差别注入式材料处理系统 相关申请
该申请要求2001年2月2日提出的临时专利申请第60/266,114号的优选权，它的整个公开内容包含在此作为参考。该申请同时与2000年7月10日提出的专利申请第60/217,049号有关，它的整个公开内容包含在此作为参考。
【技术领域】
本发明广泛地涉及薄膜沉积和蚀刻系统。特别是涉及用于以非常高的均匀性沉积薄膜的方法和装置。本发明还涉及用于以均匀蚀刻速度蚀刻材料的方法和装置。
背景技术
有三种普通技术用于在基片(substrate)上沉积薄膜。这些技术是蒸发(evaporation)、离子束沉积(ion beam deposition)、和磁控管溅射(magnetronsputtering)。图1描述了现有技术的电子束蒸发沉积系统10的示意方框图。蒸发系统10封装在真空小室12中。电子枪14产生电子束16，用于将包含沉积材料的坩埚(crucible)18加热到能够使沉积材料蒸发的温度。电子束被磁体20偏转，该磁体使得电子束撞击坩埚18的预期位置上。典型的蒸发系统有多个坩埚。
一些蒸发系统包括多个源和多个电子枪，它们从两个或更多的源产生沉积材料，并同时将沉积材料沉积到基片上。另外，加热元件(未示出)用于加热坩埚18。承载多个基片23的基片承载器22(substrate support 22)置于蒸发的材料经过的路径上。在一些已知蒸发系统中，基片承载器22由马达24转动，以增加沉积薄膜的均匀性。
图2描述了一种现有技术地离子束溅射沉积系统50。离子束溅射沉积系统50被封装在真空小室52中。离子源54产生离子束56，其被引导到一个或多个靶58，离子束56撞击靶58，从靶58以溅射流60溅射中性原子。一般承载多个基片64的基片承载器62置于溅射流60经过的路径上，溅射流60轰击到基片上，从而沉积成溅射薄膜(sputtered thin film)。为了增加溅射薄膜的均匀性，基片承载器62可以由马达66转动。离子束溅射的优点在于它允许单独控制轰击离子的能量和电流密度。
图3描述了一种现有技术的磁控管溅射沉积系统80的示意方框图。磁控管溅射沉积系统80被封装在真空小室82中。磁控管溅射沉积系统80包括具有阳极84和阴极86的二极管器件。磁体88置于阴极86的后面。示出两个环形的阴极和盘状的阳极，但是还有几个其它的已知的构造。
阴极86被被偏置负电压，该负电压足够高，以在周围的气体中感应击穿(breakdown)来维持等离子体90。磁体88在阴极86后面产生俘获由阴极86产生的电子的磁场92，电子在等离子体90中的螺旋状路径上失去能量。并被阳极84收集。电子增强了等离子体90中的离子94的轰击效果。中性原子96以溅射流98从阴极86溅射出来。溅射流98轰击基片64，从而在基片64上沉积溅射薄膜。
在已知系统中的基片64一般被放置在距离阴极86两到十英寸的范围之间。为了增加溅射薄膜的均匀性，基片承载器62可以使用马达66转动。磁控管溅射的优点在于它具有相对高的沉积速度、大沉积面积和低基片加热。
使用已知技术得到的沉积厚度均匀性受到在基片平面获得的流均匀性和基片转动的类型的限制。流均匀性可以受到靶或产生影响沉积速度的热点和冷点的沉积材料缺陷的不利影响。一般地，流均匀性随时间变化。通过利用大的靶和/或利用从靶到基片的长距离可以稍微地改善流的均匀性。然而，靶的大小和从靶到基片的距离实际受限制。一些应用，例如用于高速光通信系统的光学滤波器，需要不能通过这些现有技术获得的薄膜均匀性。
【发明内容】
本发明涉及使用差别注入式(diffrentially-pumped)沉积源和沉积小室(chamber)来沉积薄膜的方法和装置，其中，在沉积源的压力充分高于沉积小室中的压力。本发明同时涉及使用产生用于沉积薄膜离子束的辅助处理的离子束的离子源的方法和装置。在一个实施例中，离子束和沉积流(flux)不重叠，离子束用于异相离子束辅助处理(out-of-phase ion-beam-assistedprocessing)。沉积源和离子束源两者都可置于与基片相对较短的距离上，从而，使得基片暴露在相对较高密度的溅射流和离子束之下。
