CN101182631B - 磁控管溅射源、溅射涂敷设备及对衬底进行涂敷的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于溅射涂敷设备(1)的磁控管溅射源，包括至少一个阴极(3)以及设置在该阴极上或形成为该阴极的至少一个靶材(4)。靶材为衬底的涂敷和/或处理提供涂敷和/或处理材料。该磁控管溅射源还具有产生涂敷等离子体的装置及用于产生磁场的至少一个磁体部件(7)，所述磁场以下述方式影响所述涂敷等离子体：至少在靶材的一部分表面(4’)上方产生至少一个等离子体通道(8)。磁体部件和靶材表面设置成使它们可以彼此相对运动，从而使等离子体通道可以横越靶材表面上方。该磁控管溅射源被调整成使得：在等离子体通道在靶材的表面区域上运动时，通过增大磁体部件与靶材之间的相对速度(v)来减小表面区域暴露于等离子体的整个时间。
Description
技术领域
本发明涉及用于涂敷设备的磁控管溅射源，该磁控管溅射源包括至少一个阴极和至少一个靶材、用于产生涂敷等离子体的装置、至少一个磁体部件，所述靶材设置在所述阴极上或集成在所述阴极中并提供涂敷和/或处理所用的涂敷材料和/或处理材料；所述至少一个磁体部件用于以下述方式产生影响涂敷等离子体的磁场，所述方式使靶材的局部表面上方产生至少一个等离子体通道；磁体部件与靶材布置成使得它们优选地通过至少一个驱动器而可以彼此相对运动。另外，本发明还设计一种溅射涂敷设备，该设备包括至少一个处理室或涂敷室，还包括磁控管溅射源。本发明还涉及一种处理方法，特别是用于对衬底进行涂敷的处理方法，该方法包括下列步骤：
a)提供具有靶材的处理设备或者涂敷设备；
b)产生涂敷等离子体；
c)产生用于影响涂敷等离子体的磁场，使得至少在靶材的局部表面上方产生至少一个等离子体通道；以及
d)使磁场与靶材之间产生相对运动。
背景技术
已知多种不同方法用于对衬底或衬底表面进行涂敷，特别是用于对大面积衬底进行涂敷或处理。所用的涂敷处理还必须适于产生非常均匀和一致的薄层。另外，为了涂敷设备的操作经济性，还需要减小设备尺寸并实现高的衬底生产率，以便以可接受的价格提供层系统。在这些要求之下，已经进行了大量工作，以通过使用有效的涂敷方法来实现高质量的层系统，包括大面积衬底。
溅射或(阴极)原子化(atomization)是经常用来在衬底上生产薄膜的方法。在溅射方法中，用离子轰击靶材，所述离子例如由经点火等离子体产生的惰性气体离子。由此，直接或间接用作涂层的材料被从靶材溅射，即被释放或被原子化。所溅射的材料被沉积(也许在化学反应之后)在面向靶材的衬底上。在涂敷处理过程中，衬底可以布置成相对于靶材静止，也可以通过运输而连续地经过靶材。
为了提高溅射处理的效率，使用了所谓的磁控管溅射源。磁控管溅射源具有磁体部件，磁体部件布置在靶材的背对衬底那侧。磁体系统产生磁场并对涂敷等离子体施加影响，所述涂敷等离子体在靶材表面上方的区域产生于衬底那侧。取决于磁力线形状，靶材表面上方形成非均匀的等离子体结构，所述结构造成靶材材料的侵蚀不均匀。通常，使用磁体部件来产生封闭的等离子体通道，例如细长椭圆形(跑道状)的通道。等离子体的非均匀情况造成靶材中形成侵蚀沟槽。由此，一方面可能不能完全消耗靶材材料，另一方面，消除非均匀性和形成侵蚀沟槽造成了衬底涂层的不均匀和不一致性。
为了解决这种问题，已经提出了移动磁体部件，该部件暂时地改变等离子体分布表面，从而可以有效地实现均匀消除靶材材料。例如，可以产生磁场的往复运动以消除侵蚀沟槽问题。
除了需要较高的涂层均匀性以及尽最大可能利用靶材材料之外，还需要涂敷设备的部件高效。公知溅射设备的效率主要受到靶材在等离子体通道下方区域中产生的高表面温度的限制。任何提高溅射率并因而提高溅射功率的尝试都要增大每单位面积的能量。这造成了对溅射有不利影响的表面效果。表面效果例如可能存在于：靶材熔融、靶材的局部除气(outgas)、以及靶材材料中化合物的化学变化。这些效果造成的结果是熔融的靶材以及热引发的电弧(电弧放电)。避免上述温度效果的最明显方式是对靶材进行冷却。例如可以相应地将靶材安装在受到冷却的支持板(backing plate)上。
但是，即使冷却装置也只能将靶材最上部的原子层温度降低到有限的程度。例如，在ITO溅射中，最大的可能功率密度受到在大于约3W/cm2的功率密度下发生的电弧这种因素的限制。
发明内容
如上所述，本发明的一个目的是提供一种磁控管溅射源、一种溅射涂敷设备和一种用于对衬底进行处理的方法，利用它们，可以通过增大功率密度来提高涂敷处理的效率。
上述目的是通过根据本发明的磁控管溅射源、根据本发明的溅射涂敷设备以及根据本发明的方法来实现的。
