專利名稱：使用遠(yuǎn)程等離子體源的介電沉積的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及濺射沉積エ藝工具，且本發(fā)明尤其涉及用于介電材料的高生產(chǎn)率濺射沉積系統(tǒng)，所述系統(tǒng)配置有遠(yuǎn)離濺射靶材的等離子體源。
背景技術(shù)：
在由于內(nèi)部熱應(yīng)カ的材料裂縫之前，在介電材料的常規(guī)射頻(radiofrequency;RF)濺射中的沉積速率受到可施加于靶材的功率密度的限制。介電材料通常為不良的導(dǎo)熱體。常規(guī)派射源中的磁控管以跑道圖案(racetrack pattern)約束Ar等離子體。如此橫跨靶材產(chǎn)生不均勻功率密度，導(dǎo)致靶材的不均勻加熱、靶材中的內(nèi)應(yīng)カ累積以及
甚至裂縫。特別地，用于在制造薄膜電池時(shí)濺射沉積鋰磷氮氧(LiPON)電解質(zhì)材料的介電靶材對(duì)裂縫敏感。目前，將LiPON薄膜的沉積速率保持較低以避免使靶材材料裂化。存在對(duì)于用于沉積LiPON薄膜的改進(jìn)方法和設(shè)備的需要。發(fā)明概述本發(fā)明的實(shí)施例提供濺射沉積工具和方法，所述濺射沉積工具和方法為使用Li3PO4 (磷酸鋰)濺射靶材的薄膜電池的LiPON沉積提供制造優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)使用諸如由英國(guó)的Plasma Quest Ltd.(等離子體快思特有限公司)提供且在美國(guó)專利第6，463，873號(hào)和第7，578，908號(hào)中描述且在WWW. plasmaquest. com. uk (最后一次于2010年3月19日訪問(wèn))可知的遠(yuǎn)程等離子體源，可以實(shí)現(xiàn)橫跨Li3PO4靶材的更均勻氬離子分布。如此產(chǎn)生Li3PO4靶材的更均勻加熱，從而產(chǎn)生減少的熱應(yīng)力。因此，可以增加功率密度，從而產(chǎn)生較高LiPON沉積速率。此外，在本文描述對(duì)等離子體源的改進(jìn)和對(duì)沉積腔室的改進(jìn)，所述改進(jìn)允許使用一般用于半導(dǎo)體集成電路制造中的用于濺射大尺寸介電靶材的遠(yuǎn)程等離子體源，對(duì)于200mm基板的13英寸祀材和對(duì)于300mm基板的17英寸祀材。例如,代替圓柱形等離子體源，具有較大縱橫比的等離子體源可用來(lái)產(chǎn)生適用于覆蓋較大靶材尺寸的細(xì)長(zhǎng)等離子體。可將靶材配置改進(jìn)以提供更均勻的靶材腐蝕，例如通過(guò)將靶材整形以補(bǔ)償不均勻腐蝕?？墒褂秒姶盆F和/或磁鐵(永久磁鐵或磁性材料)將等離子體在沉積腔室中擴(kuò)散以覆蓋較大靶材。根據(jù)本發(fā)明的方面，提供ー種濺射沉積系統(tǒng)，所述濺射沉積系統(tǒng)包括真空腔室，所述真空腔室包括用于在所述真空腔室中維持真空的真空泵；進(jìn)氣ロ，所述進(jìn)氣ロ用于供應(yīng)エ藝氣體到真空腔室；在真空腔室之內(nèi)的濺射靶材；在真空腔室之內(nèi)的基板支撐器；和等離子體源，所述等離子體源附著于真空腔室且定位于距濺射靶材較遠(yuǎn)位置，所述等離子體源被配置為形成延伸至真空腔室中的高密度等離子體束。等離子體源可包括矩形截面源腔室；電磁鐵；和射頻線圈；其中矩形截面源腔室和射頻線圈被配置為使高密度等離子體束具有細(xì)長(zhǎng)卵形截面。此外，濺射靶材表面可被設(shè)置為非平面形式，以提供均勻等離子體能量沉積至靶材中和/或在基板支撐器上的基板表面處提供均勻?yàn)R射沉積。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)ー步方面，濺射沉積系統(tǒng)可包括用于整形高密度等離子體束的等離子體擴(kuò)散系統(tǒng)，從而完全且均勻地覆蓋濺射靶材。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明在閱讀本發(fā)明的特定實(shí)施例的以下描述連同附圖之后，本發(fā)明的這些及其他方面和特征將對(duì)本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)，在所述附圖中圖I為具有遠(yuǎn)程等離子體源的現(xiàn)有技術(shù)濺射沉積系統(tǒng)的透視圖；圖2為第一現(xiàn)有技術(shù)濺射沉積系統(tǒng)的源腔室和エ藝腔室的示意性截面圖； 圖3為圖示由于腔室螺線管的磁通線的圖2的示意性截面圖。圖4為具有用于轉(zhuǎn)向等離子體束的轉(zhuǎn)向磁鐵的第二現(xiàn)有技術(shù)濺射沉積系統(tǒng)的源腔室和エ藝腔室的示意性截面圖；圖5為具有用于轉(zhuǎn)向等離子體束的轉(zhuǎn)向磁鐵的第三現(xiàn)有技術(shù)濺射沉積系統(tǒng)的源腔室和エ藝腔室的示意性截面圖；圖6為第四現(xiàn)有技術(shù)濺射沉積系統(tǒng)的源腔室和エ藝腔室的示意性截面圖；圖7為圖6的濺射沉積系統(tǒng)的替代現(xiàn)有技術(shù)靶材部件的細(xì)節(jié)；圖8為根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的遠(yuǎn)程等離子體源的第一實(shí)例的示意圖；圖9為根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的遠(yuǎn)程等離子體源的第二實(shí)例的示意圖；

