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TWI545218B - 產生電漿放電的方法以及磁控管濺鍍設備 - Google Patents

產生電漿放電的方法以及磁控管濺鍍設備 Download PDF

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TWI545218B
TWI545218B TW101113749A TW101113749A TWI545218B TW I545218 B TWI545218 B TW I545218B TW 101113749 A TW101113749 A TW 101113749A TW 101113749 A TW101113749 A TW 101113749A TW I545218 B TWI545218 B TW I545218B
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西格富瑞德 克瑞斯尼澈
庫特 路姆
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歐瑞康貿易特魯貝屈股份有限公司
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Description

產生電漿放電的方法以及磁控管濺鍍設備
本發明涉及一種利用磁控管濺鍍對基板進行鍍膜的方法。
在本說明書中，“Sputtern”及“Zerstaeuben”二字都是“濺鍍”的意思。
濺鍍是以離子射擊標靶(陰極)，以去除標靶材料。利用電場使離子從電漿離開並加速朝標靶表面的方向前進。磁控管濺鍍是在標靶表面上方形成一個磁場。以這種方式將電漿中的電子逼迫到一個螺旋軌道上，並在標靶表面上方轉動。由於電子的行進路徑變長，使電子撞擊原子及/或離子的次數大幅增加，這使得標靶上方這個區域內產生較高的電離。因此可以提高在這個區域正下方之標靶上的濺鍍去除量。磁控管濺鍍典型的侵蝕溝及其上方的跑道就是這樣產生的。這種侵蝕溝的缺點是使標靶上很大的區域不會被去除。但標靶材料通常是很貴的材料。這使得設置在標靶後用來產生磁場的磁性系統產生如第1圖所示之腎形跑道。如果使用的是圓柱形陰極，磁性系統會繞圓柱形陰極的中心軸轉動，因此會對標靶材料造成基本上是相同形狀的去除情況。但是傳統式濺鍍仍有一個缺點，那就是被去除的材料僅有很小一部分被電離。
本發明是一種高功率磁控管濺鍍法(HIPIMS)。 HIPIMS是由傳統式濺鍍法經進一步改良的方法。HIPIMS是利用脈衝持續時間在微秒至毫秒範圍且功率密度大於100W/cm2的脈衝式放電的作用。日漸發展的HIPIMS消除了傳統式濺鍍法的主要缺點，也就是被濺鍍的原子僅有很小一部分被電離的缺點。視不同的材料而定，HIPIMS最高能夠使被濺鍍的粒子達到100%的電離。
這使得至少是短時間作用在標靶上的放電電流密度造成電離度的提高。電離度升高可以改變鍍膜的成長機制，而且會影響鍍膜特性，以及提高鍍膜的附著強度。
傳統式濺鍍及HIPIMS使用的平均功率密度都在20W/cm2的範圍。在高負載下，配合特殊的標靶冷卻裝置，可使用最高50W/cm2的功率密度。相應的放電電流密度在0.2A/cm2的範圍。但是從電漿物理及電子學的觀點來看，使用更高的功率密度以達到放電電流密度是不成問題的。但實際上可應用於濺鍍標靶上的平均功率會受到標靶冷卻技術的限制。基於這個原因，HIPIMS使用的是脈衝式的濺鍍功率，而且所選擇的脈衝持續時間要短到不會使作用在標靶上的平均功率導致標靶溫度過高。很清楚的一點是，標靶溫度及容許最高標靶溫度與標靶材料及其導熱率及力學特性有很大的關聯性。
