专利名称：沉积层的方法和控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及薄膜的沉积，特别涉及以参考沉积厚度进行的层的溅射沉积。发明背景
溅射沉积被广泛用于沉积薄膜和广范围的装置和器件的制造。溅射沉积尤其用于光 学应用的薄膜装置的制造。这种薄膜装置可以包括单层或多层，多层的范围是从两层到 几千层。这种薄膜装置的光谱性能依赖于它们所包括的层的厚度。因此，具有以参考沉 积厚度来沉积层的能力是非常重要的。
典型的賊射沉积系统包括耙阴极、阳极、基底、等离子和电源。靶阴极、阳极、和 基底被置于真空室内，气体被导入该真空室内。电源位于真空室以外，该电源用于在靶 阴极和阳极之间施加电压，在下文中被称为阴极电压。阴极电压部分电离真空室内的气 体，以产生等离子体。等离子体包括阳离子，该阳离子被带负电荷的靶阴极吸引并向之 加速。当离子和靶阴极碰撞时，靶材料从靶阴极中溅射出来。被溅射的靶材料作为层沉 积在基底和濺射沉积系统的其它表面上。典型的靶材料包括金属元素，例如钽、铌和 铝；半导体元素，例如硅和锗；导电氧化物，例如(In203)i"Sn02》(铟锡氧化物(ITO))、 Ta2O5-x和加2《。
到目前为止已经研制出很多不同种的';贱射沉积。在磁控管溅射沉积中，溅射沉积系 统包括磁控管，其在耙阴极的周围产生磁场。磁场限制了电子并产生较密集的等离子体 以增加沉积速率。在反应溅射沉积中，惰性气体和反应气体的混合气体被导入溅射沉积 系统的真空室中，层是由靶材料和反应气体之间产生的化学反应所形成的。在脉冲直流(DC)賊射沉积中，耙阴极和阳极之间的电压周期性反向为小反向电压，从而将电荷 积累和放电最小化。在交流(AC)賊射沉积中，在两个靶电极之间施加AC电压，这两 个靶电极交替为阴极和阳极，从而将放电最小化。在射频(RF)溅射沉积中，在靶电极 和第二电极之间施加RP电压，从而将电荷积累最小化，在这种情况下允许溅射绝缘材 料。在高功率脉冲磁控管溅射沉积中，在磁控管溅射沉积系统中的靶阴极上施加高功率 短脉冲，从而产生高密度等离子体，以使大部分溅射的靶材料被电离，以致沉积高密度 附着性良好的层。
在任何賊射沉积技术中，很多操作参数影响乾阴极賊射靶材料的速率和与其相关的在基底上沉积层的速率，这些参数包括所施加的用以产生和维持等离子体的功率(在下 文中被称为阴极功率)、靶阴极的电流(在下文中被称为阴极电流)、靶阴极与阳极之间的 等离子阻抗(在下文中被称为阴极阻抗)和阴极电压。
当已知层沉积的速率，可以确定层达到参考沉积厚度所需的沉积时间，层沉积厚度 关于时间的相关关系减7)等于沉积速率关于时间的相关关系K,)随时间求积分，其等式 如下典型的，配置溅射沉积系统的电源以提供阴极功率常数，且沉积速率被假设为常数参考 沉积速率6,从而得到下式在一些例子中，等式(2 )可以包括常数偏移项b,用以纠正沉积速率随时间的任何瞬间 变化，所述瞬时变化产生于开始层沉积或停止层沉积，或产生于计算机命令和装置反应 之间的延迟，例如下式所示为了简化，下面将不明确考虑这样的常数偏移项。
通常，层达到参考沉积厚度4所需的参考沉积时间』根据参考沉积速率rr而确定， 根据以下公式但是，该方法基于这样的假设当阴极功率保持为参考值常数时，沉积速率是常数，而 这通常是不正确的。
例如，在阴极功率是常数的层的沉积过程中，溅射的靶材料在溅射沉积系统的表面 积累可以导致阴极阻抗的变化。为了保持阴极功率为常数，电源自动调整阴极电压和阴 极电流以补偿阴极阻抗的变化。阴极电压和阴极电流随时间的变化可以导致沉积速率随时间偏离参考沉积速率，因此，导致层的沉积厚度发生错误。
为了保持层的沉积速率为参考常数，可以在层的沉积过程中调整一个或多个溅射沉 积系统的操作参数。例如，可以通过调整阴极电压来调节沉积速率，如授权给Turner 的美国专利第4,166,783号、授权给Hurwitt等的美国专利第5,174,875号和授权给Suzuki 等的美国专利第5,911,856号中所描述的；可以通过在磁控管溅射沉积过程中调整磁场 来调节沉积速率，如授权给Boys等的美国专利第4,500,408号中所描述的；可以通过在 反应溅射沉积过程中调整反应气体流率来调整沉积速率，如授权给Suzuki等的美国专利 第5,911,856号、授权给Toyama的美国专利第6,475,354号和Gibson等的世界专利申请 WO 2006/032925中所描述的；或可以通过调整等离子体密度来调节沉积速率，如授权 给Kearney等的美国专利第6,554,968号中所描述的。[10]特别是，在授权给Barber等的美国专利第6,746,577号中公开了在反应溅射沉积 过程中通过调节混合气体的成分来调节层的沉积速率的方法。在层的沉积过程中，阴极 电流或阴极电压保持为参考值常数，调节混合气体成分从而将阴极阻抗保持在参考值。 因此，近似为常数的参考沉积速率得以保持。为了补偿沉积速率随着时间的任何瞬间变 化，在层的沉积过程中，传给靶阴极的能量(在下文中被称为阴极能量)随着时间被累 加。 一旦达到参考阴极能量，层的沉积会自动停止。