專利名稱：具有雙離子源的處理系統(tǒng)的制作方法
發(fā)明的領域本發(fā)明涉及利用通過產生的離子形成的等離子體處理襯底的系統(tǒng)和方法，更具體說涉及使用兩個或多個離子源的處理系統(tǒng)和方法。
發(fā)明的背景市售等離子源可廣泛應用于尤其是半導體、光學和磁性薄膜處理等工業(yè)領域，可用于在表面上淀積和腐蝕表面。這種離子源形成的等離子體產生可以與表面化學和/或物理相互作用的反應核和電離物質，從而淀積或去除材料。
在許多工藝中，使用源于等離子源的高能離子可以淀積具有獨特性質的材料或允許在其它情況下無效的條件下腐蝕表面。安裝在定位襯底的真空室中的離子源是在等離子體中處理襯底的基本方法。具有特定化學性質的氣體供應給用于電離的離子源。所產生的等離子體是各種反應核和電離化學物質及高能電子的混合物。電離物質與表面相互作用的能量取決于等離子電特性和壓力。一般說，轟擊襯底的離子的能量由襯底偏置裝置控制?；蛘?，如果襯底電俘置，則離子能量將由決定等離子體電位和為零的凈電流的表面處電位(俘置電位)間的差值的電子能量分布決定。由于淀積或腐蝕工藝特性和所得材料性質經常主要取決于該參數(shù)，所以希望控制離子能量。
在某些應用中，希望同時處理襯底兩側。這一般是指在用于磁存儲系統(tǒng)的磁盤制造中淀積各種材料的薄層。這種情況下，離子源定位于盤的相對側上。然而，使用陽極建立等離子電位的離子源趨于在處理室中這兩種離子源同時工作時表現(xiàn)出等離子不穩(wěn)定性和振蕩。這種不穩(wěn)定性無法產生可預知的離子發(fā)生和處理穩(wěn)定性。另外，已證明難以涂敷具有滿足硬盤上保護膜的要求的性質的薄膜。較薄的涂層允許磁頭更靠近磁盤的磁性材料，所以可以增大面密度。該應用中，淀積外涂層，該涂層應具有足夠的硬度、密度和粘附性及包括高淀積速率和表面的低顯微顆粒數(shù)等實用質量。因此，需要改進的襯底處理系統(tǒng)和方法，其中兩個或多個離子源可以在處理室中以穩(wěn)定的方式工作，對于預想的用途來說，可以改善所淀積層的性質。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種襯底處理系統(tǒng)。該襯底處理系統(tǒng)包括處理室、定位于處理室中的襯底支架、為處理室供應處理氣體的氣體源、位于處理室中的第一和第二離子源、及激發(fā)第一和第二離子源的電源。這些離子源中的每個都電離處理氣體，產生用于處理設置于襯底支架上的襯底的離子。第一和第二離子源分別包括第一和第二陽極。電源以時分多路復用的方式激發(fā)第一和第二陽極，從而在任何時間第一和第二離子源中只有一個被激發(fā)。
電源較好包括以小于約100kHz的頻率為第一和第二陽極提供脈沖周期性電壓的裝置。在優(yōu)選實施例中，該頻率為約1-5kHz。加于第一和第二陽極的每一個上的脈沖周期性電壓具有小于或等于50％的占空系數(shù)。
第一和第二離子源一般定位于處理系統(tǒng)中襯底的相對兩側上。然而，在某些系統(tǒng)中，離子源也可以定位于襯底同一側上，例如可用于饋送不同的氣體，以得實現(xiàn)多層淀積。來自第一和第二離子源的處理氣體離子可淀積于襯底上，或可用于腐蝕襯底。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種處理襯底的方法，該方法包括以下步驟在處理室中定位襯底；向處理室供應處理氣體；用位于室中的第一和第二離子源電離處理氣體，產生用于處理襯底的處理氣體離子。第一和第二離子源分別包括第一和第二陽極。該方法還包括激發(fā)第一和第二陽極以便在任何時間第一和第二離子源中只有一個被激發(fā)的步驟。