圖10為產(chǎn)生非均勻膜厚度的靶材幾何形狀的實(shí)例的截面圖；圖11為根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的用于改進(jìn)膜厚均勻性的靶材幾何形狀的實(shí)例的截面圖；圖12為根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例用于整形等離子體的系統(tǒng)配置的第一實(shí)例的示意圖；和圖13為根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例用于整形等離子體的系統(tǒng)配置的第二實(shí)例的示意圖。具體描述現(xiàn)將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述附圖作為本發(fā)明的說(shuō)明性實(shí)例提供以便使所屬領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明。明顯地，下文的附圖和實(shí)例并不意味將本發(fā)明的范圍限于單個(gè)實(shí)施例，而通過(guò)互換所描述或圖示的元件中的某些或所有元件，其他實(shí)施例也是可能的。此外，在本發(fā)明的某些元件可以部分或全部地使用已知部件實(shí)施的情況下，僅將描述對(duì)于理解本發(fā)明所必需的所述已知部件的那些部分，且將忽略所述已知部件的其他部分的詳細(xì)描述以免模糊本發(fā)明。在本說(shuō)明書中，展示單個(gè)部件的實(shí)施例應(yīng)不會(huì)被視為限制；相反的是，本發(fā)明打算涵蓋包括多個(gè)相同部件的其他實(shí)施例，且反之亦然，除非在本文中另外明確敘述。此外，申請(qǐng)者不打算使本說(shuō)明書或權(quán)利要求書中的任何術(shù)語(yǔ)歸屬于罕見(jiàn)或特殊的意義，除非同樣明確地闡述。進(jìn)一歩，本發(fā)明涵蓋通過(guò)說(shuō)明在本文中所指的已知部件的當(dāng)前及未來(lái)的已知等同物。Li3PO4 (磷酸鋰)濺射靶材用于薄膜電池的電解沉積。更具體地說(shuō)，鋰磷氮氧(LiPON)電解材料在氮環(huán)境中通過(guò)濺射沉積磷酸鋰而沉積。為了減少靶材的不均勻加熱，利用遠(yuǎn)程等離子體源來(lái)避免在靶材處將氬等離子體約束為跑道圖案的常規(guī)磁控濺射源的不均勻功率密度。遠(yuǎn)程等離子體源橫跨Li3PO4靶材提供更均勻氬離子分布。如此產(chǎn)生Li3PO4靶材的更均勻加熱，從而產(chǎn)生減少的熱應(yīng)力。因此，可以增加功率密度，從而產(chǎn)生較高LiPON沉積速率。遠(yuǎn)程等離子體源的實(shí)例為由英國(guó)的Plasma Quest Ltd.提供且在美國(guó)專利第6, 463, 873 號(hào)和第 7，578, 908 號(hào)中描述且在 www. plasmaquest. com. uk(最后一次于 2010 年3月19日訪問(wèn))可知的等離子體源。具有遠(yuǎn)程等離子體源的濺射沉積系統(tǒng)在受讓給英國(guó)的Plasma Quest Ltd.的美國(guó)專利第6，463，873號(hào)中描述。在本文中參照?qǐng)DI至圖5提供所述系統(tǒng)的細(xì)節(jié)。圖I圖示具有エ藝腔室3和源腔室2的Plasma Quest (等離子體快思特)的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的外觀，所述源腔室2具有相關(guān)的線圈10。圖2圖示第一 Plasma Quest的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的示意圖。在圖2中圖示大體上圓柱形真空腔室1，所述真空腔室I具有第一截面的源腔室2、較大截面的エ藝腔室3和錐形 截面的終止端4。源腔室具有可將被離子化的エ藝氣體引入的進(jìn)ロ 5。エ藝腔室3具有用于排空真空腔室I的在7處附著于真空泵的出ロ 6，在設(shè)備的使用時(shí)，引起工藝氣體通過(guò)設(shè)備的流動(dòng)。終止端4是被螺旋排列的水管8水冷；終止端4的端部包括用于觀察在腔室中產(chǎn)生的等離子體“P”的玻璃觀察孔9。螺旋纏繞的線圈環(huán)形天線10具有四匝且為黃銅帶形式，且所述線圈環(huán)形天線的端部彼此電絕緣，其中一個(gè)端部連接到RF電源11且另ー個(gè)端部連接到大地。四匝中的每ー個(gè)與相鄰匝以大約ー厘米或兩厘米間隔開。天線的全長(zhǎng)度為大約六厘米至八厘米。射頻電源的頻率為13.56MHz。有ー環(huán)形螺線管形式的源磁鐵(sourcemagnet)12圍繞天線且與天線同軸，所述源磁鐵12具有稍大于所述天線外徑的內(nèi)徑且與所述天線電氣隔離。螺線管磁鐵12是通過(guò)連接至電源(未圖示)而起動(dòng)。