薄膜涂覆系统和方法

专利名称：薄膜涂覆系统和方法
薄膜涂覆系统和方法相关申请本申请与临时专利申请No. 60/996063共同待审并要求它的优先权，该临时专利申请 No. 60/996063 的申请日为 2007 年 10 月 26 日，标题为 “Thin Film Coating System and Method”，申请人与本申请相同，该文献整个被本文参引。本申请与美国专利申请No. 12/155544共同待审并为它的部分继续申请， 该美国专利申请No. 12/155544的申请日为2008年6月5日，它要求临时专利申请 Νο·60/924930(申请日为2007年6月5日)的优先权，标题为“Low Cost High Rate Deposition Tooling”，各文献整个被本文参引。
背景技术：
本发明实施例通常涉及在基片上沉积反应溅射薄膜。示例薄膜可以由两种或更多 元素组成，这些元素包括但不局限于金属氧化物、氮化物和碳化物，用于形成非溅射涂层、 溅射涂层和耐磨涂层。示例基片可以是(但不局限于)钨-卤素白炽灯、太阳能镜、灯光 反射器、灯加热器(lamp burner)和钻头。用于这些基片的现有技术涂覆系统通常利用磁 控管溅射系统。图1和2是现有技术的磁控管溅射系统的透视图。参考图1，普通的磁控管 溅射系统利用安装在真空腔室1中的圆柱形可旋转鼓筒2，该真空腔室1有位于它的壁中 的溅射目标3。本领域已知的等离子体或微波产生器4也可以位于真空腔室1的壁中。基 片6可去除地安装在鼓筒2的面板或基片保持器5上。参考图2，多个基片6 (例如灯加热 器)可以通过普通的基片保持器8而安装在可旋转鼓筒2上。普通的基片保持器8通常包 括多个齿轮和轴承9，从而使得一个或多个灯6能够绕它的轴线旋转。因此，当灯经过目标 3时，来自溅射目标3的材料可以环绕灯6分配。获得充分均勻的涂层通常需要多次旋转经 过该目标3。本发明实施例的溅射系统可以使得基片快速和/或重复地经过溅射目标，以便 将在单次通过中沉积的材料限制为几个原子单层，通常小于一个。示例性的单次通过材料 的厚度的范围大约为1到30埃。在这些普通溅射系统中所需的大部分氧化可以与经过目标的金属沉积同时发生， 该目标通常(但不必须)由单个金属制成。为了清楚，氧化可以大致定义为在化学反应过 程中由原子、分子或离子失去一个或多个电子。氧化通常伴随有失去电子的原子、分子或离 子的氧化数的增加。在该主题实施例中，氧化可以在沉积通过之间的间隔过程中在各真空 腔室的其它部分中完成。在该主题实施例中的氧化可以借助于或不借助于高氧化源(例如 微波驱动等离子体)来进行。现有技术溅射系统的一个限制是当平均沉积速率增大时开始不完全氧化。为了在 普通系统中避免不完全氧化，供给溅射目标的功率必须进行限制，从而导致系统的总体生 产率降低。而且，在包括需要在可视范围内输送的氧化物的系统中，这种不完全氧化大致可 以表现为吸收薄膜。因此，本领域需要能克服现有技术缺点的示例薄膜涂覆方法和系统。本 领域还需要提高金红石二氧化钛在钨_卤素灯和其它基片上的沉积速率，而不会引起过多 吸收。

发明内容
因此，本发明实施例的一个方面是提供一种真空腔室，用于通过反应溅射在基片 上沉积薄膜。可以提供运动的基片保持器，以便使得来自溅射目标的流量分配至比基片在 溅射目标平面上的投影面积更大的面积上。通过这种改进的几何形状和基片的快速运动， 示例沉积方法可以在更高溅射速率下操作，从而提高涂覆基片的生产率。在本发明实施例的另一方面，可以提供运动的基片保持器，以便通过在经过溅射 目标沉积的过程中合适相位调节基片的方位而使得来自一个或多个溅射目标的流更均勻 地分配至基片上。通过合适相位调节工具，示例沉积处理可以在更高溅射速率下操作，从而 提高涂覆基片的生产率。因此，本发明的一个实施例提供了一种提高每单位时间形成的非吸收薄膜的容积 的新颖方法。该方法包括使基片表面面积增加到X倍，以及使得目标材料的沉积速率增加 到大于倍数X的倒数的倍数，从而增加每单位时间的无吸收薄膜容积形成速率。本发明另一实施例提供了一种在基片表面上形成无吸收薄膜的方法。该方法包括 以目标材料的第一溅射速率操作溅射目标，以及使基片表面以第一暴露速率暴露于目标， 以便在每单位基片面积的沉积速率下使得溅射目标材料沉积在基片表面上。然后可以增加 基片表面对于目标的暴露速率，且溅射目标在目标材料的第二溅射速率下操作，使得每单 位面积基片表面的溅射目标材料的沉积速率大于基片表面第一暴露速率与基片表面增加 的暴露速率的比率以及每单位面积基片表面的沉积速率的乘积。本发明还一实施例提供了一种涂覆系统，它有要沉积的材料源，该要沉积的材料 源有选择的材料释放速率；反应大气，用于使沉积的材料暴露于反应剂，以便进行材料的氧 化；用于保持一个或多个基片的工具，该工具具有确定保持的基片的第一表面面积的能力； 以及载体，该载体支承工具，用于使得由工具保持的基片以每单位时间第一面积暴露于沉 积材料源和反应大气，从而实现每单位面积基片的第一沉积材料速率。