磁管噴濺(HIPIMS)係利用相對較低脈波發射頻率(repetition frequency of pulse)，一般在5赫茲(Hz)到200Hz之間，脈波期間在20微秒(μs)到500μ s之間。放電峰電流之範圍係從使用於相當小陰極之100安培(A)到使用於相當大陰極之4千安培之間，其在陰極處所對應之電流密度的大小係為0.1到10A/cm2 之等級。一般技術使用如第1圖中之線路。工件夾具不是具有外部電位，例如直流電位，便是具有電漿中之浮動電位(floating potential)。第1圖的先前技術設計係涉及將直流偏壓施加至該工件夾具。
標準的HIPIMS技術有幾個缺點。當使用直流偏壓有助於定義基板處之離子能量時，電弧可能發生在該基板上之缺點會發生。當使用晶片製程時，基板上的電弧會對晶片造成損害。另一個缺點是直流偏壓不會作用在絕緣表面上，例如使用氧化物材料之槽溝(trench)與通孔(via)。
第2圖顯示實驗的結果。該資料顯示電流的上升時間為本領域之HIPIMS放電中的頻率之函數。本範例之目標物係由鉭(Ta)所製成，目標物的直徑為300毫米(mm)，且實驗係使用旋轉式磁鐵陣列(rotating magnet array)。對於10Hz的低發射頻率(週期為100毫秒(ms))而言，在電壓脈波的起始與電流上升的起始之間有相當長的延遲時間(約5μ s)。當使用100Hz的發射頻率(週期為10 ms)時，該延遲會稍稍短一點(超過4μ s)。而當使用相對較高頻率之 500Hz(週期為2μ s)時，電流開始上升地非常快，在大約1.5μ s內。
已顯示有一種名為預先電離(pre－ionization)之方法(係使用藉由使用位於目標物與基板間之線圈的射頻(RF)感應耦合電漿(inductively coupled plasma,ICP))有助於縮短HIPIMS應用中電流之上升時間。然而，放置龐大的ICP線圈於磁管與基板間會使設計變得複雜，並增加粒子形成的可能性，且因目標物與基板間隔增加而減少沉積率。
以下提出本發明之簡化過的概述，以提供本發明之某些例子態樣之基本理解。此概述非本發明之廣泛概觀。此外，此概述不試圖去確認本發明之必要元件，也非描述本發明之範圍。此概述的唯一目的係以簡化過的形式提出一些關於本發明之概念，以作為下面更詳細敘述之序言。
根據本發明之一個態樣，提供一種用來在磁管之陰極上以0.1到10A/cm2 間之電流密度產生目標物之噴濺以在基板上製作塗膜之裝置。該裝置包括操作地連接於該磁管之電源供應器與至少一個操作地連接於該電源供應器之電容器。也提供第一開關，該第一開關將該電源供應器操作地連接該磁管，用以對該磁管充電，且該第一開關係組構根據第一脈波來對該磁管充電。電子偏壓裝置係操作地連接於該基板並組構成施加基板偏壓。
根據本發明之另一態樣，提供一種用來在磁管之陰極上以0.1到10A/cm2 間之電流密度產生目標物之噴濺以在 基板上製作塗膜之裝置。該裝置包括操作地連接於該磁管之電源供應器與至少一個操作地連接於該電源供應器之電容器。也提供第一開關，該第一開關將該電源供應器操作地連接於該磁管，用以對該磁管充電，且該第一開關係組構根據第一脈波來對該磁管充電。電子偏壓裝置係操作地連接於該基板並組構成施加基板偏壓。夾頭係操作地連接於該電子偏壓裝置，其中該基板係位於該夾頭上。線圈係操作地連接於該至少一個電容器。第二開關係操作地用以對該磁管放電並連接於沿著該線圈之一點處。該第二開關係組構成根據第二脈波來對該磁管放電。至少一個偵測器係操作地連接於該磁管，其中該至少一個偵測器係組構用來偵測正在形成之電弧。該第一開關與該第二開關係被控制以響應由該至少一個偵測器所偵測之電弧，以抑制電弧之形成。
根據本發明之另一態樣，提供一種用來在磁管之陰極上以0.1到10A/cm2 間之電流密度產生目標物之噴濺以在基板上製作塗膜之裝置。該裝置包括操作地連接於該磁管之電源供應器，用以對該磁管充電並組構成管理該磁管之第一脈波。射頻電子偏壓裝置係操作地連接於該基板並組構成根據偏壓脈波來對該磁管放電。同步裝置係操作地連接於該電源供應器與該電子偏壓裝置。該同步裝置係組構成將該第一脈波之頻率及延遲時間與該偏壓脈波同步。
根據本發明之另一態樣，提供一種施加基板偏壓在裝置中之方法，該裝置係用來在磁管之陰極上以0.1到 10A/cm2 間之電流密度產生目標物之噴濺以在基板上製作塗膜。此方法包含施加第一脈波至第一開關以從電源供應器對磁管充電之步驟。此方法復包含從操作地連接於該基板之電子偏壓裝置施加該基板偏壓之步驟。
合併本發明之一個或更多個態樣之範例均描述且顯示於圖示中。這些範例並不欲對本發明作局限。舉例來說，本發明之一個或更多個態樣可被利用於其他實施例或甚至其他類型的裝置中。另外，此處之某些術語僅是為了方便而使用，並非作為本發明之限制。更進一步，在圖示中，相同的參考符號係被用來標定相同的元件。