相应地，本发明的用于涂敷设备的磁控管溅射源包括：至少一个阴极和至少一个靶材，所述至少一个靶材设置在所述阴极上或被形成为所述阴极，所述靶材为涂敷和/或处理提供涂敷材料和/或处理材料；产生涂敷等离子体的装置；以及至少一个磁体部件，用于产生磁场，所述磁场影响所述涂敷等离子体，以至少在所述靶材的局部表面上方产生至少一个等离子体通道。磁体部件和所述靶材的表面设置成使它们能够彼此相对运动，以使等离子体通道在靶材表面上方可动。所述磁控管溅射源被调整成使得：为了减小所述靶材表面上的热负荷，通过增大所述磁体部件与所述靶材之间的相对速度，来减少使所述表面区域暴露于所述等离子体的时间。
暴露时间是用投影到表面区域上的等离子体通道宽度(在此情况下，宽度是等离子体通道沿运动方向的尺度)与扫描速度的商来计算的。等离子体通道的面积越小，相对速度越大，则靶材表面的特定区域暴露于等离子体通道的时间就越短。为此，较小的等离子体通道区域与高扫描速度(例如大于0.1m/s)的组合确保了表面区域的暴露时间较短。溅射率可以适应于暴露时间，特别是可以增大到这样的程度：即，尽管有高溅射率，但也不会发生不利的表面效果。另外，总的靶材表面对等离子体通道的面积比率必须足够高，以便在再次扫描上述表面区域之前使表面得到足够的冷却。暴露于等离子体的时间涉及的是等离子体通道在靶材的表面区域上方运动一次。对于沿等离子体通道的路径的给定速度分布，整个靶材表面对一个或多个等离子体通道的面积比率越大，两次连续扫描/暴露于等离子体之间靶材的表面区域的“恢复时间”(以及对表面的完全扫描)就越长。
上述目的还通过一种用于涂敷设备的磁控管溅射源来实现，该磁控管溅射源包括：至少一个阴极和至少一个靶材，所述至少一个靶材设置在所述阴极上或被形成为所述阴极，所述靶材为涂敷和/或处理提供涂敷材料和/或处理材料；产生涂敷等离子体的装置；以及至少一个磁体部件，用于产生磁场，所述磁场以下述方式影响所述涂敷等离子体，所述方式至少在所述靶材的至少一个局部表面上方产生至少一个等离子体通道。所述磁体部件和所述靶材的表面设置成由驱动器使它们可以彼此相对运动。所述驱动器被调整为使得：在一次涂敷循环过程中，所述磁体部件与所述靶材的表面之间的相对运动超过至少0.1m/s的速度。
上述目的还通过一种用于涂敷设备的磁控管溅射源来实现，该磁控管溅射源包括：至少一个阴极和至少一个靶材，所述至少一个靶材设置在所述阴极上或被形成为所述阴极，所述靶材为涂敷和/或处理提供涂敷材料和/或处理材料；产生涂敷等离子体的装置；以及至少一个磁体部件，用于产生磁场，所述磁场以下述方式影响所述涂敷等离子体，所述方式至少在所述靶材的至少一个局部表面上方产生至少一个等离子体通道。所述磁体部件和所述靶材的表面设置成使它们可以彼此相对运动。所述磁控管溅射源被调整为使得：将所述磁体部件与所述靶材之间的相对速度作为功率密度和/或溅射率的函数设置得足够高，使功率密度至少间断性地达到至少5W/cm2的值，从而消除所述靶材表面上不利的由温度引发的表面效应。
本发明基于这样的认识：可以利用靶材表面的热惯性，从而可以以更高功率密度并因而以更高溅射率来进行涂敷。功率密度对应于每个阴极单位面积上引入系统中的功率。功率密度是溅射率的函数。
通过使用大于0.1m/s的相对速度，在等离子体通道相对于表面区域运动时，等离子体作用在靶材的表面区域上的时间更短。通过缩短表面区域扫描过程中暴露于等离子体的时间，可以提高功率密度和/或溅射率而不会在靶材表面上发生显著的不利表面效应，例如电弧、靶材熔融、靶材的局部除气、靶材中化合物的化学反应等。总的结果是可以增加指定(短)时间内输入表面区域(具有特定的单位面积)的能量而不在靶材表面上发生表面效应。可选地，在一次涂敷循环过程中可以由等离子体通道进行若干次扫描，在此情况下，与较长时间暴露于较小功率的等离子体的情况相比，靶材最上方的原子层温度增加小得多。
在本申请中，靶材表面暴露于等离子体应当认为表示这样的情况：等离子体中产生的离子撞击到靶材表面的表面区域上，与该区域中的表面以及来自该区域的溅射涂敷材料发生反应。毋庸多言，长时间的暴露会加热表面，造成可能发生前述不利表面效应。因此，本发明提出了在表面扫描过程中提高速度，使得即使在更高功率密度情况下，也可以通过具体的热容来利用靶材的热惯性。
迄今为止，对于在涂敷循环过程中多次扫描表面区域的情况，注意力都重点集中在确保两个暴露阶段之间的时间足够长以允许表面冷却上。扫描过程中加热的程度取决于所供应的总能量以及供应能量的次序。已经意识到可以有更合理的能量输入次序，而不是像通常情况那样以较低的溅射率恒定地供应所述总能量。速度分布被调整到靶材表面上方等离子体的存在时间。
在本发明的范围内，磁体部件与靶材表面之间的相对运动取广义解释。靶材或阴极可以相对于磁体部件运动。或者，以可以使磁体部件能够相对于靶材或阴极运动。不过也可以想到，将磁体部件以及阴极或靶材这二者都设置成能够彼此相对运动并相对于涂敷设备运动。
磁体系统位于靶材的要原子化那侧，背对着要涂敷的衬底。磁体部件可以具体地包括一个或多个磁体(特别是永久磁铁)以及至少一个轭。
磁体系统可以产生一个或多个等离子体通道，这些等离子体通道设置成彼此挨着或者一者在另一者内部。这些等离子体通道的可能形状有跑道状(大体上细长的封闭椭圆路径)、骨状封闭路径、或者组成菱形的封闭路径。通过为扫描处理选择适当的路径形状并允许等离子体通道在涂敷循环中的相对速度取决于空间坐标，可以对靶材的层材料分布以及侵蚀轮廓进行优化。另外通过适当地设定参数(例如速度、溅射率、路径形状等)可以确保对衬底的均匀涂敷。
