专利名称：利用调制功率信号用于控制离子密度和能量的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于溅射操作的功率源和系统。
背景技术：
镀膜基片的用途十分广泛，它对于当今的消费产品，太阳能产品，和玻璃是至关重 要的。例如，利用镀膜基片的典型消费产品包括移动电话显示器，平板计算机显示器，平板 电视，个人数字辅助器，和数字钟表。这些镀膜基片通常是通过沉积薄层材料到特定基片上 制成的。通常，这种沉积材料是透明导电氧化物(TCO)，它发射光并能够传导电流。典型的 TCO包括铟锡氧化物(ITO)和铝锌氧化物(AZO)，但是，专业人员还知道其他的TC0。制造商利用称之为“溅射操作”的过程沉积TCO和其他薄膜到基片上。溅射操作 涉及利用离子轰击靶得到靶原子。从靶上溅射出的原子沉积在基片上，该基片通常是在溅 射过程时移动通过该靶。溅射的原子聚集在基片上并形成晶体，而最终形成薄膜。高密度 和高质量晶体对于高质量薄膜是重要的。图1至图4表示溅射过程的实施方案。例如，图1表示称之为“可转动磁控管”的 溅射系统。这个系统通常用于涂敷玻璃。基本的可转动磁控管包括可转动的阴极10和靶 15，它们放置在真空室20内。真空室20包括气体入口 25和气体出口 30，分别用于引入气 体到真空室20和从真空室20中去除气体。该基本系统还包括功率源35，它可以是交流 电源，直流电源，或射频基电源。功率源35提供能量给阴极10以激励真空室20内的气体， 因此，在阴极10周围形成等离子体。等离子体产生的气体离子被放置在可转动阴极10内 的磁性装置40聚焦，从而使离子轰击靶15并溅射靶15的原子。最后，这个可转动磁控管 系统包括基片传输系统45，它在溅射过程期间传输基片通过阴极10。从靶15溅射出的原 子停留在基片上并形成薄膜。图2表示另一种溅射系统的部分剖面图。这个系统称之为“平面磁控管”，因为它 利用平面阴极50和平面靶55，而不是利用可转动的阴极和靶。与可转动磁控管类似，平面 磁控管利用磁铁60迫使等离子体中的离子轰击靶55。平面磁控管通常用于制作显示器的薄膜。图3表示平面磁控管中磁性装置70产生的磁场65。当电子和二次电子在粒子轨 道周围漂移运动时，磁场把它们限制在产生离子的溅射阴极表面上和表面附近。产生的离 子轰击靶(图2中所示的单元55)。从图2中可以看出，这种轰击对于靶的某些部分是相当 强烈的。例如，靶55的两个部分75已被严重溅射，而靶55的其余部分是相对地未受影响。 这个溅射过程形成的图形称之为“粒子轨道”。图4表示有形成粒子轨道80的平面靶75。由于需要薄膜产品的增多，薄膜行业最近以来把重点放置在薄膜质量上。低质量 薄膜往往是由于在基片上聚集的多余碎片和/或在基片上形成的不良薄膜。薄膜行业试图
3用各种方法解决这些薄膜质量问题，其中包括改变功率源和引入离子辅助沉积过程。但是， 薄膜行业对于这些新的薄膜要求至今还没有开发出可用于解决薄膜碎片和薄膜形成问题 的可靠、有效、和商品化实际方案。面临薄膜行业的碎片(厚和薄)问题涉及两种碎片类型。第一种碎片类型包括来 自靶的碎片，而第二种碎片类型来自薄膜本身和基片托架。这第二种碎片类型往往是在靶 的碎片撞击薄膜之后产生的。来自靶的碎片通常是结块和电弧的结果。(结块是由靶上材 料堆积而成，且通常是在溅射材料沉积到靶或阴极上而不是沉积到基片上形成的。)图5表示形成在阴极90和/或靶95上典型的结块85例子。在这个例子中，阴极 90和靶95表示成相邻的单独元件。例如，靶95可以是由ITO制成，且它可以粘贴或连接到 阴极90。一般地说，该系统应当溅射ITO靶95，而不是溅射支承靶95的阴极90。在其他的 实施例中，阴极90和靶95可以集成为一个单元或者是可转动类型。