[发明专利]在等离子体腔内生成高度电离的等离子体

说明书

技术领域

本公开涉及在等离子体腔内生成高度电离的等离子体。

背景技术

在典型的溅射涂覆工艺中，放电产生的电子与溅射气体碰撞，由此使气体电离。这一溅射工艺通常处于10Pa和0.1Pa之间的压强范围内。在这一压强范围内，原子或分子的数量处于5*10¹⁵cm^-3和2*10¹³cm^-3之间。随着离子轰击靶，将原子从靶上分离下来，所述原子将沉积在所要涂覆的衬底上。将使原子与靶分离的过程称为溅射过程。也可以利用这一溅射过程进行蚀刻。在一些系统中，可以通过在靶附近产生高度电离的等离子体而实现改善的靶利用率和涂覆均匀性。在这样的系统中，首先在低压上生成部分电离的等离子体，之后通过施加高功率放电脉冲而生成高度电离的等离子体。在离子数量超过10¹²cm^-3时就达到了本语境下的高度电离的等离子体。

然而，已经发现与上游低电离步骤结合的高功率放电脉冲降低了溅射过程中生成的膜的粘附性，并且可能在反应溅射过程中导致靶毒化（poisoning）。此外，必须在第一时间周期内施加低压限制了同时将电源用于其他用途，例如，用于蚀刻。

在EP1560943B1中，描述了一种用于创建高度电离的等离子体的两步方案。对于第一时间周期，向放电间隙施加低电压，之后在一个短时间周期内施加较高的电压。这首先使气体低电离，之后使气体高度电离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于在等离子体腔内生成高度电离的等离子体的方法和设备，其适用于蚀刻以及在溅射沉积过程中建立高粘性，并且避免了在反应溅射过程中使电极、靶、等离子体腔或衬底毒化。

就第一方面而言，在等离子体腔内生成高度电离的等离子体是通过下述操作实现的：

a.在低于50Pa的压强下提供要在等离子体腔内电离的中性气体；

b.向与等离子体腔中的靶连接的至少一个磁控管阴极施加至少一个高能量、高功率电脉冲，其功率大于或等于100kW，其能量大于或等于10J

c.直接由等离子体体积内的中性气体生成高度电离的等离子体，因而等离子体体积截面在电流增大时间段期间增大

d.利用所述高度电离的等离子体从靶上溅射出原子，

e.使所溅射的原子的至少一部分电离。

等离子体是与气体类似的物质状态，其中某一部分粒子被电离。尽管等离子体含有自由电荷粒子是事实，但是从宏观角度来讲等离子体是电中性的。这意味着其含有处于均衡状态的相同数量的正负电荷。根据本发明，通过影响等离子体腔内的条件，并因而影响电流增大时间段期间的等离子体生成过程而由中性气体直接生成高度电离的等离子体。

在高能量持续期间，高功率脉冲可能短于500μs，优选不长于300μs，更优选不长于200μs。这意味着在非常短的脉冲内施加全部能量。因此，电压增大时间和电流增大时间都必须非常短。其导致了等离子体的非常高的电离。

就一方面而言，等离子体体积截面在电流增大时间段期间增大，同时保持基本上恒定的电流密度和/或基本上恒定的电离度。因而，能够在溅射沉积期间实现更高的粘附性。换言之：在等离子体体积截面在电流增大时间段期间增大的同时保持基本上恒定的电流密度和/或基本上恒定的电离度。

根据这一方案，直接由中性气体生成高度电离的等离子体。在电流增大时间段期间可以初始化等离子体腔内的高度电离区域的空间生长。由此将导致均匀的、高度电离的等离子体，因而提高靶利用率。

等离子体截面的空间生长意味着具有基本上恒定的电流密度的电流的增长，即，I=S·J，其中，I=电流，S=等离子体体积截面（增大值），J=电流密度（恒定）。这里，电流反映高度电离的等离子体体积生长而非电离度。

根据这一方法的各个方面，在所述腔内提供的气体可以在无需经历弱电离或低电离等离子体阶段或者其他预备等离子体阶段，例如辉光放电或电弧放电的情况下取得高度电离的等离子体状态，即，直接由所述中性气体生成高度电离的等离子体。所述气体可以在直接进入高度电离等离子体状态之前经历一个或几个不形成等离子体阶段的击穿阶段。通过以电脉冲提供瞬时超过电离电击穿阈值的足够高的能量使其成为了可能。同时，可以控制电流增大时间或者可以设定电流脉冲的形状，从而在无需经历低电离等离子体状态或电弧放电状态的情况下获得高度电离的等离子体。过程的发展可能取决于大量的参数，其中，下面给出了最重要的参数的列表：

·气体压强

·气体混合，尤其是在利用反应气体时，