CN1135538A - 等离子处理方法及其处理装置 - Google Patents

Abstract

在包括真空容器和设置在该真空容器内的等离子束发生器以及配置在真空容器内的主蒸发台，并使从等离子发生器发生的等离子束入射至主蒸发台上的等离子处理装置中，在主蒸发台附近相对主蒸发台的中心轴线同轴地配置永久磁铁和蒸发台线圈。通过使供给该蒸发台线圈的电流变化调整物质熔化的能力并且调整蒸镀物质蒸发粒子的飞行分布。

Description

等离子处理方法及其处理装置

本发明涉及等离子处理方法及其处理装置，特别是涉及适合对边在基板的表面上形成金属膜或合金膜边使蒸发台上物质熔化的等离子处理方法及其装置。

这种等离子处理装置包括用于产生等离子束的压力梯度型或HCD等离子源发生源，具有配置在真空容器内的等离子束入射面的蒸发台，蒸发台起阳极作用，把由等离子束发生源产生的等离子束导入到蒸发台的入射面上。

在上述等离子处理装置把蒸镀物质沉积在与蒸发台相对配置的基板上时，蒸镀物质放置在该蒸发台上，蒸镀物质被等离子束蒸发电离，最后产生蒸发粒子，这些蒸发粒子朝向与蒸发台相对配置的基板上飞行，并沿积在基板的表面上，最后在基板的表面上形成一层蒸镀物质的镀膜。

可是，在基板表面上形成的镀膜的厚度分布最好是均匀的。使镀膜厚度均匀的技术，包括下述的公知方法，第一种方法是增加蒸发台与基板间的距离。第二种方法是在形成镀膜时使基板边转动，边进行移动等运动。在第二种方法中，在蒸发台与基板之间设置膜厚度补正板(掩膜板)，以便调整飞向基板的蒸镀物质的沉积量。在上述的膜厚度补正板上形成有开口部分，在该开口部分对着蒸发台正上方的位置上，该补正板的周边部分开有大的开口。从而使从蒸发台的正上方向其周边方向飞行的蒸镀物质变多。

于是通过基板的水平移动和利用膜厚度补正板，使蒸镀物质在基板上形成均匀的镀膜，然而，不论是第一种还是第二种方法虽然能使镀膜厚度均匀，但却使形成镀膜的速度变慢，并且不能有效利用蒸镀物质。这是由于蒸镀物质在基板周围飞行中沉积在膜厚度补正板上而引起的结果。此外，第二种方法所用的装置复杂。

在上述等离子处理装置中，将蒸镀物质例如TiSUS306或Mo等放置在蒸发台上，再利用等离子束熔化该物质。

为了熔化难熔的物质需要适当增加射向蒸发台上的射入能量。为了熔化各种不同的物质，最好是能在宽范围内调整射入能量的大小。为了增加射入的能量，可以增加蒸发台的电压和放电电流，而为了调整射入能量的大小可以调整等离子源与蒸发台间的电压。

但是，在一般情况下，由于使蒸发台电压和放电电流同时上升是困难的，所以只能使射入的能量增加到一定程度，因此，射入能量的大小调整范围变窄。

因此，本发明的任务是提供能使在基板表面上形成的镀膜厚度分布均匀的等离子处理方法。

本发明的另一个任务是提供能够在任意放电电流下调整蒸发粒子飞行分布的等离子处理方法。

本发明的又一个任务是提供通过调整蒸发台附近的磁场可以熔化各种物质，特别是难熔物质的等离子处理方法。

本发明还提供适合上述等离子处理方法的等离子处理装置。

本发明的其它任务通过对本发明进行描述，就会更加清楚。

按照本发明的等离子处理方法利用包含用于产生等离子束的束发生源和配置在真空容器内并具有上述等离子束的入射面的蒸发台的装置，将被上述束发生源产生的等离子束引导到上述蒸发台的入射面上进行处理。

按照本发明的实施例，利用与上述蒸发台的中心轴线同轴配置的环状永久磁铁在上述蒸发台附近形成恒定磁场，且利用与上述蒸发台的中心轴线同轴配置的电磁线圈形成调整磁场，使该调整磁场叠加在上述恒定磁场上，从而使上述蒸发台附近的磁场发生变化。