上述方法的缺點是，脈衝技術需使用很複雜的設備，因為其使用的脈衝發生器必須能夠將功率依時間及空間分佈到濺鍍功率脈衝，而傳統型脈衝發生器技術是辦不到這一點的。
為了避開這個缺點，先前技術建議的作法是使用比 整個標靶小很多的跑道，並讓這個跑道在標靶表面上方移動。例如Wang et al提出的US 6413382揭示一種磁性系統，其產生的磁控管對標靶表面的覆蓋率小於20%。這個磁性系統是以可以轉動的方式被安裝在標靶表面之後，因此跑道可以掃過整個標靶表面。這個方式雖然可以簡化脈衝發生器的複雜度，但是並不能完全不使用脈衝技術。因此能夠達到的脈衝/中斷比例小於10%。
但是這種附加物的缺點是為此設計的設備僅能應用於HIPIMS。由於跑道大幅縮小，鍍速率也會相應變慢。如果要能夠在HIPIMS鍍膜及傳統式濺鍍鍍膜之間進行轉換，則相應的傳統式濺鍍速率也會跟著降低。
Nyberg et al提出的WO 03006703A1也揭示一種類似的附加物。Nyberg et al在這個專利中描述如何以較小的濺鍍範圍達到更高的放電電流密度。為了抵消較高的局部發熱，這個濺鍍範圍是移動的。此外，Nyberg et al還提及在工業用上，這個縮小的濺鍍範圍必須以很快的速度在標靶上移動，以避免表面被熔解。每一種傳統式脈衝發生器均可應用於這種技術。一種可能性是將一個標靶分割成多個彼此電絕緣的部分。以下將這些部分稱為子標靶。每一個子標靶都應該是一個完全獨立的標靶，尤其是功率供給與其他的子標靶完全無關，其中將這些相同之子標靶的表面加總起來就等於標靶的總面積。操作方式是在一個時間點將所有的功率集中在這些子標靶中的一個子標靶上，因此可以控制在這個時間點被濺鍍的位置。這樣就可以透過接通及切斷對子標靶的 功率供給，達到無需使用移動元件的目的。
Nyberg et al提出的裝置的缺點是，這種構造無法在傳統式磁控管濺鍍模式中運轉，因為要將一個脈衝發生器的功率均勻的分配到不同的部分是不可能的，或即使是可能，但是在技術上也過於複雜。Nyberg et al提出的方法的另外一個缺點是，在每一個要接通或切斷功率供給的子標靶上都會產生一個固定的侵蝕溝。這表示其標靶利用率明顯低於Wang et al提出的轉動式磁控管的標靶利用率。
因此有必要提出一種無需複雜的脈衝發生技術即可執行HIPIMS的裝置，而且這種裝置還要能夠以簡單的方式被轉換到傳統式濺鍍模式。
為達到上述目的，本發明提出的方法是將一個標靶分割成多個彼此電絕緣的獨立子標靶，並在HIPIMS模式中由一個主從配置的功率供給單元為這些子標靶供應功率。所謂主從配置是指兩個或多個脈衝發生器的輸出端平行連接在一起，並在其中一個脈衝發生器(主脈衝發生器)上選擇要設定的功率，同時其他的脈衝發生器彼此電連接，使其根據主脈衝發生器的功率設定進行設定。在主從配置中連接在一起的脈衝發生器的數量最好是至少相當於彼此電絕緣之單一子標靶的數量。在HIPIMS模式中，對每一個單一子標靶輸送功率的時間都不能超過該子標靶的冷卻能力容許的範圍。在HIPIMS模式中，子標靶是依次被接通及切斷功率供給。因此主從配置中的功率供給單元從頭到尾都不需要同時為所有的子標靶 供應全部的功率。因此僅需使用價格比較便宜的脈衝發生器即可。如果要進行傳統式濺鍍，可以將主從配置分拆開，使每一個子標靶都有自己的脈衝發生器。這樣每一個子標靶都有一個獨立的濺鍍源。如果將主從配置拆開後，可供使用之脈衝發生器的數量少於子標靶的數量，則可以一直切斷若干個子標靶的功率供應，或是輪流切斷若干個子標靶的功率供應。透過這種方式很容易就可以從HIPIMS模式轉換到傳統式濺鍍模式。
