使用直流电的溅射沉积方法和设备的制作方法

专利名称：使用直流电的溅射沉积方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于等离子体的溅射沉积。特别地，但非限制，本发明涉及使用直流电 源用于基于等离子体的溅射沉积的方法和设备。
背景技术：
等离子体处理技术在工业处理(比如等离子体气相淀积、溅射等)的行业中具有 广泛用途。这些处理在薄膜应用中特别有用。为了产生等离子体，电源在放置在等离子体 室中的阴极和一个或多个阳极之间产生电势，所述等离子体室含有形成等离子体的处理气 体。当使用这些用于沉积的处理方法时，等离子体作用于放置在等离子体室内的靶材料 (也称为溅射源)上，所述等离子体室通常包含阴极表面。等离子体离子朝向靶加速并使靶 材料在撞击时从阴极表面撞出。然后撞出的靶材料沉积在基底上以形成膜(例如薄膜)。 如上所述，膜可构成等离子体从靶表面溅射的材料，或可以是靶材料和等离子体或处理气 体中包括的一些其他元素之间的反应的结果。高频电压源(例如交流电流(AC)电源)已被用于产生高电势，而高电势在等离子 体室内产生等离子体。这些高频电压源构造和维护昂贵，且操作复杂。另外，如果沉积材料 通过与等离子体或处理气体中的元素的反应而形成，且进一步电绝缘，则等离子体室内的 阳极可涂有绝缘体；则该沉积可防止阳极发挥其在沉积过程期间从等离子体收集电子的功 能。为了克服和高频电压源有关的缺点，已使用交替脉冲的直流电源用于无阳极双磁 控管型系统，比如美国专利No. 5，917，286所公开的，在此以引用的方式将其整体并入。反 转极性的过程使电极交替充当阳极和阴极，在阴极阶段期间发生的溅射过程清除任何沉积 的绝缘材料并使电极在阳极阶段期间作为阳极的操作不受约束。另外，反转极性的过程使 两个电极交替充当阴极，从而两个电极表面都能够提供靶材料。尽管现在的脉冲直流电源能起作用，但它们在许多薄膜处理应用中实现例如均勻 性和/或颗粒产生阈值不够精确或不够令人满意。使用标准技术也不能实现任意化学计量 的共溅射。因此，需要能够解决现有技术的不足并提供其他新的创新特征的方法和设备。

发明内容
下面概述附图中显示的本发明的示例性实施方案。在具体实施方式
部分更详细地 描述这些实施方案和其他实施方案。但应理解，本发明不限于发明内容或具体实施方式
中 描述的形式。本领域技术人员可以认识到在权利要求表达的本发明的实质和范围内存在许 多改变、等价和替换结构。本发明可以提供用于基于等离子体的溅射沉积的方法和设备的系统及方法。在 一个示例性方法中，将基底放置于等离子体处理室中的固定位置，通过将多个电极和电流 源连接而产生等离子体。当基底位于等离子体处理室内的固定位置时，周期性反转施加在 处理室内的多个电极的每一个上的电压的极性，调节施加在多个电极的至少一个上的功率值，从而按照所需的特征将材料沉积在固定基底上。在另一实施方案中，本发明的特征在于将材料沉积在等离子体处理室中的基底上 的系统，该系统包括直流电源，其经设置用于将具有第一极性的第一直流功率脉冲和具有 第二极性的第二直流功率脉冲传送至等离子溅射室内的电极。另外，该实施方案中的系统 包括来自溅射室的反馈线，和处理器，该处理器经设置用于在触发第一直流功率脉冲后触 发第二直流功率脉冲。且所述处理器经设置用于响应所述反馈线上的反馈信号，来调节施 加于具有第一直流功率脉冲的电极的功率值。在另一实施方案中，从至少一个直流电源以脉冲将直流功率传送到等离子溅射室 内的多个电极的每一个，并接收指示基底上的材料的至少一个监控特征的反馈。在该实施 方案中，响应所述反馈控制传送到至少一个电极的功率值以改变材料的沉积。在另一实施方案中，直流电源经设置用于将功率传送至等离子溅射室，功率控制 组件经设置用于在第一时间段内，将功率导向等离子溅射室内的第一电极，并在第二时间 段内，将功率导向等离子溅射室内的第二电极。在该实施方案中，相对于第二电极施加于第 一电极的功率通过固定基底上的沉积材料的所需特征来限定。如前所述，上述实施方案和实施方法仅用于说明目的。本领域技术人员从下列描 述和权利要求可以容易地认识到本发明的许多其他实施方案、实施方法和细节。


联系附图，通过参考下面描述和所附权利要求，本发明的多个目的和优势以及更 完整的理解是显而易见的且更易于理解。图1的示意图显示了根据本发明的实施方案的直流(DC)电源、功率控制组件和等 离子体溅射室；图2的示意图显示了根据本发明的实施方案经设置用于以超低频率为等离子体 溅射室产生DC功率脉冲的DC电源和功率控制组件；图3的示意图显示了根据本发明的实施方案通过体积分离的一组同心电极；图4的图表显示了根据本发明的实施方案通过DC电源为等离子体溅射室的电极 产生的DC功率脉冲的实例；图5的图表显示了根据本发明的实施方案的包括大于零的过渡时间的占空比；图6的表显示了根据本发明的实施方案的脉冲参数和脉冲参数值的实例；图7的示意图显示了根据本发明的实施方案，与DC电源耦合的等离子体溅射室；图8A的图表显示了根据本发明的实施方案传送至图7显示的电极的DC功率脉 冲；图8B的图表显示了根据本发明的实施方案传送至图7显示的电极的DC功率脉 冲；图9的框图显示了根据本发明的实施方案经设置用于接收由DC电源传送的DC功 率脉冲的等离子体溅射室；图10的示意图显示了根据本发明的实施方案由来自一个或多个传感器的一个或 多个反馈信号触发的DC功率脉冲变化；和图11的流程图显示了根据本发明的实施方案响应于和沉积层有关的性质，改变DC功率脉冲的方法。
