專利名稱：沉積層的方法和控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及薄膜的沉積，特別涉及以參考沉積厚度進行的層的濺射沉積。發明背景
濺射沉積被廣泛用于沉積薄膜和廣范圍的裝置和器件的制造。濺射沉積尤其用于光 學應用的薄膜裝置的制造。這種薄膜裝置可以包括單層或多層，多層的范圍是從兩層到 幾千層。這種薄膜裝置的光譜性能依賴于它們所包括的層的厚度。因此，具有以參考沉 積厚度來沉積層的能力是非常重要的。
典型的賊射沉積系統包括耙陰極、陽極、基底、等離子和電源。靶陰極、陽極、和 基底被置于真空室內，氣體被導入該真空室內。電源位于真空室以外，該電源用于在靶 陰極和陽極之間施加電壓，在下文中被稱為陰極電壓。陰極電壓部分電離真空室內的氣 體，以產生等離子體。等離子體包括陽離子，該陽離子被帶負電荷的靶陰極吸引并向之 加速。當離子和靶陰極碰撞時，靶材料從靶陰極中濺射出來。被濺射的靶材料作為層沉 積在基底和濺射沉積系統的其它表面上。典型的靶材料包括金屬元素，例如鉭、鈮和 鋁；半導體元素，例如硅和鍺；導電氧化物，例如(In203)i"Sn02》(銦錫氧化物(ITO))、 Ta2O5-x和加2《。
到目前為止已經研制出很多不同種的';賤射沉積。在磁控管濺射沉積中，濺射沉積系 統包括磁控管，其在耙陰極的周圍產生磁場。磁場限制了電子并產生較密集的等離子體 以增加沉積速率。在反應濺射沉積中，惰性氣體和反應氣體的混合氣體被導入濺射沉積 系統的真空室中，層是由靶材料和反應氣體之間產生的化學反應所形成的。在脈沖直流(DC)賊射沉積中，耙陰極和陽極之間的電壓周期性反向為小反向電壓，從而將電荷 積累和放電最小化。在交流(AC)賊射沉積中，在兩個靶電極之間施加AC電壓，這兩 個靶電極交替為陰極和陽極，從而將放電最小化。在射頻(RF)濺射沉積中，在靶電極 和第二電極之間施加RP電壓，從而將電荷積累最小化，在這種情況下允許濺射絕緣材 料。在高功率脈沖磁控管濺射沉積中，在磁控管濺射沉積系統中的靶陰極上施加高功率 短脈沖，從而產生高密度等離子體，以使大部分濺射的靶材料被電離，以致沉積高密度 附著性良好的層。
在任何賊射沉積技術中，很多操作參數影響乾陰極賊射靶材料的速率和與其相關的在基底上沉積層的速率，這些參數包括所施加的用以產生和維持等離子體的功率(在下 文中被稱為陰極功率)、靶陰極的電流(在下文中被稱為陰極電流)、靶陰極與陽極之間的 等離子阻抗(在下文中被稱為陰極阻抗)和陰極電壓。
當已知層沉積的速率，可以確定層達到參考沉積厚度所需的沉積時間，層沉積厚度 關于時間的相關關系減7)等于沉積速率關于時間的相關關系K,)隨時間求積分，其等式 如下典型的，配置濺射沉積系統的電源以提供陰極功率常數，且沉積速率被假設為常數參考 沉積速率6,從而得到下式在一些例子中，等式(2 )可以包括常數偏移項b,用以糾正沉積速率隨時間的任何瞬間 變化，所述瞬時變化產生于開始層沉積或停止層沉積，或產生于計算機命令和裝置反應 之間的延遲，例如下式所示為了簡化，下面將不明確考慮這樣的常數偏移項。
通常，層達到參考沉積厚度4所需的參考沉積時間』根據參考沉積速率rr而確定， 根據以下公式但是，該方法基于這樣的假設當陰極功率保持為參考值常數時，沉積速率是常數，而 這通常是不正確的。
例如，在陰極功率是常數的層的沉積過程中，濺射的靶材料在濺射沉積系統的表面 積累可以導致陰極阻抗的變化。為了保持陰極功率為常數，電源自動調整陰極電壓和陰 極電流以補償陰極阻抗的變化。陰極電壓和陰極電流隨時間的變化可以導致沉積速率隨時間偏離參考沉積速率，因此，導致層的沉積厚度發生錯誤。
為了保持層的沉積速率為參考常數，可以在層的沉積過程中調整一個或多個濺射沉 積系統的操作參數。例如，可以通過調整陰極電壓來調節沉積速率，如授權給Turner 的美國專利第4,166,783號、授權給Hurwitt等的美國專利第5,174,875號和授權給Suzuki 等的美國專利第5,911,856號中所描述的；可以通過在磁控管濺射沉積過程中調整磁場 來調節沉積速率，如授權給Boys等的美國專利第4,500,408號中所描述的；可以通過在 反應濺射沉積過程中調整反應氣體流率來調整沉積速率，如授權給Suzuki等的美國專利 第5,911,856號、授權給Toyama的美國專利第6,475,354號和Gibson等的世界專利申請 WO 2006/032925中所描述的；或可以通過調整等離子體密度來調節沉積速率，如授權 給Kearney等的美國專利第6,554,968號中所描述的。[10]特別是，在授權給Barber等的美國專利第6,746,577號中公開了在反應濺射沉積 過程中通過調節混合氣體的成分來調節層的沉積速率的方法。在層的沉積過程中，陰極 電流或陰極電壓保持為參考值常數，調節混合氣體成分從而將陰極阻抗保持在參考值。 因此，近似為常數的參考沉積速率得以保持。為了補償沉積速率隨著時間的任何瞬間變 化，在層的沉積過程中，傳給靶陰極的能量(在下文中被稱為陰極能量)隨著時間被累 加。 