[11]作为保持层的常数参考沉积速率的方案的延伸，可以在层的沉积过程中直接监视层 的生长或靶阴极的腐蚀以确定层的沉积速率。如果探测到沉积速率偏离于参考沉积速 率，可以相应地调整操作参数，例如授权给Nulman的美国专利第5,754,297号、授权给 Iturralde的美国专利第5,955,139号和授权给Sonderman等的美国专利第7,324,865号中 所描述的。类似的，可以直接监视层的生长或靶阴极的腐蚀以确定层的沉积速率，从而 确定层达到参考沉积厚度所需的沉积时间，如Lee等申请的美国专利申请第 2006/0144335号中所描述的。[12]为了提高在例如阶梯晶片(stepped wafer)或透镜元素的特定基底上层的沉积厚度的 一致性，还研制了这类方案的变异，前者如授权给Hurwitt等的美国专利第4,957,605号 中所公开，后者如授权给Burton等的美国专利第6,440,280号中所公开。发明内容[13]本发明的目的是克服现有技术的缺点，而提供一种在具有耙阴极的賊射沉积系统中 沉积层的简单方法和控制系统。在层沉积之前，提供所述层的沉积速率关于一个操作参数的第一相关关系，所述操作参数选择自阴极电压、阴极电流和阴极功率。在层的沉积 过程中，允许操作参数随时间漂移，而不需通过调节操作参数来稳定沉积速率。测量所 述操作参数关于时间的第二相关关系，同时， 一个不同的操作参数(也是选择自阴极电压、阴极电流和阴极功率)大致被保持为常数。根据第一和第二相关关系，在层沉积的 过程中动态确定层的沉积时间，而不是直接监视层的生长或靶阴极的腐蚀。 [14]因此，本发明涉及在具有靶阴极的溅射沉积系统中沉积层的方法，包括下面的步骤 a)从由阴极电压、阴极电流和阴极功率组成的操作参数组中选取第一和第二参数，从 而使所述第一和第二参数是不同的操作参数；b)提供所述层的沉积速率关于所述第一 参数的第一相关关系；c)开始沉积所述层；d)在所述层的沉积过程中，将所述第二参 数大致保持为参考值常数；e )在所述层的沉积过程中，测量所述第 一参数关于时间的 第二相关关系；f)在所述层的沉积过程中，根据所述第一和第二相关关系，确定所述 层的沉积时间；g)在所述沉积时间停止所述层的沉积。[15]本发明的另一个方面涉及一种在具有靶阴极的溅射沉积系统中沉积层的控制系 统，包括接口和控制器；其中，所述接口用于在由阴极电压、阴极电流和阴极功率 组成的操作参数组中选择第 一和第二参数，以使所述第 一和第二参数是不同的操作 参数，并且所述接口用于提供所述层的沉积速率关于所述第一参数的第一相关关 系；以及配置所述控制器，用以控制电源开始所述层的沉积，用以在层的沉积过程 中控制电源从而将所述第二参数大致保持为参考值常数，用以在所述层的沉积过程 中监视电源以测量所述第 一 参数关于时间的第二相关关系，用以在所述层的沉积过 程中根据所述第一和第二相关关系以确定所述层的沉积时间，并且用以控制所述电 源以在沉积时间停止所述层的沉积。[16]本发明的另 一个方面涉及一种在具有靶阴极的溅射沉积系统中沉积层的控制系 统，其包括a)用于从由阴极电压、阴极电流和阴极功率组成的操作参数组中选择 第一和第二参数的装置，使得所述第一和第二参数是不同的操作参数；b)用于提 供所述层的沉积速率关于所述第 一 参数的第 一 相关关系的装置；c )用于开始所述层 的沉积的装置；d)在所述层的沉积过程中，用于将所述第二参数大致保持为参考值 常数的装置；e)在所述层的沉积过程中，用于测量所述第一参数关于时间的第二相 关关系的装置；f)在沉积所述层的过程中，用于根据所述第一和第二相关关系确定 所述层的沉积时间的装置；以及g)用于在沉积时间停止所述层的沉积的装置。
[17]本发明将根据代表优选实施例的附图作进一步的描述，其中 [18]图1是在具有靶阴极的賊射沉积系统中用于沉积层的控制系统的原理示意图； [19]图2是在具有輩巴阴极的賊射沉积系统中用于沉积层的方法的第一实施例的流程图； [20]图3是根据图2的第一实施例， 一个假设沉积层的K(《对时间的点绘图；以及 [21]图4是在具有靶阴极的濺射沉积系统中用于沉积层的方法的第二实施例的流程图。
具体实施方式
[22]如图1所示，根据本发明的一个实施例，提供一种在具有靶阴极151的溅射沉积系 统150中沉积层的方法和控制系统100。所述控制系统100包括接口 101和控制器102。 所述濺射沉积系统150除了包括所述耙阴极151之外，还包括位于真空室155内的阳极 152、基底153和等离子区154，以及位于所述真空室155外的电源156。在其他实施例 中，所述溅射沉积系统150可以包括所述特定部件的可替换配置或可以包括额外的部件， 这也适用于前述提到的溅射沉积的任何变体。[23]电源156连接至靶阴极151和阳极152，并且可以控制电源156,以将一个操作参 数大致保持为常数参考值，所述操作参数从由阴极功率、阴极电压以及阴极电流组成的 操作参数组中选取。优选地，通过控制电源156可以保持所述参数组中的任一个操作参 数基本不变。在一些实施例中，电源156可以使所述操作参数斜变(ramp to )至参考值。