CN102822381A - 圆柱形旋转磁控管溅射阴极装置以及使用射频发射来沉积材料的方法 - Google Patents

圆柱形旋转磁控管溅射阴极装置以及使用射频发射来沉积材料的方法 Download PDF

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Abstract

一种旋转磁控管溅射阴极设备，包括射频电源、功率输送组件、圆柱形旋转阴极、轴和驱动马达，其中，功率输送组件包括位于阴极内的磁场源和在所述阴极内延伸的电极，以便将射频能量传输到阴极的外表面上的靶材料。电极与轴电隔离并且由非铁材料形成，以及轴被机械连接到阴极，以致在阴极围绕磁场源和一部分电极旋转的同时，它们保持电隔离。电源适合于以1MHz或更高的频率供给射频能量，并且被电连接到电极。还揭示了一种利用旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备来沉积材料的方法，该旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备包括射频电源和圆柱形旋转阴极，其中该旋转阴极的外表面包括由氧化物形成的靶材料。该方法包括以下步骤：使得电源以1MHz或更高的频率供给射频能量，使得阴极旋转，以及将衬底定位成紧邻所述阴极的所述外表面，由此，该射频能量使得阴极将颗粒从靶材料喷射到衬底上。

Description

圆柱形旋转磁控管溅射阴极装置以及使用射频发射来沉积材料的方法
本申请要求美国临时申请61/359,592和61/323,037的优先权，每个美国临时申请通过引用将其全部内容结合在本文中。
背景技术
本发明涉及采用圆柱形阴极的旋转磁控管溅射阴极装置，以及利用使用射频发射的旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备来沉积材料的方法。采用圆柱形阴极的溅射旋转磁控管阴极装置在本技术领域中是已知的。但是，这种装置适合于具有直流电或低频到中频交流电的操作，并且不使用射频（“RF”）发射来操作。结果，这种装置通常需要金属掺杂以沉积非金属材料。
本发明通过提供圆柱形旋转磁控管溅射阴极装置克服了这种限制，圆柱形旋转磁控管溅射阴极装置结合了阴极和电极的电隔离、由非铁材料形成的部件、液体冷却、以及提高的功率输送。显著地，本发明的设备完全有RF操作的能力以及提供利用RF发射来沉积包括氧化物的材料的方法，RF发射减少或消除了对金属掺杂的需要。
在本技术领域中，知晓交流电和RF之间的区别。虽然射频电流是与直流电相反的交流电，但是通过RF电源传输的能量不需要通过直接的电触点被传输。作为替代，RF能量可以经由介质（诸如空气或水）被传输到靶材料。这样，附接到RF电源的电极可以被看作起传输RF发射的天线的作用，与纯粹地起交流电的导体的作用相反。传统地，适合于利用交流电的操作的采用圆柱形阴极的旋转磁控管溅射阴极装置已经采用了两个旋转阴极并且被适合于以致功率信号在它们之间交替。在采用RF功率的地方，不需要这种布置。但是，RF功率可以产生感应效应以及磁性效应，感应效应以及磁性效应预先使得它对使用具有旋转圆柱形阴极的RF发射来溅射材料是不切实际的。本发明专注于这些限制，并且考虑到采用单个圆柱形阴极的旋转磁控管溅射阴极装置的RF操作。
发明内容
此处揭示的是一种旋转磁控管溅射阴极设备，包括射频电源、功率输送组件、圆柱形旋转阴极、轴和驱动马达。该功率输送组件包括位于该旋转阴极内的磁场源和在该旋转阴极内延伸的电极。虽然阴极可以完全地由要被沉积的材料（靶材料）构成，但是在其他实施例中，只有阴极的一部分外表面将包括靶材料，而阴极的其余部分包括其他材料。电极与轴电隔离，并且较佳地不与阴极直接电接触，但是在一些实施例中可以直接接触。
为了专注于由高频操作所感应的磁场所产生的问题，电极和轴较佳地由非铁材料形成。轴通常与阴极同轴并且被机械连接到阴极，以致旋转该轴使得阴极围绕磁场源和一部分电极旋转。该连接使得轴和所述阴极也被电隔离，因此电能没有大量地直接从阴极传输到轴。驱动马达适合于旋转该轴，从而旋转该阴极，并且电源适合于以1MHz或更高的频率供给RF能量，没有规定的上限。电极被电连接到电源并且在操作期间将由电源产生的RF发射传输到阴极。RF能量在阴极旋转时使得阴极将靶材料的颗粒较佳地喷射到位于阴极附近的衬底上。
还揭示了一种利用旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备来沉积材料的方法。该设备同样地包括RF电源、功率输送组件、旋转阴极、轴和驱动马达。该功率输送组件较佳地包括位于旋转圆柱形阴极内的磁场源和在该阴极内延伸的电极。阴极的至少一部分外表面包括靶材料，但是在某些实施例中，整个阴极也可以由靶材料形成。电极与轴电隔离，该轴通常与阴极同轴。电极和轴由非铁材料形成。采用这种设备，此处揭示的方法包括以下步骤：使得电源以1MHz或更高的频率供给RF能量给电极，使得阴极围绕磁场源旋转，以及将衬底定位成紧邻所述阴极的所述外表面，阴极的外表面包括靶材料。在操作期间，来自RF电源的RF能量使得靶材料的颗粒喷射到衬底上。