第3圖顯示本發明之第一範例。舉例來說，本發明可利用標準HIPIMS線路(例如第1圖中之該線路)，但額外地，電子偏壓裝置10(例如射頻產生器)係連接到基板14。舉例來說，該電子偏壓裝置可連接到夾住基板14之夾具。此第一範例可包含具有陰極與陽極之磁管、放置於接近該磁管之目標物(該目標物係用於噴濺原子以在該基板上製作該塗膜)、操作地連接於該磁管之電源供應器、至少一個操作地連接於該電源供應器之電容器、及操作地連接以用來對該磁管充電並組構成管理該磁管之第一脈波之第一開關。因此，第3圖之範例涉及使用電子偏壓裝置10(例如射頻產生器)及HIPIMS脈波。在一個範例中，HIPIMS脈波可施加在該磁管之陰極上的電流密度係介於0.1到10A/cm2 的地方。該電流密度可為面積平均值 (area－average)。在具有夾頭12之該範例中，夾頭12可為夾住基板14之晶圓臺座(wafer pedestal)。基板14在本範例中為晶圓，然而，該基板也可為用於其他應用之其他材料。該磁管與夾頭12間之距離相當小，通常為20mm到100mm之間，測試實驗係實施於50mm。該磁管之某些磁力線(較佳係具有不均衡磁管場之形式)會以至少10高斯之磁場強度到達夾頭12。如此，當磁管電漿完畢時磁性約束(magnetic confinement)會改善該射頻放電的穩定性。與此同時，在一個範例方法中，脈波間之剩餘射頻放電係充作HIPIMS放電之預先電離化。HIPIMS脈波可透過第一開關S1提供於第3圖之範例中，第一開關S1係操作地連接用以對磁管充電且依據該第一脈波對該磁管充電。
在第3圖的進一步範例中，匹配單元16可被放置於電子偏壓裝置10與夾頭12之間。匹配單元16係組構用以將該電漿在該基板與/或該夾頭處之阻抗與該基板之阻抗匹配。匹配單元16也可使用在其他位置。在第3圖的另一個範例中，射頻自偏壓監測裝置20可操作地連接於該夾頭。射頻自偏壓監測裝置20也可使用在其他位置。射頻自偏壓監測裝置20係組構用以監測在該夾頭處的射頻自偏壓。
結合電子偏壓裝置10(例如射頻產生器)與夾頭12連接通常可導致相當快且更穩定的激發(ignition)HIPIMS脈波。當該等脈波間之時間延遲較短時，傳送用於對該等脈波間之電容器充電之能量比較小，而該等電容器可具有較低之儲存空間，如此使得電容器的尺寸變小且降低成本。 使用本發明的方法可以提供具有相對較高頻率之短脈波。
與直流偏壓比較起來，使用射頻偏壓(例如使用電容性射頻偏壓(capacitive RF bias))的另一個好處是該射頻偏壓通常能減少或甚至消除電弧與基板或晶片損壞。此外，該射頻偏壓係工作於絕緣表面上，例如在使用氧化物材料之槽溝與通孔中。在ICP線圈上使用射頻偏壓的另一個好處是可使用較短的目標物至基板之距離，這是由於在該磁管與該基板間不需要ICP線圈。此外，會發生相對較高的沉積率，這是由於較少部分是在反應器中及因為目標物至基板之距離較短的結果。
第4圖至第6圖的示圖顯示提供電子偏壓裝置(例如射頻產生器)連接於夾頭的好處。第4至6圖係藉由使用具有陰極類型ARQ151之Oerlikon ClusterLine CL200來得到。用於這些範例示圖之目標物係由鉭(Ta)所製成，且該目標物具有300mm的直徑。一種氬氣體，在裝置中作為惰性氣體使用，其使用時具有將近25 sccm(標準立方公分每分鐘)之氣體流通率且於該夾頭與該基板間具有大約5 sccm之氣體流通率，以致能該基板之熱控制。氣體流通率是轉移至包覆該目標物與該基板之腔室(chamber)之氣體數量。藉由真空泵(在此範例中係使用低溫泵(cryogenic pump))連續泵取之效應可導致大約6x10－3 毫巴(mbar)之穩態壓力。在此範例示圖中之脈波具有500Hz的頻率、15μ s的啟動期間、以及大約1400V的電壓。因此，可透過該第一脈波來施加該頻率。
第4圖顯示先前技術中之HIPIMS應用在沒有使用電子偏壓裝置(例如射頻產生器)之情況下於標準脈波期間之電壓與電流的示圖。因此第4圖係先前技術之範例，並顯示該電流於HIPIMS脈波期間上升之典型延遲大約為10μ s。只有在該啟動時期的最後5μ s，該電流才會上升至大約980A之峰值。
第5圖顯示HIPIMS應用在典型脈波期間於使用射頻產生器來施加17W之相對較低功率射頻負載時之電壓與電流示圖，其中，第3圖之夾頭上係使用10V之自偏壓。此處所提到之射頻功率負載與自偏壓均為由數個脈波週期所決定之時間平均值。當該夾頭上係使用該低功率射頻時，脈波之啟動(例如在第一脈波期間)與電流上升之開始之間的延遲非常短，係大約為1.8μ s。相較於當沒有使用射頻時之峰值(980A)，此範例中的電流上升至相當高的電流峰值(大約1580A)。在本實驗之其他範例中，其他操作範圍也可產生相似的結果。舉例來說，具有5V到50V自偏壓之10W到50W之射頻負載可導致在電流峰值增加超過500A的範圍具有小於2μ s之延遲。
