專利名稱：控制反應(yīng)性高功率脈沖磁控管濺射工藝的方法及其裝置的制作方法
控制反應(yīng)性高功率脈沖磁控管濺射工藝的方法及其裝置 本發(fā)明涉及控制反應(yīng)性高功率磁控管濺射工藝的方法及其所用裝置。
所述方法可以使反應(yīng)性濺射工藝穩(wěn)定，以便可以在基底上沉積具有 期望的形態(tài)和相組成的層。
等離子體濺射是用于特別是用陶瓷或其它多組分功能層涂敷基底 的成熟工藝。反應(yīng)性濺射工藝由此基于在反應(yīng)性氣體氣氛中金屬靶的濺 射，以便在基底上沉積包含靶材料和工藝氣體的一種或多種組分的化合 物。
然而，由于反應(yīng)性氣體分壓不能持續(xù)不斷改變，引起了反應(yīng)性濺射
工藝中的主要問題。參數(shù)范圍因此區(qū)分為下面定義的區(qū)域具有高反應(yīng) 性氣體分壓、完全被反應(yīng)產(chǎn)物覆蓋的乾表面以及基底上化學(xué)計量層的
"化合物模式(mode)"區(qū)域，和具有在濺射室內(nèi)低反應(yīng)性氣體分壓、 很大程度上為金屬的靶表面以及基底上金屬層的生長的"金屬形式"區(qū) 域。這些區(qū)域之間通常不可能有穩(wěn)定的過渡。而是導(dǎo)致不穩(wěn)定的工藝狀 態(tài)，下面概述了這種狀態(tài)的產(chǎn)生。在此采用反應(yīng)性氣體02來舉例說明， 但是所列舉的機理同樣適用于在N2、 CHx等氣體中的濺射。
在磁控管'減射的初始，向濺射室內(nèi)添加反應(yīng)性氣體。接著在粑表面 上進行竟?fàn)幮缘纳L工藝和蝕刻工藝。在低02分壓下，氧化物覆蓋的 生長速率低，使得蝕刻工藝由于氧化物層的濺射移除而占優(yōu)勢。靶表面 因此總的來說保持金屬性。這種狀態(tài)是穩(wěn)定的，因為靶作為有效的吸氣 劑泵來運行，它的有效抽吸能力通常是實際用來抽真空的渦輪泵的抽吸 能力的多倍。
如果升高反應(yīng)性氣體分壓，則氧化物層以在某種程度上較高速率在 靶表面上生長。在低的離子流密度和因此低的蝕刻速率下，則生長過程 占優(yōu)勢。以這種方式產(chǎn)生覆蓋有反應(yīng)產(chǎn)物的靶區(qū)域，也被稱作"污染靶 區(qū)域"。與金屬相比，所述污染靶區(qū)域始終具有較低的濺射產(chǎn)率，使得總體 上濺射了較少的靶材料。這導(dǎo)致靶上材料移除減少、乾抽吸能力的降低 和因此反應(yīng)性氣體分壓繼續(xù)升高。
只要反應(yīng)性氣體分壓超過臨界值，則產(chǎn)生自增強效應(yīng)，這是因為反 應(yīng)性氣體分壓的增加導(dǎo)致靶-吸氣劑泵的抽吸能力降低，這反過來又引 起反應(yīng)性氣體分壓的升高。這種不穩(wěn)定性標(biāo)志著從金屬模式向化合物模 式的過渡。
目前技術(shù)上最感興趣的是這兩種狀態(tài)之間不穩(wěn)定的過渡的穩(wěn)定化， 因為一方面由低的濺射產(chǎn)率造成化合物模式的生長速率非常低，另 一方 面，化合物模式的層在反應(yīng)氣體過量下生長，由此導(dǎo)致不利的層性質(zhì)。 因此，在過渡區(qū)域，不僅以高于"化合物模式"的速率沉積化學(xué)計量層，
而且實現(xiàn)了在其它區(qū)域不能實現(xiàn)的層性質(zhì)。以Al摻雜的氧化鋅的沉積 作用作為實例只在過渡區(qū)域沉積材料時既具有光學(xué)透明性也具有高導(dǎo) 電性。另一方面，金屬模式的反應(yīng)性氣體分壓一般來說太低，使得吸收 性亞化學(xué)計量化合物生長。
然而，在工藝正好在也被稱為"過渡模式"不穩(wěn)定的過渡區(qū)域運行 時，可以以高速率沉積期望的化學(xué)計量層。這種不穩(wěn)定的過渡狀態(tài)"過 渡模式"可以通過控制回路(Regelkreise )來穩(wěn)定化，所述控制回路考 慮到了源的動力學(xué)行為并且可以維持技術(shù)上令人感興趣的不穩(wěn)定工作
