[发明专利]沉积层的方法和控制系统

说明书

技术领域

[01]本发明涉及薄膜的沉积，特别涉及以参考沉积厚度进行的层的溅射沉积。

发明背景

[02]溅射沉积被广泛用于沉积薄膜和广范围的装置和器件的制造。溅射沉积尤其用于光学应用的薄膜装置的制造。这种薄膜装置可以包括单层或多层，多层的范围是从两层到几千层。这种薄膜装置的光谱性能依赖于它们所包括的层的厚度。因此，具有以参考沉积厚度来沉积层的能力是非常重要的。

[03]典型的溅射沉积系统包括靶阴极、阳极、基底、等离子和电源。靶阴极、阳极、和基底被置于真空室内，气体被导入该真空室内。电源位于真空室以外，该电源用于在靶阴极和阳极之间施加电压，在下文中被称为阴极电压。阴极电压部分电离真空室内的气体，以产生等离子体。等离子体包括阳离子，该阳离子被带负电荷的靶阴极吸引并向之加速。当离子和靶阴极碰撞时，靶材料从靶阴极中溅射出来。被溅射的靶材料作为层沉积在基底和溅射沉积系统的其它表面上。典型的靶材料包括：金属元素，例如钽、铌和铝；半导体元素，例如硅和锗；导电氧化物，例如(In₂O₃)_1-x(SnO₂)_x(铟锡氧化物(ITO))、Ta₂O_5-x和TiO_2-x。

[04]到目前为止已经研制出很多不同种的溅射沉积。在磁控管溅射沉积中，溅射沉积系统包括磁控管，其在靶阴极的周围产生磁场。磁场限制了电子并产生较密集的等离子体以增加沉积速率。在反应溅射沉积中，惰性气体和反应气体的混合气体被导入溅射沉积系统的真空室中，层是由靶材料和反应气体之间产生的化学反应所形成的。在脉冲直流(DC)溅射沉积中，靶阴极和阳极之间的电压周期性反向为小反向电压，从而将电荷积累和放电最小化。在交流(AC)溅射沉积中，在两个靶电极之间施加AC电压，这两个靶电极交替为阴极和阳极，从而将放电最小化。在射频(RF)溅射沉积中，在靶电极和第二电极之间施加RF电压，从而将电荷积累最小化，在这种情况下允许溅射绝缘材料。在高功率脉冲磁控管溅射沉积中，在磁控管溅射沉积系统中的靶阴极上施加高功率短脉冲，从而产生高密度等离子体，以使大部分溅射的靶材料被电离，以致沉积高密度附着性良好的层。

[05]在任何溅射沉积技术中，很多操作参数影响靶阴极溅射靶材料的速率和与其相关的在基底上沉积层的速率，这些参数包括所施加的用以产生和维持等离子体的功率(在下文中被称为阴极功率)、靶阴极的电流(在下文中被称为阴极电流)、靶阴极与阳极之间的等离子阻抗(在下文中被称为阴极阻抗)和阴极电压。

[06]当已知层沉积的速率，可以确定层达到参考沉积厚度所需的沉积时间，层沉积厚度关于时间的相关关系d(T)等于沉积速率关于时间的相关关系r(t)随时间求积分，其等式如下：

d(T)=∫0Tr(t)dt.---(1)]]>

典型的，配置溅射沉积系统的电源以提供阴极功率常数，且沉积速率被假设为常数参考沉积速率r_r，从而得到下式：

d(T)＝r_rT.    (2)

在一些例子中，等式(2)可以包括常数偏移项b，用以纠正沉积速率随时间的任何瞬间变化，所述瞬时变化产生于开始层沉积或停止层沉积，或产生于计算机命令和装置反应之间的延迟，例如下式所示：

d(T)＝r_rT+b.    (3)

为了简化，下面将不明确考虑这样的常数偏移项。

[07]通常，层达到参考沉积厚度d_r所需的参考沉积时间t_r，根据参考沉积速率r_r而确定，根据以下公式：