由于本发明适用于全部的常见溅射处理，例如用稀有气体(氩等)进行的溅射、用活性气体(氧、氮、NH3等)进行的溅射，所以可以使用各种靶材材料。它们例如可以是：金属、金属合金、或者金属与非金属的化合物，例如ITO、IZO、ZnO:Al、SiO2、IGZO(InGaZnO)。
在磁体系统运动的两个转向点位置或转向点部分，可以使靶材厚度相对于沿剩余表面的材料厚度增大，因为由于速度分布，转向点区域通常会发生更大的侵蚀。通过这种措施，可以在靶材寿命的末期在整个靶材上实现剩余靶材厚度的最小化并使之均匀，具有相称的高靶材利用率这样的优点。另外，还可以增大转向点区域中磁体系统与靶材反面之间的垂直距离和/或减小转向点区域中的功率输入，从而可以防止这些区域比其他表面区域更快地受到侵蚀。在所有其他方面，如果转向点区域位于靶材的边界区域，就可以获得更好的涂敷结果，因为为了均匀涂敷，希望这些区域有更高的利用率。
对于权利要求，靶材的表面区域是靶材表面上与扫描过程中暴露于等离子体通道的整个面积相比较小的区域，特别是被等离子体通道所覆盖的靶材局部表面。表面区域可以是无限小的区域，由此无论如何都可以确定等离子体在该区域上方运动的影响和/或效果。
本发明的磁控管溅射源的优点主要在于可以使用更高的溅射率。通过将更高的溅射率与未变的循环时间相结合，可以缩短涂敷设备，从而减少采购和运行的成本。另外还应当明白，通过本发明的思路，与使用若干个平行阴极的传统技术相比，可以以均匀得多的层厚分布来实现需静态沉积的大面积涂层(例如TFT涂层)。
在本发明的一种具体实施例中，驱动器被调整为使得：在涂敷循环中，相对速度超过至少0.1m/s，优选超过0.2m/s，优选超过0.3m/s，优选超过0.5m/s，优选超过1.0m/s，优选超过3.0m/s，优选超过5.0m/s。通过适当的驱动器(例如带式驱动器或直线电机)可以容易地实现上述高速度。
已经发现，例如在0.2m/s的速度下，功率已经增加，从现有的3W/cm2功率密度增加到超过40W/cm2的功率密度；在0.4m/s的速度下，功率增加到超过50W/cm2的功率密度；在例如1.6m/s的速度下，例如，功率已经增大到超过55W/cm2的功率密度；在3.5m/s的速度下可以有超过70W/cm2。即使在速度从通常的水平(例如1.5mm/s)增大到超过0.1m/s时，这种惊人的效果也特别明显。
在扫描过程中，靶材表面的每个表面区域暴露于涂敷等离子体一段时间长度，该时间长度与等离子体通道与靶材表面之间的相对运动速率成反比。这表明增大速度减小了表面区域暴露于等离子体的时间长度。这接着使得扫描过程中可以使用更高的溅射率。
为了例如在两个平行的靶材边缘之间(特别是靶材的两个短边之间)产生相对运动，磁体系统可以往复运动。这种往复运动可以附带有沿着空间中其余方向的运动(即并非平行于靶材的中心纵轴)。在路径形状的绝大部分，相对于靶材表面的瞬时速度可以是恒定的。这种恒定速度应当至少等于权利要求中指定的最小速度值。或者，瞬时速度也可以是可变的，以便例如使层厚分布或靶材侵蚀分布可以改变。显然，在出现转向点处相对运动减慢的地方，速度会间断性地降到较低的值或零。但是，本发明要求在扫描循环过程中扫描形状表面的大部分上，扫描速度超过权利要求中指定的速度值，优选为路径长度的50％以上，更优选为路径长度的75％以上。在由路径长度决定的程度上，以高速扫描的区域事实上更大。
较高的往复运动速度或者磁体系统中更大的质量可能在涂敷设备中产生振动。可以通过配重来抵消这些振动。
特别是，磁控管溅射源被调整为使得功率密度至少间断性地达到至少5W/cm2的值，优选达到15W/cm2的值，优选达到30W/cm2的值，优选达到50W/cm2的值，优选达到75W/cm2的值。由于溅射率的增大而在靶材表面上增加的负荷被扫描速度的增大所补偿(从而通过表面区域暴露于等离子体的时间而得到补偿)。本发明的磁控管溅射源是为了以这样的功率密度工作而形成的或为此调整的。
在一种具体实施例中，磁体部件与靶材表面之间的相对速度设定取决于靶材的总的表面积对等离子体通道投影到靶材表面上的面积(或等离子体可以作用到的靶材表面面积)的大小比率，并取决于溅射率。就是说，在给定了高溅射率以及给定了等离子体通道影响区域的情况下，速度被选择得足够高以避免不利的表面效果。从另一个角度来看，将速度设定在最大值，从而可以实现根据经验确定的有关最大溅射率。
特别是，靶材总的表面积对等离子体通道的面积的比率至少为15，优选为30，优选为45，优选为90。上述面积比率对于与其他参数(例如沿着路径的速度分布以及溅射率分布)能够相互匹配而言也是重要的。该比率确定了一个距离，在该距离下，靶材表面的具体区域受到等离子体影响。在使用一个或多个等离子体通道的时候，靶材的整个溅射表面积对一个和/或多个等离子体通道的面积的比率必须被选择得足够大，以使每个表面区域在下一次扫描之前充分冷却。由于最大的面积比率保证了良好的冷却，所以该方法特别适用于由大面积靶材进行大面积涂敷。另外，大的面积比率使能够实现适当的高速度与高溅射率的结合。结果是面积比率通过可调节的速度而间接确定了最大的可能溅射率。