在兩種沉積方式(化合物模式和金屬模式)之間因此不可能有穩(wěn)定 的過渡并且不存在用于穩(wěn)定平均反應(yīng)性氣體分壓的穩(wěn)定工作點。為了能 夠在技術(shù)上令人感興趣的過渡區(qū)域運行所述工藝，需要主動的控制體系 (主動工藝控制)，利用所述控制體系，根據(jù)測量的工藝參數(shù)(受控參 數(shù))的標(biāo)準(zhǔn)來不間斷地適應(yīng)性調(diào)節(jié)外部可調(diào)節(jié)參數(shù)。已知的是，為了穩(wěn) 定所述工藝，根據(jù)初始工藝參數(shù)(例如反應(yīng)性氣體組分的分壓或等離子 體發(fā)射)的標(biāo)準(zhǔn)來適應(yīng)性調(diào)節(jié)放電電參數(shù)靶電壓或靶電流。因此，在這 種情況下，使用放電電參數(shù)陰極電壓或陰極電流作為可調(diào)節(jié)參數(shù)。還已 知的是，使用反應(yīng)性氣體流自身作為可調(diào)節(jié)參數(shù)。兩種體系都具有廣泛 的應(yīng)用。
5對于所測量的工藝參數(shù)也可以有不同的技術(shù)方案。反應(yīng)性氣體分壓
可以利用質(zhì)譜儀直接測量，在氧的情況下還利用氧傳感器(X-Sonde)。 腔室內(nèi)的總壓可以作為輸入變量。其它的可能性是測量等離子體的光發(fā) 射。最后，測量不同材料的陰極電壓是適合的技術(shù)方案。在利用交變場 運行的等離子體中，對放電的電壓信號和電流信號進行傅立葉變換分析 可實現(xiàn)該目的。因此，例如利用光發(fā)射分光儀可以記錄等離子體中金屬 原子的發(fā)射；改變反應(yīng)性氣體流，以便校正發(fā)射強度相對于設(shè)定值的偏 差。在另一個實例中，在金屬氧化物的沉積工藝中利用氧傳感器觀察氧 分壓；在偏離設(shè)定值時，使發(fā)生器的放電功率進行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。
磁控管濺射是用于在區(qū)別很大的基底上沉積高質(zhì)量的層的已知的、 大規(guī)模工業(yè)性的、可容易轉(zhuǎn)換的方法。所述方法尤其適用于沉積陶瓷或 其它多組分層。
磁控管濺射的相對新的變型是所謂的高功率脈沖磁控管濺射 (HPPMS或HIPIMS ),見D. J. Christie, Journal of Vacuum Science and Technology A 23 (2005)， 330頁至335頁和Kouznetsov， V. ; Macak, K. ; Schneider, J. M. ; Helmersson, U. ; Petrov, I. : A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities in: Surface and Coatings Technology 122 (1999), 2卯畫3頁。在此工藝中， 等離子體通過高功率密度的單個脈沖來激發(fā)。等離子體自身通過電容器 組的周期性放電產(chǎn)生。這涉及脈沖工藝，其中靶上的功率密度達(dá)到DC 運行時常規(guī)值的約30至100倍。功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 kW/cm2是可能的。 在這種條件下，磁控管放電在過渡到電弧放電下運行。因此，引起所濺 射靶材料的電離的增加。對于金屬的濺射，與傳統(tǒng)運行中小于1%的值 相比，電離度已經(jīng)達(dá)到大于80% (D. J. Christie等人，48th SVC Proceedings (2005))。