第6圖顯示HIPIMS應用在典型脈波期間於施加132W之相對較高功率射頻負載時之電壓與電流示圖，其中，第3圖之夾頭上係使用103V之.自偏壓，且同樣以時間平均值來測量。當該夾頭上係使用高功率射頻時，該電流於脈波之啟動(例如在第一脈波期間)與該電流上升之開始之間開始上升之延遲甚至較第5圖之較低功率射頻應用還要短， 大約為0.8μs。該電流上升的相當快，並且該較高射頻功率通常導致相對較高之自偏壓電位(大約103V)。在此範例中，該電流的峰值大約為1500A。藉由調整該自偏壓，可調節離子撞擊該基板(例如晶片)之能量。因此，可調整該自偏壓以在該基板上提供理想的塗膜。在本實驗之其他範例中，其他操作範圍也可產生相似的結果。舉例來說，具有超過50V自偏壓之大於50W的負載可導致小於1μ s之延遲。
射頻功率之供應也致能由第一開關S1所施加之HIPIMS脈衝於相對較低之壓力範圍內啟動。舉例來說，在沒有電子偏壓裝置(例如射頻產生器)之情況下，以僅大約15sccm之氬氣體流通率所實施的實驗並無法產生HIPIMS脈衝。對應於此流通率的氣體壓力大約為3x10－3 mbar。然而，在相同氬氣流通率狀態下，HIPIMS脈衝可發生，其中，射頻功率大於50W。在射頻功率大於50W之情況下，HIPIMS脈衝重覆地啟動。其他低壓力操作也是可能的，因此，15sccm之氬氣流通率僅是本發明之應用之一個範例。大於50W之射頻負載也可發生在小於20sccm之任何氣體流通率下。同樣的，大於50W之射頻負載可發生在不同的氣體壓力下。在一個範例中，該氣體壓力可在大約2x10－4 到5x10－3 mbar之間(等同於2x10－2 到5x10－1 帕(Pa)之間)的範圍內。
提供射頻功率之另一個好處是目標物之底部藉由本發明之使用可有較佳之覆蓋。說明該目標物的改良底部覆蓋 的實驗之結果係顯示於第7圖與第8圖。在此實驗中，係使用鉭目標物來沉積大約180μm深及50μm寬之槽溝。第7圖顯示在沒有使用射頻偏壓之情況下，該基底上之覆蓋的結果。第7圖顯示底部厚度被測量出為大約251nm。另外，該頂部厚度被測量出為1.7μ m而已，導致只有大約15%之底部覆蓋。在第8圖中，係顯示使用射頻偏壓之結果。此導致底部厚度大約為410nm，而頂部厚度為2.0μ m，將底部覆蓋改善至大約21%。發生在該基板之底部的覆蓋之改善係肇因於形成於靠近該夾頭之表面與該基板表面之射頻電子鞘(RF sheath)。當該射頻電子鞘係形成於靠近該夾頭之表面時，其會導致離子化金屬離子被吸引朝向該基板與該夾頭之表面。因而，更多離子在該電子鞘被引導撞擊該表面且/或他們的角分散(angular spread)越來越窄。
本發明的範例方法涉及在裝置施加基板偏壓以在脈波被施加的地方產生噴濺，以在基板上製作塗膜。此方法中的一個步驟係施加第一脈波至第一開關，以從電源供應器來對磁管充電。此範例方法中之另一步驟係從操作地連接於該基板之電子偏壓裝置施加基板偏壓。該範例方法也可包含於第一脈波期間(或在發生具有該第一脈波型式之脈波之間)使用該射頻產生器之射頻放電的步驟。在該第一脈波(例如該HIPIMS脈波)期間使用該射頻放電將會對該磁管之放電實現預先電離。於本發明之另一範例應用中，該射頻功率可被用於在沉積之前對該基板蝕刻及預清除 (pre-clean)。基板之蝕刻(例如選擇性噴濺或噴濺淨化(sputter-cleaning)最頂層(例如表面氧化物)可在關閉的封閉物(shutter)下進行，以避免汙染該目標物。該基板之沉積可在該封閉物開啟後開始進行。在該方法之另一範例應用中，該方法可復包含調整該基板偏壓之電壓以調節離子撞擊該基板的能量以提供用於該基板之理想塗膜的步驟。
於本發明之另一範例應用中，該射頻功率可應用在脈波式操作模式。在此範例中，理想情況係使用相對較高、大於200W之射頻功率，而峰值功率最好是500W到10kW。當將該射頻運行於該脈波式操作模式時，該裝置可與該HIPIMS脈波保持同步。在較理想的操作中，該射頻脈波可先啟動，然後透過第一開關S1之使用施加該HIPIMS磁管脈波。該射頻脈波可在該HIPIMS電壓脈波關閉之前先被關閉。或者，該射頻脈波可在HIPIMS電壓脈波關閉之後才被關閉。在將該射頻功率與HIPIMS脈波同步之範例中，裝置可包含磁管、電源供應器、射頻電子偏壓裝置10、以及同步裝置18。該電源供應器係操作地連接於該磁管用以對磁管充電，且係組構用以管理該磁管之第一脈波。該脈波式電源供應器可包含第一開關，該第一開關係將電源供應器操作地連接於該磁管，其中該第一開關係組構用以管理該磁管之第一脈波。其他結構也可用以施加該第一脈波。該射頻電子偏壓裝置係操作地連接於該基板，且係組構用來依據偏壓脈波對該磁管放電。同步裝置18係操作地連接於該電源供應器與電子偏壓裝置10，如第3圖所示。同步 裝置18係組構用以將該第一脈波之頻率與時間延遲與該偏壓脈波同步。舉例來說，該第一脈波之頻率與時間延遲可根據不同類型的偏壓脈波作各種改變。在更進一步的範例中，該電源供應器係組構用來管理該磁管之第一脈波，其中，該第一脈波之工作週期(duty cycle)係介於0.01%至20%之間，而該第一脈波之頻率係介於1Hz到20kHz之間。在另一個進一步的範例中，該電源供應器係組構用來管理該磁管之第一脈波，其中，該第一脈波之工作週期係介於2%至50%之間。在另一個範例中，該同步裝置可被組構成在該第一脈波被管理前以大約0.1μs到500μs之時間延遲先管理該偏壓脈波。