有另ー環(huán)形螺線管形式的腔室磁鐵13圍繞腔室I的終止端4，所述腔室磁鐵13具有比源磁鐵12更大的直徑。圖2的示例性設(shè)備具有由石英制成的源腔室2和一百五十毫米的內(nèi)徑、較寬的エ藝腔室3和具有與源腔室2的初始直徑相同的初始直徑的終止端4，但所述終止端4在遠(yuǎn)離エ藝腔室3的方向中成錐形。在真空泵于7處開啟的設(shè)備的使用時(shí)，源螺線管12和腔室螺線管13分別且都開啟，其中兩個(gè)螺線管的繞組在相同方向上產(chǎn)生平行于エ藝腔室軸線的磁場(chǎng)，且腔室磁鐵13產(chǎn)生比源磁鐵的磁場(chǎng)效應(yīng)(5X 10_3特斯拉)更大的個(gè)別磁場(chǎng)效應(yīng)(5X10_2特斯拉)，但其中各個(gè)磁場(chǎng)的通量被連接以相對(duì)于螺旋纏繞線圈天線10的主軸(縱軸)整體產(chǎn)生非軸向磁場(chǎng)。所述非軸向磁場(chǎng)的典型通量線圖示于圖3中，所示圖3圖示與圖2的設(shè)備相同類型的設(shè)備。然而，應(yīng)當(dāng)注意，因?yàn)橥ǔ⒂嘘P(guān)于磁場(chǎng)的某些不均勻性，所以使用均勻磁場(chǎng)并不是必需的。磁場(chǎng)如此形成意味在使用時(shí)存在以遠(yuǎn)離天線10方向増加的磁梯度3，并且所產(chǎn)生的RF電場(chǎng)必須與真空腔室中的磁通量線相互作用。另外，冷卻水通過(guò)螺旋排列的管8并且氬(被離子化的)氣存在于排空的真空腔室I中，腔室壓カ范圍應(yīng)優(yōu)選介于 7 X 10 5mbar 與 2 X 10 2mbar 之間。在圖2中圖示的設(shè)備的操作圖示在低壓下形成高密度等離子體束P。特別地，氬離子效率在5kW的功率及8X lOlibar的壓カ下經(jīng)計(jì)算為超過(guò)百分之三十。圖4圖示作為圖2中所示的設(shè)備的添加的轉(zhuǎn)向磁鐵40的使用。所述轉(zhuǎn)向磁鐵為定位在エ藝腔室3的一側(cè)上的環(huán)形螺線管的形式(如圖所示頂部)。在使用吋，螺線管磁鐵的極性確定等離子體束P是否朝向轉(zhuǎn)向磁鐵40偏斜或轉(zhuǎn)向(如圖所示)，或者確定等離子體束P是否遠(yuǎn)離磁鉄。轉(zhuǎn)向等離子體束的能力在其中控制等離子體相對(duì)于基板的方向非常重要的某些涂布方法中可能具有相當(dāng)大的好處，例如定位在エ藝腔室3上部或下部中的基板。就此而言，圖5圖示具有與靶材的平面平行但不共線的中央縱軸的源腔室的使用。靶材被定位以使得從源腔室進(jìn)入エ藝腔室的等離子體需要大體上朝靶材偏斜。圖5的設(shè)備包括圓柱形真空腔室1，所述圓柱形真空腔室I具有エ藝腔室51和源腔室52，在所述源腔室52中部署RF螺旋纏繞線圈天線53。在腔室I中還存在靶材54和基板55，所述靶材54具有待濺射的材料表面，且靶材材料將沉積在所述基板55中。在エ藝腔室51頂部(如圖所示)的電磁裝置56與源腔室52相對(duì)或在天線的右側(cè)，且定位在エ藝腔室51周圍的進(jìn)一步電磁裝置57在設(shè)備使用時(shí)提供磁性裝置以產(chǎn)生磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)通過(guò)與設(shè)備使用時(shí)的RF天線53的電場(chǎng)分 布(profile)相互作用，產(chǎn)生高密度等離子體波。在圖5的設(shè)備使用時(shí)，例如再次將氣體在箭頭G的方向引入到腔室中將為通過(guò)真空泵(未圖示)在箭頭V的方向動(dòng)作而排空腔室1，如此允許通過(guò)從螺旋纏繞線圈天線53傳播的高密度等離子體波產(chǎn)生非常高強(qiáng)度的等離子體，且允許根據(jù)通常用在靶材54和基板55之間的參考字母P指示的虛線區(qū)域中的電磁裝置56、57呈現(xiàn)非常高強(qiáng)度的等離子體。在圖5中，從存在于源腔室中的天線63在靶材54和基板55之間且因此遠(yuǎn)離腔室的涂布區(qū)域產(chǎn)生高強(qiáng)度等離子體P的能力清楚地得到避免或至少最小化來(lái)自天線的RF泄漏的可能性，因?yàn)榇篌w上無(wú)腔室內(nèi)壁的涂布將在天線53附近的源腔室中發(fā)生。有可能通過(guò)使角度超過(guò)圖5中所示的九十度，例如一百三十五度，使源腔室52具有對(duì)圖5中所示的定向的不同定向。此舉將給予避免從天線53的RF泄漏的更大可能性，因?yàn)樯踔粮偻繉討?yīng)將對(duì)源腔室52的壁起作用。具有遠(yuǎn)程等離子體源的濺射沉積系統(tǒng)的進(jìn)ー步細(xì)節(jié)在受讓給英國(guó)的PlasmaQuest Ltd.的美國(guó)專利第7，578，908號(hào)中描述。在本文中參照?qǐng)D6至圖7提供所述系統(tǒng)的