一旦達到參考陰極能量，層的沉積會自動停止。[11]作為保持層的常數參考沉積速率的方案的延伸，可以在層的沉積過程中直接監視層 的生長或靶陰極的腐蝕以確定層的沉積速率。如果探測到沉積速率偏離于參考沉積速 率，可以相應地調整操作參數，例如授權給Nulman的美國專利第5,754,297號、授權給 Iturralde的美國專利第5,955,139號和授權給Sonderman等的美國專利第7,324,865號中 所描述的。類似的，可以直接監視層的生長或靶陰極的腐蝕以確定層的沉積速率，從而 確定層達到參考沉積厚度所需的沉積時間，如Lee等申請的美國專利申請第 2006/0144335號中所描述的。[12]為了提高在例如階梯晶片(stepped wafer)或透鏡元素的特定基底上層的沉積厚度的 一致性，還研制了這類方案的變異，前者如授權給Hurwitt等的美國專利第4,957,605號 中所公開，后者如授權給Burton等的美國專利第6,440,280號中所公開。發明內容[13]本發明的目的是克服現有技術的缺點，而提供一種在具有耙陰極的賊射沉積系統中 沉積層的簡單方法和控制系統。在層沉積之前，提供所述層的沉積速率關于一個操作參數的第一相關關系，所述操作參數選擇自陰極電壓、陰極電流和陰極功率。在層的沉積 過程中，允許操作參數隨時間漂移，而不需通過調節操作參數來穩定沉積速率。測量所 述操作參數關于時間的第二相關關系，同時， 一個不同的操作參數(也是選擇自陰極電壓、陰極電流和陰極功率)大致被保持為常數。根據第一和第二相關關系，在層沉積的 過程中動態確定層的沉積時間，而不是直接監視層的生長或靶陰極的腐蝕。 [14]因此，本發明涉及在具有靶陰極的濺射沉積系統中沉積層的方法，包括下面的步驟 a)從由陰極電壓、陰極電流和陰極功率組成的操作參數組中選取第一和第二參數，從 而使所述第一和第二參數是不同的操作參數；b)提供所述層的沉積速率關于所述第一 參數的第一相關關系；c)開始沉積所述層；d)在所述層的沉積過程中，將所述第二參 數大致保持為參考值常數；e )在所述層的沉積過程中，測量所述第 一參數關于時間的 第二相關關系；f)在所述層的沉積過程中，根據所述第一和第二相關關系，確定所述 層的沉積時間；g)在所述沉積時間停止所述層的沉積。[15]本發明的另一個方面涉及一種在具有靶陰極的濺射沉積系統中沉積層的控制系 統，包括接口和控制器；其中，所述接口用于在由陰極電壓、陰極電流和陰極功率 組成的操作參數組中選擇第 一和第二參數，以使所述第 一和第二參數是不同的操作 參數，并且所述接口用于提供所述層的沉積速率關于所述第一參數的第一相關關 系；以及配置所述控制器，用以控制電源開始所述層的沉積，用以在層的沉積過程 中控制電源從而將所述第二參數大致保持為參考值常數，用以在所述層的沉積過程 中監視電源以測量所述第 一 參數關于時間的第二相關關系，用以在所述層的沉積過 程中根據所述第一和第二相關關系以確定所述層的沉積時間，并且用以控制所述電 源以在沉積時間停止所述層的沉積。[16]本發明的另 一個方面涉及一種在具有靶陰極的濺射沉積系統中沉積層的控制系 統，其包括a)用于從由陰極電壓、陰極電流和陰極功率組成的操作參數組中選擇 第一和第二參數的裝置，使得所述第一和第二參數是不同的操作參數；b)用于提 供所述層的沉積速率關于所述第 一 參數的第 一 相關關系的裝置；c )用于開始所述層 的沉積的裝置；d)在所述層的沉積過程中，用于將所述第二參數大致保持為參考值 常數的裝置；e)在所述層的沉積過程中，用于測量所述第一參數關于時間的第二相 關關系的裝置；f)在沉積所述層的過程中，用于根據所述第一和第二相關關系確定 所述層的沉積時間的裝置；以及g)用于在沉積時間停止所述層的沉積的裝置。


[17]本發明將根據代表優選實施例的附圖作進一步的描述，其中 [18]圖1是在具有靶陰極的賊射沉積系統中用于沉積層的控制系統的原理示意圖； [19]圖2是在具有輩巴陰極的賊射沉積系統中用于沉積層的方法的第一實施例的流程圖； [20]圖3是根據圖2的第一實施例， 一個假設沉積層的K(《對時間的點繪圖；以及 [21]圖4是在具有靶陰極的濺射沉積系統中用于沉積層的方法的第二實施例的流程圖。
具體實施方式
[22]如圖1所示，根據本發明的一個實施例，提供一種在具有靶陰極151的濺射沉積系 統150中沉積層的方法和控制系統100。所述控制系統100包括接口 101和控制器102。 所述濺射沉積系統150除了包括所述耙陰極151之外，還包括位于真空室155內的陽極 152、基底153和等離子區154，以及位于所述真空室155外的電源156。在其他實施例 中，所述濺射沉積系統150可以包括所述特定部件的可替換配置或可以包括額外的部件， 這也適用于前述提到的濺射沉積的任何變體。[23]電源156連接至靶陰極151和陽極152，并且可以控制電源156,以將一個操作參 數大致保持為常數參考值，所述操作參數從由陰極功率、陰極電壓以及陰極電流組成的 操作參數組中選取。優選地，通過控制電源156可以保持所述參數組中的任一個操作參 數基本不變。