在其他方面，只要增大功率密度(与溅射率相符)和速度，这种大面积比率在经济上也是有利的。因此，即使面积比率较大，也可以在衬底涂敷过程中获得短的循环时间。
溅射源被优选地调整为使得：每个涂敷循环中靶材的具体表面区域暴露于等离子体的整个时间段划分成至少两个在时间上分隔开的时间段。
涂敷循环被看作是在平台(station)中执行适当的涂敷来对衬底进行涂敷的循环。但是，涂敷循环也可以看作一种时间上封闭的涂敷处理，在该处理中，若干个衬底一个接一个地受到涂敷。
其重要之处在于：由于高扫描速度，靶材的每个表面区域暴露较短时间，并在涂敷循环中两次或更多次暴露于等离子体。这种途径利用了靶材材料的热惯性，由于适当的面积比率(如上所述)，靶材材料在较短的扫描期间内不会过度受热，并在两个扫描循环之间得到足够的冷却。
靶材优选地形成为具有长度和宽度的矩形，长度优选为宽度的倍数，磁体部件和靶材设置成使它们能够至少沿着靶材的长度方向彼此相对运动。这种运动可以附带有沿空间中其他方向的运动。特别是，可以在两个相反边缘之间执行往复式相对运动。
靶材可以大体上由平的和/或弯曲的表面形成。靶材可以安装在受冷却的支持板上，例如通过焊接、支架、螺钉、喷雾等方式。靶材可以被形成为平面阴极，也可以形成为弯曲的阴极，例如具有2.5m×0.3m的尺寸。此外，靶材可以被形成为平面阴极，也可以形成为曲面阴极，例如具有2.5m×2m的尺寸。使用弯曲的阴极在某些情况下能够使衬底上的层分布可控，或可以在弯曲的衬底上获得均匀、一致的层分布。
但是，磁控管溅射源也可以是旋转磁控管的管式溅射源，它具有管状阴极和/或旋转的管状靶材。靶材对磁体系统的相对速度对应于靶材表面相对于磁体系统的路径速度(path velocity)。可以通过增大靶材直径等方式，来实现靶材的整个表面对等离子体通道面积的面积比率。无论说明书中何处提及平的靶材，本发明的原理都应当包括每一种可想到的可旋转阴极/靶材。
优选地，设置至少一个阳极或阳极部件来容纳要放电的电子。阳极可以通过围绕磁控管阴极而形成，例如通过室壁、暗室框架、周边轮廓等。
但是，阳极或阳极部件特别地具有至少一个电极，该电极设置在靶材表面上方以相对于靶材可动。在此情况下，电极通常会与磁体系统一起相对于靶材运动。例如，电极可以沿着等离子体通道设置。
阳极或阳极部件可以有多个电极，这些电极相对于靶材布置在靶材表面上方从而是不可动(即固定)的。因此，阳极可以由一个或多个受到冷却的或不受冷却的杆组成，这些杆位于靶材前方或靶材边缘，和/或沿磁体系统的运动方向平行于磁体系统。这些电极以点状投影到等离子体通道中，并与磁体系统的运动同步地以电动方式切换。
靶材可以优选地由一个或多个段组成，这些段是电耦合或隔离开的。如果将靶材划分成不耦合的多个段，则可以设置使一个段作为阴极、而至少一个邻近的段作为阳极的装置。各个靶材段的电位可以与磁体系统的运动同步，即，可以使靶材段与磁体系统的运动同步地以电的方式切换/步进。负的溅射电位例如只存在于在指定时间正在经过磁体系统的那个靶材段。其余靶材段不处于溅射电位，而是例如处于地电位、正电位或浮动电位。通过使用阳极或阳极部件，可以避免电弧和不利的二次等离子体，例如电弧放电。
用于产生涂敷等离子体的装置可以具有电源装置，电源装置包括AC(交流电)源、DC(直流电)源、单极脉冲源、双极脉冲源或RF(射频)源。电能从该电源耦合到系统中。
本发明的目的还通过一种溅射涂敷设备来实现，该设备包括至少一个处理室或涂敷室、以及磁控管溅射源。
此外，该目的还通过一种对衬底进行处理(特别是用于衬底涂敷)的方法来实现，该方法包括下列步骤：
a)提供带有靶材的处理或涂敷设备，特别是上述处理或涂敷设备；
b)在所述靶材的表面的至少局部区域上方在所述衬底那侧产生涂敷等离子体；
c)产生用于影响所述涂敷等离子体的磁场，使得至少在所述靶材的部分表面上方产生至少一个等离子体通道；和
d)使所述磁场与所述靶材之间产生相对运动。
为了减小所述靶材表面上的热负荷，通过增大所述磁体部件与所述靶材之间的相对速度，来减少所述表面区域暴露于所述等离子体的时间。
另外，该目的还通过一种对衬底进行处理(特别是进行涂敷)的方法，该方法包括下列步骤：
a)提供带有靶材的处理或涂敷设备，特别是上述处理或涂敷设备；
b)至少在所述靶材的局部表面上方在所述衬底那侧产生涂敷等离子体；
c)产生用于影响所述涂敷等离子体的磁场，使得至少在所述靶材的局部表面上方产生至少一个等离子体通道；和
d)使所述磁场与所述靶材之间产生相对运动。
所述磁场与所述靶材之间的相对速度超过至少0.1m/s的值。
