用于在真空處理過(guò)程中使用的組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于在真空處理過(guò)程中使用的組件以及執(zhí)行真空處理過(guò)程的方法，真空處理過(guò)程包括物理或化學(xué)涂覆過(guò)程或等離子體蝕刻過(guò)程。
【背景技術(shù)】
[0002]在用于表面工程目的的系統(tǒng)中在生產(chǎn)和研宄時(shí)使用真空制造和處理方法比如物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和低溫等離子處理。真空處理過(guò)程可能固有地不穩(wěn)定(例如，反應(yīng)磁控派射過(guò)程可以在派射革E狀態(tài)、磁滯行為和電弧[Surface&CoatingsTechnology 204(2010)2159-2164]之間展現(xiàn)快速轉(zhuǎn)變)或者在處理參數(shù)方面易于漂移(例如由于材料消耗或由于諸如室溫和除氣的局部環(huán)境變化)。作為這樣的不穩(wěn)定的結(jié)果，系統(tǒng)的工作可能是困難的并且可能存在過(guò)程可再現(xiàn)性和產(chǎn)品質(zhì)量方面的問(wèn)題。因此，在嘗試使特定真空過(guò)程穩(wěn)定時(shí)經(jīng)常采用開(kāi)環(huán)或閉環(huán)(或兩者的組合)過(guò)程控制系統(tǒng)。這樣的控制系統(tǒng)經(jīng)常采用被設(shè)計(jì)用以監(jiān)視過(guò)程并且為控制系統(tǒng)供應(yīng)表示這些過(guò)程的狀態(tài)的信號(hào)的傳感器。基于這些信號(hào)，控制系統(tǒng)能夠調(diào)整經(jīng)由致動(dòng)器(例如氣體流量控制器或電力供應(yīng))而被監(jiān)視的過(guò)程的參數(shù)以將特定過(guò)程特性保持在所期望的設(shè)定點(diǎn)。為了控制快速變化的過(guò)程，可能需要快速的傳感器響應(yīng)時(shí)間、數(shù)據(jù)處理和致動(dòng)(例如，具有幾毫秒的量級(jí))。
[0003]為了監(jiān)視和控制真空處理過(guò)程，存在能夠被用來(lái)分析氣體或氣體混合物的許多種傳感器技術(shù)。這些傳感器技術(shù)可以通過(guò)傳感器感測(cè)頭設(shè)計(jì)而被粗略地分成兩個(gè)主要組:a)需要用于調(diào)節(jié)所監(jiān)視的環(huán)境或傳感器感測(cè)頭自身(例如，用于氣體的電離和/或激發(fā)、電解加熱的交流或直流電壓)以產(chǎn)生可用反饋信號(hào)的器件的傳感器，以及b)在沒(méi)有這樣的調(diào)節(jié)的情況下允許監(jiān)視并且使得能夠產(chǎn)生可用反饋信號(hào)的傳感器感測(cè)頭。為了方便起見(jiàn)，在本文件中將這兩組中的第一組稱為“內(nèi)部調(diào)節(jié)式傳感器”。
[0004]內(nèi)部調(diào)節(jié)式傳感器經(jīng)常包含并且基于諸如質(zhì)譜儀、氣體電離源和固態(tài)電解質(zhì)的器件。
[0005]調(diào)節(jié)并且分析氣體的傳感器自身表示氣體分析裝置。在這樣的情況下的氣體分析裝置通常包括接納部以及測(cè)量部，該接納部包含被分析的氣體或與被分析的氣體接觸。測(cè)量部通過(guò)例如電離氣體或激發(fā)氣體來(lái)執(zhí)行對(duì)(被接納部所包含或者與接納部相鄰的)氣體的調(diào)節(jié)。測(cè)量部對(duì)所包含的氣體的屬性進(jìn)行測(cè)量，例如特定的被帶電或被激發(fā)的組分的百分比和總數(shù)，并且產(chǎn)生表示測(cè)量結(jié)果的光信號(hào)和/或電信號(hào)。
[0006]如果氣體分析裝置是由與光學(xué)發(fā)射光譜器件耦接的等離子體源組成，則測(cè)量部的部件例如負(fù)責(zé)點(diǎn)燃并且將等離子體驅(qū)動(dòng)到接納部中或驅(qū)動(dòng)成與接納部相鄰的器件可以被定位在真空側(cè)以及大氣側(cè)兩側(cè)；測(cè)量部的其它部件例如負(fù)責(zé)傳送以及處理光的光學(xué)組件往往被定位在大氣側(cè)，但是測(cè)量部的一些組件也可以被定位在真空側(cè)。