[24]电源156也被连接至控制系统100的控制器102，所述控制系统100优选采用可编 程逻辑控制器(PLC)。所述控制器102被配置以便用于控制和监控所述电源156。控制 器102将有待大致保持为常数的操作参数的参考值通讯给电源156,并且控制器102控 制电源156的开和关。优选地，控制器102还通讯给电源156:哪个操作参数有待大致 保持为常数，以及任何斜变参数(rampparameter),此外，控制器102通过监视电源来 测量至少一个其他操作参数关于时间的至少一个相关关系，所述其他操作参数也从所述 操作参数组中选取。控制器102也具有用于确定层的沉积时间的程序。[25]控制器102与接口 101相连，所述接口 101被配置以用于传送信息至控制器102。 优选地，所述接口 101采用人机接口 (HMI),如个人电脑，该接口具有程序，用以控 制和监视控制器102并因此控制和监视电源156。例如，接口01的程序允许用户通过选摔操作参数和提供数据来修改控制器102的程序。接口 101的程序可以根据输入数据 或经控制器102接收自电源156的数据，来执行计算。优选地，接口 101的程序也可以 允许用户通过指示控制器102开启或关闭电源156。[26]在其他实施例中，所述控制系统IOO可以包括可替换结构。例如，在一些实施例中， 控制器102可以与接口 101集成，作为控制器程序装载于个人电脑。任意数量的接口 101、 控制器102以及测量设备可以被结合以完成选择参数、提供数据、控制和监控电源156 以及确定层的沉积时间的功能。[27]如图2所示，下文将详细描述本发明中在具有靶阴才及151的溅射沉积系统150中沉 积层的方法的第一个实施例。尽管所述第一个实施例在本发明中被描述为沉积单层，但 是也可以被应用于沉积多层。在第一步201中，第一和第二参数从由阴极功率、阴极电 压以及阴极电流组成的一组操作参数中选取，所述第一和第二参数为彼此不同的操作参 数。根据这种选择，在层的沉积过程中允许所述第一参数随时间漂移，而所述第二参数 保持恒定在参考值。优选地，将第一和第二参数输入接口 101的程序中或者通过程序菜 单选择第一和第二参数，这样可以利用接口 101选择所述第一和第二参数。[28]在第二步202中，得到层沉积速率关于第一参数的第一相关关系。例如，当阴极电 压7被选为第一参数时，沉积速率关于阴极电压的第一相关关系KD被表达为幂函数， 该幂函数包括参考常数A:和非零的相关指数x (即x邦)，即<formula>formula see original document page 11</formula>(5)优选地，所述相关指数x大于或等于-3并且小于或等于3,即-3《x《3。[29]因为沉积速率关于第一参数的第一相关关系依赖于靶材料和层沉积过程中的操作 条件，所以在类似操作条件下，利用相同靶材料的在先一层或多层的沉积确定了参考常 数和相关指数。在一些实施例中，所述第一相关关系通过将参考常数和相关指数的预设 值输入接口 101的程序来获得。在另一些实施例中，参考常数和相关指数通过接口 101 的程序计算出。[30]优选地，第一相关关系的参考常数包括参考沉积速率和相应的第一参数参考值。例 如，当第一参数为阴极电压时，参考常数k被表达为<formula>formula see original document page 12</formula> (6)其中rr为参考沉积速率并且Kr为阴极电压的参考值。通过将等式(6)代入等式(5),沉积速率关于阴极电压的第 一相关关系KPO被重新表达为如果需要，等式(7)可线性变换成为(7)<formula>formula see original document page 12</formula> (8)[31]因此，在一些实施例中，通过将参考沉积速率、第一参数参考值以及相关指数的预 设值输入接口 101的程序来获得第一相关关系。在其他实施例中，根据输入数据或经控 制器102接收自电源156的数据，接口 101的程序计算出所述参考沉积速率、第一参数 参考值以及相关指数。[32]优选地，由在先一层或多层的沉积来确定参考沉积速率和第一参数参考值。例如， 可以进行一层或多层材料层的沉积，同时测量第一参数关于时间的第二相关关系并同时 将第二参数大致保持为常数参考值。当完成一层这样的层沉积时，利用重新整理等式(4) 得到的以下公式，由测量沉积厚度^和测量沉积时间"计算出层的平均沉积速率<formula>formula see original document page 12</formula> (9)该平均沉积速率^被用作参考沉积速率rn其用于以所述第二参数的该参考值进行的该 材料的之后的层沉积中。优选地，层的平均沉积速率被用作下一层沉积的参考沉积速率。[33]当完成多层这样的层沉积时，在类似的操作条件下使用相同的靶材料，冲艮据等式(9) 计算出每一层的平均沉积速率。可以计算出层的平均沉积速率的平均值并且作为参考沉 积速率。在这种计算中，所述层的沉积速率的平均值可以根据重要性进行加权运算。可以替换地，层的沉积速率的平均值随时间的回归分析(regression analysis)可以用来确 定下 一层沉积的参考沉积速率。