按照本发明的另一实施例，进行这样的等离子处理，即将被上述束发生源产生的等离子束引导到上述蒸发台的入射面上，使放置在该蒸发台上的蒸镀物质蒸发电离产生蒸发粒子，通过改变供给上述电磁线圈的电流，调整上述蒸发粒子的飞行分布，使上述蒸发粒子沉积在与上述蒸发台相对配置的基板表面上。

接着，通过使供给上述电磁线圈的电流变化调整对上述蒸发台上物质的熔化能力。

按照本发明的等离子处理装置包括：用于产生等离子束的束发生源和配置在真空容器内并具有上述等离子束的入射面的蒸发台；该装置进行将上述束发生源产生的等离子束引导到上述蒸发台的入射面上的处理。

按照本发明的实施例，本发明的等离子处理装置进一步包括：与上述蒸发台的中心轴线同轴配置在上述蒸发台附近的环形永久磁铁，与上述蒸发台的中心轴线同轴并配置在该环形永久磁铁附近的电磁线圈和与该电磁线圈相连接的电源。

按照本发明的另一实施例，上述的电磁线圈是在上述电源产生的电流使线圈中心线上的磁力线方向与上述环状永久磁铁中心侧的磁力线方向相同的情况下激磁的。

图1是说明在已有技术中离子镀膜装置蒸发台附近的蒸发粒子飞行分布图。

图2是用于说明已有技术中的另一个离子镀膜装置中的蒸发台附近蒸发粒子飞行分布的图。

图3是概略表示按照本发明一个实施例的等离子处理装置结构的剖视图。

图4是表示图3所示等离子处理装置的蒸发台放大后的剖视图。

图5是用于说明本发明工作原理的曲线图。

图6是用于说明按照本发明形成的镀膜厚度分布的基板剖视图。

图7是用于说明图3所示蒸发台的永久磁铁与蒸发台线圈间的关系的图。

图8是为了说明图7所示的永久磁铁与蒸发台线圈之间关系的又一个例子的图。

图9是用于说明图7所示的永外磁铁与蒸发台线圈之间关系的又一个例子的图。

图10是用于说明图7所示的永久磁铁与蒸发台之间关系的另一例子的图。

为了容易理解本发明的调整蒸镀物质飞行分布的方法，参照图1，先就已有的等离子处理装置的蒸发台作一说明。在图1中的等离子处理装置是作离子镀膜装置使用的，它包括配置在真空容器(图中未示出)的蒸发台1。蒸发台1内装有永久磁铁2，它使来自后述的压力分布型等离子源的等离子束入射。在蒸发台1附近相对其中心轴线同轴地配置环形磁铁3。环形磁铁3用于调整蒸发台1的等离子束的入射方向。这样的离子镀膜装置公开在本发明人的申请平5-288163号专利申请中。

在该离子镀膜装置中，利用大电流放电在基板(所谓基板包括不限于板状的薄片状物体)上形成镀膜时，随着放电电流的增加，镀膜5的厚度分布在对应蒸发台1上方的那部分变薄。这是由于从蒸发台1产生的蒸发粒子的飞行分布在蒸发台1的上方部分变成挖下的凹形。

不带环状磁铁的已有离子镀膜装置如图2所示，它的镀膜5的厚度分布在对应蒸发台上方的那部分变厚。这是由于蒸发粒子的飞行分布在蒸发台上方的那部分形成膨出的上凸形状，据认为引起这种现象的原因包括：磁场的比例，由于蒸发粒子的空间密度过大引起的粒子碰撞，随着电离过量引起飞行分布的偏差或者在蒸发台1正上方的电流密度不均匀等。

下面就为了达到使蒸发粒子在基板4上沉积均匀的条件作一说明。蒸发台1与基板4间的距离在蒸发台1的正上方最好短一些，该距离随着与蒸发台1正上方形成的角度变大而变长。从而使蒸发台1正上方处的面积小到近似于点的面积，于是，使从蒸发台1正上方倾斜飞出的蒸发粒子的飞行距离变长。这样当基板面积变大时会使形成镀膜的条件变差。因此，为了使蒸发粒子在基板4上均匀沉积，必需随着与蒸发台1正上方的角度变大而使更多的蒸发粒子对着基板4飞行。