增加基本无吸收薄 膜在一个或多个基片上的形成速率的方法可以包括增加工具的能力，从而增加由工具保持 的基片表面面积，以及增加每单位时间暴露于沉积材料源和反应大气的基片面积。然后，可 以增加材料从所述源释放的速率，使得每单位面积基片的材料沉积速率大于(i)每单位时 间暴露于沉积材料源和反应大气的第一面积与增加面积的比率以及(ii)每单位面积基片 的第一沉积材料速率的乘积。本发明附加实施例提供了使用涂覆系统来在基片上形成薄膜的方法，其中，多个 元素原子在涂覆循环中沉积在基片表面面积上，并与另一元素反应，以便以第一形成速率 形成薄膜。该方法包括增加基片的表面面积和在涂覆循环中沉积在基片表面上的元素原 子数目，以及调节包括基片运动的一个或多个工艺参数，以便使得每单位面积基片表面的 薄膜形成速率大于(i)在涂覆循环中沉积有原子的基片表面面积与增加面积的比率以及 (ii)薄膜的第一形成速率的乘积。本发明一个实施例提供了一种溅射涂覆系统，它有真空腔室，该真空腔室有涂覆 站；基片载体，用于使得多个相同基片通过涂覆站，该载体设置成承载第一数目的基片；用 于将反应气体以预定速率引入所述真空腔室中的装置；目标，该目标以第一预定功率水平 来操作，该第一预定功率水平足以在所述涂覆站中产生反应大气，并在通过所述基片载体而经过所述涂覆站时将选定材料等离子溅射至基片上；以及等离子体发生器，该等离子体发生器在预定功率水平下操作，用于增加在涂覆站中的反应大气的面积、密度和反应性。用 于增加系统中的基片的生产率的方法可以包括改变基片载体的结构，以便承载比第一数目 更多的基片，以及以第二预定功率水平来操作目标，该第二功率水平大于第一功率水平，从 而提高使材料等离子溅射至基片上的速率。本发明还一实施例提供了一种溅射涂覆系统，它有真空腔室；鼓筒，该鼓筒可绕 它的轴线旋转，用于在真空腔室内承载安装在该鼓筒上的多个基片；用于将反应气体以预 定反应气体引入速率引入所述真空腔室中的装置；目标，该目标以目标功率水平来操作，该 目标功率水平足以在腔室的一部分中产生反应大气，并在由旋转鼓筒承载经过目标时将选 定材料等离子溅射至基片上；以及等离子体发生器，该等离子体发生器在等离子体发生功 率水平下操作，该等离子体发生功率水平足以在腔室的一部分内产生反应大气。操作溅射 涂覆系统以便在基片上形成无吸收薄膜的方法可以包括使得鼓筒以选定频率旋转，因此， 当系统以预定反应气体引入速率、目标功率水平和等离子体发生器功率水平来操作时，鼓 筒旋转频率的增加将提高薄膜的吸收特性。通过阅读权利要求、附图和下面对实施例的详细说明，将很容易清楚本发明的这 些实施例以及其它目的和优点。


图1和2是现有技术磁控管溅射系统的透视图。图3是吸收值作为对溅射目标的暴露率和功率的函数的曲线图。图4A和4B是金属沉积脉冲图形的曲线图，其中，鼓筒旋转为30rpm，目标功率Pl ； 以及鼓筒旋转为60rpm，目标功率为2 * P1。图5是在恒定目标功率下吸收值作为鼓筒旋转速率的函数的曲线图。图6是在图2的溅射系统上承载的基片上的区域(dA)的沉积脉冲图形的曲线图。图7A是顺时针旋转的基片或基片载体的示图，其中，示例鼓筒顺时针旋转。图7B是逆时针旋转的基片或基片载体的示图，其中，示例鼓筒顺时针旋转。图8是本发明一个实施例的溅射系统的透视图。图9是本发明还一实施例的方框图。图10是本发明另一实施例的方框图。图11是本发明实施例的方框图。图12是本发明一个实施例的方框图。
具体实施例方式下面参考附图介绍薄膜涂覆系统和方法的各个实施例，附图中，相同元件给出相 同数字标号，以便于理解本发明。示例薄膜可以包括但不局限于=TiO2、金红Ti02、Si02、掺杂 锡的氧化铟、Ta2O5, Nb2O5、其它金属和金属氧化物、氮化物和碳化物，用于形成非溅射涂层、 溅射涂层、耐磨涂层以及它们的组合。在前面的段落中，根据溅射目标面积相对于要涂覆的总基片面积来宏观观察了本 发明实施例。由于基片快速运动，因此该宏观观察可以等价于使得涂层薄薄地分散在大得多的面积上(与瞬间邻近溅射目标的面积相比)，从而提高平均氧化率和机器生产率。微观上考虑本发明实施例，人们可以考虑具有面积dA的单元(薄膜将沉积在该单元上)。面积dA在概念上可以假设为一平方毫米和较大部分，安装在普通磁控管溅射系统 中的鼓筒2上的扁平基片6，如图1所示。或者通过另一实例，面积dA可以是通过普通基片 保持器8而安装在可旋转鼓筒2上的基片6的一部分，该普通基片保持器8使得基片6能 够绕它自身轴线旋转，如图2中所示。考虑图1中所示的溅射系统，普通鼓筒2可以大致为 1米直径和1米高度。1米乘0. 15米的溅射目标3可以安装在系统的壁中，鼓筒2可以以 任意速率旋转，大致在零和大约200rpm之间。在涂覆运转结束时，所有的基片部分可以假 设为具有与面积dA相同的涂覆历史。假设在各实验涂覆运转中要沉积1微米厚的薄膜，运 行的变量是鼓筒旋转速率和施加给溅射目标3的功率。