在一些實施例中，電源156可以使所述操作參數斜變(ramp to )至參考值。[24]電源156也被連接至控制系統100的控制器102，所述控制系統100優選采用可編 程邏輯控制器(PLC)。所述控制器102被配置以便用于控制和監控所述電源156。控制 器102將有待大致保持為常數的操作參數的參考值通訊給電源156,并且控制器102控 制電源156的開和關。優選地，控制器102還通訊給電源156:哪個操作參數有待大致 保持為常數，以及任何斜變參數(rampparameter),此外，控制器102通過監視電源來 測量至少一個其他操作參數關于時間的至少一個相關關系，所述其他操作參數也從所述 操作參數組中選取。控制器102也具有用于確定層的沉積時間的程序。[25]控制器102與接口 101相連，所述接口 101被配置以用于傳送信息至控制器102。 優選地，所述接口 101采用人機接口 (HMI),如個人電腦，該接口具有程序，用以控 制和監視控制器102并因此控制和監視電源156。例如，接口01的程序允許用戶通過選摔操作參數和提供數據來修改控制器102的程序。接口 101的程序可以根據輸入數據 或經控制器102接收自電源156的數據，來執行計算。優選地，接口 101的程序也可以 允許用戶通過指示控制器102開啟或關閉電源156。[26]在其他實施例中，所述控制系統IOO可以包括可替換結構。例如，在一些實施例中， 控制器102可以與接口 101集成，作為控制器程序裝載于個人電腦。任意數量的接口 101、 控制器102以及測量設備可以被結合以完成選擇參數、提供數據、控制和監控電源156 以及確定層的沉積時間的功能。[27]如圖2所示，下文將詳細描述本發明中在具有靶陰才及151的濺射沉積系統150中沉 積層的方法的第一個實施例。盡管所述第一個實施例在本發明中被描述為沉積單層，但 是也可以被應用于沉積多層。在第一步201中，第一和第二參數從由陰極功率、陰極電 壓以及陰極電流組成的一組操作參數中選取，所述第一和第二參數為彼此不同的操作參 數。根據這種選擇，在層的沉積過程中允許所述第一參數隨時間漂移，而所述第二參數 保持恒定在參考值。優選地，將第一和第二參數輸入接口 101的程序中或者通過程序菜 單選擇第一和第二參數，這樣可以利用接口 101選擇所述第一和第二參數。[28]在第二步202中，得到層沉積速率關于第一參數的第一相關關系。例如，當陰極電 壓7被選為第一參數時，沉積速率關于陰極電壓的第一相關關系KD被表達為冪函數， 該冪函數包括參考常數A:和非零的相關指數x (即x邦)，即<formula>formula see original document page 11</formula>(5)優選地，所述相關指數x大于或等于-3并且小于或等于3,即-3《x《3。[29]因為沉積速率關于第一參數的第一相關關系依賴于靶材料和層沉積過程中的操作 條件，所以在類似操作條件下，利用相同靶材料的在先一層或多層的沉積確定了參考常 數和相關指數。在一些實施例中，所述第一相關關系通過將參考常數和相關指數的預設 值輸入接口 101的程序來獲得。在另一些實施例中，參考常數和相關指數通過接口 101 的程序計算出。[30]優選地，第一相關關系的參考常數包括參考沉積速率和相應的第一參數參考值。例 如，當第一參數為陰極電壓時，參考常數k被表達為<formula>formula see original document page 12</formula> (6)其中rr為參考沉積速率并且Kr為陰極電壓的參考值。通過將等式(6)代入等式(5),沉積速率關于陰極電壓的第 一相關關系KPO被重新表達為如果需要，等式(7)可線性變換成為(7)<formula>formula see original document page 12</formula> (8)[31]因此，在一些實施例中，通過將參考沉積速率、第一參數參考值以及相關指數的預 設值輸入接口 101的程序來獲得第一相關關系。在其他實施例中，根據輸入數據或經控 制器102接收自電源156的數據，接口 101的程序計算出所述參考沉積速率、第一參數 參考值以及相關指數。[32]優選地，由在先一層或多層的沉積來確定參考沉積速率和第一參數參考值。例如， 可以進行一層或多層材料層的沉積，同時測量第一參數關于時間的第二相關關系并同時 將第二參數大致保持為常數參考值。當完成一層這樣的層沉積時，利用重新整理等式(4) 得到的以下公式，由測量沉積厚度^和測量沉積時間"計算出層的平均沉積速率<formula>formula see original document page 12</formula> (9)該平均沉積速率^被用作參考沉積速率rn其用于以所述第二參數的該參考值進行的該 材料的之后的層沉積中。優選地，層的平均沉積速率被用作下一層沉積的參考沉積速率。[33]當完成多層這樣的層沉積時，在類似的操作條件下使用相同的靶材料，沖艮據等式(9) 計算出每一層的平均沉積速率。可以計算出層的平均沉積速率的平均值并且作為參考沉 積速率。