专利名称：冷却式阳极的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式主要涉及用于大面积基板的物理气相沉积(PVD)系统。
背景技术：
使用磁电管的PVD是一种将材料沉积到基板上的方法。在PVD工艺期间， 可电偏压靶，从而在工艺区域中所产生的离子可以足够的能量轰击耙表面以从 靶驱除原子。偏置靶材以产生使离子轰击靶表面并从该靶表面去除原子的等离 子体的工艺通常称为溅射。所溅射的原子一般朝向进行溅射涂覆的基板移动， 并且所溅射的原子沉积在该基板上。可选地，原子与等离子体中的气体反应， 例如氮气，以反应性地在该基板上沉积化合物。反应性的溅射通常用于在该基 板上形成钛氮化物或钽氮化物的薄阻挡层和成核层。
直流(DC)溅射和交流(AC)溅射是溅射的形式，其中靶偏置以朝向靶 吸引离子。耙可偏置到约-100V到-600V的范围内的负偏压以朝向耙材吸引工 作气体(例如，氩)的负离子从而溅射原子。通常地，溅射腔室的侧部由护板 覆盖以保护腔室壁隔离溅射沉积。护板可电性接地，从而提供与靶阴极相对的 阳极以将靶电源电容性耦合到溅射腔室中所产生的等离子体。
在溅射期间，材料可溅射并沉积在腔室内暴露的表面上。当温度从处理温 度变化(fluxuate)到较低的非处理温度时，已经沉积在腔室的暴露表面上的 材料可剥离并污染基板。
当在诸如玻璃基板、聚合物基板、平板显示器基板、太阳能电池基板和其 它适宜的基板的大面积基板上沉积薄膜时，可能难以在基板上均匀沉积。因此， 在本领域中需要减少PVD腔室中的剥落，同时还需要将材料均匀沉积到基板 上。
发明内容
本发明主要包含PVD装置和PVD方法。延伸阳极通过在靶材和基板之间
的处理空间可增加在基板上的沉积均匀性。阳极为在等离子体中激发的电子提 供接地路径，并可使等离子体内的电子均匀分布在整个处理空间，而不是在腔 室壁聚积。等离子体内电子的均匀分布可引起基板上材料的均匀沉积。阳极可 由冷却流体冷却以控制阳极的温度并减少剥落。阳极可越过在垂直于磁电管长 侧的处理空间设置，磁电管可在整个溅射靶的后面在二维上扫描。扫描磁电管 可减少阳极的局部加热。
在一个实施方式中，公开了一种物理气相沉积装置。该装置包含在其中具 有处理空间的腔室主体、 一个或多个靶、基板支架，和设置在一个或多个耙和 基板之间的一个或多个阳极。 一个或多个阳极每个都包含内壁和外壁，其中该 内壁限定当与内壁接触时流过冷却流体的流体流径。
在另一实施方式中，公开了一种阳极组件。该阳极组件包含具有外壁的阳 极主体、由内壁限定的中空通道、具有与其耦合的冷却流体出口的第一端，和 与其耦合的流体出口的第二端。
在另一实施方式中，公开了一种物理气相沉积方法。该方法包含在腔室 内与溅射靶相对设置基座以限定在靶和基座之间的处理空间，从耙溅射材料以 产生等离子体，提供处理空间内的接地路径，其中接地路径横跨整个处理空间 的区域并包含内壁和外壁，以及当与内壁接触时，在接地流径内流过冷却流体。
因此为了可以更详细的理解本发明的以上所述特征，将参照附图中示出的 部分实施方式对以上的简要所述的本发明进行更具体的描述。然而，应当注意 附图仅示出了本发明的典型实施方式，并因此不能认为是本发明范围的限定， 本发明可允许其他等同的有效实施方式。
图1是根据本发明的一个实施方式的PVD装置100的横截面视图； 图2是合并冷却式阳极的PVD装置100的一个实施方式的俯视图； 图3A是根据本发明的一个实施方式贯穿暗区护板136的阳极134的俯视
图3B是根据本发明的一个实施方式的阳极134和阳极安装托架144的横 截面视图4是根据本发明的一个实施方式的冷却组件150的视图5A和图5B是根据本发明的实施方式与冷却式阳极相关的磁电管的示 意图6是根据本发明的一个实施方式的磁电管的扫描图案的示意图； 为了便于理解，尽可能使用同样的附图标记表示附图中同样的元件。在没
有具体叙述的情形下，一般预期在一个实施方式中公开的元件可有利地在其它
实施方式中使用。
具体实施例方式