功率大致确定了金属从溅射目标3 溅射的速率，因此确定了在示例基片6上沉积1微米的薄膜所需的时间。在各个涂覆运行 之后，可以测量沉积薄膜中的吸收。图3是吸收值作为功率和对溅射目标的暴露率的函数的曲线图。参考图3，上述 试验的结果利用两个鼓筒转速30rpm和60rpm来表示。对于30rpm转速，将在功率直到Pl 时获得较低吸收值，而对于60rpm转速，将在功率直到P2时获得较低吸收值。如图3中所 示，当功率(和因此速率)增加超过Pl或P2(对于各转速)时，薄膜以非线性方式变得更 加吸收。因此，对于30rpm转速，低吸收值的限制功率为Pl，对于60rpm转速，低吸收值的限 制功率为P2。在Pl时，需要标称60分钟来在面积dA和(因此)整个鼓筒上沉积1微米厚 的薄膜。在60rpm转速下，用于沉积1微米厚薄膜的时间大约为30rpm转速下的时间的一 半。最终结果是通过增加鼓筒旋转速率，图1的普通溅射系统的生产率增加，同时保持较低 吸收值。考虑到在上述试验中在面积dA上的瞬时沉积图形，面积dA每次经过溅射目标，该 面积dA就接收一个脉冲的金属。当1米的基片承载鼓筒2以60rpm旋转经过15cm溅射目 标时，脉冲持续时间为大约50毫秒(假设来自溅射目标的金属流为“方形”空间分布)。在 30rpm时，脉冲持续时间为大约100毫秒。在30或60rpm转速下，各脉冲的幅值大致与施加 给目标的功率成比例。图4A和4B分别是当鼓筒转速为30rpm、溅射目标功率为Pl时和当 鼓筒转速为60rpm、溅射目标功率为2 * Pl或P2时金属沉积脉冲图形的示图。这些脉冲 图形和示例处理可以施加给附加工具和溅射系统结构(在共同待审的相关美国专利申请 No. 12/155544中示例说明)，并可以与沉积薄膜生长相关。当标称1米的基片承载鼓筒2在60rpm下旋转时，对于SiO2的典型经过目标速率 为在扁平非旋转基片上的大致100人/秒，非吸收薄膜将沉积在该基片上。因此，在50毫秒 中，在每次经过溅射目标时可以沉积5人的层。5λ层对应于大致1个原子的层。当功率(速 率)增加而鼓筒转速不变时，在单个脉冲中沉积层的厚度可以增加超过5人,且吸收值增加。 一种响应将是增加鼓筒转速，从而能够有更高功率，同时保持5人最大脉冲幅值，不过，当人 们选择给定功率水平，并随着鼓筒转速的增加来测量吸收值时，产生图5中所示的示图。图5是在恒定目标功率下吸收值作为鼓筒转速的函数的示图。参考图5，当鼓筒 旋转频率或速率增加时吸收值减小，直到达到Π的最小值。对于超过Π的鼓筒旋转频率， 吸收增加。图5的图示可以继续参考图4Α和4Β来解释。由经过溅射目标的脉冲来沉积的 薄膜的氧化在图4a和4b中所示的沉积脉冲之间的间隔时间中进行。由安装在溅射系统壁中的装置4(例如微波产生器等)产生的局部氧化等离子体将帮助该氧化。产生器4可以 大致有与溅射目标3相同的宽度和高度。因此，当经过发生器4时，经过氧化等离子体的面 积dA受到强烈氧化脉冲，就如同面积dA在经过溅射目标3时受到金属沉积脉冲。这种辅 助等离子体的氧化效果随着氧化脉冲宽度增加而增加，也就是，随着面积dA在等离子体区 域中的时间增加。尽管在沉积区域中的狭窄金属脉冲产生更少吸收薄膜，但是对于氧化等 离子体脉冲的情况恰好相反。另外，增加鼓筒转速在金属沉积区域有利于生产，但是在氧化 区域不利于生产。在特定转速，在金属脉冲之间存在的氧化时间不充分，且当转速增加时吸 收值增加，如图5中所示。此前，本发明实施例介绍了利用具有工具的溅射系统，该工具能够有一个旋转自 由度，也就是图1的旋转鼓筒2。下面介绍利用这样的溅射系统的本发明实施例，该溅射系 统具有允许两个旋转自由度的工具，可拆卸地安装在基片保持器8上的基片6和旋转鼓筒 2，其中，基片可用于绕它们自身的轴线旋转，如图2中所示。示例基片可以是(但不局限于) 椭圆形钨卤素灯，其中，椭圆体为大约2-3cm长和大约Icm直径。当然，这样的示例并不解 释为限制附加权利要求的范围，本发明实施例可以使用基片例如太阳能镜、灯光反射器、灯 加热器和钻头。两千或三千个这样的灯6(当鼓筒2旋转时，各灯绕它自身轴线自转)可以 安装在示例溅射系统中。当使用上述1平方毫米概念面积dA时(这时在示例圆柱形基片上稍微弯曲)，显 然在面积dA上的脉冲图形与在前述示例中的不同，因为面积dA沿着更曲折的路径。图6是 承载在图2的溅射系统上的基片的面积dA的沉积脉冲图形的示图。参考图6，面积dA的5 次经过概念性地表示了经过示例溅射目标(当鼓筒旋转周期为1秒时)。与具有一个旋转 自由度的前述实例相比，即使在恒定鼓筒转速和施加给溅射目标的恒定功率下，也可以看 见脉冲形状、宽度、幅值和频率有非常大变化。例如，在某些经过中，面积dA在各基片绕它 各自轴线旋转经过溅射目标时面向溅射目标。而在其它经过时，面积dA可能从溅射目标转 开，从而导致在相应经过时材料并不沉积在基片上。因此，在该实例中不能象一个旋转自由 度示例那样指定每次经过产生的厚度。同样，不能指定每次经过辅助等离子体给定的暴露， 因为氧化脉冲的形状、宽度、频率和幅值都变化。