從現(xiàn)有技術(shù)已知利用HPPMS進行反應(yīng)性濺射的不同工作。在使用 主動控制時，反應(yīng)性氣體流總是用作穩(wěn)定過渡區(qū)域中放電的可調(diào)節(jié)參數(shù) (例如見D. A. Glocker等人，47th SVC Proceedings (2004)， 183頁和 W. D. Sproul等人，47th SVC Proceedings (2004), 96頁)。氣體流控制在 此有它的優(yōu)點，即可以利用已經(jīng)存在的硬件，而不必編寫新的軟件(還 不必建立新的控制，而是使用具有功能氣體流控制的裝置)。然而通過改變反應(yīng)性氣體流來調(diào)節(jié)工作點的主要缺點是相對低的控制速度 一般 來說氣體流的適應(yīng)性調(diào)節(jié)只有在工藝中短的延遲的情況下才可以察覺。 此外，快速氣體流控制所需的裝置，例如適合的氣體分配器和質(zhì)量流控 制器很昂貴。
本發(fā)明的目的因此在于提供用于穩(wěn)定高功率脈沖濺射時的反應(yīng)性 工藝的方法和裝置，利用它們可以以簡便、快速和不復(fù)雜的形式和方法 來穩(wěn)定工作點并且不改變工藝特性。
本發(fā)明技術(shù)方案的基本思想是，在高功率脈沖濺射時通過控制回路 (Regelungsschldfe )來適當(dāng)?shù)?如下面所述)調(diào)整放電功率，代替現(xiàn) 有技術(shù)中使用反應(yīng)性氣體流作為可調(diào)節(jié)參數(shù)來使放電穩(wěn)定化。
因此，基本的問題是，在改變單個放電脈沖內(nèi)功率密度時，工藝特 性劇烈變動并且電離速率因此明顯變化。反應(yīng)性高功率脈沖濺射工藝的 穩(wěn)定化因此不能通過調(diào)整每個脈沖的功率來進行。這個問題通過在保持 單個放電脈沖的形式下適應(yīng)性調(diào)節(jié)放電的頻率來解決。由此改變平均功 率，而不引起工藝特性的改變。
在足夠高的脈沖頻率下可以因此穩(wěn)定所期望的工作點處的放電。
如果在兩個脈沖之間的間隔中沒有出現(xiàn)可覺察的靶狀態(tài)變化，則頻 率就是足夠高。根據(jù)材料不同，在此頻率應(yīng)該大于20Hz,優(yōu)選甚至大 于100Hz。在更高的頻率下則需要更好的工藝控制，在高功率濺射時頻 率上限受靶的熱容許負(fù)荷的限制。
根據(jù)本發(fā)明的利用頻率變化對放電功率的適應(yīng)性調(diào)節(jié)基于下面的 考慮
脈沖等離子體放電施加在靶上的平均功率如下計算
= /*^脈沖 (1)
在此，f表示放電的頻率，W脈沖表示每個脈沖的能量。它由一個脈 沖內(nèi)電流曲線和電壓曲線得出在脈沖持續(xù)時間內(nèi)進行積分。脈沖持續(xù)時間T和頻率f的乘積也被稱 為"工作循環(huán)Tf。目前為了通過功率的變化來實現(xiàn)高功率脈沖濺射的反 應(yīng)性工藝的控制，原則上可以根據(jù)式(1)改變每個脈沖的能量W脈沖或 者頻率f。然而，對于高功率脈沖濺射，每個脈沖的功率改變時可以觀 察到放電特性的明顯變化。功率密度非常高時，引起被濺射材料的電離
增加并且因此引起至基底的顆粒流(Partikelstrom)的巨大變化。每個 脈沖的能量(或者每個脈沖的功率)的改變因此引起電離的持續(xù)變化， 結(jié)果，將削弱甚至在長時間內(nèi)提高工藝穩(wěn)定性的目的。
在頻率或工作循環(huán)改變時，單獨脈沖的形式和因此所濺射物質(zhì)的組 成不依賴于平均功率P。這種根據(jù)本發(fā)明的頻率變化使得能夠通過功率 適應(yīng)性調(diào)節(jié)實現(xiàn)工藝穩(wěn)定化，而不改變放電特性。
根據(jù)本發(fā)明，提供了控制反應(yīng)性高功率脈沖濺射工藝(特別是磁控 管濺射工藝)的方法，在所述方法中，利用調(diào)整回路或控制回路來不停 地連續(xù)適應(yīng)性調(diào)節(jié)作為可調(diào)節(jié)參數(shù)的放電功率，其中通過改變放電的脈 沖頻率來進行。