在第二個範例中，本發明之提供電子偏壓裝置10之方法及裝置可與兩個應用於不同模式(包含HIPIMS與高頻HIPIMS模式)之開關結合，如第9圖所示。電子偏壓裝置10(例如射頻產生器)係操作地連接於基板14，例如操作地連接於夾住基板14之夾頭12。第9圖之本發明之範例在此設計中包含第一開關S1與第二開關S2。第一開關S1係操作地連接以對該磁管充電，且係組構用以管理第一電壓並根據第一脈波對該磁管充電。第二開關S2係操作地連接以對該磁管放電，且係根據第二脈波對該磁管放電。在此範例中也提供電感器，該電感器係操作地連接於該至少一個電容器。雖然可使用其他結構以提供該電感器，但此範例中之電感器為線圈L。線圈L限制該磁管放電電流上升之斜率。該線圈也於電弧發生時限制峰電流。
有很多種操作模式使用第9圖之範例。在用於第9圖之範例之一個操作模式中，如第10圖所示，第一開關S1之波形，即該第一脈波，具有高頻率。第一開關S1之第一脈波與第二開關S2之第二脈波的波形係顯示於用於此高頻模式中之第10圖。第10圖之高頻模式可操作於不同等級，包含200Hz到100kHz之高頻脈波操作，更理想的範例係發生於1kHz到20kHz之間。伴隨著低功率損失之相當低之有效工作週期(0.1%到10%)也可以在此模式中實現。0.2μ s到100μ s之啟動期間(t1 到t0 之時間間隔)也可以使用於此範例中，更理想的範例係發生於2μ s到40μ s。
該高頻模式可於將電容器C於時間t0 連接至線圈L時啟動。可了解的是，該充電的電容器C可為至少一個電容器，而該等圖式可指複數個電容器。在延遲時間(t2 到t0 )過後於時間t2 致動開關S2，以使開關S2被啟動以激發電漿。儲存於線圈L之能量會導致該磁管陰極上立即產生電壓上衝(voltage overshoot)，並因此導致該磁管電流相對較快的上升時間，如第10圖之範例所顯示者。該磁管放電電流會於時間t1 (S1關閉)到t3 (S1開啟)期間衰減。時間t3 可選擇係介於t1 之後至相當長時間(包含該週期的其餘時間)的數個短時間之間。第10圖之範例中每一個第一脈波均於該相同的(t2 到t0 )初始期間以該電壓上衝與相當快速的電流上升而啟動。該能量有效性可藉由用於對電容器C充電之第一開關S1的長關閉期間來達成。此期間即t0 發生之前的期間。該初始期間(t2 到t0 )相當短且用於將能量儲存於 線圈L。當該第二脈波啟動第二開關S2前，第一開關S1被啟動用以將能量儲存於線圈L中時，該相當短期間開始流逝。第二開關S2之致動產生該磁管之放電。從t0 到t1 期間起，電容器C之電荷流向線圈L，而發生該磁管之電流的放電。詳言之，該磁管放電係發生於t2 到t3 期間。從t1 到t3 期間，來自於線圈L之其餘能量係放電進入該磁管。
用於第9圖範例之第二操作模式係顯示於第11圖。在此模式中，該第二脈波使用多重次脈波(multiple sub-pulse)，該多重次脈波係形成於該第一脈波之一個主HIPIMS脈波內。該第一脈波可以是用以管理該磁管之電壓的單一、相當長脈波，且該第一脈波係藉由使用第一開關S1於t1 到t0 期間所形成。該第二脈波可為多重次脈波或一序列較短的次脈波，該等次脈波係之後形成於開關S2處，如第11圖中之模式的範例所顯示者。第11圖之模式可操作於不同等級，包含1Hz到10kHz之主頻率，較理想的範例是從10Hz到1kHz。具有工作週期(0.1%到10%)之第一脈波可用於此模式。在此模式中，可使用0.2μs到100μs之開啟期間(t1 到t0 期間)，較理想的情況係從2μs到20μs。該第二脈波開啟期間(t3 到t2 期間，其係等於△t on )可從0.2μs到100μs，較理想的範例是從2μs到20μs。同樣，該第二脈波關閉期間(△t off 期間)可從0.2μs到100μs，較理想的範例是從2μs到20μs。可提出該模式之許多範例，因為該第二脈波工作週期具有寬範圍之數值。舉例來說，該第二脈波工作週期(△t on )/(△t on +△t off )之範圍可 從30%到99%。因此可了解到的是，對於第二脈波各種不同型態之脈波結構可藉由不同型態之常數與不同時間間隔來作設計。舉例來說，即使是△t on 在S1的單一主HIPUMS脈波內之每一第二脈波期間也可以有不同的時間間隔。