除非当在沉积区域中时基片自转多次，否则在每次经过时可以沉积不均勻厚度的 沉积薄膜层或节块。由给定经过产生的层或节块可以有从零至几十埃的厚度，同时相应的 横向范围取决于鼓筒和基片的转速。应当知道，对于不同的经过，沉积层或节块的位置可以 绕基片的周边运动；因此，在整个基片上面沉积的不均勻薄膜厚度可以在多次经过后基本 均勻。例如，在示例基片上的1微米厚度薄膜可能需要经过沉积区域两千至四千次。根据面 积dA在经过时是否面向着溅射目标，层或节块可以在每次经过时沉积或者不沉积。不过， 通过每次经过的合适相位调节，可以在基片上沉积基本均勻厚度的薄膜。当层或节块的递增吸收简单地与它的厚度成比例时，不同经过的层的变化不会影 响ι微米薄膜的最终总吸收，例如在5A层顶上的3A层将形成复合的8A层，且吸收等于单 个8人层的吸收；不过，由下面的试验分析可知，并不是这样的情况。考虑到示例鼓筒2具有 1米直径和装有多个Icm基片，使得基片旋转所需的工具可以这样驱动，即每隔一个(例如 偶数)基片顺时针旋转，而奇数基片逆时针旋转。然后，在该阵列基片上沉积1微米薄膜。 当选择特定条件时，奇数的基片可以有很高吸收，而偶数基片为零，即使在两组基片上的薄膜都为大约1微米厚和均勻的时也是如此。图7A是顺时针旋转的基片或基片载体的示图，其中，示例鼓筒顺时针旋转。图7B是逆时针旋转的基片或基片载体的示图，其中，示例鼓筒顺时针旋转。参考图7A，基片6上 的面积dA表示为顺时针旋转，并进入来自溅射目标3的流量流，且示例鼓筒2进行顺时针 旋转运动。参考图7B，在基片6'上的面积dA表示为逆时针旋转，并进入来自溅射目标3 的流量流，且示例鼓筒2进行顺时针旋转运动。假设(只是为了示例说明目的)基片6、6' 在它们各自的中间线离开流量流之前绕它们各自的轴线旋转90度，显然，图7A中的面积dA 在流量流中花费的时间比图7B中的面积dA更少，因此导致在基片6'上形成更大的层或节 块。更大的层或节块导致吸收增加，尽管总体厚度对于基片6、6'基本类似，该基片6、6' 证明吸收值对于层或节块厚度并不为线性。在本发明的实际实施例中，可以帮助理解上述非线性的潜在原因。引入探试模型， 可以假设当薄膜沉积时，大致产生两种吸收振荡器，类型1和类型2，它们各自有独特的吸 收光谱。类型1吸收振荡器通常与孤立的不完全氧化金属原子相关联，它的单次经过密度 可以由θ 1表示。类型2吸收振荡器大致包括孤立的、由金属-金属键结合的未氧化金属原 子对，它的单次经过密度可以由θ 2表示。类型2振荡器由于需要断开金属-金属键而大致 更难氧化，并在更高瞬时沉积速率下形成。应当知道，尽管生产率大致与平均速率成比例， 但是在鼓筒转一圈时，吸收振荡器的形成取决于瞬时情况，因为薄膜形成于溅射目标附近。 这样，当沉积速率较低时，大致只产生类型1吸收振荡器。当类型1吸收振荡器的密度变得 足够高时，类型2吸收振荡器开始形成，从而在它们各自的形成过程中减少类型1吸收振荡 器的数目。随后，通过分析和检查在处理和工具参数、基片转速、基片旋转方向、溅射目标宽 度、溅射目标数目、鼓筒直径、经过溅射目标的沉积图形的形状和幅值、掩模(masking)、基 片旋转的相位调节、在氧化区域中的暴露以及分组工具(cluster tooling)之间的关系，类 型2振荡器可以减至最小。两种类型的吸收振荡器的形成速率可以由一对耦合的第一阶差分方程式和一对 非耦合第一阶差分方程式(一对用于沉积区域，另一对用于氧化区域)来表示。多对差分 方程式可以由以下关系表示<formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 10</formula>其中，θ 1和θ 2分别表示由类型1和类型2吸收振荡器占据的原子位置的部分； R(t)表示标准化为表面原子位置的数字密度的金属沉积速率；al和a2分别表示标准化的、 类型1和类型2吸收振荡器经过目标的氧化速率；而Al和A2分别表示标准化的、类型1和 类型2吸收振荡器的氧化速率。方程式(1)至(4)大致介绍了两种吸收振荡器在沉积-氧 化区域和只在氧化区域中的形成和消失。在概念上，可以考虑在基片上的面积dA，其经过溅射目标的前面，然后通过氧化区域。当基片(例如不旋转的扁平件、灯的旋转表面等)经过溅射目标的前面时，金属原子以某种确定速率沉积在基片表面上。当该速率较低时，沉积 的金属离子为单独孤立的类型1吸收振荡器，它们再经过氧化区域。优选是，在单次经过时 沉积的全部金属原子将在基片再次经过溅射目标前面之前氧化。当金属的沉积速率足够高 时，在表面上的金属原子并不保持为孤立原子，而是开始形成耦合金属原子组，然后，类型2 吸收振荡器存在于涂层中。当开始形成类型2吸收振荡器时，类型1吸收振荡器的密度降 低，薄膜中的吸收值变得非线性。这是因为由耦合金属原子形成的类型2吸收振荡器比类 型1吸收振荡器更难氧化。