[34]当一个用于光学应用的薄膜设备中包含一层或多层沉积层时，测量所述薄膜设备的 光谱性能可以得到 一层或多层的测量沉积厚度。然后将不同沉积厚度计算出的理论光谱 性能与薄膜设备测量的光谱性能匹配。在一些实施例中，确定多层沉积厚度的测量可能 受到限制，因而层具有公用的平均沉积速率。[35]同样地，第一参数的参考值取决于在先一层或多层的沉积。例如，可以进行材料的 一层或多层的沉积，同时测量第 一参数关于时间的第二相关关系并同时将第二参数基本 保持为常数参考值。当完成一层所述沉积时，所述第一作参数的平均值被用作所述第一 参数的参考值。例如，当第一参数为阴极电压时，阴极电压的平均值K被用作以所述Kr=7a. (10)优选地，所述阴极电压的平均值作为下一层沉积的阴极电压的参考值。[36]当完成多层沉积时，在相似的操作条件下使用相同的靶材料，测量每一层沉积的阴 极电压平均值。可以计算阴极电压平均值的平均并且作为阴极电压的参考值。在这种计 算中，所述阴极电压的平均值可以根据其重要性被加权运算。可替换地，阴极电压平均 值随时间的回归分析可以用来确定下一层沉积的阴极电压参考值。对于Si02层的反应 溅射沉积，阴极电压、阴极电流和阴极功率的典型参考值分别为450 V 、 11 A和5 kW。[37]优选地，相关指数同样由在先一层或多层沉积确定。例如，可以进行材料一层或多 层的沉积，同时测量第一参数关于时间的第二相关关系并同时将第二参数大致保持为常 数参考值。对于不同的相关指数，将每层的测量沉积厚度和计算得出的预计沉积厚度相 比较。例如，当第一参数为阴极电压时，对于不同的相关指数x,每层的预计沉积厚度 值4可以由阴极电压平均值PV测量的沉积时间"、参考沉积速率^以及阴极电压参 考值Fr进行计算得出，根据以下公式选取在预计沉积厚度和测量沉积厚度之间具有最优一致性的相关指数。对于Si02层的反应溅射沉积，当第一参数为阴极电压并且第二参数为阴极功率时，相关指数实际上大致等于l,即阴极电压对沉积速率的第一相关关系是线性的。[38]由前所述，当一个用于光学应用的薄膜设备中包含一层或多层沉积层时，可以通过 测量所述薄膜设备的光谱性能以及将理论光谱性能(对不同沉积厚度而计算得出)与所 测量的光谱性能进行匹配，得到所测量的一层或多层的沉积厚度。[39]在一些实施例中，因为在賊射沉积系统中的操作条件下参数会漂移，在一段时间后 第一和第二参数的参考值可能需要调整，以保持层的沉积速率接近参考沉积速率。优选 地，根据参考沉积速率和在先一层或多层的沉积速率之间的差异，更新在先一层或多层 沉积的第 一和第二参数的参考值。[40]例如，当第一参数为阴极电压并且第二参数为阴极功率时，层的参考沉积率G和层 的平均沉积率 之间的速率差Ar可以通过下述公式计算<formula>formula see original document page 14</formula> (12)[41]为了实现平均沉速积率等于参考沉积速率，阴极功率的参考值必须通过功率修正项 A尸调整，所述功率修正项A尸通过沉积速率差Ar计算得出，根据以下公式<formula>formula see original document page 14</formula> (13)其中，/tp为功率参考常数的经验值。优选地，通过在阴极功率的不同参考值下进行多层 沉积并且测量出平均沉积速率，可以得到功率参考常数。所述功率参考常数为这些数据的线性斜率。将功率修正项用于阴极功率参考值尸n得出更新的阴极功率参考值&2，根据以下公式(14)[42]相应的电压修正项AK通过功率修正项A尸计算出，根据以下公式<formula>formula see original document page 14</formula> (15)其中，"为电压参考常数的经验值。优选地，通过在阴极电压的不同参考值下进行多层 沉积并测量阴极电压的平均值，可以得到电压参考常数。所述电压参考常数为这些数据 的线性斜率。将电压修正项用于在层沉积过程中测量的阴极电压平均值7a得出更新的 阴极电压参考值Fr,根据以下公式^二p;+Ar. (16)[43]优选地，根据输入数据或经控制器102接收自电源156的数据，接口 101的程序可 以更新参考沉积速率和第一和第二参数的参考值。优选地，参考沉积速率和第一和第二 参数的参考值被有规律地更新。如上所述，只要当层的平均沉积速率由测量的层的沉积 厚度和测量的沉积时间所确定时，所述参考沉积速率以及第一和第二参数的参考值就可 以被更新。更为优选地，确定每层的平均沉积速率，并且在完成每一层的沉积后，更新 参考沉积速率以及第 一和第二参数的参考值。[44] 一旦选择了第 一和第二参数并且提供了沉积速率关于第 一参数的第 一相关关系，所 述接口 101的程序将此信息传送至控制器102。在第三步203中，开始层的沉积。优选 地，用户通过接口 101开始层的沉积，所述接口 101将命令送至控制器102。然后，控 制器102控制电压156以开始层的沉积。电压可以筒单的在所述第二参数参考值开启或 者可以被编程而斜变至所述第二参数的参考值。