具体实施例方式现在参考附图，其中在几个附图中，相同或相似的元件用同一附图标记表示，特别 是图1，图1的框图显示了根据本发明的实施方案的直流(DC)电源100，功率控制组件110， 和等离子体溅射室130。等离子体溅射室130包括两个或更多个电极140，各自经设置用于 充当阳极和充当阴极(阴极可称为溅射靶)。DC电源100和功率控制组件110可统称为DC 电源170。然而，应当理解图1的框图仅仅是逻辑上的，在一些实施方案中，电源100和功率 控制组件110按分离的组件实现。例如在一个实施方案中，功率控制组件110按现有的DC 电源的附加组件而实施。通常，DC电源100经设置用于向功率控制组件110供给DC功率。在一些实施方 案中，DC电源100提供20到200千瓦范围内的功率，但当然也可设想其他功率水平。在许 多实施方案中，DC电源100通过耦合在一起的多个DC发电机实现。例如在一个实施方案 中，DC电源通过三个50千瓦DC发电机实现，以提供150千瓦电源。等离子体150由一种或多种气体形成，包括惰性气体(例如氩气)或其他气体种 类，可由具有指定组成的化合物形成。在一些实施方案中，在等离子体溅射室130内部和/ 或外部(例如在电极140附近的位置)施加磁场(未显示)，以促进气体的电离，或者将等 离子体150的等离子体离子导向至电极140和/或基底160的任何一个。当等离子体150被点燃并响应于电极140之间的电势维持时，等离子体离子朝向 电极140加速并撞击充当阴极的电极140，以引起来自电极140的原子朝向基底160喷射。 在一些实施方案中，电极140称为靶，朝向基底喷射的原子(例如材料)称为靶原子(例如 靶材料)。在许多实施方法中，靶材料包括金属性物质比如招，或不同材料比如陶瓷。在一 些实施方法(例如共溅射)中，每个电极140的靶材料可包括不同的材料或组成。尽管不必需，但在许多实施方案中，设置DC电源100用于检测在等离子体溅射 室130内形成的一个或多个电弧(arc)(例如微电弧和/或强电弧)。设置具有电弧处理 能力的示例性电源为可从 Advanced Energy Incorporated in Fort Collins, CO.获得的 SUMMIT型DC发电机。在其他实施方案中，电弧检测通过功率控制组件110进行。本领域普 通技术人员理解，电弧可对例如等离子体溅射室130和/或等离子体溅射室130内的物体 (例如半导体基底)具有不利影响。功率控制组件110通常经设置用于管理DC电源100产生的功率并向溅射室130提 供经过管理的功率。具体地，功率控制组件Iio经设置用于管理从DC电源100到电极140 的功率，从而点燃和/或维持等离子体150。例如在一些实施方案中，功率控制组件110经 设置用于将具有交替极性的功率的DC脉冲送至电极140，使得每个电极140作为阴极操作 一段时间并作为阳极操作一段时间。借助于通过功率控制组件110交替施加于电极的DC脉冲的极性，许多实施方案的 优势在于就电极的间隔而言的灵活性，因为实际上不存在专用的阳极。因此，该“无阳极"DC 溅射使电极按需要放置(例如，当希望在溅射室130内产生等离子体时，提高膜均勻性和/ 或产生等离子体)，在许多实施方法中，减少污染源并得到复杂度较小的机械系统。有利地，在一些实施方案中，功率控制组件110经设置用于调节至少一部分电极140的每一个的功率值。因此，在许多实施方案中的功率控制组件110能改变从一个或多 个电极溅射的靶材料量，以按所需方式将靶材料沉积在基底160上。例如，在一些实施方案 中，施加到一个或多个电极140的功率可单独控制，以能按所需的布局、电阻、强度等沉积 材料。此外，在许多实施方法中，响应于来自等离子体室130的反馈(例如，指示沉积层的 厚度、层的电阻、层的光学性质等的反馈)，调节传送至一个或多个电极的功率。通过其他实例，在许多实施方法中的功率控制组件110经设置用于当将靶材料沉 积在基底上时通过调节施加到一个或多个电极140的功率能将靶材料均勻地沉积在基底 160上。此外，在一些实施方案中，可监控电极上剩余的靶材料量并可基于剩余的靶材料量 调节施加于电极的功率以使被利用的靶材料的量最大，而不从电极去除不希望的材料。这 是主要的益处，因为靶材料经常很昂贵，增加靶材料的使用量(同时避免从电极去除不希 望的材料)将节省相当的金钱；另外，由于电极材料的不希望的去除引起的污染较少，必要 的维护之间的时间间隔也可以增大，也节省了时间和金钱。在许多实施方案中，在将材料沉积在基底160上的同时，将基底160保持在静止位 置。因此，在这些静止沉积的实施方案中，由于活动部分而在等离子体150中被带走的不希 望有的颗粒的量显著减少；因此由基底上沉积的层中的杂质引起的缺陷减少。此外，由颗粒 诱发的电弧放电也减少，这改进处理品质。此处公开的许多实施方案的另一优势是能够用DC功率(例如具有交替极性的DC 功率)进行金属性溅射。例如，此处描述的许多实施方案能利用调节施加给一个或多个电 极的功率的技术在静止基底上进行金属性溅射。在一些实施方案中，功率控制组件110经设置用于在约IOHz到20kHz的频率触发 功率的交替DC脉冲。在一些实施方案中，功率控制组件110在约IOHz到2kHz下操作以提 供DC脉冲，在其他实施方法中，功率控制组件110在约IOHz到500Hz下操作以提供DC脉 冲。在一个示例性实施方案中，功率控制组件在60Hz的频率下传送DC功率脉冲，在另一实 施方案中，功率控制组件110在约IOHz到50Hz下操作以提供DC脉冲。在许多方案中，每 个交替功率脉冲的脉冲宽度至少比DC电源100的电弧检测时间长。在一些实施方案中，每个交替功率脉冲的脉冲宽度比与一个或多个电极140有关 的热时间常数短，以基本防止可以影响沉积(例如，均勻性、膜品质、沉积速率)的一个或多 个电极140的温度的变化。在一些方案中，脉冲具有基于热阈值条件的特征(例如，宽度、 频率等)。热阈值条件可以和与等离子体溅射室130有关的组件(例如，布线、连接器等)， 或者与等离子体溅射室130有关的电极140有关。例如，在一些实施方案中，限定热阈值条 件以防止和等离子体溅射室130有关的特别的组件或电极140超过或低于指定的温度。在许多实施方案中，功率控制组件110包括一个或多个开关(未显示)，例如绝缘 栅双极晶体管(IGBT)和/或控制模块(未显示)。在一些实施方案中，控制模块包括连同 一个或多个开关使用的控制算法(例如，开环控制算法或闭环控制算法)，以根据脉冲参数 值产生DC功率脉冲。在一些实施方案中，脉冲参数值从与功率控制组件110和/或DC电 源100有关的存储器(未显示)获得。在一些实施方案中，功率控制组件110的一个或多个功能并入DC电源100 ；在其 他实施方案中，DC电源100的一个或多个功能并入功率控制组件110。在一些变化方案中， 此处公开的模块通过动态改变和/或静态设置的软件、固件和/或硬件实施。