進(jìn)ー步細(xì)節(jié)。圖6圖示第四Plasma Quest現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)。在圖6中，真空腔室101和由泵送系統(tǒng)102泵送腔室的可控制真空裝置配備有遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)103、圓柱形靶材部件104、直流電源105、環(huán)形電磁鐵106和能夠產(chǎn)生100高斯至500高斯的軸向磁場(chǎng)的相關(guān)聯(lián)直流電源 107、基板載體(substrate carrier) 108、活門部件(shutter assembly) 109 和可控制エ藝氣體饋送系統(tǒng)110。遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)103包括安裝在真空腔室101上的石英管112外部的線圈天線111、圍繞在石英管112與真空腔室101的連接處或附近的石英管112的環(huán)形電磁鐵113、13. 56MHz的交流射頻發(fā)生器14和連接到線圈天線111的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)15，和電氣連接至環(huán)形電磁鐵113且能夠結(jié)合產(chǎn)生100高斯至500高斯的軸向磁場(chǎng)的直流電源16。圓柱形靶材部件104包括真空腔室通孔17，所述真空腔室通孔17饋送水和供電到安裝部件18，從而所述安裝部件18被水冷且能夠具有從真空腔室外部的電源施加到所述安裝部件18的電壓。另外，將靶材材料19安裝在安裝部件18周圍，從而通過(guò)本領(lǐng)域中眾所周知的方法確保良好的電接觸和熱接觸。另外地，為了避免通孔17和安裝部件18的濺射，在所述通孔17和安裝部件18安裝到腔室的周圍提供電接地的遮護(hù)板20?；遢d體108本質(zhì)上提供定位和支撐待在真空腔室之內(nèi)涂布的基板21的方法。載體可被水冷或包括控制基板溫度的加熱器，載體可能夠具有施加到所述載體的電壓以協(xié)助控制沉積膜性質(zhì)，且載體可包括旋轉(zhuǎn)和/或傾斜基板以改進(jìn)均勻性的裝置，且載體自身能夠在真空腔室之內(nèi)移動(dòng)和/或旋轉(zhuǎn)。提供活門部件109以使得在“閉合”位置處，靶材濺射可在不涂布基板的情況下發(fā)生。エ藝氣體饋送系統(tǒng)110包括用于ー種或多種エ藝氣體或エ藝氣體混合物的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣ロ，每ー氣流例如使用商用質(zhì)量流量控制器可控制，且エ藝氣體饋送系統(tǒng)110可選擇地在真空腔室之內(nèi)包括氣體混合歧管和/或氣體分配系統(tǒng)。可向真空腔室提供單個(gè)進(jìn)氣ロ，然后ー種或多種エ藝氣體通過(guò)正常低壓擴(kuò)散エ藝或定向管道分配給所有部分的真空。在圖6的Plasma Quest現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中,將祀材部件構(gòu)造以便提供直徑為12mm且暴露長(zhǎng)度為大約275_的不銹鋼靶材材料表面，且所述不銹鋼靶材材料表面放置在真空腔室中的等離子體汽缸之內(nèi)。將在此實(shí)例中由玻璃制成的待涂布的基板21以離靶材的110_的距離裝入基板載體108中。將活門部件109設(shè)置到閉合位置。然后，將真空腔室I由泵送系統(tǒng)102泵送到適合于エ藝的真空壓力，例如低于1X10_5托的壓力。然后，使用エ藝氣體饋送系統(tǒng)110流動(dòng)至少ー種エ藝氣體(例如氬氣)至真空腔室中。流率和選擇性的真空泵送速率被調(diào)節(jié)以提供濺射エ藝的適當(dāng)工作壓力，例如3X 10_3托的工作壓力。電磁鐵106和113連同所述電磁鐵106和113各自的電源107和16然后用來(lái)橫跨真空腔室產(chǎn)生強(qiáng)度 大約100高斯至300高斯的磁場(chǎng)。所述磁場(chǎng)的精確形狀和強(qiáng)度將達(dá)到通過(guò)系統(tǒng)的其余部分的精確幾何形狀和要求決定的程度。在此實(shí)例中，環(huán)形電磁鐵113被通電以在環(huán)形電磁鐵113中心產(chǎn)生200高斯的磁場(chǎng)強(qiáng)度；環(huán)形電磁鐵106被通電以在環(huán)形電磁鐵106中心產(chǎn)生200高斯至250高斯的磁場(chǎng)強(qiáng)度。每ー環(huán)形電磁鐵的磁“扱”相同(即磁“極”吸引)，產(chǎn)生橫越腔室的大約圓柱形磁通量。遠(yuǎn)程等離子體是通過(guò)經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)15從發(fā)生器14施加例如2kW的射頻功率到線圈天線111產(chǎn)生。與如上所述產(chǎn)生的磁場(chǎng)相結(jié)合，此舉導(dǎo)致橫跨腔室且圍繞靶材部件104產(chǎn)生高密度等離子體。在此實(shí)例中，等離子體狀態(tài)被設(shè)置為18. 5sccm的氬氣流、4X10_3托的真空系統(tǒng)壓力、施加到線圈天線的O. 75kW射頻功率，線圈電磁鐵113的軸向磁場(chǎng)為大約200高斯且線圈電磁鐵106的軸向磁場(chǎng)為大約250高斯。如此產(chǎn)生具有特有淡藍(lán)色顯色的強(qiáng)烈氬等離子體，表示大約IXlO13Cnr3的等離子體密度的存在。