[0007]后續(xù)段落提供涉及不同的傳感器/氣體分析裝置的現(xiàn)有技術(shù)的示例。
[0008]美國(guó)專利第4428811號(hào)公開(kāi)了用于金屬化合物的高速磁控濺射沉積的方法和裝置。在該過(guò)程中，真空室填充有被電離并且轟擊該室內(nèi)的金屬目標(biāo)以開(kāi)始濺射過(guò)程的惰性氣體。第二反應(yīng)氣體以經(jīng)測(cè)量的比率被饋送到該室中以與來(lái)自目標(biāo)的原子化的金屬結(jié)合并且在襯底上形成膜層?？刂葡到y(tǒng)采用基于質(zhì)譜儀的氣體分析裝置，該基于質(zhì)譜儀的氣體分析裝置提供用于調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體以用于最高效的處理?xiàng)l件的合適速率的進(jìn)入的控制信號(hào)。在美國(guó)專利第4362936號(hào)以及其中的引用中公開(kāi)了用于在這樣的情況的典型的質(zhì)譜儀機(jī)構(gòu)及其功能。
[0009]使用這樣的用于過(guò)程控制解決方案的質(zhì)譜儀的一些缺點(diǎn)是:i)需要以比典型真空或等離子體過(guò)程更高的真空度來(lái)操作質(zhì)譜儀，?)質(zhì)譜儀組件的尺寸，iii)對(duì)傳感器可以與系統(tǒng)附接的可能位置的多個(gè)約束，該約束不考慮最優(yōu)性能，iii)需要維修，以及iv)用于多個(gè)傳感器感測(cè)頭機(jī)構(gòu)的過(guò)高的成本。
[0010]可以用于控制真空過(guò)程的內(nèi)部調(diào)節(jié)式傳感器技術(shù)的另一示例是結(jié)合光學(xué)發(fā)射光譜分析(OES)以及對(duì)所排出的過(guò)程氣體或過(guò)程氣體的混合物的光學(xué)監(jiān)視而使用的基于等離子體源的傳感器感測(cè)頭。該氣體是由外部器件通過(guò)例如電子束(例如，美國(guó)專利4692630)或DC電壓(例如，英國(guó)專利申請(qǐng)GB2441582A)即獨(dú)立于基本的過(guò)程部件例如蒸鍍?cè)炊慌懦觥Ｈ缓?，通過(guò)使用對(duì)氣體分子的一個(gè)或多個(gè)組分的外部電子的衰變的光子特征的波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)的一個(gè)或多個(gè)光電倍增器或其它檢測(cè)器來(lái)執(zhí)行光學(xué)監(jiān)視。薄膜干涉濾光片、單色儀或光譜儀(例如，CCD光譜儀)可以用于使期望的組分的特定特征波長(zhǎng)通過(guò)。這樣的傳感器的缺點(diǎn)是傳感器的尺寸和幾何形狀，其復(fù)雜化并且限制對(duì)在處理系統(tǒng)中的最優(yōu)傳感器集成的選擇。英國(guó)專利申請(qǐng)GB2441582A提到這樣的傳感器的“局部”定位，但是既沒(méi)有在專利申請(qǐng)文檔中也沒(méi)有在附圖中說(shuō)明其意味著什么或者如何能夠使用所公開(kāi)的技術(shù)。
[0011]在真空處理系統(tǒng)使用的內(nèi)部調(diào)節(jié)式傳感器技術(shù)的另一示例被稱為空氣至燃料傳感器(或λ探針)[美國(guó)專利5696313]，因?yàn)槠渥畛跏轻槍?duì)汽車排氣裝置而研發(fā)的。在λ探針情況下，可以借助于固體電解質(zhì)(例如，氧化釔穩(wěn)定氧化鋯)以及鉑電極來(lái)測(cè)量在氣體混合物中的氧氣濃度。最經(jīng)常利用空氣作為參考?xì)怏w。固態(tài)電解質(zhì)的一側(cè)的上表面被放置成與要被測(cè)量的氣體混合物相接觸，并且固態(tài)電解質(zhì)的另一側(cè)的上表面被放置成與空氣相接觸。然后，氧氣分壓的差異創(chuàng)建其大小取決于測(cè)量氣體中的氧的濃度的電信號(hào)。然后，該電信號(hào)被電路調(diào)節(jié)并且被控制系統(tǒng)用于調(diào)整處理參數(shù)，例如反應(yīng)氣體流速[Thin SolidFilms 502(2006)44-49]。λ傳感器的一些缺點(diǎn)是:i)需要空氣參考，其嚴(yán)格地限制了對(duì)λ傳感器在處理系統(tǒng)中的放置選項(xiàng)并且使系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜化，ii)需要加熱，其增加了支出并且使系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜化，iii)相對(duì)較慢的響應(yīng)時(shí)間[Thin Solid Films 491(2005) 1-17]以及iv)監(jiān)視僅氧氣的能力。