以高速(相对的)对等离子体通道在靶材的表面区域上方导向，使得等离子体连续作用于表面区域的时间缩短，从而即使在高功率密度(并因而在高溅射率)下，也不会在靶材表面上发生明显的不利表面效果。
特别是，所述磁场与所述靶材表面之间的相对运动速度超过至少0.1m/s，优选超过0.2m/s，优选超过0.3m/2，优选超过0.5m/s，优选超过1.0m/s，优选超过3m/s，优选超过5m/s。
特别是，等离子体通道具有椭圆形、长椭圆形、骨状或菱形形状。
在所述磁场与所述靶材表面之间的相对运动过程中，功率密度至少间断性地超过至少5W/cm2的值，优选超过15W/cm2的值，优选超过30W/cm2的值，优选超过50W/cm2的值，优选超过75W/cm2的值。本发明的磁控管溅射源是为以这样的功率密度工作而形成的或为其调整的。
磁场影响等离子体，以形成至少一个等离子体通道，特别是椭圆形(跑道形)、骨状和/或菱形通道。
在所述方法中，所述靶材的总的溅射表面面积对投影到靶材表面上的等离子体通道面积的比率值超过15，优选超过30，优选超过45，优选超过90。如果步骤c)中产生的等离子体通道相对于靶材面积具有较小面积，则靶材表面的表面区域受到扫描的时间间隔较大。
特别是，所述靶材被形成为具有长度和宽度的矩形，所述长度是所述宽度的倍数，并且所述磁场至少沿着所述靶材的长度方向相对于所述靶材运动。特别是，磁场可以相对于靶材边缘往复运动。
每个涂敷循环中所述靶材的具体表面区域被暴露于所述等离子体的全部时间段被划分成至少两个分隔开的时间段。
结合装置和方法所述的全部这些特征都应当得到保护，无论是单独还是组合。
附图说明
根据下面利用附图对优选实施例进行的说明，可以明白本发明的更多特征和优点。在附图中，
图1示出了本发明的涂敷设备的剖视图；
图2示出了本发明的涂敷设备的侧视图；
图3示出了本发明的磁控管溅射源的剖视图；
图4示出了工作过程中根据本发明的溅射源一部分的俯视图；
图5示出了工作过程中根据本发明的溅射源一部分的侧视图；
图6示出了工作过程中根据本发明的另一种溅射源一部分的侧视图；
图7示出了本发明的溅射源的俯视图；
图8示出了本发明范围内的一种可旋转阴极；以及
图9的示意图略述了所设定的速度与功率密度之间的关系。
具体实施方式
图1以剖视图形式示出了本发明的涂敷设备1。在涂敷室2中，布置了长度为1、宽度为b的长椭圆形(oblong)阴极3，阴极3上安装靶材4。在此视图中，阴极3位于纸面内的靶材4下方。但是，在本发明的范围内，阴极3和靶材4也可以形成为一体部件，即可以由靶材材料4自身形成阴极3。
阴极3由连接电缆连接到电源5。电能可以以直流、交流、单极脉冲电流、双极脉冲电流或RF(射频)电压的形式耦合到涂敷系统1中。
图2示出了涂敷设备1的侧视图，如其左上角的坐标系所示。在由壁限制的涂敷室2中，布置了阴极3和安装到阴极3的靶材4。靶材4面向衬底平面6，在涂敷过程中衬底位于衬底平面6中，或者沿衬底平面6运输衬底。
具有下方阴极3的靶材4大体上与衬底平面6相对地平行延伸。在这方面，应当指出，也可以由靶材自身形成阴极。靶材4无论如何必须处于阴极电位。
在阴极部件3之后，磁体系统7(例如由轭和磁体组成，未详细示出)如箭头v所示沿阴极3或靶材4的纵向高速(例如1m/s)运动。以较高的速度v沿着靶材4的长度1对靶材4进行扫描。磁体系统可以在载具上由驱动器(未示出)驱动。
磁体系统7被形成为使之在离表面一段距离处产生周边的椭圆形等离子体通道8(跑道状)。等离子体通道在靶材4的表面上以与磁体系统7相同的速度v运动。运动方向由箭头v表示。高扫描速度防止了靶材4的表面4’受到局部加热，所述局部加热可能造成表面效果(例如靶材4的熔融、局部除气或靶材4中的化合物的化学变化)。另外，还防止了电弧(热引发的电弧放电)。
图3示出了本发明的磁控管溅射源。
靶材4的表面4’朝向衬底表面6，磁体系统7背对衬底表面。靶材4可以受到冷却。
磁体系统7大体上沿垂直于纸面的方向(x方向)相对于靶材4高速运动。但是，也可以附带沿y方向和z方向的运动。
磁体系统7相对于靶材4的运动表示磁场例如在靶材的平行短边之间沿x方向往复运动。或者，也可以相对于磁体系统7对靶材4进行驱动，而使磁体系统在涂敷室2中位置固定。也可以想到使磁体系统7沿着与靶材4相反的方向运动。例如，靶材4可以沿x方向执行快速运动，同时磁体系统7沿y方向和/或z方向执行附带的运动。
图4示出了本发明的溅射源中靶材4的俯视图。
靶材4下方如箭头所示设置了可以沿x方向运动的磁体或磁体部件。它们如箭头v所示沿扫描路径以一定速度或以给定的速度分布进行运动。靶材附带的反向运动由箭头u表示，从而得到沿x方向的总体相对速度u+v。
在适当条件下，磁体或磁体系统在表面4’上方以垂直方式形成等离子体通道8、8’和8”。这些等离子体通道8、8’和8”随着磁体系统一起以速度u+v相对于靶材4沿x方向运动。
这些等离子体通道8、8’和8”例如具有不同的封闭构造，例如长椭圆形(跑道状8)、并不在靶材4的整个宽度b上延伸的菱形8’、以及骨状区域8”(各自投影到靶材表面4’上)。等离子体通道8、8’和8”的面积与被扫描的整个靶材表面4’相比(单独相比或者用面积8、8’和8”的总和相比)较小。