根據(jù)本發(fā)明再一方面，提供一種操縱處理室中的兩個或多個離子源的方法。兩個或多個離子源的每個都具有一個陽極。該方法包括以時分多路復用的方式激發(fā)離子源的陽極，以便在任何時間第一和第二離子源中只有一個被激發(fā)的步驟。
附圖簡介為更好地理解本發(fā)明，參考以下附圖，其中

圖1是本發(fā)明處理系統(tǒng)的框圖；圖2是本發(fā)明第一實施例陽極電壓與時間的關系曲線圖；圖3是本發(fā)明第二實施例陽極電壓與時間的關系曲線圖；圖4是圖1所示電源的一個例子的框圖；圖5是圖1所示電源的另一例子示意圖；圖6是具有四個離子源的處理系統(tǒng)的陽極電壓與時間關系的曲線圖。
具體介紹圖1以框圖的形式局部示出了根據(jù)本發(fā)明的襯底處理系統(tǒng)的一個例子。該系統(tǒng)包括封閉的處理室10、具有通過開關9與偏置電壓8的電連接11的襯底支架。襯底支架12將襯底14支撐于處理室10內。離子源20和22定位于襯底14的相對兩側。處理室10較好是導電的，并接地。如果需要，處理期間電偏置可以加于襯底14上。也可以使襯底電俘置，或使襯底基座接地。例如襯底14可以是用于磁盤制造的襯底，可以包括鋁材料盤。還可以使用其它盤基底材料，例如玻璃、塑料或其它較輕基底材料制造用于例如膝上單元等小型電腦的硬盤。如果希望通過襯底支架給盤加偏置，則較好是使用導電盤基底。
離子源20包括陽極30和電子源。電子源可以包括靠近陽極30的燈絲32和與燈絲32連接的燈絲電源34。離子源22包括陽極40和電子源，電子源包括靠近陽極40的燈絲42和與燈絲42連接的燈絲電源44。燈絲電源34和44電加熱各燈絲32和42，以在各離子源20和22內產生電子。燈絲32和42用作各離子源的陰極。本發(fā)明也可以采用例如冷陰極電子源等其它電子源。如下所述，陽極30和40與電源50連接，以便激發(fā)各離子源20和22。
氣體源54給處理室10供應處理氣體。具體說，氣體源54可以給陽極30和40與襯底14間的區(qū)域中的每個離子源20和22供應氣體，合適處理氣體的例子包括但不限于用于淀積類金剛石碳的乙烯、甲烷和?？商亓?acteylene)、用于淀積氮化硅的硅烷和氨的混合物及用于腐蝕的氬、氧或氫等。
氣體由與處理室連接的真空泵60排出處理室10。如所屬領域技術人員所知道的，氣體源54和真空泵60可以控制處理室10內的氣體流量和壓力。該系統(tǒng)較好是在處理室壓力為約1-約5毫乇時工作，但也可以采用0.1-20毫乇的壓力。
工作中，每個離子源20和22電離處理氣體，形成處理氣體離子。這些離子指向襯底14，用于淀積或腐蝕。在激發(fā)離子源20和22時，在處理室10中在陽極30和40附近產生等離子體。燈絲32和42供應電子，用于等離子體內的處理氣體分子的電離。然后在襯底表面處在等離子表層上離子被向著襯底14加速。圖1所示處理系統(tǒng)可以同時處理襯底14的兩側。
也可以通過利用其它設備和技術產生等離子體進行該工藝。例如，合適的氣體可穿過使用電磁能加速的區(qū)域，從而產生然后可以饋送到系統(tǒng)的陽極并被陽極偏置的等離子體。
如上所述，在激發(fā)離子源20和22時，觀察不穩(wěn)定性的振蕩，相信這種不穩(wěn)定性的振蕩的原因是處理室10中的等離子體是燈絲32和42產生電子的低阻抗路徑。因此，在激發(fā)兩離子源時，要建立的第一等離子體產生所有電子的低阻路徑，導致電子遠離另一等離子源。即便兩等離子源能夠工作，等離子體阻抗也不匹配，因而產生了不平衡的電子共享和振蕩。離子源利用熱燈絲電子源正常工作期間，在給定陽極偏置時，電子源所發(fā)射的所有電子流由這個偏置的陽極收集。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，離子源20和22按同步時分多路復用方式被激發(fā)，以便在任何時間只有一個離子源被激發(fā)。