如果考虑上述的问题，在利用具有凹形飞行分布的离子镀膜装置形成镀膜的情况下，不能相对于基板4的大面积把蒸发台1与基板4之间距离选得过长，这样才有可能形成几乎均匀的镀膜厚度分布，这样做是有价值的，否则，则会出现因束电流的变化引起飞行粒子分布变化，成膜速度降低等问题，特别是当蒸发粒子的飞行分布变化时，镀膜的形成条件也变化，由此决定的镀膜质量的变化便成了重要的问题。

在利用具有凸形分布的离子镀膜装置中，为了使膜厚度分布均匀，而采用下述方法，第一种方法是调整蒸发台1与基板4之间的距离，第二种方法是在镀膜形成过程中使基板4进行转动或移动等运动。该第二种方法是在蒸发台与基板之间配置膜厚补正板(掩膜板)，以便调整在基板上沉积的蒸镀物质的数量，在上述膜厚补正板上形成开口部分，该开口部分上对着蒸发台正上方位置处的周边部分形成大开口。使更多蒸镀物质从蒸发台飞向周边方向。

于是，通过使基板水平移动和利用膜厚补正板便可以使基板上的蒸镀物质成膜均匀。但是无论是第一种还是第二种方法，虽然可以使镀膜厚度分布均匀，但是成膜速度变慢，并且蒸镀物质也没有获得充分利用。其原因是蒸镀物质在基板周围飞行的途中沉积在膜厚补正板上。另外第二种方法中使用的装置复杂。

下面参照图3，就本发明的为了使蒸发粒子沉积在基板上的优选实施例的等离子处理装置进行说明，在图3中，将压力梯度型的等离子发生器13装到设置在真空容器11侧壁上的筒状部分12上。等离子束发生器13上设有装在阴极14上且一端封闭的玻璃管15。在该玻璃管15内，内装LaB6的圆盘16、和钽(Ta)管17的钼Mo园筒18固定在阴极14上。管17用来把由Ar和He等隋性气体组成的隋性气体18导入等离子束发生器中。

在与玻璃管15的阴极14相反侧端部和筒状部分12之间把第一和第二中间电极19、20同心地配置。在第一中间电极(第一控制极)19内设置用于使等离子束聚束的环状永久磁铁21。在第二中间电极20(第二控制极)内还内装用于使等离子束聚束的电磁线圈22。这个电磁线圈22由电源23供电。

在安装等离子束发生器13的筒状部分12的周围装有把等离子束导入真空容器11内的控制线圈24。控制线圈24被控制线圈的电源25激磁。可变电压型的主电源28分别通过下垂电阻器26、27连接在阴极14与第一、第二中间电极19、20之间。

再参照图4，将主蒸发台30和配置在其周围的环形辅助蒸发台31配置在真空容器11内侧的底部。主蒸发台30由筒状蒸发台主体33构成，其上具有使来自等离子束发生器13的等离子束入射的凹部33a。在蒸发台主体33的贯通孔中容纳ITO(铟锡氧化物)小片状蒸镀物质32。辅助蒸发台31由环状容器34构成。在容器34内容纳与环状的铁氧体磁铁同心层叠的蒸发台线圈36。主蒸发台30和辅助蒸发台31都是用导热率高的导电材料例如铜制成的。辅助蒸发台31对着主蒸发台30通过绝缘材料固定。此外主蒸发台30和辅助蒸发台31通过电阻48相连接。主蒸发台30同主电源28的正极相连接。因此，主蒸发台30对着等离子束发主器13构成吸引该等离子束的阳极。

辅助蒸发台31内的蒸发台线圈36构成电磁铁。通过导线37由图3所示的蒸发台线圈电源38供电。在这种情况下的构成应能使在激磁后的蒸发台线圈36的中心线上的磁场方向与由铁氧体磁铁35在中心线上产生的磁场同向。蒸发台线圈的电源38是可变电源。通过改变电压，可以改变供给蒸发台线圈36的电流。冷却水通过图4所示的冷却水管39、40分别供给主蒸发台30和辅助蒸发台31。在辅助蒸发台31中，只示出了供给冷却水的水管，而未示出冷却水的排出管。