在第11圖之第二模式範例的操作期間，t1 到t0 這段期間係用以對電容器C充電、負載線圈L、以及對該磁管之電流放電。第二脈波，確切的說是該第一次脈波可於S2開路時以適當的延遲來啟動。在t2 到t0 期間，電容器C之電荷僅負載線圈L。儲存於線圈L之能量會導致該磁管陰極上產生電壓上衝且導致該磁管電流具有相對較快的上升時間。該第二脈波可藉由切換S2之開閉來產生一序列的較短脈波。該第二脈波內之每一脈波均可以電壓上衝及相當快的電流上升來啟動。特別是，該磁管放電之發生係從t2 到t3 之期間，每一段期間S2均為開啟狀態。在t1 到t3 期間，來自於線圈L之能量係放電至該磁管。在該第二脈波之次脈波串之結束時，該磁管放電電流於開關S1關閉時之t1 後開始衰減，直到儲存於線圈L之其餘能量被放電為止。在t0 之前的開關S1關閉期間，電容器C被充電且該電漿密度開始衰減而沒有任何能量輸入。
第9圖之第三操作模式係顯示於第12圖。此模式可稱為一種脈波預先電離模式。此模式是一種第10圖之第一模式與第11圖之第二模式的交替序列，係根據第10圖的模式在第一脈波中形成該第二脈波之多重次脈波，以作為主HIPIMS脈波。這樣，有很多脈波係類似於該第二脈波中 之第一模式，可在開關S1之第一脈波期間藉由保持低平均放電功率以確保電漿密度衰減不會太快。因此，此範例模式可看成是前面兩個範例模式的元件之結合。在第12圖之範例中之S1波形，第一長脈波係對應於根據第二模式操作所得之脈波，而該三個後續脈波係對應於該第一模式，該“高頻模式”之操作(見第10圖)。該兩種模式間的比率可依據技術需求來作選擇。因此，在一個範例中，該第一脈波與該第二脈波可週期性於該第一模式(第10圖)與該第二模式(第11圖)之間變化。第12圖之模式可相應地以第二模式(“主頻率”)頻率交替運用第一模式(如前面所述)的特性為其特徵。第一脈波在任一模式中之主頻率可為1Hz到10kHz，較理想的範例是從10Hz到1kHz。在一個模式中，可以使用0.2μ s到100μ s之開啟期間，較理想的情況係從2μ s到20μ s。在第一脈波關閉期間，該第二脈波之次脈波開啟期間可為0.2μ s到10μ s，較理想的情況係從1μ s到5μ s。在此模式中，該第一脈波的工作週期可為0.1%到10%之間。在任一模式中很多範例均顯示在主要開關S1關閉期間，第二脈波之次脈波工作週期可為寬範圍的數值。舉例來說，在關閉期間該第二脈波之次脈波工作週期(△t on )/(△t on ＋△t off )之範圍可從0.01%到20%。此外，其他種類之脈波也可使用於該第二脈波中，該等脈波係不同於該第一範例模式中之元件。
第10圖至第12圖之任何一個範例均可作為一種施加基板偏壓於裝置中以產生噴濺使電壓脈波被施加以在基板 上製作塗膜之方法。在該範例方法中，第一脈波係施加於第一開關，以從電源供應器對磁管充電。該範例方法也包括從操作地連接於該基板之電子偏壓裝置施加基板偏壓之步驟。該第一脈波在此第一範例方法中可包含第10圖至第12圖之範例。該電子偏壓裝置(例如射頻產生器)係操作地連接於該基板且組構用以施加該基板偏壓。
雖然實作具有高電壓、高電流、及相當快的開關之額外電路的技術很複雜，如第9圖之第一範例，但本發明之產生器本身可為較小、較便宜且較快。當脈波間的時間延遲較短時，於脈波間傳遞用來對該電容器充電之能量也相對較小，且該電容器具有相對較小的容量，如此可導致較小尺寸與較低成本。線圈L的轉換效應允許在該電源供應器中使用低電壓。因此，電源供應器之成本可減少。此外，較小的電容器也使得調節性迴授迴路(regulating feedback loop)之延遲較小。
每一個優點均可對可靠的、可重覆的、及免於電弧(arc-free)程序作出貢獻，這些優點是對粒子敏感之基板的短處理(200ms到10min)之關鍵特徵，例如半導體晶圓、薄膜頭、微機電系統(MEMS)、光學資料記憶體、磁性資料儲存媒介、或平板型顯示器之處理。本發明之其他優點係關於當截波器開關S2開啟時，截波器切斷時間之受益效應。當開關S2係操作地連接於延著線圈L之一點上時，開關S2可用來作為截波器開關。在該截波器關閉期間，當開關S2並未連接時，目標物電壓切換為正值。某些來 自目標物上之電漿末端的電子及該電漿電位可達正值。出現於該離子鞘、前離子鞘、與該電漿中之離子會立刻從該目標物向該基板與該內壁加速。對單一脈波所造成之效應係與該脈波切斷時間與該目標物電壓有關。最後的效應係部分依據該重複頻率。該效應也與開關S2沿著線圈L之接觸點有關。此接觸點又可稱為分接頭。線圈L的磁管末端與分接頭之間所出現的線圈數越多，則可導致較高之電壓轉換效應、於切斷時間在目標物上具有較高之正電壓、以及較高之離子能量以及在靠近目標物之區域有相對較快的離子空乏率。