具體說，時分多路復用電壓可以加到各離子源20和22的陽極30和40上。圖2示出了合適激發(fā)電壓的一個例子，其中陽極30和陽極40電壓作為時間的函數(shù)。如圖所示，激發(fā)電壓在時間T1、T3和T5加于陽極30上，在時間T2和T4加于陽極40。加于陽極30和40的電壓在時間上不重疊，因而在任何時間只有一個離子被激發(fā)。這些離子源交替開關，于是消除了各源之間等離子電子和離子的相互作用。電子由一個陽極和然后由另一個陽極交替收集。同步或時分多路復用操作避免了復雜的屏蔽或絕緣以便電隔離一種等離子體與另一種等離子體的需要。
加于陽極30和40上的交替電壓較好是頻率小于約100kHz。一般說，陽極電壓的頻率應比離子源20和22中離子反應次數(shù)低。這樣可以確保每種離子源比陽極電壓的開關更迅速地開關。在優(yōu)選實施例中，陽極電壓的頻率為約1-5kHz。
對于具有兩個離子源的處理室來說，陽極電壓的占空系數(shù)較好是50％以下，較好是相等?？梢岳貌坏鹊恼伎障禂?shù)，但會在襯底14兩側產生不平衡的處理?？梢圆捎眯∮?0％的占空系數(shù)，如圖3所示，其中加于陽極30和40上的電壓作為時間的函數(shù)。在時間T10、T12和T14期間，在陽極30上加激發(fā)電壓，在時間T11和T13期間，在陽極40上加激發(fā)電壓。各陽極電壓時間上不重疊。陽極電壓每個都具有約40％的占空系數(shù)，這樣兩個離子源20和22在陽極電壓的每個周期的一部分期間為關。
圖4中示出了產生時分多路復用陽極電壓的合適電源50(圖1)的一個例子。例如可控制的脈沖發(fā)生器等同步單元100具有與第一電源102和第二電源104連接的同步輸出。電源102給陽極30供應電壓，電源104給陽極40供應電壓。電源102和104的輸出可對應于圖2或3中的電壓波形。應理解，可以采用的某些電源具有自主能力，以便輸出圖3和/或3所示的時分多路復用電壓。
圖5示出了合適電源50的另一例子。電源120在線122和124上輸出為相差為半個周期的雙極性方波電壓。線122和124上的方波電壓分別加到陽極30和40上。二極管126接在線122和地之間，二極管128接在線124和地之間。二極管126和128箝位方波電壓的負半周期，以便正電壓加于陽極30和40上。
襯底可以如圖1所示由為展示目的示出為可調的DC電壓源8偏置，從而使襯底收集離子流，或可以加自調制偏置。這種情況下，在襯底14試圖升到電源8設定的D.C電源電壓之上時，晶體管7導通。在絕緣襯底(或襯底不與電壓源連接)的情況下，離子將被加速到由等離子體電位和襯底處的俘置電位間的差值確定的能量。俘置電位定義為電子流等于離子流即凈電流為0時的電位。通過相對等離子體密度調節(jié)高能電子源，可以調節(jié)等離子體電位與俘置電位間的差值和因此而得的離子能量。一般說，氣體壓力越低，到達電子的功率越大(通過從陰極或RF加熱發(fā)射電流)，將會產生越大的離子能量。
相對控制電壓可以控制所淀積膜的膜物理性質。例如，由乙烯淀積的類金剛石膜的硬度、應力和組分與離子能量(電壓)有非常明顯的依賴關系。
應理解，本發(fā)明可以采用例如表示為8或50的各種不同結構的電源。許多電源結構是所屬領域技術人員所熟知的。一般說，電源50構成為在任何一個時間，只激發(fā)離子源20或22中的一個。