每一個可移動的磁性系統最好都是位於子標靶的後面，其作用是使各個跑道在其所屬的子標靶上方移動。根據本發明，如果設備是在HIPIMS模式中運轉，則位於子標靶後方的旋轉的磁性系統的移動頻率最好是不會與濺鍍源之重複功率脈衝的頻率形成合理的比例。這樣做的目的是確保能夠從標靶表面將材料均勻的去除。
以下將配合圖示對本發明的內容做進一步的說明。
如第2圖所示，根據本發明的第一種實施方式，功率供給單元3經由開關S1為設置在真空室4內的濺鍍源q1提供電壓及電流，以驅動在HIPIMS模式的濺鍍設備。功率供給單元3是由在主從配置中連接在一起的脈衝發生器g1至g6構成。可以將功率供給單元理解為一種直流脈衝發生器。濺鍍源q1是一個具有子標靶的磁控管濺鍍源，根據本發明的一種有利的變化方式，在濺鍍源q1的子標靶之後有設置一個可移動(最好是可轉動)的磁性系統ms1。在使用時，跑道可以透過磁性系統ms1的移 動(最好是轉動)在濺鍍源q1之標靶的幾乎整個表面上方移動。
將惰性氣體及/或反應氣體(例如N2、O2，C2H4、C2H2)注入真空室4，以便使電漿能夠保持可用於濺鍍放電的狀態。功率供給單元3提供一個濺鍍功率，這個濺鍍功率始終高於濺鍍源q1的加熱上限。這個濺鍍功率使磁控管適於產生放電，而且以磁控管的跑道面積為準，這個放電的電流密度大於0.2A/cm2。
經由開關S2至S6可以將電壓及電流供應至設置在真空室4內的濺鍍源q2至q6。這些濺鍍源的構造和濺鍍源q1基本上是一樣的。
作用在單一濺鍍源上的平均功率不能超出加熱上限規定的值。為了確保這一點，應在一定的時間後，依次切斷一個濺鍍源，並接通下一個濺鍍源，因而形成脈衝序列。當所有的濺鍍源都運轉過後，就可以再度接通第一個濺鍍源，並重新開始整個循環，以形成週期性運轉。任何脈衝序列都是許可的，但前提是作用在標靶上的最大平均功率要保持在許可範圍內。
在濺鍍源之後移動(最好是轉動)的磁性系統的移動頻率最好是不會與接通至一個濺鍍源之重複功率脈衝的頻率形成合理的比例。這樣做的目的是確保能夠從標靶表面將材料均勻的去除。
如果要轉換到傳統式濺鍍，則應放棄主從配置。每一個濺鍍源至少配置一個脈衝發生器。第3圖顯示相應的配置方式。如果脈衝發生器的數量大於濺鍍源的數 量，可以將多出的濺鍍源附掛在已配置到濺鍍源的脈衝發生器上，作為附屬的脈衝發生器。
如果脈衝發生器的數量少於濺鍍源的數量，可以將多出的濺鍍源開置，或是依次及週期性的中斷對不同的濺鍍源的功率供應，使其在功率供應中斷期間釋出一個脈衝發生器。
例如一個具體的例子是將兩個功率均為20KW的直流脈衝發生器AE Pinacle組合成主/從配置。因此可提供的最大濺鍍功率為40KW。使用如第1圖顯示之標靶直徑為150mm的圓柱形磁控管。將一個可隨時間調整的脈衝(濺鍍功率40KW)接通至標靶。對這個尺寸的標靶而言，供給平均約5KW的功率即可達到其加熱上限。第4圖顯示各種標靶材料的表面溫度經計算出的隨時間的變化情況。以跑道面積為準，脈衝功率為40KW時，使用以上描述的磁控管可達到600W/cm2的功率密度。放電電壓為600V時，可達到1.67A/cm2的電流密度。如第4圖的有限元素法模擬顯示，以功率密度1000 W/cm2及脈衝持續時間50ms進行濺鍍時，銅或鋁的溫度僅上升約50℃至100℃，鈦的溫度僅上升約350℃。因此根據模擬結果可以排除這些金屬發生表面熔解及蒸發的可能性。