在一些实施例中，电源可以在第二参数 的参考值开启，同时基底被闸(shutter)保护，然后该闸被打开以开始层的沉积。如上 所述，可以在相关等式中加入常数偏移项以考虑达到第二参数参考值前的短暂延迟。[45]在层沉积的过程中，在第四步204中，控制器102控制电压156以将第二参数基本 保持在常数参考值，并且在第五步205中，控制器102监控电压156以测量第一参数关 于时间的第二相关关系。在第六步206中，根据沉积速率关于时间的第 一相关关系和第 一参数关于时间的第二相关关系，由控制器102的程序确定层的沉积时间。[46]因为允许第 一参数在层的沉积过程中随时间漂移，所以层的沉积速率也随时间漂 移。沉积速率关于时间的相关关系包括第 一参数关于时间的第二相关关系。例如，当第 一参数为阴极电压时，将阴极电压关于时间的第二相关关系K(0代入等式(7)中得到沉积 速率关于时间的相关关系r0)，根据以下公式<formula>formula see original document page 16</formula> (17)考虑到等式(l),沉积厚度关于时间的相关关系为<formula>formula see original document page 16</formula>(18)为了使沉积层的厚度达到参考沉积厚度^，层的沉积在沉积时间？d必须被停止，根据以 下公式<formula>formula see original document page 16</formula>(19)[47]优选地，含有参考沉积时间"的层停止沉积的条件可以通过将等式(4)代入等式(19) 得到，重新整理为下式<formula>formula see original document page 16</formula>
在一些实施例中，参考沉积时间可以根据等式(4)由参考沉积速率和参考沉积厚度计算得 出。在这样的实施例中，参考沉积厚度优选通过将预定值输入接口 101的程序得到，所 述接口 101程序随后计算出参考沉积时间。在其他实施例中，优选将预设值输入接口 101 的程序得到相应于第一参数参考值的参考沉积时间。[48]因此，当所述第一参数为阴极电压时，在满足等式(20)的条件下即可以得到层达到 参考沉积厚度的沉积时间。所述条件如图3中所绘制的根据第一实施例的一个假设层的 沉积F(f关于时间的关系所示。控制器102的程序进行相应累加求和计算出等式(20)的 积分，根据以下公式<formula>formula see original document page 16</formula> (21)
其中，沉积时间间隔△ t受到控制器102扫描速度的限制，并且所述时间间隔在10~40 ms 的量级。如果考虑到这种限制，则停止层沉积的优选条件变为<formula>formula see original document page 17</formula> (22)0[49]当控制器102具有慢得多的扫描速度时，等式(22)可以通过从参考沉积时间4中减 去扫描时间^的一半来进行调整，以提高统计性能，根据以下公式<formula>formula see original document page 17</formula>(23)o V 2乂可替换地，如前面所述，可以在相关等式中加入常数偏移项以考虑较慢的扫描速度。[50]如本实施例所示，通过计算第一参数关于时间的第二相关关系对时间的积分，可以 确定厚度大于或等于参考沉积厚度的层的沉积时间。在一些实施例中，所述沉积时间可 以通过计算第 一参数关于时间的第二相关关系对时间的累加求和而得到。[51]优选地，沉积时间的确定包括将第一参数关于时间的第二相关关系与第一参数的 参考值对比，并且相应地，从参考沉积时间来调整沉积时间。最为优选地，通过以下计 算可以确定层的沉积时间计算以相关指数为指数的第二相关关系的幂对时间的积分， 并比较该积分与参考沉积时间和以相关指数为指数的第一参数参考值的幂的乘积。当 然，停止层沉积的大量其他相当的条件可以通过将前述等式重新整理并且结合得到。[52]积分的计算以及积分与乘积的比较优选通过控制器102的程序完成。在第七步207 中，当积分值大于或等于乘积时，控制器102控制电压156以停止层的沉积。[53]如图4所示，本发明提供的在具有靶阴极151的溅射沉积系统150中，用于使沉积 层的厚度达到参考沉积厚度的方法的第二个实施例如下文所述。虽然本发明中所描述的 第二个实施例只完成一层的沉积，但是所述第二个实施例也可以被应用于多层的沉积。 在第一步401中，第一、第二和第三参数从由阴极电压、阴极电流以及阴极功率组成的 一組操作参数中选出，所述第一、第二和第三参数为不同的操作参数。根据所述操作参 数的选择，第一和第三参数在层的沉积过程中允许随时间漂移，并且所述第二参数大致 保持为常数参考值。如上所述，第一、第二和第三参数的选择优选通过接口 101来完成。[54]第二个实施例在某些情况下具有优势，所述某些情况包括控制器102不能理想的控 制电压156以将所述第二参数完全保持在常数参考值，例如，当等离子阴极阻抗快速改变时，当电弧产生时，或者当阴极阻抗不能与电压156匹配时。