在這種計算中，所述層的沉積速率的平均值可以根據重要性進行加權運算。可以替換地，層的沉積速率的平均值隨時間的回歸分析(regression analysis)可以用來確 定下 一層沉積的參考沉積速率。[34]當一個用于光學應用的薄膜設備中包含一層或多層沉積層時，測量所述薄膜設備的 光譜性能可以得到 一層或多層的測量沉積厚度。然后將不同沉積厚度計算出的理論光譜 性能與薄膜設備測量的光譜性能匹配。在一些實施例中，確定多層沉積厚度的測量可能 受到限制，因而層具有公用的平均沉積速率。[35]同樣地，第一參數的參考值取決于在先一層或多層的沉積。例如，可以進行材料的 一層或多層的沉積，同時測量第 一參數關于時間的第二相關關系并同時將第二參數基本 保持為常數參考值。當完成一層所述沉積時，所述第一作參數的平均值被用作所述第一 參數的參考值。例如，當第一參數為陰極電壓時，陰極電壓的平均值K被用作以所述Kr=7a. (10)優選地，所述陰極電壓的平均值作為下一層沉積的陰極電壓的參考值。[36]當完成多層沉積時，在相似的操作條件下使用相同的靶材料，測量每一層沉積的陰 極電壓平均值。可以計算陰極電壓平均值的平均并且作為陰極電壓的參考值。在這種計 算中，所述陰極電壓的平均值可以根據其重要性被加權運算。可替換地，陰極電壓平均 值隨時間的回歸分析可以用來確定下一層沉積的陰極電壓參考值。對于Si02層的反應 濺射沉積，陰極電壓、陰極電流和陰極功率的典型參考值分別為450 V 、 11 A和5 kW。[37]優選地，相關指數同樣由在先一層或多層沉積確定。例如，可以進行材料一層或多 層的沉積，同時測量第一參數關于時間的第二相關關系并同時將第二參數大致保持為常 數參考值。對于不同的相關指數，將每層的測量沉積厚度和計算得出的預計沉積厚度相 比較。例如，當第一參數為陰極電壓時，對于不同的相關指數x,每層的預計沉積厚度 值4可以由陰極電壓平均值PV測量的沉積時間"、參考沉積速率^以及陰極電壓參 考值Fr進行計算得出，根據以下公式選取在預計沉積厚度和測量沉積厚度之間具有最優一致性的相關指數。對于Si02層的反應濺射沉積，當第一參數為陰極電壓并且第二參數為陰極功率時，相關指數實際上大致等于l,即陰極電壓對沉積速率的第一相關關系是線性的。[38]由前所述，當一個用于光學應用的薄膜設備中包含一層或多層沉積層時，可以通過 測量所述薄膜設備的光譜性能以及將理論光譜性能(對不同沉積厚度而計算得出)與所 測量的光譜性能進行匹配，得到所測量的一層或多層的沉積厚度。[39]在一些實施例中，因為在賊射沉積系統中的操作條件下參數會漂移，在一段時間后 第一和第二參數的參考值可能需要調整，以保持層的沉積速率接近參考沉積速率。優選 地，根據參考沉積速率和在先一層或多層的沉積速率之間的差異，更新在先一層或多層 沉積的第 一和第二參數的參考值。[40]例如，當第一參數為陰極電壓并且第二參數為陰極功率時，層的參考沉積率G和層 的平均沉積率 之間的速率差Ar可以通過下述公式計算<formula>formula see original document page 14</formula> (12)[41]為了實現平均沉速積率等于參考沉積速率，陰極功率的參考值必須通過功率修正項 A尸調整，所述功率修正項A尸通過沉積速率差Ar計算得出，根據以下公式<formula>formula see original document page 14</formula> (13)其中，/tp為功率參考常數的經驗值。優選地，通過在陰極功率的不同參考值下進行多層 沉積并且測量出平均沉積速率，可以得到功率參考常數。所述功率參考常數為這些數據的線性斜率。將功率修正項用于陰極功率參考值尸n得出更新的陰極功率參考值&2，根據以下公式(14)[42]相應的電壓修正項AK通過功率修正項A尸計算出，根據以下公式<formula>formula see original document page 14</formula> (15)其中，"為電壓參考常數的經驗值。優選地，通過在陰極電壓的不同參考值下進行多層 沉積并測量陰極電壓的平均值，可以得到電壓參考常數。所述電壓參考常數為這些數據 的線性斜率。將電壓修正項用于在層沉積過程中測量的陰極電壓平均值7a得出更新的 陰極電壓參考值Fr,根據以下公式^二p;+Ar. (16)[43]優選地，根據輸入數據或經控制器102接收自電源156的數據，接口 101的程序可 以更新參考沉積速率和第一和第二參數的參考值。優選地，參考沉積速率和第一和第二 參數的參考值被有規律地更新。如上所述，只要當層的平均沉積速率由測量的層的沉積 厚度和測量的沉積時間所確定時，所述參考沉積速率以及第一和第二參數的參考值就可 以被更新。更為優選地，確定每層的平均沉積速率，并且在完成每一層的沉積后，更新 參考沉積速率以及第 一和第二參數的參考值。[44] 一旦選擇了第 一和第二參數并且提供了沉積速率關于第 一參數的第 一相關關系，所 述接口 101的程序將此信息傳送至控制器102。在第三步203中，開始層的沉積。