在此實(shí)例中的遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生直徑大約80_的圓柱形等離子體，所述圓柱形等離子體可通過(guò)環(huán)形電磁鐵106和113引導(dǎo)到真空腔室中且約束為相同的大約圓柱形和直徑。來(lái)源于遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生源的等離子體可使用環(huán)形電磁鐵6和13引導(dǎo)且整形以完全覆蓋整個(gè)靶材材料表面，無(wú)等離子體密度的損失或不均勻性，即靶材材料的存在不阻礙或有害地影響等離子體。圖6的Plasma Quest現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)ー步優(yōu)點(diǎn)在于盡管放置在高密度等離子體之內(nèi)，靶材部件也大體上不加熱，即使在無(wú)水冷的情況下。通過(guò)遠(yuǎn)程等離子體系統(tǒng)產(chǎn)生且被磁場(chǎng)約束的等離子體不由靶材的存在而被破壞。如此是由于盡管等離子體整體為圓柱形，等離子體產(chǎn)生區(qū)域?yàn)楣軤钋揖哂蓄愃朴谑⒐?12的直徑的直徑，因此等離子體產(chǎn)生區(qū)域不由較小直徑靶材截取。由于等離子體產(chǎn)生區(qū)域也為大部分遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)能量引導(dǎo)至的區(qū)域，所以僅截取所述區(qū)域的項(xiàng)目大體上加熱。然后，直流電源105可用來(lái)施加負(fù)極性電壓到圓柱形靶材部件104。如此從吸引到靶材的靶材附近的等離子體中產(chǎn)生離子，如果電壓超過(guò)靶材材料的濺射閾值(一般地超過(guò)65伏特)，那么將發(fā)生靶材材料濺射。由于所述示例性系統(tǒng)的濺射速率大約與超過(guò)所述閾值的電壓成比例，所以通常將施加600伏特或600伏特以上的電壓；對(duì)于極高速率的應(yīng)用，可以使用較高的電壓，例如1200伏特的電壓。在此實(shí)例中，使用直流電源105將500V的負(fù)極性直流電壓施加于靶材部件(且從而施加于靶材材料)達(dá)一分鐘的時(shí)段。產(chǎn)生所述電流所需的等離子體密度大約為1.76X1013cm_3。在允許靶材表面清潔和穩(wěn)定的例如5分鐘的可選時(shí)間延遲之后，可將活門部件109設(shè)置為開啟位置，以將面對(duì)圓柱形靶材部件的基板21的表面暴露于濺射材料，從而將基板表面涂布靶材材料19的薄膜。在通過(guò)基板表面處的所需薄膜厚度和沉積速率確定的時(shí)間之后，可設(shè)置活門部件109到閉合位置并且到基板上的沉積終止。因此，可根據(jù)需要關(guān)閉各種電源和氣流，且使用例如氮?dú)饣蚩諝獾倪m當(dāng)氣體將真空系統(tǒng)通向大氣壓力，以允許被涂布基板的恢復(fù)和后續(xù)使用。使用諸如圖6中所示的現(xiàn)有技術(shù)Plasma Quest系統(tǒng)，且使用如靶材材料的不銹鋼，對(duì)應(yīng)于I. 17nm. s—1的沉積速率，基板可涂布有厚度為70nm的不銹鋼薄膜，其中沉積區(qū)域圍繞對(duì)于大約150_縱向長(zhǎng)度的沉積均勻的靶材部件限定汽缸。因此，基板可以放置于其上用于均勻涂布的區(qū)域?yàn)榇蠹slX105mm2。在其他現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，通過(guò)磁性感應(yīng)的90度彎曲且電壓偏壓至500V的負(fù)極性、 在相似條件下操作且引導(dǎo)至平面IOOmm直徑靶材的如上所述用于圖6的相同等離子體源將在大約8 X IO3Him2的均勻沉積區(qū)域上產(chǎn)生低于O. 3nm. s_1的沉積速率。在圖6的現(xiàn)有技術(shù)Plasma Quest系統(tǒng)中，將適當(dāng)大小的大體上圓柱形祀材放置在來(lái)源于遠(yuǎn)程等離子體源的圓柱形等離子體之內(nèi)，所述遠(yuǎn)程等離子體源在沉積速率和沉積區(qū)域中給出顯著改進(jìn)。由于處于在靶材之外和靶材周圍的等離子體產(chǎn)生管，圓柱形等離子體并非通過(guò)將靶材放置在圓柱形等離子體之內(nèi)而熄滅。所述配置將等離子體使用的效率最大化，因?yàn)榘胁谋砻驵徑跈M跨真空腔室傳播的整個(gè)等離子體產(chǎn)生管。在圖6的Plasma Quest系統(tǒng)的第一現(xiàn)有技術(shù)替代實(shí)施例中，祀材材料19和安裝部件18具有例如六角形的非圓形外部截面。此截面可能優(yōu)于原始實(shí)施例的大體上圓形截面，以例如使構(gòu)造更容易或者向基板提供改進(jìn)的沉積均勻性。在圖示于圖7中的圖6的Plasma Quest系統(tǒng)的第二現(xiàn)有技術(shù)的替代實(shí)施例中，單個(gè)靶材材料19是由例如六角形截面安裝部件18上的兩種或兩種以上不同靶材材料，例如三種靶材材料22和23和24替代，以便將不同材料涂層引導(dǎo)至真空腔室的不同區(qū)域。圖6的靶材部件4可選擇性地包括將靶材部件4圍繞靶材部件4的縱軸旋轉(zhuǎn)的裝置。所述裝置允許例如可隨意選擇地將材料重新引導(dǎo)至不同基板位置，因此所述裝置提供將不同薄膜材料連續(xù)沉積到基板上的基礎(chǔ)?