在一個有利的變化方案(見下面的實施例)中，可以通過對于受控 參數(shù)的多個設(shè)定值來分別確定并貯存可調(diào)節(jié)參數(shù)的待調(diào)整值，從而記錄 和貯存設(shè)定值-工藝曲線，并且基于預(yù)先存儲的設(shè)定值-工藝曲線將受控 參數(shù)調(diào)整到預(yù)定的設(shè)定值。隨后可有利地選擇預(yù)定的設(shè)定值或工作點， 使得所述反應(yīng)性高功率脈沖濺射工藝在不穩(wěn)定的過渡區(qū)域穩(wěn)定化。在根 據(jù)本發(fā)明的方法的有利實施方案中，使用反應(yīng)性氣體分壓、靶電流或靶 電壓，或者如現(xiàn)有技術(shù)中已知的使用等離子體的光發(fā)射或者由放電的電 壓信號和/或電流信號的諧波分析得出的受控參數(shù)來作為受控參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，因此提供了用于控制反應(yīng)性高功率脈沖濺射工藝的方 法和裝置，它們的特征在于，基于受控參數(shù)的適當(dāng)?shù)臏y量，通過適應(yīng)性 調(diào)節(jié)脈沖頻率(或者工作循環(huán)作為替代方案)來適應(yīng)性調(diào)節(jié)放電功率， 從而在期望的工作點(其優(yōu)選在不穩(wěn)定的過渡區(qū)域或過渡模式中選擇) 進行放電。本發(fā)明因此可以通過放電頻率借助于放電功率的快速和不復(fù)雜的 適應(yīng)性調(diào)節(jié)以簡便的方式調(diào)整期望的工作點，而不對工藝特性產(chǎn)生不利 影響。因此，本發(fā)明可以以簡便的方式穩(wěn)定反應(yīng)性高功率脈沖濺射工藝， 從而可以以簡便的方式在基底上沉積具有期望的形態(tài)和相組成的層。
因此，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料的完全反應(yīng)性工藝才可以用于具有高電離度
的PVD方法領(lǐng)域。特別是利用根據(jù)本發(fā)明的方法可改善薄膜(例如ZnO: Al薄層)的成核工藝，并且因此用于高質(zhì)量的晶體生長的方法 (approach)可應(yīng)用于厚度更小的膜。由此可以產(chǎn)生具有改善的結(jié)晶度 和具有改善的比電阻(例如甚至低于400 pQcm)的薄膜。利用根據(jù)本 發(fā)明的方法特別還可以沉積導(dǎo)電和透明的TCO薄膜。所述薄膜(例如 厚度為100至150 nm)可以特別有利地用于平板屏幕。利用根據(jù)本發(fā) 明的方法，除了厚度小于400 nm的薄層沉積之外，尤其有利地還可以 在具有低基底溫度的基底上進行沉積。
根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的裝置可以如下面的實施例所述 來構(gòu)造或者使用。
下面描述了根據(jù)本發(fā)明的工藝的一個實施例。研究了鋁摻雜的鋅氧 化物層的反應(yīng)性HPPMS濺射。為此，使用陰極尺寸為750 x 88 mm2 的涂敷裝置。陰極由鋁含量為1.0重量％的鋅構(gòu)成。在腔室中使用氬作 為工作氣體，氧作為反應(yīng)性氣體。放電由Journal of Vacuum Science and Technology A 22 (2004)第1415-9頁中Christie, D. J. ; Tomasel, F.; Sproul， W. D. ; Carter, D. C. : Power supply with arc handling for high peak power magnetron sputtering描述的發(fā)生器引發(fā)，電容器的充電電 壓為1000 V。
為了測量反應(yīng)性氣體分壓或氧分壓，在所述情況下使用氧傳感器。 電容器組中電容器的放電利用頻率發(fā)生器來實施，從而可以簡便地調(diào)節(jié) 放電的頻率。
首先記錄設(shè)定值-工藝曲線，其中氧分壓作為放電頻率f的函數(shù)而被 記錄。