下面参考图2，图2的示意图显示根据本发明的实施方案的DC电源250 (例如电流 源)和功率控制组件230，功率控制组件230经设置用于为等离子体溅射室240产生超低频 率的DC功率脉冲。具体地，施加到等离子体溅射室240的电流252的路径由功率控制组件 230控制以产生DC功率脉冲。功率控制组件230包括以并联结构与正极结264连接的开关 232和234。功率控制组件230也包括以并联结构与负极结266连接的开关236和238。交替关闭开关232、234、236和238，以按照交替的方式向等离子体溅射室240的电 极244和242施加功率，以在等离子体形成区270中点燃和/或维持等离子体。基底260放 置于等离子体溅射室240内，使得当等离子体形成区270内点燃和/或维持等离子体时，由 等离子体从电极242和244撞出的至少一些材料沉积在基底260上的沉积层262中。在一 些实施方案中，基本上在同一时间(例如，基本同时)关闭开关232、234、236和238的至少 两个。在一些实施方案中，沉积层262是薄膜晶体管(TFT)沉积层，但这当然不是必需的， 可以设想许多其他应用。通过交替施加到电极242和244的电流，一个电极充当阴极一段时间，而在这段时 间里另一个电极充当阳极。例如，在第一操作状态下，关闭开关232和236，同时打开开关 234和238，使得电流从DC电源250流过电极242再流过电极244。在该第一操作状态下， 电极242将充当阳极，而电极244将充当阴极。等离子体将在等离子体形成区270中点燃 和/或维持，基底260将被从电极242撞出的材料涂布。在第二操作状态下，关闭开关234和238，同时打开开关232和236，使得电流从DC 电源250流过电极244再流过电极242。在该第二操作状态下，电极242将充当阴极，而电 极244将充当阳极。等离子体将在等离子体形成区270中点燃和/或维持，基底260将被 从电极244撞出的材料涂布。在许多实施方案中，和DC电源250有关的控制模块254 (例 如，执行存储指令的处理器)经设置用于根据脉冲参数值触发开关232、234、236和238的 开关。在一些实施方法中，电极242和244通过间隔220分离，间隔220限定出体积 222(图2所示)，使得在等离子体溅射室240操作期间，体积222中的电流放电密度显著小 于等离子体形成区270中的电流放电密度。在一些实施方案中，体积222的尺寸和/或形 状限定为具有指定的电流放电密度。在体积(比如体积222)中的电流放电密度相应于等离子体在所述体积内的点燃。 例如，体积222中的低电流放电密度相应于等离子体在体积222内的低点燃概率。换句话 说，可以限定体积222，使得高密度等离子体在体积222中的点燃概率显著低于等离子体形 成区270中的点燃概率。在一些变化方案中，限定体积222以满足与等离子体形成区270 和/或体积222有关的等离子体形成标准(例如，阈值、条件)。如上所述，无阳极操作的优 势是改变电极间的间隔220以实现所需溅射特征的灵活性。使用例如等离子体室240内的磁铁(未显示)来改变电极242和244之间的电流， 因此改变等离子体点燃。例如，在一些实施方案中，使用一个或多个磁铁或电衍生的磁场来 改变电极242和244之间的电流以引起电流放电，因此，等离子体点燃的概率在等离子体形 成区270比在体积222中高得多。在一些实施方案中，限定体积222的尺寸、处理气体压力、施加于电极的电压和/ 或磁场的方向，以在等离子体形成区270和体积222之间产生指定的电流放电密度比。在
8一些实施方法中，间隔220显著小于阴极暗区(cathode dark space)。在一些变化方案中，基于靶沉积剖面(也称为沉积剖面靶)限定间隔220的尺寸， 靶沉积剖面与材料从电极242和244沉积到基底260上的沉积层262中有关。换言之，放置 电极242和244以实现靶沉积剖面，因此至少部分限定间隔220，并由此限定体积222。在 一些实施方案中，根据和不同位置(例如，不同的空间位置、不同的区域)有关的一个或多 个沉积剖面标准(例如，阈值、条件)限定靶沉积剖面，所述不同位置和沉积层262有关。例如，在一些变化方案中限定间隔220和/或体积222，使得从电极242和244沉 积在基底260上的沉积层262中的材料将满足一组与薄膜晶体管处理有关的沉积剖面标准 (例如，沉积均勻性标准)。在一些实施方法中，靶沉积剖面包括靶化学组成和/或靶厚度 (例如，基底260上基本均勻的厚度)。在许多实施方案中限定间隔220和/或体积222以解决从电极242和244的各向 异性溅射。例如，可限定间隔220和体积222以减少各向异性溅射的效果，以在基底260上 实现沉积层262的靶沉积剖面。在一些实施方案中，限定间隔220 (例如，体积222)以及电极242和/或244与基 底260之间的距离210以在基底260上实现特别的靶沉积剖面。在许多实施方案中，减小电 极242和/或244与基底260之间的距离210增大沉积层262的品质和/或增大材料从电 极242和/或244的沉积速率。例如，在一些实施方案中，随着距离210减小，间隔220 (和 体积222)减小，以增大基底260上的沉积的均勻性。在一些实施方案中，随着距离210减 小，间隔220 (和体积222)增大，以增大基底260上的沉积层262的厚度均勻性。另外，也 可调节处理气体压力以实现所需的均勻性和膜性质。此外，在一些实施方法中，基于压力阈值条件限定电极242和244之间的间隔220。 例如，在一些实施方案中，基于预期的处理气体种类和压力的范围，放置电极242和244以 使得在体积220中形成等离子体的概率最小。等离子体的激发取决于气体压力和电极间 隔，可对此进行优化以减小等离子体形成的概率。除了和现有技术的DC处理技术相比具有更灵活的电极间隔的益处外，由于在许 多实施方案中DC功率脉冲以超低频率传送，基底260加热的概率低于类似的AC功率系统， 在后者系统中，例如基底260的随机发热可能是普遍的问题。