本发明的沉积系统的一个实施例是差别注入式磁控管溅射系统(diffrentially-pumped magnetron sputtering system)。磁控管溅射系统有许多超过已知沉积系统的优点。例如，磁控管溅射系统以高度均匀性和始终如一的连贯性、以高沉积速度沉积高纯度、高密度的薄膜。而且，磁控管溅射系统具有长靶寿命(long target lifetime)和相对容易维护。通过对来自溅射沉积源的沉积流的孔径作用(aperturing)，然后以双扫描运动(dual-scan motion)，例如，二维运动，相对于溅射流移动基片，薄膜均匀性可以被提高。薄膜均匀性也可通过一个扫描运动大大快于另一运动来提高。同时，薄膜均匀性可通过过扫描(over-scanning)提高。
因此，本发明的特征在于包括置于第一小室的沉积源的差别注入式沉积系统。在一个实施例中，沉积源是磁控管溅射源。在另一实施例中，沉积源是蒸发源。沉积源产生包括中性原子和分子的沉积流。
屏蔽物限定了置于沉积流路径上的孔。屏蔽物使得沉积流通过孔，并在其它各处显著阻挡沉积流传播通过屏蔽物。孔可以定形，以便增加发射的沉积流。孔也可以定形以减少过扫描(over-scan)区域。基片承载器置于屏蔽物附近的第二小室。第二小室的压力低于第一小室。
沉积系统同时包括双扫描系统，其按照第一和第二运动扫描与孔相关的基片承载器。双扫描系统可以是机械扫描系统。第一运动的扫描速度可以显著大于第二运动的扫描速度。在沉积过程中，第一运动和第二运动中的至少一个的扫描速度可以随时间变化。在一个实施例中，双扫描系统包括旋转扫描系统和平移扫描系统，其中，第一运动包括具有旋转速度的旋转运动，第二运动包括具有平移速度的平移运动。旋转运动的旋转速度可以至少比平移运动的平移速度的大五倍。
沉积系统可以包括产生离子束的离子源。离子源置于第二小室，以便离子束撞击沉积区域。离子源可以处于这样的位置，以便离子束不和沉积流重叠。而且，沉积系统可以包括在沉积期间，监视薄膜特性的就地(in-situ)监视系统。
本发明的特征还在于包括在第一压力产生沉积流的沉积均匀薄膜的方法。在低于第一压力的第二压力中的基片，被暴露在沉积流中。沉积流可以由磁控管溅射产生。在一个实施例中，沉积流经过孔。在一个实施例中，基片暴露在离子束中。离子束可以与沉积流重叠，用于同相离子束处理。离子束也可以不与沉积流重叠，用于异相离子束处理。
按照第一和第二运动，相对于沉积流扫描基片。双扫描运动提高薄膜的均匀性。第一运动的扫描速度大于第二运动的扫描速度。在一个实施例中，第一运动是具有旋转扫描速度的旋转运动，第二运动是具有平移扫描速度的平移运动。旋转运动的旋转速度至少大于平移速度的五倍。在一个实施例中，在第一运动和第二运动的至少一个中，相对于沉积流过扫描基片。
本发明的特征还在于包括置于第一小室中的沉积源的离子束辅助沉积系统。沉积源产生包括中性原子和分子的沉积流。沉积源可以是磁控管溅射源。离子源处于这样的位置，以便离子束不与沉积流重叠。
基片承载器置于第二小室。在第二小室的压力低于第一小室中的压力。离子源置于第二小室中，以便离子束撞击基片承载器上的沉积区域。离子源产生用于离子束辅助处理的离子束。
双扫描系统按照第一和第二运动相对于孔扫描基片承载器。第一运动的扫描速度显著大于第二运动的扫描速度。在扫描期间，第一运动和第二运动中的至少一个的扫描速度随时间变化。双扫描系统包括以旋转速度扫描基片承载器的旋转扫描系统和以平移速度相对于孔扫描基片承载器的平移扫描系统。旋转运动的旋转速度可以至少是平移运动的平移速度的五倍。
在一个实施例中，沉积系统包括限定位于沉积流路径上的孔的屏蔽物。经过孔屏蔽物使沉积流，并在其它各处显著阻挡沉积流传播通过屏蔽物。孔可以定形，以便增加发射的沉积流。孔还可被定形，以减少过扫描区域。在一个实施例中，双扫描系统包括在沉积期间，监视薄膜特性的就地监视系统。