再参看图3，把保持位于主蒸发台30上部用于沉积蒸镀粒子的基板的基板座42配置在真空容器11的内部。基板加热器43安装在基板座42上。加热器43由加热器电源44供电。基板座42相对真空容器11保持电气绝缘的。真空容器11与基板座42之间接有偏压电源45。因此，基板座42相对与零电位连接的真空容器11为负电位。辅助蒸发台31通过蒸发台转换开关46与主电源28的正极相连接。与电源28并联的下垂电阻器29和辅助放电电源47通过开关S1同主电源28相连接。

在该等离子处理装中，等离子束发生器13的阴极与真空容器11内的主蒸发台30之间发生放电。因此产生等离子束(图中未示出，这个等离子束被由控制线圈24和辅助蒸发台31内的铁氧体磁铁35确定的磁场引导而到达主蒸发台30上。装在主蒸发台30中蒸镀物质32被等离子束加热蒸发。这些蒸发粒子被等离子束电离，沉积在加有负电压的基板41的表面上。形成镀膜。

图5是表示本发明的等离子处理装置中的蒸发粒子飞行分布的曲线。其表示了在将放电电流(等离子束电流)固定在100(A)的条件下，使辅助蒸发台31内的蒸发台线圈36中流过的电流IHA分别改变到O(A)、5(A)、15(A)、20(A)，从而使蒸发台线圈36中产生的磁场变化的情况。这些曲线图的纵轴如图6所示那样，表示在基板41表面上形成的镀膜47的厚度。

图5的虚线表示蒸发粒子从主蒸发台30至基板41的表面的射出方向。把从主蒸发台30至基板41表面的垂线作为0°，选取与该垂该方向间的角度为图中示出的θ₁＝15°θ₂＝30°θ₃＝45°θ₄＝60°θ₅＝75°的角度。

对图5中所示蒸发粒子的飞行分布做下述说明，即飞行分布是把按上述各个角度用水冷型晶体振动式膜厚计测得成膜速度值作图而获得的曲线。其中曲线上的绝对强度是用面积比表示的。为了便于参考，图中示出了按照通常的真空蒸镀中飞行分布的cos⁴规律和cos⁵规律的飞行分布曲线。

根据图5，可以解释随着电流IhA的变化，蒸发粒子的飞行分布变化。即在电流IhA为0(A)(与只有铁氧体磁铁35等价)时蒸发台正上方形成最低值的凹形分布。随着电流IhA的增加，在蒸发台正上方进行近似凸起的常规等离子处理中的飞行分布。而在电流IhA为20(A)时，在蒸发台正上方附近显示出几乎平坦的飞行分布。还可以解释蒸发粒子的飞行角度的范围随着电流IhA的增加而变小的事实。这个事实显示出随着电流IhA的增加镀层的形成面积减少。最后使镀膜的形成速度增加。

从这些实验结果可以看出，通过使供给与铁氧体磁铁35同轴层叠的蒸发台线圈36的电流变化可以调整基板41表面上的膜厚分布和镀膜形成的速度。

此外，在上述实施例中，如图7所示，虽然是把蒸发台线圈36重叠配置在N极朝上的铁氧体磁铁35的上面，但是也可象图8所示那样将蒸发台线圈36重叠配置在S极朝上的铁氧体磁铁35上。这时，流过蒸发台线圈36的电流与图7的方向相反。

另外也可以象图9所示的那样。将蒸发台线圈36重叠配置在S极朝上的铁氧体磁铁35的下面，还可以象图10所示那样，将蒸发台线圈36重叠配置在N极朝上的铁氧体磁铁35的下面。在这些情况下，如上所述，应使电流的方向满足使激磁的蒸发台线圈36中心侧的磁场方向与由铁氧体磁铁35在中心侧产生的磁场方向相同的要求。