本发明主要包含PVD装置和PVD方法。延伸阳极通过在靶和基板之间的 处理空间可增加在基板上的沉积均匀性。阳极为在等离子体中激发的电子提供 接地路径，并可使等离子体内的电子均匀分布在整个处理空间，而不是在腔室 壁聚积。等离子体内电子的均匀分布可产生在基板上材料的均匀沉积。阳极可 由冷却流体冷却以控制阳极的温度并减少剥落。阳极可越过在垂直于磁电管长 侧的处理空间设置，磁电管可在整个溅射靶后面在二维上扫描。扫描磁电管可 减少阳极的局部加热。
本发明示意性地描述并可在用于处理大面积基板的PVD系统中使用，诸 如可从加利福尼亚，Santa Clara的应用材料子公司的AKT⑧购得的PVD系统。 然而，应该理解溅射靶可在其它系统构造中使用，包括那些构造以处理大面积 圆形基板的系统和那些由其它制造商生产的系统。
图1是根据本发明的一个实施方式的PVD装置100的橫截面视图。装置 100包括通过粘结层106粘结到背板104的溅射靶102。靶102与基座112相 对位于整个处理空间158上。在背板104内，可存在冷却通道108以有助于在 整个耙102上提供均匀的温度。暗区护板136可围绕靶102。磁电管110可存 在于背板104后面。
随着对较大面积平板显示器的需求增加，因此对较大的基板尺寸的需求也 增加。随着基板尺寸的增加出现各种挑战。在这些挑战中存在均匀沉积问题。 在溅射等离子体内的电子被吸引到接地的装置100内的元件。传统地，腔室壁 132和基座112或基板支架接地并因此，用作与起阴极作用的溅射靶102相反 的阳极。
用于阳极的接地腔室壁132吸引来自等离子体的电子，并因此可趋于在接
近腔室壁132处产生较高密度的等离子体。接近腔室壁132的较高密度的等离 子体可增加接近腔室壁132的基板上的沉积并减少远离腔室壁132的沉积。另 一方面，接地的基座U2也用作阳极。基座112可横跨处理空间158的有效长 度。在许多情形下，基座112环绕与基板一样大的面积。因此，基座112可不 仅在基座112的边缘处而且在基座112的中心为电子提供到接地的路径。在基 座112的中心的接地路径可平衡在基座112和腔室壁132的边缘处的接地路 径，原因在于位于腔室壁132或基座112的每个阳极可等效地用作阳极并在整 个处理空间158上均匀扩散等离子体。通过在整个处理空间158上均匀分布等 离子体，可产生在整个基板上的均匀沉积。
当基板是绝缘基板(诸如玻璃或聚合物)时，基板是非导电性的，因此电 子不跟随通过基板。因此，当绝缘基板基本覆盖基板支架时，基板支架不提供 接近处理区域158的中心的足够的阳极表面。对于大面积基板，诸如太阳能电 池板或用于平板显示器的基板，阻挡通过基座112接地的路径的基板尺寸可能 是很重要的。具有1平方米大的面积的基板在平板显示器工业中是常见的。对 于1平方米绝缘基板，通过基座112的接地路径阻挡为1平方米的面积。因此， 没有被基板覆盖的腔室壁132和基座112的边缘是等离子体中电子的唯一接地 路径。在基板中心附近没有任何接地路径存在。对于大面积基板，高密度的等 离子体可在没有被基板覆盖的腔室壁132和基座112的边缘形成。接近腔室壁 132和基座112边缘的高密度等离子体可使不存在接地路径的接近处理区域 158的中心的等离子体变稀薄。在接近处理区域158的中心没有接地路径的情 形下，等离子体可能是不均匀的，因此在大面积基板上的沉积可能是不均匀的。
为了有助于在整个基板上提供均匀的溅射沉积，阳极134可设置在靶102 和基板(未示出)之间。在一个实施方式中，阳极134可由电弧喷镀铝涂覆的 喷砂处理的不锈钢。在另一实施方式中，阳极134可喷砂处理。通过喷砂处理 或电弧喷镀阳极134,阳极134表面可为毛面的(texture)以俘获在其上溅射 的材料并减少在基板上的任何剥落或落下材料。
阳极134可距离靶102 "A"设置。距离"A"可足够小以在沉积期间减 少基板的任何阴影。阳极134还可成形以减少基板的任何阴影并最大化沉积均 匀性。阳极B4可设计大小以保证阳极134可支撑自身重量和通过腔室的冷却 流体的重量。在一个实施方式中，阳极134可具有圆形的横截面。在另一实施
方式中，阳极134可具有椭圆形(oblong)横截面。