優選 地，用戶通過接口 101開始層的沉積，所述接口 101將命令送至控制器102。然后，控 制器102控制電壓156以開始層的沉積。電壓可以筒單的在所述第二參數參考值開啟或 者可以被編程而斜變至所述第二參數的參考值。在一些實施例中，電源可以在第二參數 的參考值開啟，同時基底被閘(shutter)保護，然后該閘被打開以開始層的沉積。如上 所述，可以在相關等式中加入常數偏移項以考慮達到第二參數參考值前的短暫延遲。[45]在層沉積的過程中，在第四步204中，控制器102控制電壓156以將第二參數基本 保持在常數參考值，并且在第五步205中，控制器102監控電壓156以測量第一參數關 于時間的第二相關關系。在第六步206中，根據沉積速率關于時間的第 一相關關系和第 一參數關于時間的第二相關關系，由控制器102的程序確定層的沉積時間。[46]因為允許第 一參數在層的沉積過程中隨時間漂移，所以層的沉積速率也隨時間漂 移。沉積速率關于時間的相關關系包括第 一參數關于時間的第二相關關系。例如，當第 一參數為陰極電壓時，將陰極電壓關于時間的第二相關關系K(0代入等式(7)中得到沉積 速率關于時間的相關關系r0)，根據以下公式<formula>formula see original document page 16</formula> (17)考慮到等式(l),沉積厚度關于時間的相關關系為<formula>formula see original document page 16</formula>(18)為了使沉積層的厚度達到參考沉積厚度^，層的沉積在沉積時間？d必須被停止，根據以 下公式<formula>formula see original document page 16</formula>(19)[47]優選地，含有參考沉積時間"的層停止沉積的條件可以通過將等式(4)代入等式(19) 得到，重新整理為下式<formula>formula see original document page 16</formula>
在一些實施例中，參考沉積時間可以根據等式(4)由參考沉積速率和參考沉積厚度計算得 出。在這樣的實施例中，參考沉積厚度優選通過將預定值輸入接口 101的程序得到，所 述接口 101程序隨后計算出參考沉積時間。在其他實施例中，優選將預設值輸入接口 101 的程序得到相應于第一參數參考值的參考沉積時間。[48]因此，當所述第一參數為陰極電壓時，在滿足等式(20)的條件下即可以得到層達到 參考沉積厚度的沉積時間。所述條件如圖3中所繪制的根據第一實施例的一個假設層的 沉積F(f關于時間的關系所示。控制器102的程序進行相應累加求和計算出等式(20)的 積分，根據以下公式<formula>formula see original document page 16</formula> (21)
其中，沉積時間間隔△ t受到控制器102掃描速度的限制，并且所述時間間隔在10~40 ms 的量級。如果考慮到這種限制，則停止層沉積的優選條件變為<formula>formula see original document page 17</formula> (22)0[49]當控制器102具有慢得多的掃描速度時，等式(22)可以通過從參考沉積時間4中減 去掃描時間^的一半來進行調整，以提高統計性能，根據以下公式<formula>formula see original document page 17</formula>(23)o V 2乂可替換地，如前面所述，可以在相關等式中加入常數偏移項以考慮較慢的掃描速度。[50]如本實施例所示，通過計算第一參數關于時間的第二相關關系對時間的積分，可以 確定厚度大于或等于參考沉積厚度的層的沉積時間。在一些實施例中，所述沉積時間可 以通過計算第 一參數關于時間的第二相關關系對時間的累加求和而得到。[51]優選地，沉積時間的確定包括將第一參數關于時間的第二相關關系與第一參數的 參考值對比，并且相應地，從參考沉積時間來調整沉積時間。最為優選地，通過以下計 算可以確定層的沉積時間計算以相關指數為指數的第二相關關系的冪對時間的積分， 并比較該積分與參考沉積時間和以相關指數為指數的第一參數參考值的冪的乘積。當 然，停止層沉積的大量其他相當的條件可以通過將前述等式重新整理并且結合得到。[52]積分的計算以及積分與乘積的比較優選通過控制器102的程序完成。在第七步207 中，當積分值大于或等于乘積時，控制器102控制電壓156以停止層的沉積。[53]如圖4所示，本發明提供的在具有靶陰極151的濺射沉積系統150中，用于使沉積 層的厚度達到參考沉積厚度的方法的第二個實施例如下文所述。雖然本發明中所描述的 第二個實施例只完成一層的沉積，但是所述第二個實施例也可以被應用于多層的沉積。 在第一步401中，第一、第二和第三參數從由陰極電壓、陰極電流以及陰極功率組成的 一組操作參數中選出，所述第一、第二和第三參數為不同的操作參數。根據所述操作參 數的選擇，第一和第三參數在層的沉積過程中允許隨時間漂移，并且所述第二參數大致 保持為常數參考值。