；蛘?，旋轉(zhuǎn)可為連續(xù)的且足夠快速的，例如IOOrpm,以致基板有效地接收作為靶材材料混合物的薄膜涂層。所述兩種能力在薄膜涂層エ業(yè)中都有廣泛應(yīng)用。在圖6的Plasma Quest系統(tǒng)的第三現(xiàn)有技術(shù)替代實(shí)施例中，靶材遮護(hù)板20被延伸以覆蓋靶材材料和安裝部件的全長(zhǎng)，且靶材遮護(hù)板20包括孔從而允許等離子體僅在那些位置與靶材相互作用且濺射靶材，由此限制和限定待濺射的目標(biāo)區(qū)域和濺射發(fā)生至其中的真空腔室的區(qū)域。所述替代實(shí)施例當(dāng)與包含若干靶材材料的靶材結(jié)合時(shí)尤為有用且意味著如先前所述的旋轉(zhuǎn)，因?yàn)樗鎏娲鷮?shí)施例能夠降低材料在基板處的交叉沾污。設(shè)想Plasma Quest系統(tǒng)的進(jìn)一步替代現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例。例如,遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生源僅需要在所述遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生源的出ロ向真空腔室提供管狀產(chǎn)生區(qū)域，并且因此遠(yuǎn)程等離子體產(chǎn)生源可例如由“helicon (螺旋波)”天線源提供。替代的例如40MHz的射頻可用來(lái)將遠(yuǎn)程等離子體源天線通電。多于兩個(gè)電磁鐵或永久磁鐵可用來(lái)引導(dǎo)和約束等離子體；例如放置在圖6中所示的那些電磁鐵之間的附加電磁鐵可用來(lái)改進(jìn)磁約束并且由此允許使用較長(zhǎng)靶材長(zhǎng)度，同時(shí)在基板可以放置的沉積區(qū)域中有相應(yīng)增加。已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，圖6的現(xiàn)有技術(shù)Plasma Quest系統(tǒng)還可以用于反應(yīng)濺射エ藝，所述反應(yīng)濺射エ藝為其中經(jīng)由氣體饋送系統(tǒng)110引入反應(yīng)氣體或蒸氣以與一種或更多種濺射靶材材料反應(yīng)，且因此在基板上沉積化合物薄膜的エ藝。例如，可參照?qǐng)D6將氧氣引入如上所述的濺射エ藝和替代實(shí)施例以沉積氧化物薄膜，例如在存在氧氣的情況下通過(guò)濺射鋁靶材以沉積氧化鋁，或在存在氧氣的情況下通過(guò)濺射硅靶材以沉積ニ氧化硅。英國(guó)的Plasma Quest Ltd.公開派射沉積以下材料的Plasma Quest現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的使用 / 潛在使用 金屬 Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Hf、In、Mg、Mn、Mo、Nb、Ni、Pb、Pt、Sn、Ta、Ti、W、Y, Zn 和 Zr ；電介質(zhì) AIN、Al2O3' PbO, SiO2, Ta205、Nb05、TiO2, TixO2x^1, TiN,Hf02、Cu0、In203、Mg0和氮氧化物及次氧化物；透明傳導(dǎo)氧化物Sn: InO(ITO) > IniZnO(IZO)、Al: ZnO (AZO)和 ZnO ;和磁性材料 Co、CoFe、Fe 和 NiFe。請(qǐng)參見(jiàn) www. plasmaquest. com. uk(最后一次訪問(wèn)于2010年3月19日)。然而，未公開LiPON的濺射沉積和/或Li3PO4靶材 材料的使用。英國(guó)的Plasma Quest Ltd.也公開了以下應(yīng)用領(lǐng)域中的Plasma Quest現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的使用/潛在使用柔性電子、透明傳導(dǎo)氧化物、磁性媒體、高移動(dòng)性薄膜晶體管(ThinFilm Transistor;TFT)、光子學(xué)和精密光學(xué)裝置、濾光器、波導(dǎo)材料、光致發(fā)光裝置、場(chǎng)致發(fā)光裝置、阻擋層、保護(hù)和耐磨涂層和濕涂層的替代。請(qǐng)參見(jiàn)WWW. plasmaquest. com. uk(最后一次訪問(wèn)于2010年3月19日)。然而，未公開薄膜電池的應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明包括對(duì)如上所述系統(tǒng)的改進(jìn)以能夠有效地利用遠(yuǎn)程等離子體源在較大基板上濺射沉積，諸如200mm和300mm的基板。對(duì)遠(yuǎn)程等離子體源的改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)中使用的圓柱形遠(yuǎn)程等離子體源只可產(chǎn)生相對(duì)受限的等離子體區(qū)域。所述區(qū)域?qū)⒖杀粸R射的靶材的尺寸限制為直徑為幾英寸，或?qū)挾葹閹子⒋缜议L(zhǎng)度低于40英寸的矩形靶材。