这个溅射系统中的等离子体是由氩气100形成的。功率源(未画出)给阴极90提 供功率以使气体电离，从而形成正电荷离子105，它们被吸引到负电荷阴极90和靶95。在 这个实施方案中，加到阴极90上的功率是稳态直流波形，虽然专业人员也可以利用其他类 型的功率。一旦形成离子105，离子105与负电荷靶95之间的电吸引力导致靶的轰击和靶材 料的溅射。大部分溅射材料沉积在基片110上形成薄膜115。但是，一些溅射材料重新沉积 到阴极90和/或靶95上并形成 结块85。结块可以造成严重的问题，最严重的是电弧和碎片。被吸引到负电荷靶的正电荷 离子聚集在结块上，并使它物理生长或被再生长。由于积累在结块上的离子，在结块与靶表 面之间形成电势，使电流沿靶的表面流动。在某些点上，由于热应力或介质击穿，在结块与 靶表面之间形成电弧。这种电弧可以使结块爆炸并吹动粒子到产生碎片的基片上。这些粒 子可以撞击生长的薄膜，如同流星撞击月亮一样。撞击薄膜的靶粒子可以造成三个问题。第一，靶粒子可以破坏薄膜上生长的晶体。 在某些情况下，这种撞击可以在薄膜表面上产生大的斑疤和凹坑。第二，靶的碎片可以破裂 松散薄膜的粒子，从而在沉积过程中留下薄膜阴影。然后，这些粒子重新沉积在其他部分的 薄膜上。最后，从靶上吹出的高温碎片可以燃烧生长的薄膜，特别是在聚合物上生长的薄膜。即使薄膜生长没有受到碎片的破坏，仍然可能形成不合适的薄膜。使薄膜制造商 感到困惑的重大问题涉及微晶质量，非均勻薄膜生长，和化学计量术。可以测量这些性质中 的某些性质，并计算体电阻，体电阻是体材料电阻率的量度。一种用于解决这种薄膜质量问 题的方法包括离子辅助沉积。离子辅助沉积系统通常是给溅射系统增加单独的离子源。 来自这种附加离子源的离子有助于在薄膜生长时形成或填装薄膜。该离子源不同于阴极和 靶，它是非常昂贵的。这种昂贵离子源妨碍广泛采用的离子辅助沉积。因此，我们需要一种辅助薄膜生长和解决当前技术问题的系统和方法，当前的技 术问题包括以上列出的问题，但不限于这些问题。
发明内容
以下总结在附图中展示的本发明典型实施例。在具体实施方式
一节中更充分地描述这些和其他的实施例。然而，应当明白，我们没有试图把本发明限制于发明内容或具体实 施方式中所描述的形式。专业人员可以知道，各种改动，相当内容和其他结构都是在权利要 求书所规定的本发明精神和范围内。一个实施方案涉及在溅射系统中用于控制离子密度和溅射速率的方法。在一个实 施例中，加第一脉冲宽度功率信号到阴极，从而产生较高浓度的离子。然后，减小第一脉冲 宽度功率信号的脉冲宽度，从而增大溅射速率和减小阴极周围的离子密度。其次，重复该过 程以产生调制的信号。以下描述的其他实施方案利用其他的调制功率信号。
结合附图参照以下的具体实施方式
和所附的权利要求书，可以更容易地理解本发 明的各个目的和优点以及更完整地理解本发明，其中图1表示用于溅射的典型可转动磁控管；图2表示典型平面磁控管和靶的横截面；图3表示典型平面磁控管和对应磁场曲线的横截面；图4表示在平面靶中形成的粒子轨道；图5是在靶上形成结块的方框图；图6A表示脉冲直流功率源的防电弧能力；图6B表示对应于图6A的脉冲直流波形；图7表示利用稳态直流电压溅射得到的薄膜性质；图8A表示利用功率信号溅射的三阶段过程，该功率信号包含脉冲直流波形上叠 加的RF ；图8B表示对应于图8A的脉冲直流波形；图9A和9B表示在脉冲直流波形上叠加RF和没有脉冲直流波形得到的薄膜；图10表示体电阻与离子能量之间关系的典型曲线图；图IlA和IlB表示靶上的脉冲直流测量结果和离子能量的测量结果；图12表示按照本发明原理构造的功率源和溅射系统；图13表示按照本发明原理构造的功率源和溅射系统；图14表示按照本发明原理构造的功率源；图15表示按照本发明原理构造的功率源和溅射系统；图16A表示可用于本发明一个实施方案的频率调制功率信号；图16B表示频率调制功率信号对离子密度和离子能量的影响；图17A表示可用于本发明一个实施方案的幅度调制功率信号；图17B表示幅度调制功率信号对离子密度和离子能量的影响；图18A表示可用于本发明一个实施方案的脉冲宽度调制信号；图18B表示脉冲宽度调制信号对离子产生和离子能量的影响；图19表示可用于本发明一个实施方案的脉冲位置调制信号；图20表示按照本发明一个实施方案利用脉冲直流信号的脉冲幅度调制；图21表示按照本发明一个实施方案利用脉冲直流信号的脉冲宽度调制；和
图22表示可用于本发明一个实施方案的脉冲位置调制。
具体实施例方式现在参照附图，其中相同或类似的元件在几个附图中是用相同的参考数字标记， 并具体参照图6A和6B，这两个图说明包含脉冲直流功率源的溅射系统防电弧能力，在这个 说明中，脉冲直流功率源(未画出)用于提供脉冲直流信号给阴极90。图6B表示对应于图6A的脉冲直流信号。请注意，稳定电压120约为负100 (-100) 伏。在周期性间隔，功率源在短时间内使电压反向。例如，功率源可以提供3或4微秒正脉 冲125给阴极90。这个正脉冲125对靶95和阴极90进行正电荷充电。图6A中利用靶95 上的“ + ”符号表示这种电荷。因为氩离子105也是带正电荷，它们被靶95上相同的正电荷 排斥，在相同时间发生的另一种情况是，电子从等离子体被拉向阴极，并与正离子复合而变 成中性，从而去掉堆积的电荷。因此，反向脉冲125可以从结块(nodUle)85中去除一部分积 累的离子，在反向(正电压)期间，从等离子体中射出朝向基片的离子很可能被送到基片， 从而形成对生长薄膜的离子轰击。结块仍然保留，但是大大减小了结块上的离子和结块85 与靶表面之间的电弧电势。仍然参照图6B，在反向脉冲125之后，功率源回到正常的工作状态。S卩，功率源提 供正向脉冲130，然后是约负100(-100)伏的稳定电压135。反向脉冲的频率和持续时间， 反向脉冲电压，和稳定电压在不同的靶材料和相同材料的不同质量靶中可以不同。此外，这 些参数甚至对于相同的靶也随时间发生变化。专业人员知道如何选取他们使用具体靶的正 确参数。图7表示利用稳态直流电压进行溅射操作得到的薄膜性质。在这个系统中，稳态 直流电压(约为300V)加到阴极90和靶95上。离子145轰击靶95，而溅射材料140在基 片110上聚集成薄膜115。然而，这个薄膜115不是均勻的。它包含负面影响导电率的一些间隙。这些间隙 指出晶体不是合适生长的晶体，和薄膜不是高质量薄膜。不完美晶体和间隙是由于不良沉积和/或高能量粒子撞击薄膜造成的。例如，过 高的阴极电压可以给溅射原子140，反射中子150或产生的离子145提供太多的能量。这些 高能量粒子可以撞击生长的薄膜15和造成分裂。因此，阴极90上的电压控制对于生长高 质量薄膜是有益的。现在参照图8A和8B，它们表示三级溅射过程，其中利用对应于每级的叠加射频信 号和脉冲直流波形(未画出射频信号)。在第一级，有叠加射频信号的脉冲直流电压加到阴 极和靶上。稳态直流电压约为100V至125V。射频波形是在13. 56MHz下约+/-800VAC至 2000VAC，但不限于这个频率。利用叠加的射频信号或任何其他调制信号，可以减小阴极电 压，从而可以更好地控制离子/沉积能量。类似地，利用较低的阴极电压，可以更好地控制 溅射材料140的能量。在第一级，靶95是由离子145轰击，因此，靶95被溅射。请注意，在第一级是高密 度溅射材料140。溅射速率是高的，离子密度是低的，而电子155的密度是高的。在第二级，功率源(未画出)加反向直流信号到阴极90。例如，功率源加的脉动电 压是在+50V与+250V之间。在第二级，溅射速率是低的。请注意，与第一级比较，没有溅射物 140。