当金属原子(不管是类型1还是类型2)在基片再次经过溅射 目标前面之前没有充分氧化时，原子将埋在新沉积的金属原子的下面，并可以变得更难或 不能氧化，从而导致沉积薄膜中存在吸收值。应当知道，在上述模型中，θ 1和θ 2可能依赖的一些因素是沉积区域的宽度W、鼓 筒的直径D和鼓筒旋转频率f，从而来命名一些模型。在所述模型的大部分基本形式中，这 些变量表现为组合W/Df。当系数W/Df降低时，吸收值降低。在表达式中，当溅射系统设计 限制为这样的规定时，一个子系数可能由另一个抵消。例如，使鼓筒直径加倍对降低吸收值 的效果可以与使鼓筒转速加倍相同。尽管在已有溅射系统或涂覆机器中实际上不能改变W 和/或D，但是设计新机器可以考虑这些。因此，本发明实施例的一个方面是基本防止在沉 积薄膜中形成类型2吸收振荡器，以便保证沉积的薄膜更容易氧化和基本全面防止吸收。本发明实施例还可以用于具有允许至少三个旋转自由度的工具的溅射系统。图8 是本发明一个实施例的溅射系统的透视图。参考图8，示例溅射系统可以利用基本圆柱形 的可旋转鼓筒或载体2，该可旋转鼓筒或载体2安装在真空腔室1中，该真空腔室1有位于 它的壁中的溅射目标3。本领域已知的等离子体或微波产生器4也可以位于真空腔室1的 壁中。载体2可以有大致圆形截面，并可用于绕中心轴线旋转。驱动机构(未示出)可以 用于使得载体2绕它的中心轴线旋转。多个托板50可以安装在真空腔室1中的载体2上。 各托板50可以包括可旋转中心轴52以及一个或多个盘11，该盘11沿中心轴52轴向对齐。 盘11可以提供多个定位在盘11周边周围的心轴承载井。心轴可以承载在井中，各心轴可 以承载一个或多个基片，例如灯，用于绕它各自的轴线旋转。该示例系统的附加详情和实施 例在共同待审的相关美国专利申请No. 12/155544 (申请日为2008年6月5日，该文献的整 个内容被本文参引)中进一步介绍。第一自由度可以定义为鼓筒的旋转。第二旋转自由度可以定义为基片的旋转，第 三旋转自由度可以定义为托板的旋转，基片安装在该托板上。当使用上述1平分毫米的概 念面积dA时(也在示例圆柱形基片上稍微弯曲)，本领域技术人员显然知道，在面积dA上 的脉冲图形与前述示例中明显不同和更曲折。这能够在选择示例沉积和氧化脉冲特征中有 更大自由，从而在开始吸收之前导致更高目标功率和提高的溅射系统生产率。尽管本发明实例介绍了脉冲特征，但是沉积脉冲的相互相位调节、氧化区域脉冲 的相互相位调节以及沉积脉冲与氧化脉冲的相位调节也可以用于获得在基片表面上的基 本均勻的氧化薄膜。因此，本发明某些实施例的一个方面通过选择旋转相位调节以相对于 在沉积区域中的时间增加在氧化区域中的时间，从而获得更高的溅射系统生产率。例如，当 层或节块在经过溅射目标的给定经过中沉积时，可能希望在辅助等离子体区域中进行相位 调节，从而使得层或节块最大暴露于等离子体。这样的相位调节可以通过在共同待审的相关美国专利申请No. 12/155544中所述的旋转工具夹具的设计来实现。例如，当涂覆旋转基 片时，当远处氧化区域中的氧化作用并不是环绕基片各向均勻时，对经过溅射目标的旋转 角度和远处氧化区域中的旋转角度进行相位调节可能很重要。这可以是当远处氧化剂是离 子枪(高度定向)时或当微波等离子体并不均勻包围各基片时的情况。当施加给单次经过 的溅射系统时，旋转相位调节的选择很重要。例如，当单次经过金属涂层环绕基片并不均勻 (当基片离开沉积区域时)时，由于更高水平的类型1和2吸收振荡器，吸收值可能处于更 高水平。因此，这样的不均勻涂覆部分应当在它经过远处氧化区域时定向成朝着氧化源。 本发明另一实施例可以通过在增加脉冲频率的同时缩短金属脉冲而获得更高的 溅射系统生产率。这可以通过增加鼓筒转速、增加鼓筒直径同时保持金属沉积区域在空间 宽度中恒定、增加基片转速、增加行星直径和/或转速以及它们的组合来实现。本发明一个实施例可以通过降低沉积脉冲频率同时增加氧化脉冲宽度和/或频 率(利用多个旋转自由度)来获得更高溅射系统生产率。本发明附加实施例可以通过增加 经过溅射目标的金属沉积区域的空间宽度(从而增加局部氧化)来获得更高溅射系统生产 率。本发明另一实施例可以利用掩模来影响吸收值特征。在涂覆机器中的掩模大致认 为是用于通过遮蔽或者通过预定设计基片的故意遮蔽部分来控制沉积薄膜的均勻性的装 置。不过，与前述模型所示相同，影响金属沉积图形(基片经过该金属沉积图形)的形状或 幅值的任何情况将改变薄膜的吸收特征(当处理在允许吸收值边缘上操作时)。因此，本发 明实施例可以提供掩模和/或基片工具，它以有利于吸收值的方式改变沉积图形的形状或 强度。示例掩模可以以多种形式来提供，例如但不局限于当基片经过沉积区域时瞬时阻挡 金属沉积的掩模，以便因此在特定情况下影响吸收值。本发明还一实施例可以通过将溅射目标分成由氧化区域分开的两个溅射目标来 获得更高的溅射系统生产率。如前所述，类型2吸收振荡器应当保持尽可能低，以便优化薄 膜氧化。在单溅射目标系统中，溅射目标功率(即平均涂覆速率)可以达到开始不可接收 吸收值时的水平P1。