在所述情况中，相比假 设电源156被理想地控制，优选考虑沉积速率关于第一和第三参数的第一相关关系。[55]在第二步402中，提供层沉积速率关于第一和第三参数的第一相关关系。例如，当 阴极电压V和阴极电流I分别被选作第一和第三参数时，沉积速率关于阴极电压和阴极 电流的第一相关关系优选被表达为幂函数，该幂函数含有参考常量k、第一非零相关指 数x(即x -0)以及第二非零相关指数y (即y * 0),根据以下公式r(PV)=『/y. (24)第一和第二相关指数每个都优选大于或等于—3并且小于或等于3,即-3《x《3和-3 《_y《3。[56]如上所述，参考常量以及第一和第二相关指数优选由在先的一层或多层的沉积确 定。在一些实施例中，第一相关关系通过将参考常量以及第一和第二相关指数的预设值 输入到接口 IOI的程序中而得出。在其他实施例中，参考常量以及第一和第二相关指数 通过接口 101的程序计算得出。[57]优选地，第一相关关系中的参考常量包括参考沉积速率以及相应的第一和第三参数 参考值。例如，当第一参数为阴极电压并且第三参数为阴极电流时，参考常数A:被表达 为(25)其中，^为参考沉积速率、Fr为阴极电压的参考值以及/r为阴极电流的参考值。通过将 等式(25)代入等式(24)中，沉积速率关于阴极电压和阴极电流的第 一相关关系K变为<formula>formula see original document page 18</formula>[58]如上所述，参考沉积速率以及第一和第三参数参考值优选由在先一层或多层的沉积 确定。在一些实施例中，第一相关关系通过将参考沉积速率、第一和第三参数的参考值 以及第一和第二相关指数的预设值输入接口 IOI的程序得到。在其他实施例中，参考常量、第一和第三参数的参考值以及第一和第二相关指数通过接口 101的程序计算得出。 优选地，如上所述，第一、第二和第三参数的参考值通过接口 101的程序更新。[59] —旦选定第一、第二和第三参数并且得出沉积速率对第一和第三参数的第一相关关 系，接口 101的程序将前述信息传递至控制器102。在第三步403中，开始层的沉积。 优选地，用户通过接口 101开始层的沉积，所述接口 101将操作命令传入控制器102。 然后，如前所述，控制器102控制电源156以开始层的沉积。[60]在层的沉积过程中，在第四步404中，控制器102控制电源156以将第二参数基本 保持为常数参考值，并且在第五步405中，控制器102监控电源156以测量第一参数关 于时间的第二相关关系和第三参数关于时间的第三相关关系。在第六步406中，根据沉 积速率关于第 一和第三参数的第 一相关关系、第 一参数关于时间的第二相关关系以及第 三参数关于时间的第三相关关系，控制器102的程序确定层的沉积时间。[61]因为在层的沉积过程中，允许第一和第三参数随时间漂移，所以层的沉积速率也随 时间漂移。沉积速率关于时间的相关关系包括第 一参数关于时间的第二相关关系和第 三参数关于时间的第三相关关系。例如，当第 一和第三参数分别为阴极电压和阴极电流 时，通过阴极电压关于时间的第二相关关系7(0以及阴极电流关于时间的第三相关关系 由等式(26)得出沉积速率关于时间的相关关系r0),根据以下公式<formula>formula see original document page 19</formula>考虑到等式(l),沉积厚度关于时间的相关关系c/(7)为<formula>formula see original document page 19</formula>为了使层的沉积厚度达到参考沉积厚度《，层的沉积必须在沉积时间fd停止，根据以下 公式<formula>formula see original document page 19</formula>200810084620.2说明书第15/16页[62]优选地，将等式(4)代入等式(29)得到包含参考沉积时间fr的停止层沉积的条件，并 且重新整理等式后得出<formula>formula see original document page 20</formula> (30)0如上所述，参考沉积厚度可以优选通过接口 101的程序得出，并且参考沉积时间优选由 接口 101的程序根据等式(4)由参考沉积速率和参考沉积厚度计算出。作为替换，相应于 第一和第三参数的参考值的参考沉积时间可以优选通过接口 101的程序得出。[63]因此，当第一参数为阴极电压，第三参数为阴极电流并满足等式(29)的条件时，可 以得到具有参考沉积厚度的层的沉积时间。通过执行相应的累加求和，控制器102的程 序计算等式(29)的积分，根据以下公式<formula>formula see original document page 20</formula>如上所述，如果考虑对控制器102扫描速度的限制，则停止层沉积的优选条件为<formula>formula see original document page 20</formula> (32)如所述第二实施例可示，层的沉积厚度大于或等于参考沉积厚度所需的沉积时间， 通过计算第 一参数关于时间的第二相关关系以及第三参数关于时间的第三相关关系随 时间的积分可以确定。