但是与第一级比较，在第二级中产生的离子145(包括负电荷充电所需的氧离子) 是高的。这个增加的离子数目可用在第三级中轰击靶。这些离子还用于轻微地冲击生长的 薄膜115并填装或排列溅射材料，从而闭合任何的薄膜间隙。这个过程是用薄膜表面上的 离子145表示。最后，在第三级中功率源使电压回到稳定状态。第三级与第一级类似，它产生溅射 材料140而使薄膜115继续生长。这种溅射，沉积，产生离子和填装循环可以制成较高质量的薄膜。重要的是，这种 循环溅射薄膜层，填装该薄膜层，和随后溅射另一层。射频信号与脉冲直流信号的叠加是产 生这些循环的一种方式。其他的调制信号可以产生类似的结果。图9A和9B表示利用脉冲直流信号和没有脉冲直流信号叠加射频信号的优点。通 过加射频信号与脉冲直流信号的组合到阴极90上，可以获得良好的溅射结果。图9B表示 这种类型薄膜的典型情况。在这个系统中，阴极90是利用脉冲直流波形与叠加射频信号 或另一种调制信号供电。形成的薄膜115是均勻和紧密填充的。图9A表示制作薄膜115质量的系统略微不如图9B所示系统。但是图9A所示的 系统仍然可以制作良好的薄膜。在这个系统中，阴极90是由稳态直流电压和叠加的射频信 号供电。制成的薄膜在溅射原子之间有一些间隙。图10是离子能量(EV)与薄膜质量(体电阻)之间关系的典型曲线图。这个曲 线图中的具体数值是随靶材料而变化，但是该曲线是代表性的。当离子能量是低( 1EV) 时，薄膜质量可能较低(较高的体电阻指出较差质量的薄膜)。而当离子能量是非常高( 1000EV)时，薄膜的质量较低。但当离子能量是适度时，例如，在30至150EV的范围内，通过 频率控制离子密度，薄膜的质量较高。这个曲线图说明，在溅射过程中可以通过控制离子能 量来控制薄膜的质量。太低能量的离子不能在薄膜原子中产生级联式碰撞。即，太低能量 的离子无助于把薄膜原子填装在一起和消除间隙(通过减小原子阴影)。太高能量的离子 可以破坏形成的薄膜晶体，并能够实际增大间隙和晶粒边界的数目。一种用于控制离子能 量的方法是利用包含上述叠加射频信号的功率系统或其他的调制功率源。图IlA表示利用脉冲直流波形的功率源输出。第一波形的频率是350kHz和反向 脉冲宽度是1.1 μ S。第二波形的频率是200kHz和反向脉冲宽度是2. 3 μ S。图IlB表示对 应于这两个直流波形的离子能量。请注意，离子能量增强到高电平，它可以破坏基片上生长 的晶体。限制这些高峰值的功率源对于制作高质量薄膜是有用的。图12表示按照本发明原理构造的功率源160和溅射系统165。这个系统包括调 制功率源160，它可以包含电压尖峰抑制或限幅。例如，功率源160可以包含与射频等离子 体功率源连接(“连接”也意味着“集成”)的脉冲直流功率源。它还可以包含与射频等离 子体功率源连接的直流功率源或交流功率源。而在其他的实施例中，它可以包含与可编程 调制功率源连接的脉冲直流功率源，直流功率源或交流功率源。这个调制功率源可以输出 频率调制的信号，幅度调制的信号，脉冲宽度调制的信号，脉冲位置调制的信号，等等(“溅 射系统”也可以是集成的功率源和溅射装置)。图13表示按照本发明原理构造的另一个实施例功率源和溅射系统。这个实施方 案包括射频等离子体源170和与溅射系统165连接的射频匹配网络175。它还可以包括