本发明的特征还在于异相离子束辅助沉积方法。该方法包括在第一压力产生沉积流。沉积流可以由磁控管溅射产生。沉积流在第二压力被沉积到基片上。第二压力低于第一压力。基片被暴露在不与沉积流重叠的离子束。
在一个实施例中，按照第一和第二运动相对于沉积流扫描基片。双扫描运动在基片上沉积均匀薄膜。在一个实施例中，第一运动是具有旋转扫描速度的旋转运动，第二运动是具有平移扫描速度的平移运动。第一运动的扫描速度可以大于第二运动的扫描速度。旋转运动的旋转速度可以至少是平移扫描速度的五倍。
再一个实施例中，沉积流经过孔。在一个实施例中，在第一运动和第二运动的至少一个中，基片被相应的沉积流过扫描。
【附图说明】
按照所提出的权利要求描述本发明。通过配合附图，参考下列描述，本发明的上面和进一步的优点可以被更好地理解，其中，相同的标号在不同图中表示相同的结构元件和特征。这些图不需依比例决定，重点放在描述发明的原理。
图1是描述现有技术的电子束蒸发沉积系统的示意框图；
图2是描述现有技术的离子束溅射沉积系统的示意框图；
图3是描述现有技术的磁控管溅射沉积系统的示意框图；
图4是描述根据本发明的差别注入式沉积系统的示意框图；
图5是描述根据本发明的差别注入式沉积装置的一个实施例的三维示意框图；
图6是描述使用本发明的差别注入式沉积装置来过扫描基片的方法。
【具体实施方式】
许多设备需要高均匀薄膜覆盖。例如，用于如光纤通信系统的一些应用中的光学滤波器，可能要求多层高均匀薄膜，其中，每层具有精确的厚度。现在，光纤通信系统被广泛采用。最近，新通信服务，如因特网、高速数据链路、视频服务、和无线服务等等导致对带宽的需求极大的增加。目前，数据传输量以每年80％的速度增长，语音传输量以每年10％的速度增长。
在光纤通信系统中，增加带宽的一种方式是增加在光纤中传输的光的波长的数目。波分复用(WDM)是一种光传输技术，它在同一光纤中传输许多波长，因而，有效地增加了每根光纤的对于每个波长的比特率总和的总带宽。大于1TB/秒的带宽在基于WDM的通信系统中实验。
密度波分复用(DWDM)是使用大量波长实施WDM技术的一种技术。DWDW一般被用于描述在单根光纤上传输40个波长的WDM技术。当波长数目增加时，信道宽度和信道间隔减小。为了在DWDM通信系统中获得所需信道宽度和信道间隔，需要高质量的、高性能的光学滤波器。这些光学滤波器必须以良好的机械特性，在1.3μm到1.5μm之间的波谱上显示出低损耗和窄带传输特性，在一般操作环境中是稳定的。
DWDM通信系统需要许多能够从系统传输的其它波长中分离出单个波长的带通滤波器。在DWDM中用作带通滤波器的一种光学滤波器是费布瑞波洛干扰滤波器(Fabry Perot interence filter)。费布瑞波洛干扰滤波器包括两个由λ/2厚度层分开的高反射系数多层(high-reflectance multilayer)。在操作中，在λ/2间隔层的多重干扰导致滤波器的输出频谱特征在波长是λ/2间隔层多倍的窄带上出现锐利尖峰(peak sharply)。
另一类使用在DWDM通信系统中的光学滤波器是绝缘薄膜干扰滤波器(dielectric thin film interference filter)。这些滤波器包括高折射率和低折射率材料的交替层(alternate layers)。每层的厚度是λ/4。在操作中，从高折射率层反射回来的光不经历相位移动，但从低折射率层反射回来的光经历相位移动180度。连续的反射在前表面重组，产生具有窄波长范围的高反射光束。具有窄波长范围之外的波长的光仅仅在非常低强度层被反射。
绝缘薄膜干扰滤波器可以通过在玻璃基片上沉积高和低折射率材料的交替层来制造。例如，可以使用SiO2和Ta2O5的交替层。为了得到预期的滤波器特性，滤波器上的折射率和均匀性必须控制到非常高的精度。