在一个实施方式中，阳极134的一端通过可与安装壁架146耦合的托架 144安装到腔室壁132。如在图3B中所示，托架144成形以部分围绕阳极134 并防护部分阳极134。托架144在暗区护板136下弯曲。托架144可经由任何 传统的联接器件诸如螺旋或螺母和螺钉组件与安装壁架146耦合。如图1所示， 部分托架144位于暗区护板136和腔室护板130之间。托架144可与阳极134 的一端耦合以将阳极134接地。托架144可认为是柔性接地连接，由于其可能 暴露于处理空间158中的等离子体，则托架144可能随着温度变化而膨胀和收 縮。当阳极134冷却时，阳极134还可通过导电冷却流体134冷却托架。
阳极134的另一端贯穿暗区护板136和腔室壁132。如图3A所示，托架 138与暗区护板136耦合以将阳极134与暗区护板136耦合。在阳极134的一 端是连接组件142。连接组件142可以为用于连接含流体管的任意传统已知的 器件。附加的托架140可以将阳极134耦合至腔室壁132并稳定连接组件142。 托架140可提供阳极134的接地路径并固定(g卩，相对于小的膨胀或者收縮)， 原因在于其位于可基本从处理空间158隐藏的位置。在另一实施方式中，阳极 134可利用锚装配安装，锚装配可通过阳极护板与沉积隔离。锚装配可设置在 护板116上。锚装配还可提供类似于托架140的接地路径。
阳极134提供与靶102相反的电荷，从而带电离子将吸引到那里，而不是 典型为接地电势的腔室壁132。通过在靶102和基板之间提供阳极134，等离 子体可更加均匀，其可有助于沉积。
当基板进入装置100中时，升降杆114可上升以接收基板。升降杆114 随后降低并且基座112升高以接收基板。由于基座112上升至处理位置，基座 112与遮蔽结构118相遇并利用遮蔽结构升降杆120提升遮蔽结构118至处理 位置。遮蔽结构118减少可沉积在基座112的暴露区域上的材料量。当没有提 升时，遮蔽结构118位于下护板122上。下护板122可与冷却歧管124耦合。
由于遮蔽结构118上下移动，因此在遮蔽结构118上沉积的任何材料可能 剥落。为了减少材料从遮蔽结构118上剥落，基本固定的附加护板116可设置 在装置100内以隔离遮蔽结构118。护板116与冷却歧管124耦合。冷却歧管 124控制护板116的温度。护板116由于温度变化的膨胀和收縮可能导致装置 100内的剥落并污染基板。通过控制护板116的温度，可减少护板116的膨胀
和收縮。冷却歧管124放置在歧管架126上并可通过流经冷却管道128的冷却 流体冷却。冷却流体可以是本领域普通技术人员已知的任何传统冷却流体。
通过位于处理空间158内，在溅射期间材料可沉积在阳极134上。沉积在 阳极134上的材料还可成为污染源。在溅射工艺期间，温度可显著高于在预定 停工时间内的温度。改变阳极134的温度将导致阳极134的膨胀和收縮，并因 此，剥落在其上沉积的材料。另外，等离子体温度可能足够高以增加沉积在阳 极134上的材料的温度至接近或达到其熔点。当沉积在阳极134上的材料达到 其熔点时，材料可融化，并因此从阳极134滴下并落在基板上。剥落和滴落可 能是基板的污染源。
为了减少剥落和材料滴下，可冷却阳极134。冷却阳极134可控制阳极134 的温度并因此，减少在处理和设备预定停工时间期间阳极134的膨胀和收縮。 另外，冷却阳极134可减少材料滴落。冷却的阳极134冷却在阳极134上沉积 的任何材料，从而材料的温度不达到其熔点。当在阳极134上沉积的材料的温 度不达到其熔点时，可减少滴落。
图2是合并三个冷却阳极134的PVD装置100的一个实施方式的俯视图。 应该理解虽然示出了三个冷却阳极134，但是可使用更多或更少的阳极134。 在图2所示的实施方式中，阳极134为U形，从而单一阳极134两次横跨处 理区域158。另外，冷却流体可进入阳极134并在装置100的相同侧排出阳极 134。在另一实施方式中，阳极134可基本为线性并横跨处理区域158—次。
冷却组件150可通过托架152耦合至装置100。图4示出了根据本发明的 一个实施方式的冷却组件150。冷却组件150可具有与连接组件142耦合的进 出管154以循环冷却流体进出冷却供应/排出管156。流经阳极134的冷却流体 保持在阳极134内并可能不进入处理环境。冷却流体在阳极134的内壁162 内流动并且不贯穿内壁162流到外壁160。阳极134的外壁160暴露于处理环 境。通过经过阳极134自身流入冷却流体，就不需要在阳极134内或者阳极 134上面附加的冷却管道或管。冷却流体可以为本领域普通技术人员已知的任 何传统冷却流体。