因此，在一些实施方案中，电 极242和/或244与基底260之间的距离210小于在类似的AC功率系统中的距离。和类 似的AC功率系统相比，通过减小距离210，可以更容易地控制沉积层262的沉积剖面，且可 以改进膜性质。在这些实施方案中，由于交替DC功率脉冲以超低频率传送，电极242和244 固有地同时是阳极和阴极，在一些实施方案中阳极冷却和等离子体溅射室240冷却的必要 性显著降低或清除。在一些实施方案中，除了间隔电极242、244以影响沉积剖面外，根据例如电弧放 电水平标准(例如，阈值、条件)限定间隔220，使得电极242和244之间电弧放电或短路的 概率基本接近于零或维持在可以接受的低水平(例如，低于最高水平)。如果电极242和 244之间发生电弧放电或电路，等离子体在等离子体形成区270的形成会受到有害影响，但 在一些应用中，电极242和244之间的低水平的电弧放电可以容忍。在一些实施方案中，限定电极242和244之间的间隔220和/或体积222从而将 电弧放电(例如，电弧数、电弧电流)维持在指定的水平而不显著影响基底260上的沉积层
9262的靶沉积剖面。例如，在一些实施方案中，限定体积222使得电弧放电低于指定的水平 并满足一个或多个靶沉积标准。在许多实施方案中，尽管减小电极242和244之间的间隔220 (例如，体积222)促 进沉积层262上的增大的均勻性(例如，沉积层262上的均勻的厚度)并减小在电极242 和244之间形成不希望的等离子体的概率，但在电极242和244之间形成不希望的电弧放 电的概率增大。因此，限定电极242和244之间的间隔220以满足(平衡)一个或多个沉 积剖面标准、一个或多个电弧放电水平标准和/或一个或多个等离子体形成标准。尽管体积222在图2中显示成矩形体积，但这当然不是必需，在一些变化方案中， 体积222是许多可能的不同形状(例如，具有指定的厚度的多边形)中的一个。例如，图3 的示意图显示了根据本发明的实施方案的一组通过体积322分离的同心电极344和342。 在该实施方案中，电极342是环形电极。如图2所示的电极242和244，通过交替施加到电 极342和344的电流，一个电极充当阴极一段时间，而另一个电极在这段时间内充当阳极。图4的图显示了根据本发明的实施方案通过DC电源(例如DC电源170)向等离 子体溅射室的电极施加DC电压的实例。图4所示的DC电压可以施加于例如图2所示的电 极242或244的任何一个，或图3所示的电极342或344的任何一个。该图显示了刻度为 +ζ到-ζ的y轴上的电压，χ轴显示向右增加的时间。如图所示，正DC脉冲410具有脉冲宽度482 (例如，脉冲持续时间)，负DC脉冲 420具有脉冲宽度484。正脉冲410具有+ζ的脉冲高度486，负脉冲420具有-ζ的脉冲高 度488。在一些实施方案中，正脉冲410和负脉冲420具有相同或不同的电压水平。正脉 冲410的占空比定义为正脉冲482的持续时间除以循环478的持续时间(例如，正脉冲的 脉冲宽度加负脉冲的脉冲宽度)。负DC脉冲420的占空比定义为负脉冲484的持续时间除 以循环478的持续时间。在许多实施方案中，限定正脉冲410的脉冲宽度482和负脉冲420的脉冲宽度484 的每一个，以使其持续时间比与DC电源(例如，DC电源170)有关的控制回路(例如比例 积分微分(PID)控制回路、开环控制回路)的响应时间更长，以具有能够精确产生DC功率 脉冲410和420的时间。在一些实施方案中，尽管不必需，限定正DC脉冲410的脉冲宽度482和负DC功率 脉冲420的脉冲宽度484的每一个，以使其持续时间比DC电源的电弧检测时间更长，和/ 或比与电极(例如，基底边缘附近的边缘电极)有关的热时间常数更短的持续时间，以基本 上防止可以影响沉积(例如，沉积的均勻性、沉积速率)的电极温度的变化。如图4所示，从正DC脉冲410到负DC脉冲420，极性基本上瞬时变化。在一些实 施方案中，从正DC脉冲410到负DC脉冲420的变化或转变称为过渡时间430，反之亦然。 当过渡时间430基本上等于零时(如图4所示)，功率从正DC脉冲410到负DC脉冲420基 本上瞬时变化，反之亦然。为了实现例如负DC脉冲420和正DC脉冲410之间的基本瞬时变化，在变化前触发 比如图1所示的DC电源内的一个或多个开关以解决切换时间延迟。在一些实施方案中，例 如，DC电源内的开关组件比如FET或IGBT晶体管的切换时间延迟可为10到几百纳秒(ns) (例如，需要10到几百ns以从接通状态变成关断状态)。因此，可以触发FET或IGBT晶体 管以在指定的切换时间之前切换以从负DC脉冲420切换成正DC脉冲410以解决切换时间延迟，反之亦然。如图4所示，基于切换时间延迟在时间Tl触发开关，从而在时间T2可以瞬时发生 从负DC脉冲420到正DC脉冲410的转换。在一些实施方案中，当在交替的极性之间切换 时，压降小于DC电源的电弧电压检测能力，以基本防止与DC电源有关的灭弧机构的误触发。在本发明的一些实施方案中，过渡时间基本大于零。例如，图5显示了根据本发 明的实施方案的包括大于零的过渡时间的占空比。在该实施方案中，过渡时间包括时间段 (off-time period) 590，在该时间段中没有功率传送至等离子体溅射室。时间段590可称 为关断时间，在一些实施方案中，关断时间段590比电弧检测时间短，从而关断时间段590 不被DC电源错误地当作不希望的电弧。此外，功率控制组件110和/或DC电源100之间 的通信会消除电弧的错误检测。参考图4，在许多实施方案中可限定过渡时间430以便防止等离子体在等离子体 溅射室内的再点燃并使电压瞬变最小。具体地，可限定由DC电源(例如，DC电源100)和 功率控制组件(例如，功率控制组件110)产生的交替脉冲之间的过渡时间，使得过渡时间 比等离子体衰变时间短，因此在交替DC功率脉冲之间无需再点燃等离子体。