图4描述了根据本发明的差别注入式沉积系统100的示意框图。在一个实施例中，沉积系统100是溅射沉积系统。然而，根据本发明可以使用任意类型的沉积系统。溅射沉积是一种非常通用的沉积技术。包括周期表中的几乎每一种元素的薄膜已经通过溅射沉积来沉积。合金和化合物一般可以被溅射沉积到保持靶材料组成的薄膜。而且，成分可以被控制在相当高的精度。
差别注入式沉积系统100包括沉积小室102，该小室维持着适合沉积材料到基片上的压力。系统100同时包括沉积源104。沉积源可以是任何类型的沉积源。在一个实施例中，沉积源104是溅射沉积源104。溅射沉积源104可以是多靶沉积源。溅射沉积源104也可以包括溅射两种和更多种材料的多溅射沉积源。多靶或多源溅射沉积源可以被用于沉积多层薄膜到基片上。
在一个实施例中，沉积源104是离子束溅射沉积源。在另一实施例中，沉积源104是磁控管溅射沉积源。磁控管溅射沉积源包括二极管元件、磁体和靶。溅射靶被偏置负电压，该电压足够高以在周围气体中感应击穿和维持等离子体。为了俘获电子，磁体在靶后产生磁场，从而，增强离子的轰击效果。磁控管源的优点在于它们产生相当高的溅射流。同时，磁控管溅射源可以被用于大面积沉积，一般造成相当小的基片发热。
沉积源104置于沉积源外壳106中，沉积源外壳106是包括孔108的单独小室，上述孔用于使沉积流110的预期部分通过沉积小室102。沉积源外壳106维持与沉积小室102中的压力基本独立的压力。选择孔108的面积，以维持在沉积源外壳106和沉积小室102之间的预期差压(diffrentialpressure)。
在一个实施例中，沉积系统100包括如参照图5描述的，安装在旋转轴上的多沉积源外壳。多沉积外壳中的每一个包括含有溅射靶的沉积源，这些溅射靶具有不同的材料或不同材料构成。包含多沉积源外壳对于沉积多层薄膜非常预期。
在沉积系统100中使用单独的沉积源外壳106的一个优点是由沉积产生的不想要的材料沉积被充分地包含在沉积源外壳106中。这一特征是保持沉积小室102的清洁，因而，减少了对沉积小室102必须进行的所需的维护。同时，沉积源外壳106可以与沉积小室102分开清洁，这减少了对沉积小室102必须进行的所需的维护。沉积源外壳106的内表面112可以由例如喷砂法(bead-blasting)变粗糙，便于消除不需要的沉积材料在沉积系统100中使用单独的沉积源外壳106的另一优点是沉积源外壳106中的压力可以充分的高于沉积小室102中的压力。压差可以为十的量级。例如，沉积源外壳106中的压力可以在2×10-3到5×10-3乇的量级，而沉积小室102中的压力可以在2×10-4到5×10-4乇的量级。
由于沉积源104产生相对较高沉积流，所以沉积源外壳106与基片相比维持相对较高的压力是有利的。同时，由于相对较低的背景压力，导致减少了不需要的杂质和污染，所以沉积在基片上的材料将会有较高的纯度。特别是，维持沉积源外壳106处于比沉积小室102高的压力，将导致在沉积的薄膜中，氩的浓度相对较低。
沉积系统100包括限定位于沉积流100路径上的孔116的屏蔽物114。屏蔽物114可以被置于距沉积源104几英寸或更小的位置上。屏蔽物114使沉积流110通过孔116，并在其它各处显著阻挡沉积流110传播通过屏蔽物。孔116空间上限定了到达基片的沉积流110。
基片承载器118置于沉积流110路径上离由屏蔽物114限定的孔116接近的地方。基片承载器118可以被置于离屏蔽物114和沉积源外壳106中的孔108几英寸或更小的距离上。由于高密度沉积流110将到达基片，所以放置基片承载器118在与沉积源104接近的位置上是有利的，因而，沉积速度将会相对较高。在一个实施例中，基片承载器118包括圆盘。基片承载器118支持着多个基片120，但是，在某些应用中，仅仅承载一个基片。