在一些实施例中，通过计算第一参数关于时间的第二相关关系以 及第三参数关于时间的第三相关关系随时间的累加求和以确定沉积时间。[65]优选地，沉积时间的确定包括将第一参数关于时间的第二相关关系与第一参数的 参考值相比较，将第三参数关于时间的第三相关关系与第三参数的参考值相比较，并且 相应地从所述参考沉积时间调整所述沉积时间。最为优选地，通过计算以第一相关指数 为指数的第二相关关系的幂和以第二相关指数为指数的第三相关关系的幂对时间的积 分，并且将所述积分与参考沉积时间、以第一相关指数为指数的第一参数参考值的幂和 以第二相关指数为指数的第三参数参考值的的幂的乘积进行比较，可以确定层的沉积时间。当然，大量其他相当的层停止沉积的条件可以通过将前述等式重新整理并且将所迷 等式结合得到。[66]优选地，通过控制器102的程序来完成积分的计算和积分与乘积的比较。在第七步 407中，当积分值大于或等于乘积时，控制器102控制电源156停止层的沉积。[67]当然在不违背本发明的精神和范围的条件下可以设计出大量的其他实施例。
权利要求
1、一种在具有靶阴极的溅射沉积系统中沉积层的方法，包括下面的步骤a)从由阴极电压、阴极电流和阴极功率组成的操作参数组中选取第一和第二参数，从而使所述第一和第二参数是不同的操作参数；b)提供所述层的沉积速率关于所述第一参数的第一相关关系；c)开始沉积所述层；d)在所述层的沉积过程中，将所述第二参数大致保持为参考值常数；e)在所述层的沉积过程中，测量所述第一参数关于时间的第二相关关系；f)在所述层的沉积过程中，根据所述第一和第二相关关系，确定所述层的沉积时间；g)在所述沉积时间停止所述层的沉积。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)中所提供的所述第一相关关系 是包括有参考常数和非零相关指数的幂函数。
3、 根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤在步骤(b)之前，根据一层 或多层在先的沉积层，确定所述参考常数和所述相关指数。
4、 根据权利要求2中所述的方法，其中，所述参考常数包括参考沉积速率和相应 的所述第一参数的参考值。
5、 根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤在步骤(b)之前，根据所述 参考沉积速率和在先的一层或多层所述层的沉积速率之间的差别，更新在先的一层 或多层沉积层的所述第 一和第二参数的参考值，以确定所述第 一和第二参数的参考 值。
6、 根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(f)包括计算所述第二相关关系 对时间的积分。
7、 根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(f)包括计算所述第二相关关系 随时间的求和。
8、 根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤在步骤(c)之前，提供所 述层的参考沉积厚度，其中，步骤(f)包括确定所述层的沉积厚度大于或等于所 述参考沉积厚度所需的沉积时间。
9、 根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤在步骤(c)之前，提供所 述层的参考沉积厚度，其中，步骤(f)包括根据所述参考沉积速率和所述沉积厚 度，来计算所述层的参考沉积时间；计算以所述相关指数为指数的所述第二相关关系的幂对时间的积分；比较所述积分和所述参考沉积时间与以所述相关指数为指数 的所述第 一参数的幂的乘积，以使在所述沉积时间所述层的沉积厚度大于或等于所 述参考沉积厚度。
10、 根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤在步骤(c)之前，提供所 述层的参考沉积时间和相应的所述第一参数的参考值，其中，步骤(f)包括比较 所述第二相关关系和所述第 一参数的所述参考值，并相应地从所述参考沉积时间调 整所述沉积时间。
11、 根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤在步骤(c)之前，提供所 述层的参考沉积时间和相应的所述第一参数的参考值，其中，步骤(f)包括计算 以所述相关指数为指数的所述第二相关关系的幂对时间的积分，并比较所述积分和 所述参考沉积时间与以所述相关指数为指数的所述第 一参数的幂的乘积。
12、 根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)还包括从所述操作参数组中 选取第三参数，以使第一、第二和第三参数是不同的操作参数；其中，步骤(b) 提供的所述第一相关关系是所述沉积速率关于所述第 一和第三参数的相关关系，其 中；步骤(e)还包括，在层的沉积过程中，测量所述第三参数关于时间的第三相关 关系；以及其中，步骤(f)包括，根据所述第一、第二和第三相关关系确定所述沉 积时间。