一種利用該第二範例(其包含射頻偏壓及切換方法)之薄膜沉積方法可使用於半導體晶片之前端製程中金屬化槽溝或通孔。該方法也可針對貫孔(through)/晶片通孔用於一般金屬化、溼潤或在矽深層通孔中之種子層。舉例來說，該第二脈波與該第二開關沿著電感器線圈之位置可同時調整，以在該基板上提供理想的塗膜，而且也在該基板上形成一層或更多層。額外層的範例可以是溼潤層或種子層。該方法也能藉由截波器之切斷時間與/或線圈分接頭的位置來最佳化在槽溝與/或通孔之底部與/或側壁之覆蓋。在另一個範例中，該方法也能藉由調整截波器之切斷時間與/或線圈分接頭的位置來最佳化該基板之離子通量。沉積率也能藉由調整該第二脈波之切斷時間(截波器之切斷時間)與/或調整該第二開關沿著電感器線圈的位置來予以最佳化。因此可獲得不同且相對較高之沉積率，其於很多應用 態樣中均非常理想。利用具有更多個可切換調整片之線圈，例如與開關S2的接觸點係可調整之線圈，或是改變線圈L有助於找到該裝置之最佳準位。這樣的效應可用於最佳化流向該基板的離子通量以及離子能量。在半導體晶圓中之槽溝與通孔之底部與側壁之覆蓋或基板上的其他結構也可被最佳化。更進一步，使用該射頻產生器與脈波之方法可藉由調整該第二脈波(即截波器切斷時間)與/或調整該線圈分接頭的位置，例如調整沿著電感器線圈之第二開關，來最佳化該塗膜之薄膜應力、微結構、機械特性、電子特性、光學特性、與其他特性。
相較於直流磁管噴濺，前述HIPIMS應用中之較低特定比率之缺點可藉由本發明之產生脈波方式來作部分補償。當該截波器開啟的期間與穿越目標物離子鞘與前離子鞘之離子飛行時間(大約0.2μs到0.5μs之範圍)相差無幾時，就有可能限制大部份的噴濺電離粒子防止其被拉回該目標物。該粒子可藉由截波器關閉期間在粒子到達目標物之前，產生反向電場與加速作用以抑制粒子被拉回該目標物。
在第三範例中，本發明之方法與裝置可與偵測電弧設計相結合，如第13圖所示。電子偏壓裝置10係操作地連接於基板14，例如連接於夾住基板14之夾頭12。基本的想法是當電弧正在形成或開始形成時，於偵測到該電弧後，將該電弧之形成避免或限制在靠近該磁管之陰極的位置。第13圖之範例包括至少一個偵測器。該偵測器係為一 種測量儀，例如電壓測量儀(V)或電流測量儀(A)。在另一個範例中，該偵測器可以是一種可監視電流、電壓及複數種用以偵測電弧正在形成之指示器。在第13圖之範例中，兩個偵測器，也就是電壓測量儀(V)與電流測量儀(A)被放置於靠近該磁管的位置並操作地連接於該磁管。電壓測量儀(V)與電流測量儀(A)係組構用於偵測電弧是否正在形成或開始形成。可體會到的是於另一範例中，可以僅僅提供一個偵測器，又於另一範例中，可提供更多個偵測器放置於不同位置，包括很靠近該磁管之位置。當僅提供一個偵測器時，該偵測器可以是組構用來偵測電弧是否正在形成之電壓測量儀或電流測量儀。第13圖之範例也包含具有陰極與陽極之磁管、靠近該磁管並用來噴濺原子以在基板上製作塗膜之目標物、操作地連接於該磁管之電源供應器、至少一個操作地連接於該電源供應器之電容器、以及操作地連接用來對該磁管充電並組構成根據第一脈波對該磁管充電之第一開關S1。該電源供應器可為直流電源供應器。
第二開關S2係置於靠近第13圖的範例中之該磁管的陰極。第二開關S2係操作地連接以對該磁管放電，且組構用以對該磁管放電並藉由至少/ 個偵測器於偵測到電弧形成時抑制電弧之形成。第二開關S2通常係開路並容許脈波操作。當偵測到電弧時，第二開關S2切換到開啟狀態並於該磁管陰極與陽極之間產生有效捷徑。在第二開關S2產生有效捷徑同時，第一開關S1切換到關閉狀態。或者，當第二開關S2切換到開啟狀態以產生用於傳遞能量 之捷徑時，可選擇在第二開關S2啟動之前或之後很短的期間讓第一開關S1開啟。因此，第一開關S1也能依據由至少一個偵測器所偵測之電弧的形成而被控制。第一開關S1被控制用以抑制或限制電弧之形成。除了該第二開關外，控制該第一開關能在該裝置中提供對能量額外的控制。電感器(例如線圈L)也可使用於第13圖之範例(電弧偵測範例)，其中，該線圈係操作地連接於該至少一個電容器C，而該線圈係組構用以限制磁管放電電流的上升時間與當電弧發生時限制峰電流。
在第四範例中，本發明之方法和裝置可與在高頻HIPIMS中相當快速切換之電源切換器及相當快速電弧消除設計相結合，如第14圖所示。此範例使用線圈L2(其可包含連接於沿著線圈L之一點上之開關S2)以產生截波效果，除了第13圖所示之方案以外。在此範例中，開關S2被組構以管理第二脈波，也被組構被致動，以藉由該裝置中之至少一個偵測器於偵測到電弧形成時抑制電弧之形成。在第14圖中，該電源供應器將一組電容器C充電至啟動電壓，該啟動電壓係經由具有一些電感性L cab 與電阻性R cab 之線帶放電至該磁管。該電源供應器可為直流電源供應器。線圈L2於HIPIMS操作期間具有類似在先前技術設計之功能，也就是限制該磁管放電電流的上升時間。在第14圖，線圈L2也於電弧產生時限制峰電流。第14圖的範例也可包含具有陰極與陽極之磁管、以及置於接近該磁管且用於噴濺原子以在基板上製作該塗膜之目標物。第 14圖包含電弧偵測裝置，該電弧偵測裝置測量電流或電壓，如圖所示，雖然在其他範例中，只有一個偵測器有需要去測量該電弧。在該電弧被偵測到後，理想上係直接在該陰極處以最小化時間延遲，開關S2切換到開啟狀態且在該磁管陽極與沿著線圈L2上關開S2所連接之之該點間產生有效捷徑。電弧形成之偵測啟動第二開關S2以抑制該電弧之形成。因此，該偵測藉由促使該裝置對電弧正在形成或開始形成作出反應，以減少電弧所造成的損害。此導致在該磁管陰極之電壓為零的更短時間，其後跟著線圈L2之自動轉換效應所產生的正電壓。該捷徑能協助較快速的消除該電弧。