这和由AC电 源供电的等离子体溅射室相反，在由AC电源供电的等离子体溅射室中，溅射室中的等离子 体被再点燃或显著衰变或在AC周期中的每次极性反转存在显著的电压瞬变(尤其是频率 相对低时)。此外，一些AC功率系统在每个AC半周期需要相对高的点燃电压，或电压瞬变， 因为等离子体可完全熄灭，在许多实施方案中可以避免这些高点燃电压，或电压瞬变，以如 上所述减小过渡时间。即使是过渡时间大于零的占空比，比如图5所示，可限定过渡时间使得等离子体 在过渡时间不显著衰变和/或熄灭。例如在一些实施方案中，将过渡时间限定为比与等离 子体有关的衰变时间更长，因而等离子体在功率的交替极性脉冲之间熄灭。在一些实施方案中，通过存储器中存储的和/或处理器存取的和DC电源或DC电 源的组件(例如，功率控制组件110和/或DC电源100)有关的脉冲参数值限定脉冲宽度 482和484、过渡时间430、脉冲高度486和488和/或占空比。这些脉冲参数值可限定正 DC功率脉冲410和/或负DC功率脉冲420。在一些变化方案中，DC电源170经设置用于响应于电弧检测反转脉冲的极性以熄 灭电弧。在一些实施方案中，DC电源170经设置用于在传送交替功率脉冲时在另一个正DC 脉冲后传送一个以上正DC脉冲，或在另一个负DC脉冲后传送一个以上负DC脉冲。图6的表格610显示了根据本发明的实施方案的脉冲参数620和脉冲参数值630 的实例。表格610包括，但不局限于，脉冲功率的脉冲参数620、关断时间、脉冲持续时间(宽 度)、脉冲电压、循环时间和极性。脉冲参数值630仅是示例值，在一些实施方案中，脉冲参 数值630和表610中显示的脉冲参数值630差别很大。下面参考图7，图7的示意图显示了根据本发明的实施方案和DC电源740和742 耦合的等离子体溅射室710。DC电源740和742经设置用于将DC功率脉冲传送至等离子体 溅射室710，以点燃和/或维持用于在基底720上引起沉积层722 (例如，薄膜晶体管层)的 沉积的等离子体。特别地，DC电源740经设置用于将交替DC脉冲传送至电极752和754， DC电源742经设置用于将交替DC功率脉冲传送至电极756、758和760。尽管DC电源740、742描绘成整体的装置，但应理解电源740、742可通过许多分布组件实现。例如，每个电源 740,742可包括一个以上DC电源，功率控制组件(例如，切换功率控制组件)可与DC电源 分开单独放置。尽管当然不必需，但在一些实施方案中，溅射室710经设置用于在层722的沉积 期间使基底720保持静止，并对电极730施加脉冲以在静止基底720上根据靶沉积剖面 768(例如，所需的形态(例如，布局)、厚度、电阻、光学性质、膜应力、密度、结晶度和/或粘 着等)实现沉积层722的沉积。例如在许多实施方案中，调节施加到一个或多个电极730的功率以能在电极之间 进行差别溅射。按此方式，无需移动基底720以达到所需的沉积剖面便可实现靶沉积剖面 768。因此，和依靠基底720的移动以沉积具有所需剖面768的层722的现有技术不同，本 发明的一些实施方案能进行静止基底沉积，其降低由传送机构产生不希望的颗粒并且不理 想地运输到移动基底的表面的可能性；由此降低电弧放电和层722中的杂质的可能性。为了清楚，图7未描绘任选的反馈线和传感器，但在许多实施方案中，监控层722 的一个或多个特征(例如，形态、厚度、电阻、光学性质、膜应力、密度和/或粘着等)并将指 示所述特征的信息反馈到DC电源740、742的一个或两个，并用于调节施加到一个或多个电 极730的功率，从而根据靶沉积剖面768将材料沉积在基底720上。在图7描绘的示例性实施方案中，两个DC电源740、742经设置用于施加限定的交 替DC电压以使来自电极740和742的材料按指定的靶沉积剖面768沉积在沉积层722中。 尽管图7描绘的靶沉积剖面768是均勻厚度的沉积剖面，但在一些实施方案中，靶沉积剖面 768是非均勻厚度和/或非均勻组成剖面。换言之，在一些变化方案中，在靶沉积剖面中的 不同点的厚度和/或组成不同。如图7所示，虚线764说明在没有此处描述的技术的情况下，在基底720的边缘附 近背离均勻厚度沉积剖面768的典型的锥形沉积剖面(也称为厚度跌落(roll-off))。基 底的边缘容易产生厚度跌落，因为基底边缘附近的电极(比如图7显示的电极752)不具有 可有助于在边缘沉积的邻近电极。在许多变化方案中，施加于每个电极730的交替DC脉冲根据脉冲参数值(例如， 限定占空比的参数值、脉冲宽度、脉冲幅度等)产生，限定脉冲参数值以实现产生沉积剖面 768的溅射。例如在许多实施方法中，协调施加于电极752和754的DC脉冲(例如，负DC 脉冲和/或正DC脉冲)以在基底720的边缘实现基本均勻的沉积(例如没有锥形沉积剖 面)°例如，电极752充当阴极的时间可以大于电极754充当阴极的时间。此外，在充当 阴极时传送至电极752的DC功率脉冲的功率水平可大于在电极754充当阴极时传送至电 极754的DC功率脉冲的功率水平。图8A和8B的示意图显示了根据本发明的示例性实施 方案从图7所示的DC电源740分别传送到电极752和754的DC脉冲。如图所示，图8A和8B显示了在它们各自的纵轴上的DC电压和在它们各自的横轴 上向右增加的时间。所述

，将指定极性的DC脉冲传送至一个电极指定的一段时间 时，在相同的时间段内，将相反极性的DC脉冲传送至另一电极，因为进行测量时，探针的正 极端接在纵轴上记录的电极上，负极端接在电极对的另一个电极上。例如，在时间Pl开始，从DC电源740将电压为+χ的正DC脉冲传送至电极752 —