虽然本发明已经参照靶102进行以上描述，但是应该理解可存在多个靶。 例如，需要用于在大面积基板上溅射沉积的大面积耙可能非常昂贵。因此，在 二者之间具有小缝隙的多靶将在整个背板上隔开。多耙小于一个大面积靶，但
是本质上可用作单一大面积靶。在美国专利申请No.2007/0056850、 2006年6 月15日提交的美国专利申请No.ll， 424， 467和2006年6月15日提交的美 国专利申请No.l 1/424， 478中公开了该靶的实施例，在此引入以上专利的全 部内容作为参考。
可使用的靶102不限于方形靶。靶条和靶片(tile)是可用于实施本发明 的其它适宜的靶102的实施例。对于非方形靶102，阳极134可在靶102的最 长边缘的方向上横跨处理空间158。在另一实施方式中，阳极134可在垂直于 靶102的最长边缘的方向上横跨处理空间158。
图5A和图5B是根据本发明的实施方式关于冷却式阳极的磁电管的示意 性视图。图5A示出了具有设置在背板502后面的磁电管组件504的装置500。 磁电管组件504包含多个磁体510可设置在其中的外凹槽506和内凹槽508。 外凹槽506可包含具有第一极性的磁体510，而内凹槽508可包含具有不同极 性的磁体510，从而磁场可在凹槽506、 508之间形成。 一个或多个阳极512 可越过处理腔室设置。阳极512可垂直于磁电管组件504的长恻514。磁电管 组件504的长侧514可具有长度"A"，而短侧516可具有长度"B"，其中 "A" > "B"。
类似于图5A，图5B示出了具有设置在背板552后面的磁电管组件554 的装置550，其中磁电管装置554包含多个磁体560可设置在其中的外凹槽556 和内凹槽558。与图5A相比，图5B的磁电管组件554具有不同的蛇形设计。 外凹槽556可包含具有第一极性的磁体560，而内凹槽558可包含具有不同极 性的磁体560，从而磁场可在凹槽556、 558之间形成。 一个或多个阳极562 可越过处理腔室设置。阳极562可垂直于磁电管组件554的长侧564。磁电管 组件554的长侧564可具有长度"C"，而短侧516可具有长度"D"，其中 "C" 〉 "D"。
为了防止阳极的局部加热以及为了确保均匀的靶侵蚀，可在整个背板上扫 描磁电管组件。图6是根据本发明的一个实施方式的磁电管的扫描图案的示意 图。在一个实施方式中，磁电管可附加地如箭头F所示的横向移动以及可如箭 头E所示的水平移动。磁电管组件的横向和/或水平移动可为除了扫描图案600 之外的图案。通过扫描磁电管组件，磁场可在整个溅射靶上移动，从而溅射耙 可均匀侵蚀。另外，在溅射靶前面的磁场内的高密度等离子体可在扫描期间移
动，从而高密度等离子体不会在阳极横越的处理空间的任何特殊区域上方保持 集中。因此，扫描磁电管组件，并因此磁场可防止阳极的局部加热。
对于大面积基板，提供在处理区域的中部的接地路径是有利的，从而均匀 沉积发生。横跨在靶和基板之间的处理区域的阳极可提供等离子体内的电子的 接地路径，以增加在整个处理空间中的均匀等离子体分布并因此，在基板上的 均匀沉积发生。冷却阳极可减少剥落和材料滴落。
虽然前述针对本发明的实施方式，但是在不脱离本发明的基本范围下，本 发明还承认其它和进一步的实施方式，并且本发明的范围由以下权利要求书确 定。
权利要求
1、一种物理气相沉积装置，包括腔室主体，在其中具有处理空间；一个或多个靶材；基板支架；以及一个或多个阳极，其设置在所述一个或多个靶材和所述基板支架之间，所述一个或多个阳极每个都包含内壁和外壁，其中所述内壁限定在与所述内壁接触时流过冷却流体的流体流径。
2、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包含 与每个阳极耦合的托架，其中所述托架成形以从该处悬挂所述阳极。
3、 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述托架耦合接地。
4、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个阳极包含 粗糙表面。