[0012]在等離子體生成部件(例如，磁控濺射源或等離子體/離子源)被用于在真空系統(tǒng)中的處理的情況下，可以直接光學(xué)監(jiān)視由這些設(shè)備生成的等離子體。該技術(shù)經(jīng)常被稱為等離子體發(fā)射監(jiān)視(PEM) [Surface&Coatings Technology (1987) 405-423]。在 PEM 機(jī)構(gòu)中的光學(xué)部件(硬件)可以與如上面討論的監(jiān)視由外部器件排出的氣體的光學(xué)部件基本相同。由于很好的研發(fā)的光學(xué)部件的可用性，所以PEM技術(shù)提供系統(tǒng)中的傳感器感測(cè)頭定位的高度靈活性以及快的響應(yīng)時(shí)間[Surface&Coatings Technology 204(2010)2159-2164]。然而，由于例如由與移動(dòng)的襯底的相互作用而引起的等離子體漂移或等離子體移動(dòng)，由PEM提供的控制信號(hào)會(huì)經(jīng)常不穩(wěn)定。
[0013]因?yàn)楹芏喈?dāng)前應(yīng)用要求處理(例如，涂覆或蝕刻)結(jié)果高度均勻，所以大(例如I至3米寬)襯底的真空處理存在進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。例如，在大面積(例如，高達(dá)3米寬)光學(xué)涂覆生產(chǎn)中，橫跨該襯底的寬度的薄膜物理厚度均勻度經(jīng)常要求在2%以下。過(guò)程室和硬件部件例如陽(yáng)極或進(jìn)氣條[英國(guó)專利申請(qǐng)GB2277327]的設(shè)計(jì)特征會(huì)有利地影響處理均勻性。然而，除了優(yōu)化的硬件設(shè)計(jì)以外，過(guò)程控制系統(tǒng)經(jīng)常用于顯著地提高處理均勻性。經(jīng)常通過(guò)監(jiān)視并且控制過(guò)程空間內(nèi)的多個(gè)區(qū)域中的過(guò)程條件和參數(shù)來(lái)獲得改進(jìn)。這樣的處理通常被稱為多區(qū)域處理并且需要多個(gè)傳感器和/或致動(dòng)器以及具有多個(gè)通道的過(guò)程控制系統(tǒng)[Society of Vacuum Coaters 47th Annual Technical Conference Proceedings 2004，第 44-48 頁(yè)]ο
[0014]PEM傳感器技術(shù)提供在系統(tǒng)中放置傳感器感測(cè)頭的高度靈活性，并且PEM傳感器技術(shù)在用于多區(qū)域過(guò)程控制的多個(gè)傳感器安裝的情況下非常適合，但是遭受傳感器信號(hào)穩(wěn)定性問(wèn)題。另一方面，內(nèi)部調(diào)節(jié)式傳感器例如基于質(zhì)譜儀的傳感器或基于等離子體源的傳感器可以提供較佳的反饋信號(hào)穩(wěn)定性，但是，因?yàn)槠浯笮『蛶缀涡螤睿圆荒芤宰顑?yōu)的性能被容易地集成在真空處理系統(tǒng)中。它們通常被安裝在過(guò)程室外圍上或之外，例如，被附接至泵浦線(參見(jiàn)美國(guó)US 2006/0290925 Al的附圖2)，這限制了它們的效率、性能以及適用性。明顯的是，當(dāng)前所使用的傳感器技術(shù)具有很多缺點(diǎn)。需要用于真空處理的更靈活、更小、更易實(shí)現(xiàn)、更便宜、適用于多區(qū)域控制并且(對(duì)過(guò)程環(huán)境中的改變)更靈敏的傳感器解決方案。
[0015]設(shè)備的小型化是很多技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)最近趨勢(shì)。因?yàn)樯婕皻怏w