經過脈衝持續時間50ms後，整個功率被饋入另外一個構造相同的圓柱形磁控管。根據這個例子的構造方式，真空室6內設有相同構造的圓柱形磁控管，這些磁控管依次被接通。經過300ms的時間間隔後，第一個圓柱形磁控管再度被接通。可以將這些圓柱形磁控管以環 繞一個旋轉工作台的方式設置在真空室內，其中要鍍膜的基板係放置在該旋轉工作台上。可以按照與旋轉工作台之旋轉方向相反的方向依序接通各個圓柱形磁控管，以模擬旋轉工作台的較快的旋轉。
設置在標靶表面之後的磁性系統以180U/mi突頻率轉動。這表示在每300ms發生一次的脈衝重複中，兩個頻率並未形成合理的比例。
本發明的配置可以在短時間內(例如500μs)使放電電流快速變大，並使放電電流在整個脈衝持續期間保持在穩定的大小。本發明的方法可以避免HIPIMS因高頻率脈衝經常出現的有缺點的瞬變過程。這是因為在本發明的方法中，脈衝持續時間為若干個毫秒，因此可忽略瞬變過程。
本發明之方法的第二個例子是將脈衝功率40KW及脈衝持續時間10ms以10Hz的重複頻率接通至以上描述的系統。因此而產生的平均功率為每一個圓柱形磁控管4KW。最多可以在真空室內設置10個圓柱形磁控管，而且所有的圓柱形磁控管都可以透過以上提及的主/從配置獲得功率供應。對放電的電漿進行光譜測量，並與光弧蒸發的電漿作一比較。這個例子使用的標靶是鈦標靶。第5圖顯示這兩個比較的光譜，其中這兩個光譜都是在其Ti(0)線365.35nm的強度上被標準化。兩個放電在Ti+(336.12nm、368.52nm，以及未在圖中分開繪出的雙重線375.93nm及376.132nm)均顯示很強的光發射。由此可以推論，本發明的濺鍍方法能夠使從標靶分離出的 材料產生與光弧蒸發一樣高的電離度。
本發明之方法的第三個例子是以鈦鋁合金作為標靶材料，其中鈦佔50%，鋁也是佔50%。為了比較本發明的方法與傳統式濺鍍技術，故以光譜測量的方式將傳統式濺鍍鍍膜的電漿及本發明之方法的電漿繪出，並作一比較。由於只有兩個直流脈衝發生器可供這個實驗使用，因此濺鍍源是各獲得一個脈衝發生器的功率供應，也就是說兩個濺鍍源同時獲得功率供應，並按照規定的時間間隔依次將功率移轉到另外兩個濺鍍源。第6圖顯示比較的結果。兩種情況下的平均濺鍍功率均為4KW。光譜是在Al(0)線(394.4nm3及396.15nm)上皮標準化。令人注意的是，在傳統式直流放電的情況下，沒有離子的線Al+(390.07nm)、Ti+(雙重線375.93nm及376.132nm)、以及368.52nm及336.12nm。這也可以推論出本發明的方法可使從標靶分離出的材料達到很高的電離度。
根據本發明的另外一種實施方式，本發明的方法是使用雙磁控管。在這種實施方式中，濺鍍功率在停留在至少兩個濺鍍磁控管之間的一個數毫秒的脈衝期間以典型為20~60kHz的交變頻率交變，其中標靶表面係輪流作為陰極或陽極。為了不至於超出標靶的熱負荷，接通至雙磁控管的功率會隨著時間受到限制，也就是在脈衝之後會被切換到另一雙磁控管。
以上所有的例子都是以圓柱形陰極來做說明。但是熟習該項技術者當然會知道本發明的概念很容易就可以 應用到矩形電極。本發明的一個特殊優點是僅需使用簡單的直流脈衝發生器，且由於本發明的脈衝發生器與各個濺鍍源的組合方式，使該脈衝發生器的總功率(例如40KW)可以全部輸入鍍膜室，因此可以達到傳統式濺鍍方法需使用很複雜的脈衝發生器才能夠達到的電離度。根據本發明的有利的實施方式，在濺鍍標靶之後設有一個可移動的磁性系統，其任務是使跑道在標靶上方移動。