7脉冲直流功率源180和与溅射系统165连接的射频滤波器185。组合这两个功率源的信号以 驱动溅射系统165。专业人员知道如何连接和操作这些元件，因此，此处不再详细地描述。图14表示按照本发明原理构造的特定功率源。请注意，“功率源”可以包括一起工 作的多个功率源或能够产生所需波形的一个单元。而在这个实施方案中，两个不同的功率 源耦合在一起作为单个功率源，即，射频源190和脉冲直流源200。ADVANCED ENERGY的型号RFG3001 (3kff)射频功率源提供射频信号。ADVANCED ENERGY的位置是在Fort Collins, Colorado0这个功率源可以改变成内部或外部电弧抑 制，而馈送这个功率源的输出到调谐器205，例如，有直流电弧检测和关闭电路的ADVANCED ENERGY XZ90 调谐器。在这个实施方案中，脉冲直流功率源是由PINNACLE生产，它是有内部电弧抑制的 20kW功率源。从这个功率源输出的功率馈送到大电流射频滤波器盒210。这是一个标准的 空气或水冷却Tee或Pie滤波器。射频滤波器盒的输出与调谐器的输出进行组合，并提供 给溅射系统。图15表示按照本发明原理构造的功率源和溅射系统。这个系统与图13所示的系 统类似，不同的是，功率源是交流功率源215，而不是脉冲直流功率源。图16-19表示调制的交流功率信号，该信号可用于控制溅射系统中的离子密度和 离子能量，从而控制薄膜性质和薄膜质量。这些功率信号可用于实现以上描述的高质量薄 膜。此外，射频信号也可以叠加到任何这些调制功率信号上，为的是进一步影响薄膜的生 长。通过改变幅度，频率和脉冲宽度或位置，离子与溅射物之比率，可以控制溅射速率 以及离子和溅射物的能量。重要的是这些调制方法控制时间的能力，用于基片上发生的表 面迁移率。图16A表示频率调制的功率信号。频率调制(FM)是把模拟或数字形式的信息编 码成载波，它的瞬时频率是根据输入信号变化的。图16中最左侧的波形表示任意的信号以 及它对频率的影响。图16B表示频率调制功率信号对离子密度和离子能量的影响。由于高的脉冲频 率，产生高的离子浓度。在较低频率区，溅射速率是高的，而在较高频率区，溅射速率是低 的。溅射物与离子的比率在两个不同部分是不同的。溅射速率减小，离子浓度就增大，反之 亦然。这种变化给出用于改进薄膜生长的唯一动力学。图17A表示幅度调制的功率信号。幅度调制是一种信号调制形式，其中消息信息 编码成一系列信号脉冲的幅度。这是传统的解释，但是在等离子体源的情况下，电压，电流 和功率电平可以调制任何所需的百分比。图17B表示幅度调制的信号对离子密度和能量的影响。幅度调制改变溅射速率， 从而产生新型的过程和薄膜生长。图18A表示脉冲宽度调制的信号。脉冲宽度调制是一种在通信信道上代表数据的 方法。利用脉冲宽度调制，数据样本的数值是用脉冲的长度表示。图18B表示调制的脉冲宽度信号对离子生产和能量的影响。由于高的脉冲频率， 可以产生高浓度离子。在大的脉冲宽度区，溅射速率是高的；而在短的脉冲宽度区，溅射速 率是低的。溅射物与离子的比率在两个不同部分是不同的。
图19表示脉冲位置调制的信号。脉冲位置调制是一种信号调制的形式，其中在信 号脉冲序列之间的时序间隔中编码消息信息。如同其他的调制信号，编码信息可以改变离 子密度和能量。图20-22表示调制的直流功率信号，它在溅射系统可用于控制离子密度和离子 能量，从而控制薄膜性质和薄膜质量。现有的直流和复合直流溅射过程在它们有效控制薄 膜性质的能力方面受到限制。直流和复合直流过程能够并确实展现功率限制以及不能精确 地控制溅射过程能量。利用脉冲直流功率源溅射阴极受益于许多薄膜沉积过程和薄膜性 质，特别是导电的透明薄膜，这是借助于更好地控制溅射能量。实现这种控制是由于这样的 事实，这些功率源在用户规定的频率和强度下固有地熄灭和重新激励等离子体。在这些系 统的任何一个系统中每个功率脉冲或等离子体激励的开始时，产生离子的电子能量有很宽 的分布，所以，能够产生较大的溅射物与离子百分比。在直流和复合直流过程中，因为仅有 初始的等离子体激励，该分布稳定到电子能量的较低平均值。鉴于以上所述，我们可以知道，脉冲功率有许多开始和等离子体激励以增大平均 电子/离子能量到很高的数值，因此，使该过程获得这个利益。