12段时间882，并将电压为-χ的负DC脉冲传送至电极754 —段时间882。类似地，从时间P2 开始，从DC电源740将电压为-y的负DC脉冲传送至电极752 —段时间884，并将电压为 +y的负DC脉冲传送至电极754 —段时间884。在该实施方案中，由DC电源740传送的总功率在时间段884期间比在时间段882 期间小。通过在电极752充当阴极时传送功率水平较高的正DC脉冲较长的时间，在基底 720边缘附近的沉积速率(例如，和电极752相应的沉积速率)将高于和电极754相应的沉 积速率。参考图7，在一些实施方案中，和DC电源740相似的DC电源742经设置用于在电 极760充当阴极时，向电极760传送比电极756和758持续时间更长且功率更高的DC脉冲。 在一些实施方案中，传送至电极760的DC功率脉冲的持续时间比传送至电极756和758的 组合DC功率脉冲的持续时间更长。在一些变化方案中，电极到基底720和/或沉积层722的相对距离和另一电极不 同。例如，电极752和电极754到基底720的距离可以不同以便于特别的沉积剖面(比如 均勻的靶沉积剖面)的沉积。在一些实施方案中，基于电极与基底720和/或沉积层722 的距离限定施加于电极的脉冲(例如，占空比)。在一些方案中，限定一个或多个电极730的尺寸(例如，宽度、高度)、形状(例如， 环形、矩形)和/或组成(例如，金属、金属化合物、或陶瓷的特定化学组成)以便于特别的 沉积剖面的沉积。在一些实施方案中，一个或多个电极730可具有和另一电极730不同的 尺寸、形状和/或组成。在一些实施方案中，基于电极的尺寸、形状和/或组成限定施加于 电极的一个或多个脉冲(例如，占空比)。在一些实施方案中，两个电极730包括不同的材料(例如，不同的靶材料)，且可限 定DC脉冲并施加于(例如，使用脉冲参数值限定)由不同材料构成的电极730，以实现具有 特别的化学组成(例如，指定的化学计量)的沉积层722。一个实例是将铟和锡靶材料与氧 和氩气体组合以金属性溅射氧化铟锡。在一些变化方案中，这类溅射称为共溅射，该技术因 为可用于沉积具有受控的材料混合物的膜而具有吸引力。这可用于控制化学计量，或者因 为混合靶材料难以溅射或昂贵和/或难以制造而使用。作为另一实例，可沉积折射率约为 1. 66的Al2O3并沉积折射率约为2. 4的Ti02。使用Al靶和Ti靶及作为反应气体的氧气的 反应性共溅射处理在原则上能沉积折射率在1. 66和2. 4之间的膜。在许多实施方案中，图7描绘的实施方案中的电极730通过两个以超低频率施加 DC脉冲的不同的DC电源740、742供电，因此在一些实施方法中，DC电源740、742负载匹 配。换言之，可协调通过DC电源740、742产生的DC脉冲，以例如减少等离子体电弧放电， 根据靶沉积剖面增大沉积控制，和减少等离子体溅射室710内的热不一致。通过其他实例，在一些方案中，DC电源740、742经设置用于传送DC脉冲，使得电极 754和756不同时充当阴极，以避免在位置774同时沉积来自两个电极754和756的材料。 在一些方案中，DC电源740和742经设置用于传送DC功率脉冲使得电极754和756同时 充当阴极或充当阳极。尽管在该实施方案中，电极730接收来自两个不同的DC电源740、742的脉冲，但 在一些实施方案中，电极接收来自单个DC电源的功率脉冲，该单个DC电源例如在控制和/ 或限定DC脉冲中的功率分布的功率控制组件中包括多相桥。这类结构可称为多磁控管结
13构，在一些实施方法中，电极730从超过两个DC电源接收DC功率脉冲(例如，每个电极一 个DC电源)。在其他实施方案中，在非邻近的电极之间限定/协调DC脉冲。图9的示意性框图显示根据本发明的实施方案，经设置用于接收DC电源930施加 的DC脉冲的等离子体溅射室910。DC电源930经设置用于基于传感器940产生的至少一 个处理反馈信号(例如，和传感器测量值有关的信号，比如电压信号或电流信号)改变传送 至等离子体溅射室910的DC功率脉冲。处理器936经设置用于从传感器940接收反馈信号，并基于反馈信号引起由DC电 源930施加于等离子体溅射室910的一个或多个DC脉冲的改变。等离子体溅射室910用 于在等离子体溅射室910内设置的基底920上溅射沉积层922。在一些实施方案中，沉积层 922和薄膜晶体管处理有关。尽管传感器940描绘于溅射室910内，但这当然不是必需，本 领域技术人员理解在一些情况下传感器940可位于溅射室外。在一些实施方案中，处理器936经设置用于向传感器940查询反馈信号。在一些 实施方案中，传感器940经设置用于在检测到和传感器940有关的传感器测量值(例如，电 压信号)的变化时向处理器936发送反馈信号。在一些实施方案中，处理器936经设置用 于周期性地或随机地接收来自传感器940的反馈信号，并在监控的参数发生变化(例如，超 过阈值条件的变化)时触发由DC电源930传送的DC功率脉冲的一个或多个变化。在一些实施方案中，传感器940是厚度监控装置(例如，电和/或光测量装置)，经 设置用于监控沉积层922的厚度并将指示厚度的信息发送至处理器936。在一些实施方案 中，传感器940经设置用于监控沉积层922的厚度的一部分(例如，指定的区域，指定的位 置)，且基于来自传感器的信息，处理器936经设置用于调节DC电源930施加于一个或多个 电极952、954、956的功率。在一些实施方法中，处理器936经设置用于改变用于限定一个 或多个DC脉冲的一个或多个脉冲参数值。在一些实施方法中，传感器940是压力传感器、 沉积速率传感器、电导率传感器或温度传感器。在一些实施方案中，设置多个传感器(未显示)用于将反馈信号发送至处理器 936，处理器936经设置用于基于反馈信号的组合改变DC脉冲。在一些实施方法中，一个或 多个反馈信号和沉积层922的不同的空间位置有关，处理器936经设置用于在必要时根据 每个空间位置改变DC脉冲。在一些实施方法中，处理器936经设置用于基于一个或多个反馈信号(例如，沉积 速率反馈信号、温度反馈信号、压力反馈信号)改变(例如，改变)或引发脉冲参数值(例 如，储存于存储器(未显示))的变化。例如，处理器936可经设置用于基于来自一个或多个 传感器的一个或多个反馈信号从脉冲参数值的数据库选择存储器中存储的一组或多组脉 冲参数值。在一些替代实施方案中，处理器936经设置用于使用存储器中存储的公式(例 如，算法)计算应施加于一个或多个电极的DC脉冲的特征(例如，基于来自传感器940的反 馈)。在一些实施方法中，通过改变和/或管理(例如，控制)施加到一个或多个电极952、 954,956的电流、占空比和/或电压而改变DC功率脉冲。举例来说，在一些实施方案中，收集和DC脉冲有关的数据并用于为一个或多个电 极952、954、956计算平均溅射功率，并改变DC脉冲以在指定的时间段内维持指定的平均溅 射功率。在许多实施方案中，指定的平均溅射功率和一个或多个电极有关，在一些实施方案 中，平均溅射功率阈值或平均溅射功率条件基于所需的靶沉积剖面限定。
