[发明专利]用于磁控溅射装置中的环状阴极

说明书

技术领域

本发明通常涉及用于将材料沉积到具有低缺陷标准的衬底上的磁控溅射装置，其中，在衬底上沉积的膜具有预定的厚度分布。更具体地，本发明涉及用在磁控溅射装置中的环状阴极以及合并其的磁控溅射装置。

发明背景

溅射镀膜是一种广泛使用的用于在衬底上沉积材料薄膜的技术。在溅射沉积工艺中，离子通常由在辉光放电中的气体原子和电子之间的碰撞产生。离子通过电场被加速到阴极处的涂层材料的靶中，使靶材料的原子从靶表面弹射出。衬底放置在适当的位置上，使得它拦截弹射出的原子的一部分。因此，靶材料的涂层沉积在衬底的表面上。在反应溅射中，气态物种也存在于衬底表面处，并与来自靶表面的原子起反应，且在一些实施例中与来自靶表面的原子组合，以形成所需涂层材料。

在操作中，当溅射气体例如氩被导入镀膜室时，施加在阴极和阳极之间的直流(DC)电压将氩电离成等离子体，且带正电的氩离子被吸引到带负电的阴极。离子使用相当大的能量撞击阴极前面的靶，并使靶原子或原子簇从靶中溅射。一些靶粒子撞击并沉积在待镀膜的晶片或衬底材料上，从而形成膜。

为了获得增加的沉积速率并降低操作压力，使用磁性增强的阴极。在平面磁控管中，阴极包括布置在闭环中并相对于涂层材料的平坦靶板安装在固定位置上的永久磁铁的阵列。因此，磁场使电子在通常称为“跑道”的闭环中行进，该闭环建立发生靶材料的溅射或腐蚀所沿着的路径或区域。在磁控阴极中，磁场约束辉光放电等离子体，并增加在电场的影响下移动的电子的路径长度。这导致气体原子-电子撞击概率的增加，从而导致比在没有使用磁约束的情况下得到的溅射速率高得多的溅射速率。此外，溅射工艺可在低得多的气体压力下实现。

一般，磁控溅射系统在溅射期间在2*10^^-2Pa-1*10^^-1Pa的压力处操作。为了建立这个压力，室一般被抽气降压到＜1*10^^-4的压力，且被控制气体流——一般是氩气(且在反应溅射的情况下是氩气和氧气)——被馈送到室中以维持所需压力。在二极管系统的情况下，即，当不使用磁铁时，需要能够点燃并维持等离子体的＞2Pa的压力。高压具有平均自由程极大地减小的缺点，这造成大范围的气体扩散。这导致雾蒙蒙的的涂层。

希望创建一种磁控溅射系统，其能增加从一个衬底到另一衬底和从一次操作到另一操作的镀膜速率并产生整个单独的衬底的均匀性。

阴极几何结构，特别是阴极形状、位置和尺寸与待镀膜的物体之间的关系对沉积速率和所镀膜的区域以及产品质量和一致性有明显的影响。整个衬底的层厚度的变化被称为流失量(runoff)。通过建模可预测流失量。希望在大直径衬底上提供良好的膜厚度均匀性和低流失量。

在很多镀膜装置中，使用掩蔽将镀膜速率变化减小到可接受的水平。但随着时间的推进，掩模一般积聚大量的涂层材料。一旦掩模上的材料达到临界厚度，它就可能剥落并促成危害涂层质量的粒子。此外，修整和维持这样的掩模是精细的工艺。另外，当掩模被镀膜时，它们逐渐改变其形状，这连续改变了涂层分布。在一些情况下，溅射粒子的相当大的一部分被屏蔽，这减小了材料利用率。在现有技术中，需要阻挡高达40％的涂层材料的重掩蔽来实现在整个100mm晶片上的+/-1.5％的可接受的厚度分布(流失量)。需要稳定的系统来提供从一次操作到另一操作的均匀性。希望提供不使用掩模的装置。

阳极提供与带负电的阴极不同的电荷。这可以与被提供到室壁的电荷一样简单地被提供。然而，溅射材料也沉积在暴露于溅射原子的任何表面上。如果涂层是电绝缘材料例如金属氧化物，材料在溅射装置的其它部分上的积聚可能引起问题。特别是，绝缘涂层在阳极上的积聚干扰阳极从等离子体移除电子的能力，如维持等离子体的电荷平衡所需要的。这使等离子体不稳定，并干扰沉积控制。涂层积聚将使阳极位置移动到系统中的另一表面。这个不稳定性影响涂层质量。很多现有技术中的阳极被提议克服阳极被涂层材料镀膜的问题。很多现有技术中的阳极在非常高的电压处运行，这也增加了电弧问题，损害了涂层质量。可提供稳定的阳极位置的低电压阳极对确保一致的涂层质量很重要。