13、 根据权利要求12所述的方法，其中，步骤(b)中提供的所述第一相关关 系是幂函数，其包括参考常数、非零的第一和第二相关指数。
14、 根据权利要求13所述的方法，其中，所述参考常数包括参考沉积速率和 相应的所述第一和第三参数的参考值。
15、 根据权利要求12所述的方法，其中，步骤(f)包括计算所述第二和第三 相关关系对时间的积分。
16、 根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤在步骤(c)之前，提供 所述层的参考沉积厚度，其中，步骤(f)包括根据所述参考沉积速率和所述参考 沉积厚度计算参考沉积时间；计算以所述第一相关指数为指数的所述第二相关关系 的幂和以所述第二相关指数为指数的所述第三相关关系的幂对时间的积分；比较所 述积分和所述参考沉积时间、以所述第一相关指数为指数的所述第一参数的所述参 考值的幂和以所述第二相关指数为指数的所述第二参数的所述参考值的幂的乘积， 以使在所述沉积时间所述层的沉积厚度大于或等于所述参考沉积厚度。
17、 一种在具有耙阴极的賊射沉积系统中沉积层的控制系统，包括接口，其用于在由阴极电压、阴极电流和阴极功率组成的操作参数组中选择第 一和第二参数，以使所述第一和第二参数是不同的操作参数，并且所述接口用于提 供所述层的沉积速率关于所述第 一参数的第 一相关关系；以及控制器，配置所述控制器，用以控制电源开始所述层的沉积，用以在层的沉积 过程中控制电源从而将所述第二参数大致保持为参考值常数，用以在所述层的沉积 过程中监视电源以测量所述第 一参数关于时间的第二相关关系，用以在所述层的沉 积过程中根据所述第一和第二相关关系以确定所述层的沉积时间，并且用以控制所 述电源以在沉积时间停止所述层的沉积。
18、 根据权利要求17所述的控制系统，其中，所述第一相关关系是包括参考 常数和非零相关指数的幂函数。
19、 根据权利要求18所述的控制系统，其中，所述参考常数包括参考沉积速 率和相应的所述第一参数的参考值。
20、 根据权利要求17所述的控制系统，其中，配置所述控制器，以通过计算 所述第二相关关系对时间的积分来确定所述沉积时间。
21、 根据权利要求17所述的控制系统，其中，所述接口还用于提供所述层的 参考沉积厚度；并且其中，配置所述控制器，以确定所述沉积时间的沉积厚度大于或等于所述参考沉积厚度所需的沉积时间。
22、 根据权利要求19所述的控制系统，其中，所述的接口还用于提供所述层 的参考沉积厚度；以及其中，配置所述控制器，以通过以下步骤确定所述沉积时间 根据所述参考沉积速率和所述沉积厚度，计算所述层的参考沉积时间；计算以所述 相关指数为指数的所述第二相关关系的幂对时间的积分；比较所述积分和所述参考 沉积时间与以所述相关指数为指数的所述第一参数的幂的乘积，以使在所述沉积时 间的所述层的沉积厚度大于或等于所述参考沉积厚度。
23、 根据权利要求17所述的控制系统，其中，所述接口还用于提供所述层的 参考沉积时间和相应的所述第一参数的参考值；以及其中，配置所述控制器，以通 过以下步骤确定所述沉积时间比较所述第二相关关系和所述第 一参数的所述参考 值，并相应地从所述参考沉积时间调整所述沉积时间。
24、 根据权利要求17所述的控制系统，其中，所述的接口还用于从所述操作 参数组中选择第三参数，以使所述第一、第二和第三参数是不同的操作参数'其中所述第 一 相关关系是所述沉积速率关于所述第 一 和第三参数的相关关系；以及其 中，配置所述控制器以监视所述电源，从而在层的沉积过程中测量所述第三参数关 于时间的第三相关关系，并根据所述第 一 、第二和第三相关关系确定所述沉积时间。 25、 一种在具有靶阴极的賊射沉积系统中沉积层的控制系统，其包括 a)用于从由阴极电压、阴极电流和阴极功率组成的操作参数组中选择第一和 第二参数的装置，使得所述第 一和第二参数是不同的操作参数；b )用于提供所述层的沉积速率关于所述第 一参数的第 一相关关系的装置；c) 用于开始所述层的沉积的装置；d) 在所述层的沉积过程中，用于将所述第二参数大致保持为参考值常数的装置；e) 在所述层的沉积过程中，用于测量所述第一参数关于时间的第二相关关系 的装置；f) 在沉积所述层的过程中，用于根据所述第一和第二相关关系确定所述层的 沉积时间的装置；g )用于在沉积时间停止所述层的沉积的装置。
全文摘要
本发明提供在具有靶阴极的溅射沉积系统中沉积层的方法和控制系统。在沉积层之前提供层的沉积速率关于操作参数的相关关系，该操作参数选自阴极电压、阴极电流和阴极功率。在沉积层的过程中测量操作参数关于时间的第二相关关系，同时将另一个不同的操作参数保持为大致常数，该操作参数也选自阴极电压、阴极电流和阴极功率。在沉积层的过程中，根据第一和第二相关关系动态确定层的沉积时间。
文档编号C23C14/54GK101265569SQ200810084620
公开日2008年9月17日 申请日期2008年3月13日 优先权日2007年3月13日
发明者乔治·J.·欧肯法斯, 马库斯·K.·太尔西 申请人:Jds尤尼弗思公司