本發明的方法及設備能夠以簡單的方式從本發明的濺鍍(較高的離子濃度)切換到傳統式濺鍍(較低的離子濃度)。
本發明揭示一種產生至少在某些區域的局部放電電流密度大於0.2A/cm2的電漿放電的方法，其步驟如下：-- 準備一個具有一最大功率規定值的功率供給單元；-- 準備至少兩個磁控管濺鍍源，且每個磁控管濺鍍源均具有規定的跑道及規定的加熱上限，其中跑道要小到在功率供給單元之最大功率作用在其中一個磁控管濺鍍源時，放電電流密度會大於0.2A/cm2；-- 利用功率供給單元在第一個時間間隔將第一個功率輸入至少兩個磁控管濺鍍源中的第一個磁控管濺鍍源，其中該第一個功率要夠大，以便在磁控管濺鍍源上的至少一個區域形成大於0.2A/cm2的局部放電電流密度，同時第一個時間間隔要夠小，以免超出第一個磁控管濺鍍源的規定的加熱上限；-- 利用功率供給單元在第二個時間間隔將第二個功率輸入磁控管濺鍍源中的第二個磁控管濺鍍源，其中該第 二個功率要夠大，以便在第二個磁控管濺鍍源上的至少一個區域形成大於0.2A/cm2的局部放電電流密度，同時第二個時間間隔要夠小，以免超出第二個磁控管濺鍍源的規定的加熱上限；本發明之方法的特徵是功率供給單元至少具有兩個以主從配置的方式彼此連接的脈衝發生器，而且這兩個時間間隔不會完全重疊。
也可以準備第三個或甚至更多個磁控管濺鍍源，而且每一個磁控管度源都具有規定的跑道及規定的加熱上限，其中跑道要小到在功率供給單元之最大功率作用在其中一個磁控管濺鍍源時，放電電流密度會大於0.2A/cm2，同時功率供給單元具有的從屬脈衝發生器及主脈衝發生器的數量加起來等於或大於磁控管濺鍍源的數量。
時間間隔可以是由週期性重複的間隔組成，因而形成週期性的脈衝。
在磁控管濺鍍源的至少一個標靶之後可以設置一個可移動(最好是可轉動)的磁性系統，其任務是形成一個移動的跑道，此跑道的範圍明顯小於標靶表面積，但至少大於標靶表面積的20%。
本發明揭示一種具有兩個或多個磁控管濺鍍源及一個功率供給單元的磁控管濺鍍設備，其中功率供給單元具有的脈衝發生器的數量至少等於磁控管濺鍍源的數量，此設備另具有適當的裝置，此裝置的一個作用是使功率供給單元內的脈衝發生器形成具有一個主脈衝發生 器及至少一個從屬脈衝發生器的主從配置，以及具有一個能夠將具有主從配置之功率供給單元的功率依次接通至磁控管濺鍍源的電路，此裝置的另一個作用是使功率供給單元能夠按照彼此電絕緣的脈衝發生器的數量形成配置，並透過電路將至少一個脈衝發生器的功率傳輸至一個磁控管濺鍍源。
3‧‧‧功率供給單元
4‧‧‧真空室
S1~S6‧‧‧開關
g1~g6‧‧‧脈衝發生器
q1~q6‧‧‧濺鍍源
第1圖顯示一個在先前技術在傳統式濺鍍中使用的標靶的表面及可移動的跑道。
第2圖顯示本發明之彼此電絕緣的子標靶的第一種實施方式，其中每一個子標靶都具有一個可移動的磁性系統，其中功率供給單元是由多個在主從配置中連接在一起的脈衝發生器構成。
第3圖顯示本發明之彼此電絕緣的子標靶的第一種實施方式，其中每一個子標靶都具有一個可移動的磁性系統，其中功率供給單元是由多個不是在主從配置中連接在一起的脈衝發生器構成，因此每一個子標靶均配備一個脈衝發生器，並能夠與該脈衝發生器構成一個獨立運轉的濺鍍源。
第4圖顯示受功率脈衝作用50ms後，不同標靶材料的模擬冷卻特性。
第5圖顯示對光弧放電及本發明之電漿放電的光譜測量的比較。
第6圖顯示對傳統式直流濺鍍電漿之放電及本發明之電漿放電的光譜測量的比較。
3‧‧‧功率供給單元
4‧‧‧真空室
S1~S6‧‧‧開關
q1~q6‧‧‧脈衝發生器/濺鍍源