下面就溶化物质的实施例作一说明，按照这个实施例的等离子处理装置，不需要图3中所示的基板41，基板座42，加热器43，加热器电源44和偏置电源45。

在这个等离子处理装置中，等离子束发生器13的阴极与真空容器11内的主蒸发台32之间发生放电，由此产生等离子束(图中未示出)。这个等离子束被由控制线圈24和在辅助蒸发台31内的铁氧体磁铁35确定的磁场引导到主蒸发台30上，使装在主蒸发台30内的物质被等离子束加热熔化。

这时的熔化能力由射入到主蒸发台30的输入能量确定。而射入能量由蒸发台电压与放电电流的积确定。因此为了增加射入的能量，在提高蒸发台电压的同时，还可增加放电电流。

在已有技术的装置中，例如在上述的专利申请平5-28816号的装置中虽然可以提高蒸发台的电压，但不能使放电电流增加，另外，在不具有环形磁铁3的等离子处理装置中，与此相反，虽然可以使放电电流增加，但不能使蒸发台电压增加。

在已有的装置中，独立调整放电电流和蒸发台电压这个操作是困难的，但是，在按照本发明的等离子束处理装置中，通过改变供给蒸发台线圈36的电流，调整主蒸发台30附近的磁场，可以改变放电电流和蒸发台电压的特性。

在本发明中，在蒸发台线圈36中没有电流通过的状态下，放电电流虽然不大，但是如果使供给蒸发台线圈36的电流慢慢增大，则在使蒸发台电压几乎接原值保持一定的状态下使放电电流增加。但是由于通过调整供给蒸发台线圈36的电流可以获得在蒸发台电压高、放电电流大的2作点下的最大射入能量，所以与已有装置相比，可以使难熔性物质熔化。此外，由于可以调整蒸发台的电压和放电电流，所以可以使射入的能量在宽范围内改变，从而可以熔化各种物质。

下面就把反应气体例如O₂、F₂、N₂吹入主蒸发台30的上方附近，对基板4进行蚀刻、抛光，成膜处理的实施例作一说明。在该实施例中，将上述反应气体通到主蒸发台30与辅助蒸发台31之间，在主蒸发台30的上方附近配置反应气体导入管，从该反应气体导入管通入反应气体，在低气体压力下获得高密度的等离子体，供给的气体可以提高电离率，并进行具有优良深宽比(卩スズクト)的蚀刻处理。

Claims (5)

1.一种等离子处理方法，在包括用于产生等离子束的束发生源，配置在真空容器内并具有上述等离子束的入射面的蒸发台的装置中，将上述束发生源产生的等离子束引导到上述蒸发台的入射面上，以便对工件进行等离子处理，其特征在于：利用相对上述蒸发台的中心轴线同轴配置的环形永磁铁在上述蒸发台附近形成恒定磁场，利用相对上述蒸发台中心轴线同轴配置的由磁线圈把调整磁场叠加在上述恒定磁场上，从而使上述蒸发台附近的磁场发生变化。

2.如权利要求1所述的等离子处理方法，其特征在于：将上述束发生源产生的等离子束引导到上述蒸发台的入射面上，使放置在该蒸发台上的蒸镀物质蒸发电离而产生蒸发粒子，通过改变供给上述电磁线圈的电流调整上述蒸发粒子的飞行分布，使这些蒸发粒子沉积在与上述蒸发台相对配置的基板表面上。

3.如权利要求1所述的等离子处理方法，其特征在于：通过改变供给上述电磁线圈的电流调整上述蒸发台上的物质熔化能力。

4.一种等离子处理装置，包括用于产生等离子束的束发生源，配置在真空容器内并具有上述等离子束入射面的蒸发台，将上述束发生源产生的等离子束导入上述蒸发台的入射面并进行处理的装置，其特征在于，还包括：相对上述蒸发台的中心轴线同轴地配置在上述蒸发台附近的环形永久磁铁、相对上述蒸发台的中心轴线同轴地配置在该环形永久磁铁附近的电磁线圈。与该电磁线圈相连接的电源。

5.如权利要求4所述的等离子处理装置，其特征在于：上述电磁线圈的激磁应满足由上述电源的电流在线圈中心线上产生的磁力线的方向与上述环形永久磁铁的中心线上的磁力线方向相同的要求。

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