通過(guò)將等離子體產(chǎn)生區(qū)域的截面改變?yōu)榧?xì)長(zhǎng)形狀，來(lái)源應(yīng)能夠覆蓋更通常用于IC處理的靶材尺寸(200mm為13〃且300mm為17〃)。參見(jiàn)圖8和圖9，圖8和圖9圖示用于延長(zhǎng)等離子體截面的遠(yuǎn)程等離子體腔室配置的實(shí)例。圖8圖示具有矩形截面源腔室802和第一 RF線圈810的遠(yuǎn)程等離子體源的示意圖。可見(jiàn)等離子體880具有細(xì)長(zhǎng)卵形截面。圖9圖示具有矩形截面源腔室902和第二 RF線圈910的遠(yuǎn)程等離子體源的示意圖?？梢?jiàn)等離子體980具有細(xì)長(zhǎng)卵形截面。請(qǐng)注意RF線圈810和910等同于由PlasmaQuest所描述的RF天線,所述RF天線與電磁鐵結(jié)合使用以形成高密度等離子體束。圖8和圖9的矩形截面源腔室的預(yù)期尺寸的ー些實(shí)例對(duì)于200mm的擴(kuò)散光束在寬度上為200mm至250mm，而對(duì)于300mm的擴(kuò)散光束在寬度上為300mm至350mm。所述源腔室的高度和深度可分別大約為50mm和200mm至300mm。靶材改進(jìn)在濺射腔室中，沉積層的膜厚度均勻性是由腔室?guī)缀涡螤?靶材和基板大小，以及靶材到基板間距)、靶材表面上的腐蝕圖案，以及エ藝和材料因素確定。均勻的靶材腐蝕是合乎需要的，因?yàn)榫鶆虻陌胁母g提供靶材材料的高利用率，且顯著地降低可最終導(dǎo)致沉積膜中的缺陷的濺射靶材材料再沉積的機(jī)會(huì)。然而，除非靶材大體上大于基板，否則所述排列的膜厚度均勻性將受損，如此會(huì)降低整體材料利用率。此外，理想的是將等離子體能橫跨靶材表面均勻地沉積以減少靶材之內(nèi)的熱應(yīng)力，并且降低靶材開裂和微粒產(chǎn)生的機(jī)會(huì)。此舉可如下所述通過(guò)將靶材整形以及通過(guò)擴(kuò)散等離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)將靶材整形，可以由于兩個(gè)因素將膜厚度均勻性最佳化増加靶材到基板間隔降低沉積速率；將靶材表面的部分遠(yuǎn)離等離子體區(qū)域移動(dòng)將降低腐蝕速率。在由于磁控管的所得復(fù)雜形狀的常規(guī)濺射源的情況下，非平面靶材排列非常難以設(shè)計(jì)和制造。因?yàn)楫?dāng)使用遠(yuǎn)程等離子體源時(shí)不需要磁控管，所以唯一的困難是靶材的可制造性，所述靶材可被鍛造、鋳造或鋪砌而成。圖10和圖11提供改進(jìn)膜厚均勻性的整形靶材的實(shí)例。圖10圖示使用等離子體1065從靶材1070將具有不均勻厚度的濺射的薄膜1075沉積在基板1060上的圖。當(dāng)與圖10的薄膜1075相比，圖11圖示具有改進(jìn)膜厚均勻性的薄膜1085，所述薄膜1085從具有等離子體1067的整形靶材1080沉積在基板1060上。整形靶材1080圖示具有 凹面。覆蓋整個(gè)靶材區(qū)域的等離子體擴(kuò)散在諸如半導(dǎo)體晶片的環(huán)形基板的情況下，最高的材料利用率是由圓形濺射靶材提供。然而，由遠(yuǎn)程等離子體源產(chǎn)生的等離子體束將通常僅覆蓋靶材的總區(qū)域的一部分。為了覆蓋整個(gè)靶材區(qū)域，由電磁鐵產(chǎn)生作用于沉積腔室上的磁場(chǎng)必須以引起等離子體擴(kuò)散開的方式改變。此舉可以分別通過(guò)使用如圖12和圖13中所示的附加電磁鐵或可能通過(guò)永久磁鐵或磁性材料完成。圖12圖示在除使用電磁鐵1291和1293之外還使用電磁鐵1295的沉積腔室中，在具有RF線圈1210的源腔室中產(chǎn)生的被擴(kuò)散以形成等離子體1283的等離子體1281。磁場(chǎng)線1285圖示于沉積腔室中。圖13圖示在除使用電磁鐵1291和1293之外還使用永久磁鐵(或磁性材料)1397的沉積腔室中，在具有RF線圈1210的源腔室中產(chǎn)生的被擴(kuò)散以形成等離子體1383的等離子體1281。磁場(chǎng)線1385圖示于沉積腔室中。圖12和圖13中頁(yè)面(page)的平面穿透靶材和定位在基板支撐器上的基板之間的等離子體。頁(yè)面的平面平行于基板表面，且頁(yè)面的平面平行于具有平面表面的靶材的靶材表面。附加磁鐵的磁場(chǎng)線應(yīng)與電磁鐵1283和1291產(chǎn)生的磁場(chǎng)線平行。請(qǐng)注意，對(duì)于磁鐵1397，所述片磁性材料(鋼或永久磁鐵)可用來(lái)扭曲由電磁鐵1291和1293產(chǎn)生的磁場(chǎng)。此外，不同的磁鐵和電磁鐵可放置在真空腔室的內(nèi)部之外，或不同的磁鐵和電磁鐵可適當(dāng)?shù)胤庋b且放置在エ藝配件(process kit)外部的真空腔室之內(nèi)。盡管本發(fā)明已在本文中參照LiPON描述，但是本發(fā)明適用于各種各樣的介電靶材，諸如在半導(dǎo)體エ業(yè)中使用的那些介電靶材。在本文描述對(duì)等離子體源的改進(jìn)和對(duì)沉積腔室的改進(jìn)允許使用一般用于半導(dǎo)體集成電路制造中的用于濺射大尺寸介電靶材的遠(yuǎn)程等離子體源，對(duì)于200mm基板的13英寸祀材和對(duì)于300mm基板的17英寸祀材。盡管本發(fā)明已參照本發(fā)明的某些實(shí)施例特定描述，但是應(yīng)對(duì)本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，可在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的變化和修改。