例如，将靶材4的面积与(一个或多个)等离子体通道8或8’和8”的(一个或多个)面积之间调整为比5大得多的面积比率。由此，可以沿x方向在磁体系统7与靶材4之间实现较高的相对速度u+v，例如大于1m/s的相对速度。已经发现，通过较高的相对速度u+v与较大的面积比率相结合，与传统设置情况相比，可以显著降低靶材4的最上方原子层的温度。另一方面，更好的冷却会便于使用高得多的功率密度或溅射率，而不会造成表面效果影响(例如靶材熔融或电弧)。
图4还以示例方式示出了设置在等离子体通道8附近的阳极9，所述阳极位于上述跑道区域中。阳极9以绝对速度v与位于阴极下方的磁体系统(并从而与等离子体通道8)一起同步运动，从而以相对速度u+v在表面4’上运动。靶材4和/或磁体系统可以沿y方向和/或z方向执行附带的相对运动，从而选择性地调整具体的侵蚀轮廓。
图5示出了本发明另一种实施例的横向剖视图。
阴极3设有靶材材料4，靶材表面4’与衬底平面6对准。
磁体系统7位于阴极3下方背对衬底平面6的那侧，并可以以速度v(如图面左上角所示)沿x轴运动。等离子体通道或跑道8也位于靶材4的表面上方一段距离，并随着磁体系统运动。当然，除了等离子体通道8之外，也可以通过相应地形成磁体系统7来形成可在靶材表面4’上方的区域中运动的多个另外的等离子体通道。
等离子体通道8沿着靶材4全体区域D投影在区域d上(这里D对应于靶材的长度1)。根据本发明，全部靶材表面与等离子体通道8(投影到靶材4的表面上)的区域的面积比率至少为15。这也特别适用于比率D/d。等离子体通道的面积也可以大体上等于磁轭面积，因为这些参数具有大体上类似的尺寸设置。
通过磁体系统7，可以在靶材4与衬底平面6之间的区域中产生一个或多个等离子体通道(跑道)8，所述通道能够设置成彼此挨着的图案或者一者套着另一者的图案。特别是，可以专门将磁体部件7形成为使靶材4的具体层分布以及侵蚀分布得到优化。
图5还示出了相对于靶材4不可运动的阳极部件9。阳极部件9大体上可以通过围绕磁控管阴极3来形成(例如室壁、暗室(dark room)框架、周边轮廓等)。在图5所示情况下，阳极部件9由若干个邻近的杆组成，这些杆可以受到冷却，也可以不受冷却。它们以点状(punctiformly)投影到等离子体通道8中，并随着磁体系统7的运动而电动步进。或者，也可以设置一个或两个电极9，所述电极9与磁体系统7一起运动并沿着等离子体通道设置。
可以设置磁体系统7所用的驱动器10，驱动器10由控制单元11控制，控制单元11用于控制扫描速度和/或扫描路径和/或功率密度(并从而控制溅射率)。控制单元11可以将溅射率控制为例如磁体系统的速度和/或空间坐标的函数。由于在扫描路径的最大部分上有调整较高的速度，所以功率密度可以远远超过3W/cm2，例如可以超过10W/cm2、50W/cm2或甚至75W/cm2的功率密度。
图6示出了本发明的另一种实施例，其中相同的元件具有与此前所用相同的标号。
在本实施例中，阴极3和靶材4被分段。等离子体通道8的区域中相应的(一个或多个)靶材段处于阴极电位，而邻近的相应靶材段用作阳极。在本实施例中，随着磁体系统7和等离子体通道8的运动(相应地以速度v)来切换这些段。
这些段之间的距离优选地对应于暗室距离，以便可以避免处于不同电位的邻近段之间产生电飞弧(flash-over)。在图6中，所示尺寸比率完全是示意性的。
磁体系统7中方向沿z方向的箭头用来表示磁体系统7可以在沿x方向运动时附带有例如沿z方向和沿y方向的运动。
总的来说，本发明适于一系列传统溅射处理，例如用稀有气体(氩等)进行的溅射，也适用于用活性气体(氧、氮、NH3等)进行的溅射处理。
图7图示了本发明的另一种溅射源，它与此前说明的实施例不同之处在于具有阳极部件，所述阳极部件设置成与磁体系统7或等离子体通道8的运动方向v平行。
图8示出了根据本发明的可旋转阴极。增大的相对速度以轨迹速度v表示于靶材表面上。这里，受到扫描的靶材长度对应于周长。阴极/靶材3、4围绕中心轴线A旋转。磁体系统7上方的跑道8由虚线表示。
图9(以带有测量点和不带测量点的两个实施例的方式)示出的示意图图示了所调整的速度与最大可能功率密度之间的关系，即在靶材表面开始熔融之前、发生电弧之前或靶材表面发生化学变化之前可以提供的功率密度。在0.1m/s处已经可以识别出可能提供的功率密度的急剧上升。在更高的相对速度情况下该曲线继续上升，但是梯度较小(开始于约0.3m/s与0.4m/s之间)。但是，在更高速度区域，速度增大也仍然会造成功率密度的显著增大。
这种惊人的高功率密度是迄今为止在mm/s区域内的传统速度从未达到过，也无法预见到的。
Claims (27)
1.一种用于涂敷设备(1)的磁控管溅射源，包括：
至少一个阴极(3)和至少一个靶材(4)，所述至少一个靶材(4)设置在所述阴极(3)上或被形成为所述阴极，所述靶材为涂敷提供涂敷材料和/或为处理提供处理材料；