圖1中的曲線l示出增加的放電頻率f (橫坐標(biāo))下氧分壓的變 化(縱坐標(biāo))，曲線2示出降低的放電頻率f下的氧分壓的相應(yīng)變化。 可以看出，放電頻率f (作為待調(diào)整或待改變的可調(diào)節(jié)參數(shù))和氧分壓
9(作為測量的受控參數(shù))之間沒有確定的關(guān)系，而是不同的曲線根據(jù)放 電的在先情況得出。已知這種效應(yīng)為反應(yīng)性濺射工藝的滯后現(xiàn)象。圖l 示出在輸入氧的情況下改變放電功率以及利用所述控制穩(wěn)定的工作點 時的鋁摻雜的鋅靶的反應(yīng)性濺射工藝的滯后現(xiàn)象。
現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明，利用控制回路來穩(wěn)定不同氧分壓下的放電。所述 控制回路為此保持所測量的氧分壓(所測量的受控參數(shù))與其設(shè)定值的
偏差小，其中如下文詳述，通過采用設(shè)定值-工藝曲線(s-曲線)改變放 電頻率來運行。
為了產(chǎn)生設(shè)定值-工藝曲線(s-曲線)，控制回路的氧分壓的設(shè)定值
持續(xù)升高。將在設(shè)定值下穩(wěn)定氧分壓所需的放電頻率f存儲在裝置的存
儲器中。圖1的曲線3示出如此得到的工藝曲線?？梢钥闯觯€(wěn)定了寬 范圍的氧分壓。重要的是在感興趣的不穩(wěn)定過渡區(qū)域沒有測量到與設(shè)定
值的較大偏差。如圖1所示，僅僅是穩(wěn)定工作點所需的頻率f可以改變。 在所有工作點處穩(wěn)定工藝控制是可能的。
圖2示出了可以用來實施根據(jù)本發(fā)明方法的裝置的理論性示意構(gòu) 造。其中利用電源設(shè)備1連接振蕩電路2。所述振蕩電路包括電容器2b 和線圏2a。借助于電源設(shè)備可以對電容器2b施加確定的電壓Uc(電容 器的充電)。電容器2b隨后可以借助于開關(guān)3通過振蕩電路的線圏2a 在等離子體中放電。對于電容器中貯存的能量適用下式E脈沖
=0.5*C*Uc2 ( C =電容器2b的容量，Uc=電容器的充電電壓)。所述 能量如上所述在等離子體P中通過電感2a放電。通過氧傳感器5來確 定氧分壓。借助于由氧傳感器5確定的氧分壓值如上所述利用PID調(diào)節(jié) 器6來改變頻率發(fā)生器4的頻率，由此改變放電的脈沖頻率。
在所述情況下，在由氧和氬構(gòu)成的氣氛中濺射鋁濃度為1.0重量％ 的Zn/Al陰極。在此涂敷工藝中氣體流量有利地保持恒定。氬流量和泵 速度調(diào)整為與650至800 mPa的總壓相匹配。選擇氧流量，以便對于給 出限定的靶電壓可以穩(wěn)定金屬模式(Modus)和氧化物模式，而不需要 其它改變(如下)。因此可以在未被加熱的基底(室溫)上進行沉積， 就像在被加熱至200n的基底上一樣。例如可以作為基底使用。有利的 是，可以使用值為700 V至1200 V的乾電壓。氧分壓可以例如設(shè)定為 32.5至45 mPa之間的恒定值。如上所述，所述沉積既可以在室溫的基
10底上也可以例如在加熱的基底(基底溫度200"C)上進行。對于基底溫 度為200n的沉積，有利的是還可以設(shè)定更高的氧分壓，例如45至70 mPs的值。
前述設(shè)定值-工藝曲線(S-曲線)使用下面的參數(shù)
工藝充電電壓為IOOO V, PK750-陰極時的 HPPMS激發(fā)系統(tǒng)參數(shù)靶-基底間距dST90 mm
靶材料ZnO:Al (1,0重量-%)
氣體流qAr2 x 50 sccm
q。245 sccm
工藝參數(shù)基底溫度 總壓Ts Ptot200 。C 650-750 mPa
1權(quán)利要求
1. 一種用于控制反應(yīng)性高功率脈沖濺射工藝的方法，在所述方法中測量受控參數(shù)并且基于所測量的受控參數(shù)來改變可調(diào)節(jié)參數(shù)，從而將受控參數(shù)調(diào)節(jié)到預(yù)定的設(shè)定值，所述方法的特征在于，通過在保持單個放電脈沖形式的條件下改變放電的脈沖頻率來改變作為可調(diào)節(jié)參數(shù)的放電功率。