第14圖的範例也組構用來提供於第9圖中所討論之脈波方法，其中第一開關S1根據第一脈波對該磁管充電，而第二開關S2根據第二脈波對該磁管放電。用於第9圖之三種範例模式的任何一種均可與第14圖所示之兩種開關一同使用。此外，此範例也包括用於夾頭12與基板14之射頻產生器10。
本發明已詳細說明於上述之範例實施例。任何人均可藉由對本說明書詳細閱讀及了解來實施本發明之修飾及變化。對本發明具體實施例一個或多個態樣之合併包含所有修飾及變化均會落入下述本發明之申請專利範圍內。
10‧‧‧電子偏壓裝置
12‧‧‧夾頭
14‧‧‧基板
16‧‧‧匹配單元
18‧‧‧同步裝置
20‧‧‧射頻自偏壓監測裝置
C‧‧‧電容器
D‧‧‧二極體
DC‧‧‧直流電源
L‧‧‧電感器
S1‧‧‧第一開關
S2‧‧‧第二開關
本發明之先前及其他態樣，對於與本發明相關的領域中之熟習技術者，在閱讀接下來的描述並參照附隨的圖示 後，是很明確的，其中：第1圖是HIPIMS應用之先前技術示意圖；第2圖是顯示先前技術中之HIPIMS應用於典型的脈波期間其電壓與電流之示圖；第3圖是本發明之具有射頻產生器之第一範例示意圖；第4圖是先前技術中之HIPIMS應用於典型脈波期間當射頻係關閉時其電壓與電流之示圖；第5圖是HIPIMS應用於典型的脈波期間當低功率射頻係使用在第3圖之夾頭上時其電壓與電流之示圖；第6圖是HIPIMS應用於典型的脈波期間當相當高功率射頻係使用在第3圖之夾頭上時其電壓與電流之示圖；第7圖是當沒有使用射頻偏壓時顯示該基板之底部厚度的HIPIMS應用之示意圖；第8圖是當使用射頻偏壓時顯示該基板之底部厚度的HIPIMS應用之示意圖；第9圖是使用結合射頻偏壓與兩個用以提供不同模式之開關的本發明之第二範例示意圖；第10圖為使用於第9圖之高頻模式之範例示意圖；第11圖為使用於第9圖之主要脈波內之多重次脈波模式之範例示意圖；第12圖為使用於第9圖之脈波預先電離模式之範例示意圖；第13圖是使用結合射頻偏壓與兩個開關及電弧偵測 裝置的本發明之第三範例示意圖；以及第14圖是使用結合射頻偏壓與兩個用以提供不同模式之開關及電弧偵測裝置的本發明之第三範例示意圖。
10‧‧‧電子偏壓裝置
12‧‧‧夾具
14‧‧‧基板
16‧‧‧匹配單元
18‧‧‧同步裝置
20‧‧‧射頻自偏壓監測裝置
C‧‧‧電容器
DC‧‧‧直流電源
S1‧‧‧第一開關

Claims (25)

  1. 一種用來在磁管的陰極上以0.1到10A/cm2 間之電流密度產生目標物之噴濺以在基板上製作塗膜之裝置，包括：電源供應器，操作地連接於該磁管；至少一個電容器，操作地連接於該電源供應器；第一開關，將該電源供應器操作地連接於該磁管，以對該磁管充電，且組構用來管理該磁管之第一脈波；以及電子偏壓裝置，操作地連接於該基板且組構用以施加基板偏壓。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，復包括夾頭，操作地連接於該電子偏壓裝置，其中，該基板位於該夾頭上。
  3. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中，該磁管與該夾頭之距離為20mm到100mm之間。
  4. 如申請專利範圍第2項之裝置，復包括匹配單元，置於該電子偏壓裝置與該夾頭之間；其中，該匹配單元係組構用以將該基板及/或夾頭處之電漿的阻抗匹配於該基板的阻抗。
  5. 如申請專利範圍第2項之裝置，復包括射頻自偏壓監測裝置，操作地連接該夾頭；其中，該射頻自偏壓監測裝置係組構用以監視該電子偏壓裝置之自偏壓；其中，該電子偏壓裝置為射頻產生器。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該電子偏壓裝置 以小於20sccm之氬氣流通率施加大於50W之負載進入包覆該目標物與該基板之腔室。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該電子偏壓裝置以2x10-4 到5x10-3 mbar之範圍的氣體壓力施加大於50W之負載進入包覆該目標物與該基板之腔室。
  8. 如申請專利範圍第1項之裝置，復包括：線圈，操作地連接於該至少一個電容器；以及第二開關，操作地連接以對該磁管放電並組構用來根據第二脈波來對該磁管放電。
  9. 如申請專利範圍第1項之裝置，復包括：至少一個偵測器，操作地連接於該磁管，其中，該至少一個偵測器係用以偵測正在形成之電弧；以及第二開關，操作地連接以對該磁管放電並組構用來對該磁管放電且於該至少一個偵測器偵測到該正在形成之電弧時抑制該電弧之形成。