Claims (6)

  1. 一種產生至少在某些區域的局部放電電流密度大於0.2A/cm2的電漿放電的方法，其步驟如下：-- 準備一個具有一規定之最大功率的功率供給單元；-- 準備至少兩個磁控管濺鍍源，且每個磁控管濺鍍源均具有規定的跑道及規定的加熱上限，其中跑道要小到在功率供給單元之最大功率作用在其中一個磁控管濺鍍源時，放電電流密度會大於0.2A/cm2；-- 利用功率供給單元在第一個時間間隔將第一個功率輸入至少兩個磁控管濺鍍源中的第一個磁控管濺鍍源，其中第一個濺鍍源在輸入第一個功率後是作為陰極使用，該第一個功率要夠大，以便在磁控管濺鍍源上的至少一個區域形成大於0.2A/cm2的局部放電電流密度，同時第一個時間間隔要夠小，以免超出第一個磁控管濺鍍源的規定的加熱上限；-- 利用功率供給單元在第二個時間間隔將第二個功率輸入磁控管濺鍍源中的第二個磁控管濺鍍源，其中第二個濺鍍源在輸入第二個功率後是作為陰極使用，該第二個功率要夠大，以便在第二個磁控管濺鍍源上的至少一個區域形成大於0.2A/cm2的局部放電電流密度，同時第二個時間間隔要夠小，以免超出第二個磁控管濺鍍源的規定的加熱上限；此方法之特徵為●負責提供第一個功率及第二個功率的功率供給單元具有至少兩個以主從配置的方式彼此連接的脈衝發 生器，其中一個脈衝發生器是作為主配置，其他的脈衝發生器則是彼此電連接，因而使至少兩個脈衝發生器的輸出端彼此平行連接在一起，其中要調節的功率是在主脈衝發生器上被調節，其他的脈衝發生器則追隨主脈衝發生器的調節，同時●這兩個時間間隔不會完全重疊。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中準備一個以上另外的磁控管濺鍍源，而且每一個磁控管濺鍍源都具有規定的跑道及規定的加熱上限，其中跑道要小到在功率供給單元之最大功率作用在其中一個磁控管濺鍍源時，放電電流密度會大於0.2A/cm2，同時功率供給單元具有的從屬脈衝發生器及主脈衝發生器的數量加起來等於或大於磁控管濺鍍源的數量。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中時間間隔可以是由週期性重複的間隔組成，因而形成週期性的脈衝。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中在磁控管濺鍍源的至少一個標靶之後設置一個可移動的磁性系統，其任務是形成一個移動的跑道，此跑道的範圍小於標靶表面積，但至少大於標靶表面積的20%。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中磁性系統係可轉動的。
  6. 一種具有兩個或多個磁控管濺鍍源及一個功率供給單元的磁控管濺鍍設備，其中功率供給單元具有的脈衝發生器的數量至少等於磁控管濺鍍源的數量，此設備 另具有適當的裝置，此裝置的一個作用是使功率供給單元內的脈衝發生器形成具有一個主脈衝發生器及至少一個從屬脈衝發生器的主從配置，以及具有一個能夠將具有主從配置之功率供給單元的功率依次接通至磁控管濺鍍源的電路，同時該至少兩個脈衝發生器的輸出端能夠彼此平行連接在一起，因此每一個磁控管濺鍍源及脈衝發生器之功率的總合均可作為陰極使用，此裝置的另一個作用是使功率供給單元能夠按照彼此電絕緣的脈衝發生器的數量形成配置，並透過電路將至少一個脈衝發生器的功率傳輸至一個磁控管濺鍍源。
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