5、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个阳极的至 少一个阳极包含U形结构。
6、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包含 磁电管，其具有第一长度的第一段和小于所述第一长度的第二长度的第二段，其中所述一个或多个阳极延伸经过基本垂直于所述第一段的所述处理空 间。
7、 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述磁电管相对于所述一 个或多个靶可移动。
8、 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述磁电管在二维上可移动。
9、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个阳极的至 少一个阳极多次贯穿所述处理空间。
10、 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个或多个阳极耦合 至固定的接地元件。
11、 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述一个或多个阳极耦 合至柔性接地元件。
12、 一种阳极组件，包含 具有外壁的阳极主体、由内壁限定的中空通道、具有与其耦合的冷却流体 入口的第一端、和具有与其耦合的流体出口的第二端。
13、 根据权利要求12所述的阳极组件，其特征在于，所述阳极主体包含 U形结构。
14、 根据权利要求12所述的阳极组件，其特征在于，进一步包含与所述 阳极主体耦合的托架。
15、 根据权利要求12所述的阳极组件，其特征在于，所述外壁包含粗糙 表面。
16、 一种物理气相沉积方法，包含在腔室内与溅射靶材相对放置基座，以在所述耙材和所述基座之间限定处 理空间；从所述靶材溅射材料以产生等离子体；提供所述处理空间内的接地路径，所述接地路径横跨整个所述处理空间的 区域并包含内壁和外壁；以及在冷却流体与所述内壁接触时，在所述接地路径内流过冷却流体。
17、 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，磁电管设置在所述溅射 靶材后面，所述磁电管包含具有第一长度的第一段和具有小于所述第一长度的 第二长度的第二段，所述方法进一步包含垂直与所述第一段流过所述冷却流体。
18、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包含平移在所述 溅射靶后面的所述磁电管。
19、 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述磁电管在二维空间 中平移。
20、 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包含 产生延伸到所述处理空间中的磁场；以及移动所述磁场。
21、 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述冷却流体通过所述 腔室的相同侧进出所述接地路径。
22、 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述接地路径包含具有 粗糙表面的阳极。
全文摘要
本发明公开了一种物理气相沉积(PVD)装置和PVD方法。延伸阳极通过在靶材和基板之间的处理空间可增加在基板上的沉积均匀性。阳极为在等离子体中激发的电子提供接地的路径，并可使在整个处理空间的等离子体内的电子均匀分布，而不是在腔室壁聚积。等离子体内电子的均匀分布可产生在基板上材料的均匀沉积。阳极可由冷却流体冷却以控制阳极的温度并减少剥落。阳极可越过垂直于磁电管长侧的处理空间设置，磁电管可在整个溅射靶材的后面在二维上扫描。扫描磁电管可减少阳极的局部加热。
文档编号C23C14/35GK101104921SQ200710128459
公开日2008年1月16日 申请日期2007年7月12日 优先权日2006年7月14日
发明者布劳德利·O·斯廷森, 稻川·真, 细川·昭弘, 艾伦·卡-玲·劳 申请人:应用材料股份有限公司