  10. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中，該第一開關被控制以響應由該至少一個偵測器所偵測之該電弧。
  11. 如申請專利範圍第9項之裝置，復包括：線圈，操作地連接於該至少一個電容器；以及其中，該第二開關係操作地連接於沿著該線圈之一點處，並且該第二開關係組構用以管理第二脈波。
  12. 一種用來在磁管的陰極上以0.1到10A/cm2 間之電流密度產生目標物之噴濺以在基板上製作塗膜之裝置，包括： 電源供應器，操作地連接於該磁管；至少一個電容器，操作地連接於該電源供應器；第一開關，將該電源供應器操作地連接於該磁管，用以對該磁管充電且組構用來管理該磁管之第一脈波；電子偏壓裝置，操作地連接於該基板並組構用來施加基板偏壓；夾頭，操作地連接於該電子偏壓裝置，其中，該基板位於該夾頭上；線圈，操作地連接於該至少一個電容器；第二開關，操作地連接以對該磁管放電並連接於沿著該線圈之一點處，其中，該第二開關係組構用來根據第二脈波對該磁管放電；至少一個偵測器，操作地連接於該磁管，其中，該至少一個偵測器係組構用以偵測正在形成之電弧；以及其中，該第一開關與該第二開關係被控制以響應於由該至少一個偵測器所偵測之該電弧，以抑制該電弧之形成。
  13. 一種用來在磁管的陰極上以0.1到10A/cm2 間之電流密度產生目標物之噴濺以在基板上製作塗膜之裝置，包括：電源供應器，操作地連接於磁管，用以對該磁管充電並組構用來管理該磁管之第一脈波；射頻電子偏壓裝置，操作地連接於該基板並組構用以根據偏壓脈波來對該磁管放電；以及 同步裝置，操作地連接於該電源供應器與該射頻電子偏壓裝置，其中，該同步裝置係組構用以將該第一脈波之頻率與延遲時間與該偏壓脈波予以同步。
  14. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中，該電源供應器係組構用以以該第一脈波之工作週期為0.01%到20%之間且頻率為1Hz到20kHz之間，來管理該磁管之該第一脈波。
  15. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中，該電源供應器係組構用來以該第一脈波之工作週期為2%到50%之間而管理該磁管之該第一脈波。
  16. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中，該同步裝置係組構用來以0.1μs到500μs間之延遲時間來管理該第一脈波前之該偏壓脈波。
  17. 一種在裝置中施加基板偏壓以產生噴濺之方法，其中，脈波係在磁管之陰極上以0.1到10A/cm2 間之電流密度而施加以在基板上製作塗膜，該方法包括以下步驟：施加第一脈波至第一開關以從電源供應器對該磁管充電；以及從操作地連接於該基板之電子偏裝置施加基板偏壓。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，復包括以下步驟：於該第一脈波期間使用該電子偏壓裝置以作為用來該磁管之該放電的預先電離。
  19. 如申請專利範圍第17項之方法，復包括以下步驟： 使用該電子偏壓裝置於沉積前對該基板進行蝕刻與預清除。
  20. 如申請專利範圍第17項之方法，復包括以下步驟：調整該基板偏壓之電壓，以調節撞擊該基板之離子的能量，以在該基板上提供理想的塗膜。
  21. 如申請專利範圍第17項之方法，復包括以下步驟：施加第二脈波至第二開關，以對該磁管放電。
  22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中：該第一脈波包含用於該第一開關之相當長的切斷時間，於該相當長的切斷時間期間，至少一個電容器被充電；以及相當短的時間係開始於該第一開關係被致動以將能量儲存於線圈，並在該第二脈波致動該第二開關時結束，其中，該第二開關之致動引起該磁管之放電。
  23. 如申請專利範圍第21項之方法，其中：該第一脈波與該第二脈波週期性地於第一模式與第二模式間改變；該第一模式包括該第一脈波，該第一脈波包含該第一開關之相當長之切斷時間，於該相當長之切斷時間期間，電容器被充電；以及相當短的時間係開始於該第一開關係被致動以將能量儲存於線圈，並在該第二脈波致動該第二開關時結束，其中，該第二開關之致動引起該磁管之放電；該第二模式包括該第一脈波，該第一脈波包含相當 長的脈波，用以管理該磁管之電壓；以及該第二脈波為一序列短脈波。
  24. 如申請專利範圍第21項之方法，其中：該第一脈波係為相當長的脈波，用以管理該裝置之電壓；以及該第二脈波是一序列短脈波。
  25. 如申請專利範圍第21項之方法，復包括以下步驟：透過至少一個偵測器之使用以偵測電弧正在形成；以及致動該第二開關使該磁管放電，以響應於該電弧之偵測，以抑制該電弧之形成。
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