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尽管在图9中，处理器936显示成独立组件，但在一些实施方法中，处理器936 (或 处理器936的功能)作为DC电源930或传感器940的一部分被包括。在一些实施方案中， 处理器936包括一个或多个模块，所述模块可以是在处理器936上运行的硬件和/或软件 模块。图10描绘了根据本发明的实施方案由来自一个或多个传感器的一个或多个反馈 信号触发的DC脉冲中的示例性变化。应当理解在图10中描绘的脉冲调节仅仅是为了实现 所需的沉积剖面可以进行的脉冲调节的类型(例如，脉冲宽度和幅度)的示例，且具体调节 有可能取决于许多因素(例如，靶材料、电极间隔、沉积剖面等)。另外，在一些实施方案中， 进行脉冲调节是为了实现特别的靶的利用(例如，为了优化靶材料的利用)。如图所示，该

y轴上的DC电压和χ轴上向右增大的时间。如图10所示，在第一时间段1002和第二时间段1004之间响应于反馈信号，在时 间Ql改变DC脉冲。在第一时间段1002期间，正DC脉冲1020具有脉冲高度A和脉冲宽度 1022，负DC脉冲1030具有脉冲高度D和脉冲宽度1032。在时间段1004期间，正DC脉冲1 040具有脉冲高度B和脉冲宽度1042，负DC脉冲1050具有脉冲高度C和脉冲宽度1052。如图所示，在第二时间段1004期间，正DC脉冲1040的脉冲宽度1042大于在第一 时间段1002期间的正脉冲1020的脉冲宽度1022，在第二时间段1004期间的脉冲的脉冲高 度B小于在第一时间段1002期间的正脉冲1020的脉冲高度A。下面参考图11，图11的流程图显示根据本发明的实施方案响应于和沉积层有关 的性质(也可称为特征)，改变DC功率脉冲的方法。如图所示，先通过一个或多个特征(例 如，厚度、电阻、光学性质、膜应力、密度和粘着)限定沉积层在基底上的靶沉积剖面(框 1100)。如上所述，靶沉积剖面可以是具有指定化学组成的均勻或不均勻的厚度剖面，靶沉 积剖面可以在沉积层中的不同位置指定不同的化学组成。如图所示，在一些实施方案中，基于靶沉积剖面为等离子体溅射室内的至少一个 电极限定脉冲参数值(框1110)。根据靶沉积剖面限定脉冲参数值以引起沉积。如上所述， 在一些实施方案中，可在沉积期间计算脉冲参数值，在其他实施方案中，可预先确定脉冲参 数值并从表格取得。一旦限定脉冲参数值，基于脉冲参数值向电极施加DC脉冲，并在等离子体溅射室 内响应于DC脉冲点燃等离子体(框1120和1130)。如图所示，一旦等离子体点燃，在等离子体溅射室内的基底上形成沉积层(框 1140)。如前所述，在许多实施方案中，当沉积层形成后，将基底静止地基本保持在一个位 置，在其他实施方案中，基底在沉积期间移动。如图11所示，在许多实施方案中，在形成沉积层期间接收指示与沉积层有关的性 质(例如，厚度、电阻、化学组成、光学特性、膜应力、密度、粘着、溅射室内的温度和/或压 力)的信息(框1150)。在许多实施方法中，响应于来自溅射室的反馈，基于接收的信息和所需的靶沉积 剖面改变脉冲参数值(框1160)。例如，如果所述性质是化学组成，且该信息指示沉积层的 化学组成和与靶沉积剖面有关的指定的靶性质不同，则可改变脉冲参数值以引起满足与靶 沉积剖面有关的靶性质的溅射。如图所示，改变脉冲参数值(框1160)后，基于改变的脉冲 参数值向电极施加DC脉冲(框1170)。
一些实施方案涉及具有电脑可读的介质(也称为处理器可读的介质)的电脑存储 产品，所述介质上面具有指令或计算机代码，用于进行多种电脑实施的操作。所述介质和计 算机代码(也称为代码)可以是为了特定的一个或多个目的而设计和构造的。本领域普通技术人员会理解，此处描述的实施方案可通过组合硬件、固件、软件 和它们的组合而实现。在一些实施方案中，处理器可读的介质用于存储经过编码的指令 以实现此处描述的处理。处理器可读的介质的实例包括，但不局限于磁存储介质比如 硬盘、软盘和磁带；光存储介质比如光盘/数字视频光盘(“CD/DVD”)、光盘只读存储器 (“⑶-ROM”)和全息装置；磁光存储介质比如光磁软盘(floptical disk)；载波信号；和特 别经设置用于存储和执行程序代码的硬件装置，比如专用集成电路(“ASIC”)、可编程逻辑 器件(“PLD” )和ROM及RAM器件。计算机代码的实例包括但不局限于，微代码或微指令、机器指令(比如由编译器 产生)和由电脑通过解释器执行的含有高级指令的文件。例如，本发明的实施方案可使用 Java, C++、或其他面向对象的编程语言和开发工具实施。计算机代码的另外的实例包括但 不局限于控制信号、加密代码和压缩代码。总之，本发明的公开内容尤其描述了使用DC功率用于基于等离子体的溅射沉积 的方法和设备。本领域技术人员可以容易地认识到，为了实现和此处描述的实施方案所实 现的基本相同的结果，可对本发明、其用途和其结构作很多变化和替换。因此，本发明不限 于所公开的示例性形式。许多变化、改变和可选结构落入权利要求表示的所公开的本发明 的范围和实质内。
权利要求