到目前為止已討論了具有兩個離子源的處理系統(tǒng)。如上所述，離子源的時分多路復用操作可應用于具有兩個或多個離子源的處理系統(tǒng)。每種情況下，按在任何時間有一個離子源開的方式激發(fā)離子源。例如，具有四個離子源的處理系統(tǒng)可以由占空系數(shù)為25％以下的非重疊陽極電壓激發(fā)。激發(fā)四個離子源的合適陽極電壓如圖6所示。陽極1在時間T20期間被激發(fā)，陽極2在時間T21期間被激發(fā)，陽極3在時間T22期間被激發(fā)，陽極4在時間T23期間被激發(fā)，陽極1在時間T24期間再次被激發(fā)。加于兩個或多個離子源上的各陽極電壓取決于離子源的數(shù)目、希望的占空系數(shù)、希望的工作頻率和被處理結構或表面的類型。每種情況下，都可以避免離子源間的相互作用。
加于各陽極上的電壓可從由使工作氣體得以充分電離的最小需求決定的低值(～80V)和由接地壁上發(fā)生電弧確定的最大值(一般＞200V)改變。襯底表面上的粒子數(shù)趨于隨陽極電壓而增大，所以最佳陽極電壓一般是可以實現(xiàn)要求的淀積速率、膜性質和可靠的放電的最低電壓。
偏置襯底，可以提供對離子撞擊襯底表面的能量的控制。例如，如果陽極電壓是Va=100V，襯底電壓是Vs=50V，離子將被加速到Va-Vs=50eV?？刂圃撓鄬﹄妷?，可以控制所淀積膜的硬度和應力。特別發(fā)現(xiàn)在襯底的兩側上同時淀積類金剛石碳(DLC)薄膜時如此。另外，已發(fā)現(xiàn)Va-Vs＞120V，會形成非常硬(＞25Gpa)應力高(約4Gpa)的膜，而Va-Vs約為40V時，膜的硬度非常小(約9Gpa)，應力低(＜0.5Gpa)。
盡管未充分理解本發(fā)明的機理，但目前相信，即使襯底被偏置，也可以形成并相對接地壁正偏等離子體，并在等離子體和偏置襯底間的界面處表層上加速離子。利用等離子體而不是例如離子束，可以實現(xiàn)比其它情況下更高的淀積速率。就這一點而言，根據(jù)本發(fā)明我們已實現(xiàn)了以等于或超過每分鐘12埃的速率淀積保護外涂層。
偏置等離子體的方法比隔絕離子束源、可以開和關的源優(yōu)越的地方在于，由于空間電荷限制有加束柵中，所以一般難以以低離子能量得到高淀積速率。另外，等離子表層的性質確保了離子加速在整個表面區(qū)上垂直于襯底表面，而離子束相對于垂直入射發(fā)生一些偏轉，遠離襯底的軸。
盡管已結合優(yōu)選實施例展示和介紹了本發(fā)明，但對于所屬領域的技術人員來說顯然可以做出各種改變和改進，而不脫離由所附權利要求書限定的本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種襯底處理系統(tǒng)，包括處理室；位于所說處理室中的襯底支架；耦合到所說處理室的氣體源，用于給所說處理室供應處理氣體；所說室中的第一離子源，用于電離所說處理氣體，產生處理設于所說襯底支架上的襯底的離子，所說第一離子源包括第一陽極和第一電子源；所說室中的第二離子源，用于產生處理襯底的離子，所說第二離子源包括第二陽極和第二電子源；及電源，用于按時分多路復用方式激發(fā)所說第一和第二陽極，以便在任何時間所說第一和第二離子源中只有一個被激發(fā)。
2.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說電源包括用于以小于約100kHz的頻率給所說第一陽極和所說第二陽極供應脈沖周期性電壓的裝置。
3.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說電源包括用于以約1-5kHz的頻率給所說第一陽極和所說第二陽極供應脈沖周期性電壓的裝置。
4.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說電源包括用于以小于等離子在所說室中的反應時間(reaction time)的頻率給所說第一陽極和所說第二陽極供應脈沖周期性電壓的裝置。