權(quán)利要求
1.ー種濺射沉積系統(tǒng)，所述濺射沉積系統(tǒng)包括 真空腔室，所述真空腔室包括用于在所述真空腔室中維持真空的真空泵； 進(jìn)氣ロ，所述進(jìn)氣ロ用于供應(yīng)エ藝氣體到所述真空腔室； 在所述真空腔室之內(nèi)的濺射靶材； 基板支撐器；和 等離子體源，所述等離子體源附著于所述真空腔室且定位于距所述濺射靶材較遠(yuǎn)位置，所述等離子體源被配置為形成延伸至所述真空腔室中的高密度等離子體束，所述等離子體源包括 矩形截面源腔室； 電磁鐵；和 射頻線圈； 其中所述矩形截面源腔室和所述射頻線圈被設(shè)置為使所述高密度等離子體束具有細(xì)長(zhǎng)卵形截面。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述射頻線圈螺旋纏繞所述矩形截面源腔室。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述射頻線圈是以螺旋形成在所述矩形截面源腔室的較長(zhǎng)側(cè)上。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述基板支撐器被設(shè)置為用于圓形基板且所述濺射靶材是圓形。
5.ー種濺射沉積系統(tǒng)，所述濺射沉積系統(tǒng)包括 真空腔室，所述真空腔室包括用于在所述真空腔室中維持真空的真空泵； 進(jìn)氣ロ，所述進(jìn)氣ロ用于供應(yīng)エ藝氣體到所述真空腔室； 在所述真空腔室之內(nèi)的濺射靶材； 基板支撐器； 等離子體源，所述等離子體源附著于所述真空腔室且定位于距所述濺射靶材較遠(yuǎn)位置，所述等離子體源被配置為形成延伸至所述真空腔室中的高密度等離子體束；和 等離子體擴(kuò)散系統(tǒng)，所述等離子體擴(kuò)散系統(tǒng)用于整形所述高密度等離子體束，從而完全且均勻地覆蓋所述濺射靶材。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述基板支撐器被設(shè)置為用于圓形基板且所述濺射靶材是圓形。
7.如權(quán)利要求4或6所述的系統(tǒng)，其中所述濺射靶材具有大約十三英寸的直徑。
8.如權(quán)利要求4或6所述的系統(tǒng)，其中所述濺射靶材具有大約十七英寸的直徑。
9.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體擴(kuò)散系統(tǒng)包括第一多個(gè)電磁鉄。
10.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體擴(kuò)散系統(tǒng)包括永久磁鐵和第二多個(gè)電磁鐵。
11.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體源包括射頻天線和電磁鉄。
12.如權(quán)利要求I或5所述的系統(tǒng)，其中所述濺射靶材的表面被配置為非平面形式，以在所述基板支撐器上的基板表面處提供均勻?yàn)R射沉積。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述濺射靶材的表面為凹形。
14.如權(quán)利要求I或5所述的系統(tǒng)，其中所述濺射靶材的表面被配置為非平面形式，以提供均勻等離子體能量沉積到所述濺射靶材中。
15.如權(quán)利要求I或5所述的系統(tǒng)，其中所述濺射靶材包含磷酸鋰。
全文摘要
本發(fā)明提供一種濺射沉積系統(tǒng)，所述濺射沉積系統(tǒng)包括真空腔室，所述真空腔室包括用于在所述真空腔室中維持真空的真空泵；進(jìn)氣口，所述進(jìn)氣口用于供應(yīng)工藝氣體到真空腔室；在真空腔室之內(nèi)的濺射靶材和基板支撐器；和等離子體源，所述等離子體源附著于所述真空腔室且定位于距濺射靶材較遠(yuǎn)位置，所述等離子體源被配置為形成延伸至真空腔室中的高密度等離子體束。等離子體源可包括矩形截面源腔室、電磁鐵和射頻線圈，其中矩形截面源腔室和射頻線圈被配置為使高密度等離子體束具有細(xì)長(zhǎng)卵形截面。此外，濺射靶材表面可被設(shè)置為非平面形式，以提供均勻等離子體能量沉積至靶材中和/或在基板支撐器上的基板表面處提供均勻?yàn)R射沉積。濺射沉積系統(tǒng)可包括用于整形高密度等離子體束的等離子體擴(kuò)散系統(tǒng)，從而完全且均勻覆蓋濺射靶材。
文檔編號(hào)C23C14/35GK102859028SQ201180019997
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2011年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者拉爾夫·霍夫曼, 馬耶德·A·福阿德 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料公司