用于增加平均涂覆速率的一个方法是同时利用两个溅射目标(而不 是单个溅射目标)，且反应区域在它们之间。这种设计基本中断沉积区域，从而能够在基片 进入第二溅射目标的沉积区域之前进一步氧化经过第一溅射目标时沉积的薄膜。因为类型 2吸收振荡器的产生速率是瞬时金属沉积速率的非线性函数，因此各溅射目标可以在大于 P1/2但小于Pl的功率下操作，同时在由操作一个溅射目标(在Pl下)产生的水平下保持 吸收值。因此，两个溅射目标的每一个可以各自在低于单个溅射目标的功率下操作，但是两 个溅射目标的组合功率大于只有单个溅射目标时的允许值，从而导致更高平均涂覆速率。本发明附加实施例也可以在盘涂覆机器中使用示例工具，如共同待审的相关美国 专利申请No. 12/155544中所述。本发明一个实施例一方面是提供一种新颖工具，它比普 通的齿条和工具明显更细，并不装有齿轮或轴承，因此大大降低了遮蔽，并提供了涂层均勻 性。例如参考图8，示例溅射系统可以包括基本圆柱形的可旋转鼓筒或载体2，该可旋转鼓 筒或载体2有安装在它上面的多个托板50。各托板50可以包括可旋转中心轴52以及一个 或多个盘11，该盘11沿中心轴52轴向对齐，因此，盘11可以提供多个位于该盘11周边周 围的心轴承载井，各心轴可以承载一个或多个基片，该基片可用于绕它各自的轴线旋转。基 片、鼓筒和托板可以各自有它们自身的转速。这有效地降低在给定溅射目标功率下类型2吸收振荡器的产生速率，因为金属沉积在更大面积上。这也能够在产生不可接受的吸收值之前有更高的平均涂覆速率。尽管这样的工具已经参考鼓筒类型溅射系统来介绍，但是这 样的实例并不解释为限制附加权利要求的范围，因为本发明实施例同样可用于成直线涂覆 机构或溅射系统以及其它溅射系统。因此，本发明实施例的一个方面提供了一种用于通过 改变溅射涂覆系统中的基片载体的结构(以便承载更多基片)和在预定功率水平操作系统 中的溅射目标(以便提高目标材料等离子体溅射至基片上的速率)而提供一种用于增加具 有非吸收薄膜的基片的生产率的新颖方法。用于成直线涂覆机构或溅射系统中的本发明实施例可以用于涂覆任意数目或类 型的基片。与鼓筒类型溅射系统不同，成直线溅射系统通常不需要多次涂覆经过，而是，示 例基片可以在一个较长、连续的涂覆经过中进行涂覆，通常需要较慢的涂覆速率，以便保证 完全氧化。本发明实施例可以使得基片以一定转速旋转，这样，暴露于涂层材料的基片面积 在形成类型2吸收振荡器之前运动至工具的一侧，从而在基片旋转至工具的另一侧并接收 另外的涂层材料之前使得涂层能够充分氧化。在这样的实施例中，也可以通过在工具的一 侧存在微波驱动等离子体或离子枪来提高氧化处理。示例转速可以导致在每次经过时沉积 更少材料，但是使得在成直线涂覆器上的溅射目标能够以更高功率操作，从而使得平均涂 覆速率可以比否则的情况更快。本发明一个实施例还可以通过将基片和/或行星的旋转方向选择为与鼓筒相同 而获得更高的溅射系统生产率。如上面参考图7A和7B所述，沿一个方向旋转的基片可以 有一定吸收量，它与基片沿其它方向旋转时所示的不同(因为单次经过的不均勻性)。这种 不均勻性可以是这样，它不能使得两组基片有相同吸收值(或它的不足)，同时使得平均沉 积速率最大。使得所有基片灯都能够以相同方向旋转的示例工具可以使得所有基片的吸收 值最小。应当知道，上述多个实施例涉及旋转基片或灯。这并不是解释为限制附加权利要 求的范围，因为本发明实施例也可以用于其它旋转基片，例如旋转扁平件，如平面形扁平 件、三角形扁平件和其它合适形状的扁平件。本发明实施例的一个方面通过选择机器参数来选择工具的操作条件，用于使旋转 基片平滑和连续地运动。在正确条件下，基片的旋转可以进行相位调节，这对于均勻薄膜分 配和氧化很重要。本发明实施例的一个方面还涉及使基片均勻涂覆有超过四微米厚的复 杂多层涂层。这些涂层可以包括需要多次经过目标的层，并可以有百分之一或二的厚度变 化。图9是本发明一个实施例的方框图。参考图9，提供了一种利用涂覆系统来在基片上形 成薄膜的方法，其中，多个元素原子在涂覆循环中沉积在基片表面区域上，并与另一元素反 应，以便以第一形成速率形成薄膜。该方法还包括增加基片的表面面积和在涂覆循环中沉 积在基片表面上的元素原子数目(在步骤910中)。在步骤920中，调节一个或多个工艺参 数，以便使得每单位面积基片表面的薄膜形成速率大于(i)在涂覆循环中沉积有原子的基 片表面面积与增加面积的比率以及(ii)薄膜的第一形成速率的乘积。示例参数可以包括 但不局限于基片转速、基片旋转方向、溅射目标宽度、溅射目标数目、鼓筒直径、经过溅射 目标的沉积图形的形状、经过溅射目标的沉积图形的幅值、掩模、基片旋转的相位调节、在 氧化区域中的基片暴露、工具以及它们的组合。图10是本发明另一实施例的方框图。参考图10，提供了一种在基片表面上形成非吸收薄膜的新颖方法，其中，在步骤1010中，溅射目标可以以目标材料的第一溅射速率操作，在步骤1020中，基片表面可以以第一暴露速率暴露于目标，以便在每单位面积基片 表面的第一沉积速率下使得溅射目标材料在基片表面上沉积。