如上所述，第一、第二和第三參數的選擇優選通過接口 101來完成。[54]第二個實施例在某些情況下具有優勢，所述某些情況包括控制器102不能理想的控 制電壓156以將所述第二參數完全保持在常數參考值，例如，當等離子陰極阻抗快速改變時，當電弧產生時，或者當陰極阻抗不能與電壓156匹配時。在所述情況中，相比假 設電源156被理想地控制，優選考慮沉積速率關于第一和第三參數的第一相關關系。[55]在第二步402中，提供層沉積速率關于第一和第三參數的第一相關關系。例如，當 陰極電壓V和陰極電流I分別被選作第一和第三參數時，沉積速率關于陰極電壓和陰極 電流的第一相關關系優選被表達為冪函數，該冪函數含有參考常量k、第一非零相關指 數x(即x -0)以及第二非零相關指數y (即y * 0),根據以下公式r(PV)=『/y. (24)第一和第二相關指數每個都優選大于或等于—3并且小于或等于3,即-3《x《3和-3 《_y《3。[56]如上所述，參考常量以及第一和第二相關指數優選由在先的一層或多層的沉積確 定。在一些實施例中，第一相關關系通過將參考常量以及第一和第二相關指數的預設值 輸入到接口 IOI的程序中而得出。在其他實施例中，參考常量以及第一和第二相關指數 通過接口 101的程序計算得出。[57]優選地，第一相關關系中的參考常量包括參考沉積速率以及相應的第一和第三參數 參考值。例如，當第一參數為陰極電壓并且第三參數為陰極電流時，參考常數A:被表達 為(25)其中，^為參考沉積速率、Fr為陰極電壓的參考值以及/r為陰極電流的參考值。通過將 等式(25)代入等式(24)中，沉積速率關于陰極電壓和陰極電流的第 一相關關系K變為<formula>formula see original document page 18</formula>[58]如上所述，參考沉積速率以及第一和第三參數參考值優選由在先一層或多層的沉積 確定。在一些實施例中，第一相關關系通過將參考沉積速率、第一和第三參數的參考值 以及第一和第二相關指數的預設值輸入接口 IOI的程序得到。在其他實施例中，參考常量、第一和第三參數的參考值以及第一和第二相關指數通過接口 101的程序計算得出。 優選地，如上所述，第一、第二和第三參數的參考值通過接口 101的程序更新。[59] —旦選定第一、第二和第三參數并且得出沉積速率對第一和第三參數的第一相關關 系，接口 101的程序將前述信息傳遞至控制器102。在第三步403中，開始層的沉積。 優選地，用戶通過接口 101開始層的沉積，所述接口 101將操作命令傳入控制器102。 然后，如前所述，控制器102控制電源156以開始層的沉積。[60]在層的沉積過程中，在第四步404中，控制器102控制電源156以將第二參數基本 保持為常數參考值，并且在第五步405中，控制器102監控電源156以測量第一參數關 于時間的第二相關關系和第三參數關于時間的第三相關關系。在第六步406中，根據沉 積速率關于第 一和第三參數的第 一相關關系、第 一參數關于時間的第二相關關系以及第 三參數關于時間的第三相關關系，控制器102的程序確定層的沉積時間。[61]因為在層的沉積過程中，允許第一和第三參數隨時間漂移，所以層的沉積速率也隨 時間漂移。沉積速率關于時間的相關關系包括第 一參數關于時間的第二相關關系和第 三參數關于時間的第三相關關系。例如，當第 一和第三參數分別為陰極電壓和陰極電流 時，通過陰極電壓關于時間的第二相關關系7(0以及陰極電流關于時間的第三相關關系 由等式(26)得出沉積速率關于時間的相關關系r0),根據以下公式<formula>formula see original document page 19</formula>考慮到等式(l),沉積厚度關于時間的相關關系c/(7)為<formula>formula see original document page 19</formula>為了使層的沉積厚度達到參考沉積厚度《，層的沉積必須在沉積時間fd停止，根據以下 公式<formula>formula see original document page 19</formula>200810084620.2說明書第15/16頁[62]優選地，將等式(4)代入等式(29)得到包含參考沉積時間fr的停止層沉積的條件，并 且重新整理等式后得出<formula>formula see original document page 20</formula> (30)0如上所述，參考沉積厚度可以優選通過接口 101的程序得出，并且參考沉積時間優選由 接口 101的程序根據等式(4)由參考沉積速率和參考沉積厚度計算出。作為替換，相應于 第一和第三參數的參考值的參考沉積時間可以優選通過接口 101的程序得出。[63]因此，當第一參數為陰極電壓，第三參數為陰極電流并滿足等式(29)的條件時，可 以得到具有參考沉積厚度的層的沉積時間。