5.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說電源包括用于以小于或等于50％的占空系數(shù)給所說第一陽極和所說第二陽極供應脈沖周期性電壓的裝置。
6.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說電源包括用于以小于50％的占空系數(shù)給所說第一陽極和所說第二陽極供應脈沖周期性電壓的裝置，其中所說第一離子源和所說第二離子源在脈沖周期性電壓的每個周期的一部分期間都關掉。
7.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說電源包括產生雙極性方波電壓的裝置，給所說第一陽極供應所說雙極性方波電壓的前半個周期的裝置，給所說第二陽極供應所說雙極性方波電壓的另一半周期的裝置。
8.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說電源包括分別激發(fā)所說第一和第二陽極的第一和第二電源，同步所說第一和第二電源以便所說第一和第二陽極在不同時間被激發(fā)的裝置。
9.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說電源包括具有第一和第二脈沖輸出的電源，每個所說脈沖輸出分別耦合到所說第一和第二陽極，其中所說第一和第二輸出包括相移的脈沖，以便在不同時間激發(fā)所說第一和第二陽極。
10.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說第一和第二離子源定位于襯底的相對側上。
11.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說第一和第二電子源都包括用于產生電子的燈絲和耦合到所說燈絲加熱所說燈絲的燈絲電源。
12.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說第一和第二離子源在襯底上淀積所說處理氣體的離子。
13.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說第一和第二離子源產生所說處理氣體的離子用于腐蝕所說襯底。
14.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說電源包括分別用不同相的第一和第二波形激發(fā)所說第一陽極和所說第二陽極的裝置。
15.一種處理襯底的方法，包括以下步驟在處理室中定位襯底；向處理室中供應處理氣體；用位于所說室中的第一離子源電離所說處理氣，產生處理襯底的所說處理氣離子，所說第一離子源包括第一陽極和第一電子源；用位于所說室中的第二離子源電離所說處理氣，產生處理襯底的所說處理氣離子，所說第二離子源包括第二陽極和第二電子源；及激發(fā)所說第一陽極和所說第二陽極，從而在任何時間所說第一和第二離子源中只有一個被激發(fā)。
16.根據(jù)權利要求15的方法，其中激發(fā)所說第一陽極和所說第二陽極的步驟包括以小于約100kHz的頻率在所說第一和第二陽極的每一個上加脈周期性電壓。
17.根據(jù)權利要求15的方法，其中激發(fā)所說第一陽極和所說第二陽極的步驟包括以約1-5kHz的頻率在所說第一和第二陽極的每一個上加脈周期性電壓。
18.根據(jù)權利要求15的方法，其中激發(fā)所說第一陽極和所說第二陽極的步驟包括用不同相的第一和第二周期性電壓激發(fā)所說第一和第二陽極。
19.根據(jù)權利要求18的方法，其中所說第一和第二周期性電壓具有小于50％的占空系數(shù)，所說第一和第二離子源在脈沖周期性電壓的每個周期的一部分期間都關掉。