产生涂敷等离子体的装置；
至少一个磁体部件(7)，用于产生磁场，所述磁场以下述方式影响所述涂敷等离子体，所述方式至少在所述靶材的局部表面(4’)上方产生至少一个等离子体通道(8、8’、8”)；
所述磁体部件(7)和所述靶材(4)的表面(4’)设置成由驱动器使它们可以彼此相对运动；
其特征在于：
所述驱动器被调节使得所述磁体部件(7)和所述靶(4)的表面(4’)之间的相对运动在涂覆循环中超过0.2m/s的速度，使得：为了减小所述靶材表面(4’)上的热负荷，减少所述表面区域暴露于所述等离子体的时间。
2.一种用于涂敷设备(1)的磁控管溅射源，包括：
至少一个阴极(3)和至少一个靶材(4)，所述至少一个靶材(4)设置在所述阴极(3)上或被形成为所述阴极(3)，所述靶材为涂敷提供涂敷材料和/或为处理提供处理材料；
产生涂敷等离子体的装置；
至少一个磁体部件(7)，用于产生磁场，所述磁场以下述方式影响所述涂敷等离子体，所述方式至少在所述靶材的局部表面(4’)上方产生至少一个等离子体通道(8、8’、8”)；
所述磁体部件(7)和所述靶材(4)的表面(4’)设置成由驱动器使它们可以彼此相对运动；
其特征在于：
所述驱动器被调节使得所述磁体部件(7)和所述靶(4)的表面(4’)之间的相对运动在涂覆循环中超过0.2m/s的速度，使得：通过将所述磁体部件(7)与所述靶材(4)之间的相对速度(v、v+u)作为功率密度和/或溅射率的函数设置得足够高，使功率密度至少间断性地达到5W/cm2的值，从而消除所述靶材表面(4’)上不利的由温度引发的表面效应。
3.根据前述权利要求中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
在涂敷循环中，所述磁体部件(7)与所述靶材(4)的表面(4’)之间的相对运动速度超过0.3m/s。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
在涂覆循环中，所述磁体部件(7)与所述靶材(4)的表面(4’)之间的相对运动速度超过0.5m/s。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
在涂覆循环中，所述磁体部件(7)与所述靶材(4)的表面(4’)之间的相对运动速度超过3m/s。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述磁控管溅射源被调整为使得：所述功率密度至少间断性地达到5W/cm2的值。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述磁体部件(7)与所述靶材(4)的表面(4’)之间的相对速度(v、u+v)设定取决于下述比率和所需溅射率，所述比率是所述靶材(4)的总的表面积(4’)对一个或多个所述等离子体通道(8、8’、8”)投影到所述靶材表面(4’)上的面积的大小比率。
8.根据权利要求1-2中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述靶材(4)的总的表面积(4’)对一个或多个所述等离子体通道(8、8’、8”)的面积的比率大于15。
9.根据权利要求1-2中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述磁控管溅射源被调整为使得：每个涂敷循环中所述靶材(4)的具体表面区域暴露于所述等离子体的全部时间段被划分成至少两个在时间上分隔开的时间段。
10.根据权利要求1-2中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述靶材(4)被形成为具有长度(l)和宽度(b)的矩形，所述长度(l)是所述宽度(b)的倍数，并且所述磁体部件(7)与所述靶材(4)被设置成使得它们能够至少沿着所述靶材(4)的长度(l)的方向(x)彼此相对运动。
11.根据权利要求1-2中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述靶材(4)可以大体上形成有平坦的和/或弯曲的表面(4’)。
12.根据权利要求1-2中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述磁控管溅射源被形成为带有可旋转管状靶材的可旋转磁控管管状溅射源。
13.根据权利要求1-2中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述磁控管溅射源具有至少一个阳极或阳极部件(9)，用于容纳待放电的电子。
14.根据权利要求13所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述阳极或阳极部件(9)具有至少一个电极，所述至少一个电极设置在所述靶材表面(4’)上方从而相对于所述靶材(4)可动。