通过控制脉冲宽度和占空 比，我们可以控制电子/离子能量，以及产生的特定溅射物与离子的相对数目。利用脉冲功 率可以使操作员有效地控制更多的溅射薄膜性质。在典型的脉冲直流功率源之外，有用户规定的频率以及正向和反向定时设置，它 是输出功率到溅射阴极和通用等离子体的新领域。新的方法和系统提供按照一个或多个方 法调制的功率。适用于交流功率源的大多数调制方法也适用于直流功率源。因此，这些直 流系统的描述类似于以上对交流系统的描述。图20表示利用脉冲直流信号的脉冲幅度调制。图21表示利用脉冲直流信号的脉冲宽度调制。在脉冲宽度调制中，数据样本的数 值是用脉冲的长度表示。图22表示脉冲位置调制，它是一种信号调制的形式，其中消息信息编码在信号脉 冲序列之间的时序间隔中。正如交流例子一样，通过改变幅度，频率和脉冲宽度或位置，可以控制离子与溅射 物之比率，溅射速率以及离子和溅射物的能量。重要的是这些调制方法控制时间的能力，用 于基片上发生的表面迁移率。总之，本发明的实施例能够获得较高的产量和较高质量的薄膜，以及它与利用标 准直流，交流，射频溅射过程和大多数类似靶材料制成薄膜不同的薄膜。在一个实施例中， 这是通过控制溅射能量，离子密度，溅射速率和离子能量以促进高质量薄膜生长实现的。专 业人员容易理解，在本发明，其用途和配置中可以有多种变化和替换，它仍然可以基本实现 与上述实施例相同的结果。因此，我们没有把本发明局限于公开的典型形式。许多变化，改 动和其他的结构都是在权利要求书中所公开的本发明精神和范围内。
权利要求
一种在溅射系统中用于控制离子密度和溅射速率的方法，该方法包括加高频功率信号到阴极，从而产生第一离子浓度；减小加到阴极上的功率信号的频率，从而增大溅射速率和减小阴极周围的第一离子浓度；加高频功率信号到阴极，从而产生第二离子浓度；和减小加到阴极上的功率信号的频率，从而增大溅射速率和减小阴极周围的第二离子浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括 在阴极周围叠加射频功率信号。
3.一种在溅射系统中用于控制离子密度和溅射速率的方法，该方法包括 加第一脉冲宽度功率信号到阴极，从而产生第一离子浓度；减小加到阴极上的第一脉冲宽度功率信号的脉冲宽度，从而增大溅射速率和减小阴极 周围的第一离子浓度；加第一脉冲宽度功率信号到阴极，从而产生第二离子浓度；和 减小加到阴极上的第一脉冲宽度功率信号的脉冲宽度，从而增大溅射速率和减小阴极 周围的第二离子浓度。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括 在阴极周围叠加射频功率信号。
5.一种在溅射系统中用于控制离子密度和溅射速率的方法，该方法包括 加高幅度功率信号到阴极，从而产生第一离子浓度；减小加到阴极上的功率信号的幅度，从而增大溅射速率和减小阴极周围的第一离子浓度；加高幅度功率信号到阴极，从而产生第二离子浓度；和减小加到阴极上的功率信号的幅度，从而增大溅射速率和减小阴极周围的第二离子浓度。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括 在阴极周围叠加射频功率信号。
全文摘要
公开一种在溅射系统中用于控制离子密度和溅射速率的方法。在一个实施例中，加第一脉冲宽度功率信号到阴极，从而产生较高的浓度离子。然后，减小第一脉冲宽度功率信号的脉冲宽度，从而增大溅射速率和减小阴极周围的离子密度。其次，重复该过程以产生调制的信号。
文档编号C23C14/34GK101974732SQ201010277159
公开日2011年2月16日 申请日期2006年6月14日 优先权日2005年6月14日
发明者迈克尔·W.·斯托厄尔 申请人:应用膜公司