20.一種操作處理室中的兩個或多個離子源的方法，所說兩個或多個離子源每個都具有陽極，該方法包括以下步驟以時分多路復用方式激發(fā)所說兩個或多個離子源的各陽極，以便在任何時間所說兩個或多個離子源中只有一個被激發(fā)。
21.一種襯底處理系統(tǒng)，包括處理室；位于所說處理室中的襯底支架；用于給所說處理室供應處理氣體氣體源；定位于所說處理室中的第一和第二陽極；所說室中的電子源，用于在電離所說處理氣體從而產生處理設于襯底支架上的襯底的離子的所說第一和第二陽極的區(qū)域中產生電子；及電源，用于按時分多路復用方式激發(fā)所說第一和第二陽極，以便在任何時間所說陽極中只有一個被激發(fā)。
22.根據(jù)權利要求21的襯底處理系統(tǒng)；其中所說襯底支架電連接一個電源，能夠偏置定位于所說襯底支架上的襯底。
23.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說襯底支架電連接一個電源，能夠偏置定位于所說襯底支架上的襯底。
24.根據(jù)權利要求1的襯底處理系統(tǒng)，其中所說處理氣體送到所說襯底支架上襯底的相對側。
25.根據(jù)權利要求24的襯底處理系統(tǒng)，其中所說襯底支架與一偏置電源連接，以便能夠偏置所說襯底支架上的襯底。
26.根據(jù)權利要求15的方法，包括在處理期間偏置所說處理室中的所說襯底。
27.根據(jù)權利要求26的方法，包括在所說襯底的不同側上定位所說離子源。
28.根據(jù)權利要求26的方法，包括向所說襯底的每一側饋送處理氣體。
29.根據(jù)權利要求26的方法，包括向所說襯底加自調制偏置。
30.一種在處理站處理薄導電襯底的兩個表面的處理系統(tǒng)，包括處理室；定位于所說處理室中的襯底支架；耦合到所說處理室的氣體源，用于在所說襯底支架上的襯底的表面?zhèn)认蛩f室饋送氣體；電源及第一和第二等離子發(fā)生器，每個所說等離子發(fā)生器都定位于所說襯底支架上襯底的表面?zhèn)壬?，在此產生等離子本，所說電源與所說第一和第二等離子發(fā)生器相連，用于按時分多路復用方式激發(fā)所說等離子發(fā)生器，從而在任一時間所說等離子發(fā)生器中只有一個被激發(fā)；及與所說襯底支架相連的電源，用于電偏置所說支架上的襯底。
31.一種襯底處理系統(tǒng)，包括處理室；定位于所說處理室中的襯底支架；耦合到所說處理室的氣體源，用于向所說室供應處理氣體；所說室中與電源連接的第一等離子發(fā)生器，用于電離所說處理氣，產生處理設于所說襯底支架上的襯底的離子；所說室中與電源連接的第二等離子發(fā)生器，用于電離所說處理氣，產生處理設于所說襯底支架上的襯底的離子；每個所說等離子發(fā)生器都設在所說襯底支架上襯底表面的相對側上；用于按時分多路復用方式激發(fā)從而在任一時間所說發(fā)生器中只有一個被激發(fā)的電源；及與所說襯底支架相連的電源，用于電偏置所說支架上的襯底從而進行處理。
全文摘要
一種襯底處理系統(tǒng)包括處理室(10)、位于處理室中的襯底支架(12)、用于給處理室供應處理氣體的氣體源(54)、位于處理室中的第一和第二離子源(20,22)、用于激發(fā)所說第一和第二離子源的電源(50)。每個離子源都電離處理氣體,產生處理設于襯底支架上的襯底的離子。第一和第二離子源分別包括第一和第二陽極(30、40)。電源按多路復用方式激發(fā)第一和第二陽極,以便在任何時間所說第一和第二離子源中只有一個被激發(fā),避免了離子源間的相互作用。
文檔編號C23C16/26GK1300524SQ99806093
公開日2001年6月20日 申請日期1999年5月7日 優(yōu)先權日1998年5月13日
發(fā)明者特麗·布魯克, 詹姆斯·H·羅杰斯, 肖恩·P·邁克金尼斯 申請人:英特維克公司