在步骤1030，可以再增加基 片表面对于目标的暴露速率。在步骤1040中，可以以目标材料的第二溅射速率来操作溅射 目标，使得每单位面积基片表面的溅射目标材料沉积速率大于(i)基片表面的第一暴露速 率与基片表面的增加暴露速率的比率以及(ii)每单位面积基片表面的第一沉积速率的乘 积。在另一实施例中，增加基片表面相对于目标的暴露速率的步骤包括以目标材料的第二 溅射速率操作第二溅射目标，并使得基片表面以第一暴露速率暴露于第二目标，以便使得 溅射目标材料在基片表面上的沉积大于每单位面积基片表面的第一沉积速率。图11是本发明另一实施例的方框图。参考图11，增加基本无吸收薄膜在一个或多 个基片上的形成速率的方法可以包括在步骤1110中增加在示例溅射系统中的、用于保持 一个或多个基片的工具的能力，从而增加由工具保持的基片的表面面积。在步骤1120中， 可以增加每单位时间暴露于沉积材料源和反应大气的基片面积。然后，在步骤1130中可以 增大材料从源中释放的速率，使得每单位面积基片的材料沉积速率大于(i)每单位时间暴 露于沉积材料源和反应大气的第一面积与增加面积的比率以及(ii)每单位面积基片的第 一沉积材料速率的乘积。在另一实施例中，步骤1110还可以包括提供多个由基片载体承载 的托板，各托板包括可旋转的中心轴以及一个或多个盘，该盘沿中心轴轴向对齐，各盘用于 绕盘的周边周围承载多个基片。在还一实施例中，步骤1120还可以包括调节一个或多个参 数，例如载体转速、行星转速、基片转速、行星旋转方向、基片旋转方向、目标暴露相位、反应 大气暴露相位以及它们的组合。在本发明一个实施例中，反应涂覆系统可以包括目标材料，该目标材料沉积在基 片表面上并反应以便形成基本无吸收的薄膜。图12是本发明一个实施例的方框图。参考 图12，增加每单位时间形成的无吸收薄膜的容积的方法可以包括在步骤1210中使得表面 面积增加到“X”倍以及在步骤1220中使得目标材料的沉积速率增加到大于倍数“X”的倒 数的倍数，从而增加每单位时间的无吸收薄膜容积形成速率。尽管已经介绍了本发明的优选实施例，但是应当知道，所述实施例只是示例表示， 本发明的范围只由附加权利要求根据整个等效范围来确定，本领域技术人员通过阅读它们 自然知道多种变化和改变。
权利要求
一种在反应涂覆系统中增加每单位时间形成的无吸收的薄膜的容积的方法，其中，目标材料沉积在一个或多个基片的表面上并在该表面上进行反应，以便形成基本无吸收的薄膜，该方法包括使基片表面面积增加到x倍；以及使得目标材料的沉积速率增加到大于倍数x的倒数的倍数，从而增加每单位时间的无吸收的薄膜的容积形成速率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中涂覆系统包括可旋转鼓筒，用于承载所述一个或 多个基片。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个基片在它们各自的轴线上旋转， 并定位在鼓筒的表面上。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个基片安装在多面工具夹具上，该 多面工具夹具在它们各自的轴线上旋转，并定位在鼓筒的表面上。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个基片在它们各自的轴线上旋转， 并安装在由鼓筒承载的行星工具上。
6.根据权利要求1所述的方法，其中涂覆系统包括可旋转盘，用于承载所述一个或多 个基片。
7.根据权利要求1所述的方法，其中基片是灯加热器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中基片是太阳能镜。
9.根据权利要求1所述的方法，其中基片是灯反射器。
10.一种在基片表面上形成无吸收薄膜的方法，该方法包括以目标材料的第一溅射速率来操作溅射目标；使基片表面以第一暴露速率暴露于目标，以便以每单位面积基片表面的第一沉积速率 使得溅射目标材料沉积在基片表面上；增加基片表面相对于目标的暴露速率；以及以目标材料的第二溅射速率操作溅射目标，使得每单位面积基片表面的溅射目标材料 的沉积速率大于(i)基片表面的第一暴露速率与基片表面的增加暴露速率的比率与(ii) 每单位面积基片表面的第一沉积速率的乘积。
11.根据权利要求10所述的方法，其中薄膜包括从以下组中选择的元素或化合物，该 组包括=TiO2、金红石Ti02、SiO2、掺杂锡的氧化铟、Ta2O5, Nb2O5、其它金属和金属氧化物、氮 化物和碳化物，用于形成非溅射涂层、溅射涂层、耐磨涂层以及它们的组合。
12.根据权利要求10所述的方法，其中基片是灯加热器。
13.根据权利要求10所述的方法，其中基片是太阳能镜。
14.根据权利要求10所述的方法，其中基片是灯反射器。