沉积系统100还包括双扫描系统122。通过双扫描系统，也就是按照第一和第二运动相对于孔108扫描基片承载器118的扫描系统。第一和第二运动可以是任意类型的运动，例如，平移或旋转运动。第一和第二类型运动可以是相同的或不同类型的运动。例如，在一个实施例中，双扫描系统122按照平移和旋转运动扫描。在另一实施例中，双扫描系统122按照第一和第二平移运动扫描。
第一和第二运动的扫描速度可以是不同的和单独控制的。根据运动的类型，扫描速度可以是旋转速度或平移速度。在一个实施例中，一个运动的扫描速度显著大于另一运动的扫描速度。例如，一个运动的扫描速度可以是另一类型运动的扫描速度的五倍。在一个实施例中，在沉积期间，第一和第二类型运动中的至少一个的扫描速度随时间改变。
双扫描系统122可以是按照两个运动相对于孔108扫描基片承载器118的任何类型扫描系统。在一个实施例中，双扫描系统122包括旋转扫描系统124和平移扫描系统126。旋转扫描系统124包括轴128，它被旋转地附着在基片承载器118上，并被置于通过穿过真空室通孔130。
轴128由马达132按旋转速度旋转。在一个实施例中，马达132以大于1000RPM的旋转速度旋转轴128。马达132可以置于附着在带有膜盒136的沉积小室102上的马达外壳134上。这允许马达132沿着沉积小室102的表面平移。这也允许马达外壳134处于大气压之中，这简化了沉积系统100和减少了整个系统的成本。
平移扫描系统126包括直线驱动机械装置138，该装置以平移速度、在直线方向上，在基片承载器118和由屏蔽物114限定的孔两个中的至少一个上平移。在如图4所示的实施例中，直线驱动机械装置138和基片承载器118连接，并平移相对于由位置固定的屏蔽物114限定的孔116的基片承载器118。在另一实施例中，直线驱动机械装置138连接在屏蔽物114上，它相对于基片承载器118平移孔116。在这个实施例中，直线驱动机械装置138也可以连接在沉积源外壳106上。
在一个实施例中，为了最大化沉积的薄膜的均匀性，双扫描系统122被设计成进行非常平滑的运动。例如，双扫描系统122可以包括空气轴承驱动器(air bearing drive)，该驱动器产生可以精确控制的非常平滑的运动。
在一个实施例中，在一个方向上的扫描速度大大快于另一方向上的扫描速度。大大快于的意思是一个扫描速度大于另一扫描速度的五倍。一个与另一扫描速度相比，使用更快的扫描速度，减少了在厚度均匀性上的波动。例如，旋转速度可以大大快于直线平移速度。在一个实施例中，旋转速度至少大于平移运动的平移速度的五倍。高度均匀性可以通过使用相对快的旋转速度、大约1000到3000RPM和相对慢的直线扫描速度、约为每秒0.5到4英寸来得到。
在一个实施例中，为了提高均匀性，在沉积期间，至少一个运动的扫描速度是变化的。在沉积期间，扫描速度可以按时间的函数变化。扫描速度也可以按基片承载器118和由屏蔽物114限定的孔116的相对位置的函数变化。例如，改变在至少一个方向上的扫描速度可以被用来部分补偿实现径向均匀效果(radial uniformity effct)。在某些系统中，沉积流110是距离孔116中心的径向位置的函数。恒定1/R扫描速度矫正可以被应用到直线平移速度，以补偿实现径向均匀效果。
在一个实施例中，为了在沉积薄膜中产生厚度变化以改变薄膜光学滤波器的频率特性，在沉积期间，至少一个运动的扫描速度变化。例如，扫描速度可以按照基片承载器118和由屏蔽物114限定的孔116的相对位置的函数变化，以便同时产生具有不同中心波长的薄膜滤波器。这样的能力对大量生产用于DWDM通信系统的薄膜滤波器是很重要的。
有许多其它的本发明的双扫描系统122的实施例。根据本发明，按至少两个运动扫描基片承载器118、孔116、和/或沉积源外壳106的组合将会提高均匀性。例如，在一个实施例中，基片承载器118是固定的，按两个运动扫描孔116和沉积源外壳106。在另一实施例中，按照一个运动扫描基片承载器118，按照另一运动扫描孔108、或沉积源外壳106。