通過執行相應的累加求和，控制器102的程 序計算等式(29)的積分，根據以下公式<formula>formula see original document page 20</formula>如上所述，如果考慮對控制器102掃描速度的限制，則停止層沉積的優選條件為<formula>formula see original document page 20</formula> (32)如所述第二實施例可示，層的沉積厚度大于或等于參考沉積厚度所需的沉積時間， 通過計算第 一參數關于時間的第二相關關系以及第三參數關于時間的第三相關關系隨 時間的積分可以確定。在一些實施例中，通過計算第一參數關于時間的第二相關關系以 及第三參數關于時間的第三相關關系隨時間的累加求和以確定沉積時間。[65]優選地，沉積時間的確定包括將第一參數關于時間的第二相關關系與第一參數的 參考值相比較，將第三參數關于時間的第三相關關系與第三參數的參考值相比較，并且 相應地從所述參考沉積時間調整所述沉積時間。最為優選地，通過計算以第一相關指數 為指數的第二相關關系的冪和以第二相關指數為指數的第三相關關系的冪對時間的積 分，并且將所述積分與參考沉積時間、以第一相關指數為指數的第一參數參考值的冪和 以第二相關指數為指數的第三參數參考值的的冪的乘積進行比較，可以確定層的沉積時間。當然，大量其他相當的層停止沉積的條件可以通過將前述等式重新整理并且將所迷 等式結合得到。[66]優選地，通過控制器102的程序來完成積分的計算和積分與乘積的比較。在第七步 407中，當積分值大于或等于乘積時，控制器102控制電源156停止層的沉積。[67]當然在不違背本發明的精神和范圍的條件下可以設計出大量的其他實施例。
權利要求
1、一種在具有靶陰極的濺射沉積系統中沉積層的方法，包括下面的步驟a)從由陰極電壓、陰極電流和陰極功率組成的操作參數組中選取第一和第二參數，從而使所述第一和第二參數是不同的操作參數；b)提供所述層的沉積速率關于所述第一參數的第一相關關系；c)開始沉積所述層；d)在所述層的沉積過程中，將所述第二參數大致保持為參考值常數；e)在所述層的沉積過程中，測量所述第一參數關于時間的第二相關關系；f)在所述層的沉積過程中，根據所述第一和第二相關關系，確定所述層的沉積時間；g)在所述沉積時間停止所述層的沉積。
2、 根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(b)中所提供的所述第一相關關系 是包括有參考常數和非零相關指數的冪函數。
3、 根據權利要求2所述的方法，還包括以下步驟在步驟(b)之前，根據一層 或多層在先的沉積層，確定所述參考常數和所述相關指數。
4、 根據權利要求2中所述的方法，其中，所述參考常數包括參考沉積速率和相應 的所述第一參數的參考值。
5、 根據權利要求4所述的方法，還包括以下步驟在步驟(b)之前，根據所述 參考沉積速率和在先的一層或多層所述層的沉積速率之間的差別，更新在先的一層 或多層沉積層的所述第 一和第二參數的參考值，以確定所述第 一和第二參數的參考 值。
6、 根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(f)包括計算所述第二相關關系 對時間的積分。
7、 根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(f)包括計算所述第二相關關系 隨時間的求和。
8、 根據權利要求1所述的方法，還包括以下步驟在步驟(c)之前，提供所 述層的參考沉積厚度，其中，步驟(f)包括確定所述層的沉積厚度大于或等于所 述參考沉積厚度所需的沉積時間。
9、 根據權利要求4所述的方法，還包括以下步驟在步驟(c)之前，提供所 述層的參考沉積厚度，其中，步驟(f)包括根據所述參考沉積速率和所述沉積厚 度，來計算所述層的參考沉積時間；計算以所述相關指數為指數的所述第二相關關系的冪對時間的積分；比較所述積分和所述參考沉積時間與以所述相關指數為指數 的所述第 一參數的冪的乘積，以使在所述沉積時間所述層的沉積厚度大于或等于所 述參考沉積厚度。
10、 根據權利要求1所述的方法，還包括以下步驟在步驟(c)之前，提供所 述層的參考沉積時間和相應的所述第一參數的參考值，其中，步驟(f)包括比較 所述第二相關關系和所述第 一參數的所述參考值，并相應地從所述參考沉積時間調 整所述沉積時間。
11、 根據權利要求2所述的方法，還包括以下步驟在步驟(c)之前，提供所 述層的參考沉積時間和相應的所述第一參數的參考值，其中，步驟(f)包括計算 以所述相關指數為指數的所述第二相關關系的冪對時間的積分，并比較所述積分和 所述參考沉積時間與以所述相關指數為指數的所述第 一參數的冪的乘積。
12、 根據權利要求1所述的方法，其中，步驟(a)還包括從所述操作參數組中 選取第三參數，以使第一、第二和第三參數是不同的操作參數；其中，步驟(b) 提供的所述第一相關關系是所述沉積速率關于所述第 一和第三參數的相關關系，其 中；步驟(e)還包括，在層的沉積過程中，測量所述第三參數關于時間的第三相關 關系；以及其中，步驟(f)包括，根據所述第一、第二和第三相關關系確定所述沉 積時間。