15.根据权利要求13所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述阳极或阳极部件(9)具有多个电极，所述多个电极设置在所述靶材表面(4’)上方从而相对于所述靶材(4)不可动。
16.根据权利要求13所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述靶材(4)被划分成不相连的多个段，并设有用于使至少一个段作为阴极(3)、同时至少一个邻近的段作为阳极(9)的装置。
17.根据权利要求1-2中任一项所述的磁控管溅射源，其特征在于：
所述产生涂敷等离子体的装置具有至少一个电源装置(5)，所述电源装置(5)包括交流源、直流源、单极脉冲源、双极脉冲源或射频源。
18.一种溅射涂敷设备(1)，包括至少一个涂敷和/或处理室(2)，以及至少一个根据前述权利要求中任一项所述的磁控管溅射源。
19.一种用于对衬底进行处理的方法，包括下列步骤：
a)提供带有靶材(4)的根据权利要求18所述的溅射涂敷设备(1)；
b)在所述靶材的表面(4’)的至少局部区域上方在所述衬底那侧产生涂敷等离子体；
c)产生用于影响所述涂敷等离子体的磁场，使得在所述靶材的表面(4’)的至少一部分上方产生至少一个等离子体通道(8、8’、8”)；和
d)使所述磁场与所述靶材(4)之间产生相对运动；
其特征在于：
为了减小所述靶材的表面(4’)上的热负荷，通过增大所述磁体部件(7)与所述靶材(4)之间的相对速度，来减少所述表面区域暴露于所述等离子体(8、8’、8”)的时间，所述相对速度在0.2m/s之上。
20.一种用于对衬底进行涂敷的方法，包括下列步骤：
a)提供带有靶材(4)的根据权利要求18所述的溅射涂敷设备(1)；
b)在所述靶材的表面(4’)的至少一部分上方在所述衬底那侧产生涂敷等离子体；
c)产生用于影响所述涂敷等离子体的磁场，使得在所述靶材(4)的表面(4’)的至少一部分上方产生至少一个等离子体通道(8、8’、8”)；和
d)使所述磁场与所述靶材(4)之间产生相对运动；
其特征在于：
所述磁场与所述靶材(4)之间的相对速度(v、u+v)超过0.2m/s的值。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于：
在涂敷循环中，所述磁场与所述靶材(4)的表面(4’)之间的相对运动速度超过0.5m/s。
22.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于：
在涂敷循环中，所述磁场与所述靶材(4)的表面(4’)之间的相对运动速度超过3m/s。
23.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于：
在所述磁场与所述靶材(4)的表面(4’)之间的相对运动过程中，功率密度至少间断性地超过5W/cm2的值。
24.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于：
所述磁场影响所述等离子体，以形成至少一个等离子体通道(8、8’、8”)，所述至少一个等离子通道(8、8’、8”)为椭圆形、骨状和/或菱形通道。
25.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于：
所述靶材(4)的总的表面面积(4’)对一个或多个所述等离子体通道(8、8’、8”)的面积的比率大于15。
26.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于：
所述靶材(4)被形成为具有长度(l)和宽度(b)的矩形，所述长度(l)是所述宽度(b)的倍数，并且所述磁场被设置成使其沿着所述靶材(4)的长度(l)的方向(x)相对于所述靶材(4)运动。
27.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于：
每个涂敷循环中所述靶材(4)的具体表面区域暴露于所述等离子体的全部时间段被划分成至少两个分隔开的时间段。
Applications Claiming Priority (2)
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| EP06124060.2A EP1923902B2 (de) | 2006-11-14 | 2006-11-14 | Magnetron-Sputterquelle, Sputter-Beschichtungsanlage und Verfahren zur Beschichtung eines Substrats |
| EP06124060.2 | 2006-11-14 |
Publications (2)
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