本发明的双扫描系统122的一个优点是可以获得高度的均匀性。其中，均匀性独立于沉积源104的参数。例如溅射靶寿命周期。也就是，无论靶的物理状况如何，都可以获得高度均匀性。
在一个实施例中，沉积系统100包括产生用于离子束辅助处理的离子束142的离子源140。气体，例如，氩和氧、或气体混合物，被导入离子源140。在离子源140中生成等离子体。使用多孔电极，从等离子体提取离子，然后加速。在一个实施例中，离子被加速到能量处于100eV到500eV的范围。
离子源140可以置于离基片承载器118几英寸或更短的位置上。将离子源140置于离基片承载器118很近的距离，会增加离子束142的密度。在一个实施例中，相对基片承载器118和沉积源外壳106放置离子源140的位置，以便离子束142和沉积流110不重叠，如图4所示。这样的配置可以被用来进行异相离子束辅助处理，其中，离子束142和沉积流110轮流撞击基片120。也就是，例如，沉积流110在扫描的一部分时间内撞击基片120，离子束142在扫描的另一部分(不重叠)时间内撞击基片120。
离子源140可以是产生氧离子束的氧离子源，氧离子源可以用作异相氧化。例如，氧离子源可以被用于氧化在多层沉积间的沉积的薄膜。将离子源置于沉积小室的外面有很多优点。一个优点是，这样离子源将不会导致靶材料的污染，例如，氧气污染(如不需要的靶材料的氧化)，甚至，在相当高的氧气流量下。
在一个实施例中，沉积系统100包括检测器144，用于监视沉积流110。检测器144可以是测量薄膜厚度和/或沉积速度的石英晶体振荡器。在一个实施例中，屏蔽物114包括通过一部分沉积流110的第二孔(未示出)。检测器144置于第二孔的后面，检测和测量沉积流110。沉积流110的测量由于用来改变用于包括生成更均匀沉积流110的各种应用的沉积源104的参数。而且，沉积流100的测量可以用来控制旋转扫描系统124的旋转速度和/或平移扫描系统126的平移速度。
在一个实施例中，沉积系统100包括具有光源的就地薄膜监视器，例如，生成单一波长光束的可调激光器。选择可调激光器的波长，以便沉积材料吸收一部分激光。激光传播通过沉积区域和基片120。
检测器置于基片120后面附近的位置，检测器监视传输通过沉积区域和基片120的光的强度。随着薄膜的厚度增加，大部分的光束被薄膜吸收和传输。因而，检测到的光束具有低强度。通过测量被检测的光束强度，厚度和沉积速度可以被确定。这些信息可被用于控制沉积处理。
图5描述了根据本发明的差别注入式沉积系统100的一个实施例的三维示意图。沉积小室102被切开，以便可以看到双扫描系统122、基片承载器118、多溅射源外壳106、和离子源140。图4描述了排空沉积小室102的真空泵150。
图5中所示的双扫描系统100包括具有旋转地附着在基片承载器118的轴的旋转扫描系统124。轴被马达132旋转。平移扫描系统包括按平移速度平移基片承载器118的直线驱动机械装置138。
图6描述了使用本发明的沉积装置的过扫描基片120的方法。本发明的过扫描方法通过扩展扫描维数，减小边界效应，从而提高了沉积的薄膜的均匀性。在一个实施例中，预期沉积区域200(如，其中，均匀薄膜是预期的)成圆形或环形。过扫描区域202相对于圆的边界。过扫描区域202是对应与其中直线驱动机械装置138(图4)改变方向的区域。
过扫描方法包括在直线方向上，平移直线驱动机械装置138，显著经过预期沉积区域200，以便将预期沉积区域200暴露在等量溅射流110的范围。在一个实施例中，多个基片120置于预期沉积区域200。在另一实施例中，大基片置于基片承载器118上，预期沉积区域被切分，或在沉积之后被从基片切开。
虽然，参照特定的优选实施例，详细地描述和展示了本发明，但是，本领域的技术人员应当理解，在不脱离如所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在细节上和形式上，做出各种变化。例如，在这里描述的用于沉积薄膜的装置和方法可以被采用来蚀刻薄膜。