13、 根據權利要求12所述的方法，其中，步驟(b)中提供的所述第一相關關 系是冪函數，其包括參考常數、非零的第一和第二相關指數。
14、 根據權利要求13所述的方法，其中，所述參考常數包括參考沉積速率和 相應的所述第一和第三參數的參考值。
15、 根據權利要求12所述的方法，其中，步驟(f)包括計算所述第二和第三 相關關系對時間的積分。
16、 根據權利要求14所述的方法，還包括以下步驟在步驟(c)之前，提供 所述層的參考沉積厚度，其中，步驟(f)包括根據所述參考沉積速率和所述參考 沉積厚度計算參考沉積時間；計算以所述第一相關指數為指數的所述第二相關關系 的冪和以所述第二相關指數為指數的所述第三相關關系的冪對時間的積分；比較所 述積分和所述參考沉積時間、以所述第一相關指數為指數的所述第一參數的所述參 考值的冪和以所述第二相關指數為指數的所述第二參數的所述參考值的冪的乘積， 以使在所述沉積時間所述層的沉積厚度大于或等于所述參考沉積厚度。
17、 一種在具有耙陰極的賊射沉積系統中沉積層的控制系統，包括接口，其用于在由陰極電壓、陰極電流和陰極功率組成的操作參數組中選擇第 一和第二參數，以使所述第一和第二參數是不同的操作參數，并且所述接口用于提 供所述層的沉積速率關于所述第 一參數的第 一相關關系；以及控制器，配置所述控制器，用以控制電源開始所述層的沉積，用以在層的沉積 過程中控制電源從而將所述第二參數大致保持為參考值常數，用以在所述層的沉積 過程中監視電源以測量所述第 一參數關于時間的第二相關關系，用以在所述層的沉 積過程中根據所述第一和第二相關關系以確定所述層的沉積時間，并且用以控制所 述電源以在沉積時間停止所述層的沉積。
18、 根據權利要求17所述的控制系統，其中，所述第一相關關系是包括參考 常數和非零相關指數的冪函數。
19、 根據權利要求18所述的控制系統，其中，所述參考常數包括參考沉積速 率和相應的所述第一參數的參考值。
20、 根據權利要求17所述的控制系統，其中，配置所述控制器，以通過計算 所述第二相關關系對時間的積分來確定所述沉積時間。
21、 根據權利要求17所述的控制系統，其中，所述接口還用于提供所述層的 參考沉積厚度；并且其中，配置所述控制器，以確定所述沉積時間的沉積厚度大于或等于所述參考沉積厚度所需的沉積時間。
22、 根據權利要求19所述的控制系統，其中，所述的接口還用于提供所述層 的參考沉積厚度；以及其中，配置所述控制器，以通過以下步驟確定所述沉積時間 根據所述參考沉積速率和所述沉積厚度，計算所述層的參考沉積時間；計算以所述 相關指數為指數的所述第二相關關系的冪對時間的積分；比較所述積分和所述參考 沉積時間與以所述相關指數為指數的所述第一參數的冪的乘積，以使在所述沉積時 間的所述層的沉積厚度大于或等于所述參考沉積厚度。
23、 根據權利要求17所述的控制系統，其中，所述接口還用于提供所述層的 參考沉積時間和相應的所述第一參數的參考值；以及其中，配置所述控制器，以通 過以下步驟確定所述沉積時間比較所述第二相關關系和所述第 一參數的所述參考 值，并相應地從所述參考沉積時間調整所述沉積時間。
24、 根據權利要求17所述的控制系統，其中，所述的接口還用于從所述操作 參數組中選擇第三參數，以使所述第一、第二和第三參數是不同的操作參數'其中所述第 一 相關關系是所述沉積速率關于所述第 一 和第三參數的相關關系；以及其 中，配置所述控制器以監視所述電源，從而在層的沉積過程中測量所述第三參數關 于時間的第三相關關系，并根據所述第 一 、第二和第三相關關系確定所述沉積時間。 25、 一種在具有靶陰極的賊射沉積系統中沉積層的控制系統，其包括 a)用于從由陰極電壓、陰極電流和陰極功率組成的操作參數組中選擇第一和 第二參數的裝置，使得所述第 一和第二參數是不同的操作參數；b )用于提供所述層的沉積速率關于所述第 一參數的第 一相關關系的裝置；c) 用于開始所述層的沉積的裝置；d) 在所述層的沉積過程中，用于將所述第二參數大致保持為參考值常數的裝置；e) 在所述層的沉積過程中，用于測量所述第一參數關于時間的第二相關關系 的裝置；f) 在沉積所述層的過程中，用于根據所述第一和第二相關關系確定所述層的 沉積時間的裝置；g )用于在沉積時間停止所述層的沉積的裝置。
全文摘要
本發明提供在具有靶陰極的濺射沉積系統中沉積層的方法和控制系統。在沉積層之前提供層的沉積速率關于操作參數的相關關系，該操作參數選自陰極電壓、陰極電流和陰極功率。在沉積層的過程中測量操作參數關于時間的第二相關關系，同時將另一個不同的操作參數保持為大致常數，該操作參數也選自陰極電壓、陰極電流和陰極功率。在沉積層的過程中，根據第一和第二相關關系動態確定層的沉積時間。
文檔編號C23C14/54GK101265569SQ200810084620
公開日2008年9月17日 申請日期2008年3月13日 優先權日2007年3月13日
發明者喬治·J.·歐肯法斯, 馬庫斯·K.·太爾西 申請人:Jds尤尼弗思公司