2. 根據(jù)前述權(quán)利要求的方法，其特征在于，通過對于受控參數(shù)的 多個設(shè)定值分別確定并貯存可調(diào)節(jié)參數(shù)的待調(diào)整值，記錄和貯存設(shè)定值 -工藝曲線并且基于設(shè)定值-工藝曲線將受控參數(shù)調(diào)整到預(yù)定的設(shè)定值。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，選擇預(yù)定的 設(shè)定值，使得所述反應(yīng)性高功率脈沖濺射工藝在不穩(wěn)定的過渡區(qū)域中穩(wěn) 定化。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，使用反應(yīng)性 氣體分壓、靶電流、靶電壓、等離子體的光發(fā)射、濺射室內(nèi)的總壓力或 者由放電的電壓信號和/或電流信號的諧波分析得出的受控參數(shù)作為受 控參數(shù)。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，用氧傳感器 或者用質(zhì)譜儀測量反應(yīng)性氣體分壓。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，借助于頻率 發(fā)生器改變放電的脈沖頻率。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，控制回路配 置為比例調(diào)節(jié)、微分調(diào)節(jié)或積分調(diào)節(jié)。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，利用氧、氮 或者它們的混合物作為反應(yīng)性氣體來控制。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，控制反應(yīng)性 高功率脈沖磁控管濺射工藝。
10. —種用于反應(yīng)性高功率脈沖濺射的裝置，所述裝置包括 濺射室，陰極，其上布置待濺射的靶，和具有至少一個電容器的電容器組，利用其周期性放電可以產(chǎn)生等離 子體，所述裝置的特征在于控制單元，利用它可以測量受控參數(shù)并且基于 所測量的受控參數(shù)可以改變可調(diào)節(jié)參數(shù)，從而將受控參數(shù)調(diào)整到預(yù)定的 設(shè)定值，所述裝置配置為用于在保持單個放電脈沖形式的條件下改變電容器組中電容器放電的脈沖頻率，從而改變作為可調(diào)節(jié)參數(shù)的放電功 率。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的裝置，其特征在于與電容器組耦 合的頻率發(fā)生器，利用該頻率發(fā)生器通過控制電容器組中電容器的放電 特性可以改變放電的脈沖頻率。
全文摘要
本發(fā)明涉及反應(yīng)性高功率脈沖濺射工藝的控制。提供了一種用于控制所述工藝的方法，在所述方法中測量受控參數(shù)并且基于所測量的受控參數(shù)來改變可調(diào)節(jié)參數(shù)，從而將受控參數(shù)調(diào)節(jié)至預(yù)定的設(shè)定值，其特征在于，通過放電的脈沖頻率變化來改變作為可調(diào)節(jié)參數(shù)的放電功率。
文檔編號H01J37/34GK101473406SQ200780023440
公開日2009年7月1日 申請日期2007年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月20日
發(fā)明者弗洛里安·魯斯克, 福爾克爾·西特英格, 貝恩德·希什卡 申請人:弗蘭霍菲爾運輸應(yīng)用研究公司