将材料沉积在基底上的方法，其包括将基底放置于等离子体处理室中的固定位置，通过将多个电极和电流源连接而产生等离子体；当所述基底位于所述等离子体处理室内的固定位置时，周期性反转施加在处理室内的所述多个电极的每一个上的电压的极性，至少一个电极将材料溅射在所述基底上；和调节施加在所述多个电极的至少一个上的功率值，以按照所需的特征将材料沉积在固定基底上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征是厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述特征是材料性质。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述材料性质包括选自电阻、光学性质、膜应力、 密度和粘着的材料性质。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节包括调节施加至至少两个将材料溅射在 所述基底上的电极的功率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述调节包括利用至少两个电源调节功率。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节包括调节施加的功率的占空比。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节包括调节施加的功率的大小。
9.根据权利要求1所述的方法，其包括接收指示所述基底上的材料的实际特征的反馈，其中响应所述反馈，调节施加于所述 多个电极的至少一个上的功率值。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料是金属性材料。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料是陶瓷材料。
12.将材料沉积在等离子体处理室中的基底上的系统，其包括直流电源，其经设置用于将具有第一极性的第一直流功率脉冲和具有第二极性的第二 直流功率脉冲传送至等离子溅射室内的电极；来自所述溅射室的反馈线；和处理器，其经设置用于在触发所述第一直流功率脉冲后触发所述第二直流功率脉冲， 并响应所述反馈线上的反馈信号，来调节施加于具有第一直流功率脉冲的电极的功率值。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器经设置用于触发所述第二直流功率 脉冲，使得第一直流功率脉冲和第二直流功率脉冲之间的时间小于与直流电源有关的电弧 检测时间。
14.根据权利要求12所述的系统，其中通过相对于第二功率脉冲，调节第一功率脉冲 施加于电极的时间量，来调节施加于具有第一功率脉冲的电极的功率值。
15.根据权利要求12所述的系统，其中通过相对于第二功率脉冲的幅度，调节第一功 率脉冲的幅度，来调节施加于具有第一功率脉冲的电极的功率值。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述处理器经设置用于基于所述反馈信号，改 变用于限定第一直流功率脉冲或第二直流功率脉冲的至少一个的脉冲参数值。
17.将材料沉积在基底上的方法，其包括从至少一个直流电源将直流功率脉冲传送到等离子溅射室内的多个电极的每一个，至 少一个电极将材料沉积在基底上；接收指示所述基底上的材料的至少一个监控特征的反馈；响应所述反馈，控制传送到至少一个电极的功率值以改变材料的沉积。
18.根据权利要求17所述的方法，其中控制包括改变传送至所述至少一个电极的功率 的占空比。
19.根据权利要求17所述的方法，其中控制包括调节传送至所述至少一个电极的功率 的大小。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述传送包括从至少一个直流电源将直流功率 脉冲传送至等离子溅射室内的至少三个电极的每一个，所述电极的每一个将材料沉积在基 底上；将所述基底放置于所述溅射室内的固定位置；和调节施加至所述至少三个电极的至少两个的功率以将材料均勻地沉积在基底上。
21.将材料沉积在等离子体处理室中的固定基底上的系统，其包括直流电源，其经设置用于将功率传送至等离子溅射室；和与所述直流电源相联通的功率控制组件，其经设置用于在第一时间段内，将功率导向 等离子溅射室内的第一电极，所述功率控制组件经设置用于在第二时间段内，将功率导向 等离子溅射室内的第二电极，相对于第二电极，施加于第一电极的功率通过固定基底上的 沉积材料的所需特征限定。
22.根据权利要求21所述的系统，其包括直流电源，其经设置用于将功率传送至等离子溅射室；和与所述直流电源相联通的第二功率控制组件，其经设置用于在第三时间段内将功率导 向等离子溅射室内的第三电极，所述功率控制组件经设置用于在第四时间段内将功率导向 等离子溅射室内的第四电极，相对于第四电极，施加于第三电极的功率通过固定基底上的 沉积材料的所需特征限定。
23.将材料沉积在等离子体处理室内的基底上的系统，其包括直流功率控制组件，其经设置用于将具有第一极性的第一直流功率脉冲和具有第二极 性的第二直流功率脉冲传送至等离子溅射室内的电极；反馈线，其经设置用于提供指示电极上的靶材料的利用的信号；和处理器，其经设置用于在触发第一直流功率脉冲后触发第二直流功率脉冲，并响应指 示靶材料的利用的信号，来调节施加于具有第一直流功率脉冲的电极的功率值。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述处理器经设置用于响应指示靶材料的利用 的信号，来调节施加于具有第一直流功率脉冲的电极的功率值，从而优化靶材料的用量。
25.根据权利要求23所述的系统，其中指示所述靶材料的利用的信号是指示靶材料厚 度的信号。
全文摘要
本发明公开了使用直流电源的用于基于等离子体的溅射沉积的设备和方法。在一个实施方案中，通过将多个电极和电流源连接而产生等离子体，周期性反转施加在处理室中多个电极的每一个上的电压的极性，使得至少一个电极将材料溅射在基底上。调节施加在多个电极的至少一个上的功率值，以按照所需的特征将材料沉积在固定基底上。在一些实施方案中，在处理期间基底静止地设置于处理室内。许多实施方案利用指示沉积状态的反馈以调节施加在一个或多个电极上的功率值。
文档编号C23C14/34GK101910454SQ200880123933
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月14日 优先权日2007年11月16日
发明者B·弗里斯, D·J.·克里斯蒂, H·V.·沃尔德, K·瑙曼 申请人:先进能源工业公司