15.根据权利要求10所述的方法，其中增加基片表面相对于目标的暴露速率的步骤 包括以目标材料的第二溅射速率来操作第二溅射目标；以及使基片表面以第一暴露速率暴露于第二目标，以便使得溅射目标材料以大于每单位面 积基片表面的第一沉积速率的速率在基片表面上沉积。
16.根据权利要求10所述的方法，其中基片从以下组中选择，该组包括基本平面形基片、钻头、灯、弓形基片以及它们的组合。
17.在一种涂覆系统中，该涂覆系统包括要沉积的材料源，该要沉积的材料源具有材料的选择释放速率；反应大气，用于使沉积的材料暴露于反应剂，以便使材料发生反应；用于保持一个或多个基片的工具，该工具具有确定由其保持的基片的第一表面面积的 能力；以及支承工具的载体，用于使得由工具保持的基片以每单位时间第一面积暴露于沉积材料 源和反应大气，从而实现每单位面积基片的第一沉积材料速率；增加基本无吸收薄膜在所述一个或多个基片上的形成的速率的方法，所述方法包括(a)增加工具的能力，从而增加由工具保持的基片表面面积；(b)增加每单位时间暴露于沉积材料源和反应大气的基片面积；以及(c)增加材料从所述源释放的速率，使得每单位面积基片的材料沉积速率大于(i)每 单位时间暴露于沉积材料源和反应大气的第一面积与增加面积的比率与(ii)每单位面积 基片的第一沉积材料速率的乘积。
18.根据权利要求17所述的方法，其中涂覆系统包括载体，该载体具有大致圆形截 面，并可绕它的中心轴线旋转，增加工具的能力的步骤包括提供多个托板，所述托板由载体承载，各托板包括可旋转的中心轴以及一个或多个盘， 所述盘沿所述中心轴轴向对齐，各盘用于绕盘的周边承载多个基片。
19.根据权利要求17所述的方法，其中载体和工具使得由工具保持的基片在第一旋 转运动中经过沉积材料源和反应大气，同时使得基片进行行星运动以及使各基片绕它的轴 线旋转。
20.根据权利要求19所述的方法，其中增加每单位时间暴露于沉积材料源和反应大 气的基片面积的步骤包括调节从以下组中选择的一个或多个参数，所述组包括载体转速、行星转速、基片转速、 行星旋转方向、基片旋转方向、目标暴露相位调节、反应大气暴露相位调节、以及它们的组合。
21.在使用涂覆系统在基片上形成薄膜的方法中，其中，多个元素原子在涂覆循环过程 中沉积在基片表面区域上，并与另一元素反应，以便以第一形成速率形成薄膜，所述改进包 括增加基片的表面面积和在涂覆循环过程中沉积在基片表面上的元素原子数目；以及调节一个或多个工艺参数，以便使得每单位面积基片表面的薄膜形成速率大于(i)在 涂覆循环过程中沉积有原子的基片表面面积与增加面积的比率与(ii)薄膜的第一形成速 率的乘积。
22.在一种溅射涂覆系统中，该溅射涂覆系统包括真空腔室，该真空腔室具有涂覆站；基片载体，其用于使得多个基片通过涂覆站，该载体设置成承载第一数目的基片；用于将反应气体以预定速率引入所述真空腔室中的装置；目标，该目标以第一预定功率水平来操作，该第一预定功率水平足以在所述涂覆站中 产生反应大气，并在通过所述基片载体而经过所述涂覆站时将选定材料等离子溅射至基片上；以及等离子体发生器，该等离子体发生器在预定功率水平下操作，用于增加在涂覆站中的 反应大气的面积、密度和反应性；用于在系统中增加具有无吸收薄膜的基片的生产率的方法，该方法包括以下步骤 改变基片载体的结构，以便承载比第一数目多的基片；以及以第二预定功率水平来操作目标，该第二功率水平大于第一功率水平，从而提高使材 料等离子溅射至基片上的速率。
23.根据权利要求22所述的方法，其中改变基片载体的结构的步骤包括使得基片载 体具有行星工具。
24.在一种溅射涂覆系统中，该溅射涂覆系统包括 真空腔室；鼓筒，该鼓筒可绕它的轴线旋转，用于在真空腔室内承载安装在该鼓筒上的多个基片；用于将反应气体以预定反应气体引入速率引入所述真空腔室中的装置； 目标，该目标以目标功率水平来操作，该目标功率水平足以在腔室的一部分中产生反 应大气，并在由旋转鼓筒承载经过所述目标时将选定材料等离子溅射至基片上；以及等离子体发生器，该等离子体发生器在等离子体发生器功率水平下操作，该等离子体 发生器功率水平足以在腔室的一部分内产生反应大气；操作溅射涂覆系统以便在基片上形成无吸收薄膜的方法，所述方法包括以下步骤 使得鼓筒以选定频率旋转，由此，当溅射涂覆系统以预定反应气体引入速率、目标功率 水平和等离子体发生器功率水平来操作时，鼓筒旋转频率的增加将提高薄膜的吸收特性。
全文摘要
一种用于在基片上沉积薄膜的方法和系统。在系统中，目标材料沉积在基片表面上并进行反应，以便形成基本无吸收薄膜。每单位时间形成的无吸收薄膜的容积可以这样增加，即通过使得表面面积增加到“x”倍，并使得目标材料沉积速率增加到大于倍数“x”的倒数的倍数，从而增加每单位时间的无吸收薄膜的容积形成速率。
文档编号C23C14/00GK101809185SQ200880106268
公开日2010年8月18日 申请日期2008年10月27日 优先权日2007年10月26日
发明者H·R·格雷, M·雷恩斯, N·L·博林 申请人:沉积科学公司