还揭示了一种利用旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备来沉积材料的进一步的方法。类似于上述方法，该设备包括射频电源和圆柱形旋转阴极。旋转阴极的外表面包括由氧化物形成的靶材料。该方法包括以下步骤：使得RF电源以1MHz或更高的频率供给RF能量，使得该阴极旋转，以及将衬底定位成紧邻阴极的外表面。这样，来自电源的RF能够经由电极被传输，从而使得该阴极将氧化物材料的颗粒喷射到衬底上。
附图说明
本发明的其他特征将从附图中变得显而易见，附图图示了这个发明的设备的某些较佳实施例，其中
图1是本发明的设备的实施例的分解立体图，并且本发明的设备适合于与本发明的方法一起使用；
图2是处于组装形式的图1中显示的实施例的立体图；
图3是图2中图示的实施例的局部截面图，显示了轴和旋转阴极之间的连接，如图2中的线3所注明的；
图4是图1中图示的实施例的功率输送组件在阴极内以及紧邻阴极的部分的分解立体图；
图5是处于组装形式的图4中显示的功率输送组件的立体图；
图6是没有安装磁体的图1中图示的实施例的磁场源的分解立体图；
图7是图1中图示的实施例的阴极组件的分解立体图；
图8是图1中显示的实施例的轴组件的分解立体图；
图9是处于组装形式的图7中显示的轴组件的立体图；
图10是图1中显示的实施例的驱动马达组件的分解立体图；
图11是图1中显示的实施例的安装板组件的分解立体图；
图12是图1中显示的实施例的内壳组件的分解立体图；
图13是由图12中的线13注明的图12中显示的内壳组件的截面图；
图14是图1中显示的实施例的外壳组件的分解立体图；以及
图15是由图14中的线15注明的图14中显示的外壳组件的截面图。
具体实施方式
虽然以下描述了本发明的设备和方法的较佳实施例，但是，将理解，这个描述仅仅将被认为是对本发明的原理的说明，而不是对其的限定。其他人将容易想到全部在本发明的范围内的许多的其他变化，本发明应该仅仅通过此处的权利要求书被限定。
术语“适合的”将意指被适当地调整大小、被合适地成形、被合适地配置、被合适地形成所需尺寸、被合适地定向以及被合适地布置。
术语“射频”或“RF”将表示1MHz或更高的频率，没有上限。
术语“被电隔离”将意指，相对于两个部件，在部件之间没有使大量直流电能够从一个部件流到另一个部件的导电连接。
术语“掺杂”将意指将预定量的材料放入到靶材料中以改变靶材料的溅射特征的实施。因而，“掺杂的材料”将指的是其中掺杂被使用的靶材料。掺杂通常被用于能够通过将绝缘的靶材料与诸如金属的传导材料掺杂来实现绝缘材料的溅射。将金属之外的材料添加到靶材料的其他类型的掺杂也是可能的。
术语“非铁的”在被用于描述材料的时候将表示该材料实质上不含铁或者该材料是诸如铝、黄铜或304不锈钢的非磁性金属。
在紧接在“不锈钢”之前使用数字（例如“304不锈钢”）的地方，该数字指的是不锈钢的等级，而不是图中显示的元件编号。在诸如特殊等级的不锈钢的特定材料在这个详细描述中被引用的地方，该引用是用来揭示可以被使用的合适的材料的一个实例，而不意欲将本发明限制成由那些材料形成的部件。
在此处对绝缘的陶瓷轴承做出引用的地方，这种轴承可以在包括但不局限于氧化锆的各种材料中得到，并且可以从包括但不限制于加利福尼亚州的圣克利门蒂（San Clemente）的冲击轴承（Impact Bearings）的各种来源中得到。
旋转圆柱形阴极溅射系统典型地包括电源、阴极和磁体组件。电源经由电极被连接到阴极，并且磁体位于旋转阴极之内。然后，阴极（或“靶材”）与要被涂布的对象以及诸如氩气的惰性气体一起被放置在实质上真空室中。当衬底通过旋转阴极之上时，功率经由电极被施加到旋转阴极。来自电源的能量、磁体组件的磁场和氩气的组合使得颗粒从阴极的靶材料中被喷射，并且被喷到衬底上，从而利用靶材料来涂布该衬底。
已知的溅射圆柱形阴极沉积系统使用直流电（DC）或低频到中频（典型地，在千赫范围中）的交流电（AC）来操作。在绝缘的靶材料（诸如陶瓷或氧化物）将被沉积的地方，这种装置典型地需要使用用于有效溅射的金属掺杂。这种系统常常依赖于氧气的反应本性来消除沉积期间的金属掺杂材料。但是，这种消除甚至可能不是完全的。结果可以是沉积膜中的小孔或杂质，并且可能需要具有比另外所希望的厚度更高的厚度的涂层，或者可能需要使用二次处理。
本发明的设备和方法考虑到在溅射操作中使用射频（RF）功率。RF功率的使用考虑到了具有最少金属掺杂或没有金属掺杂的诸如陶瓷和氧化物的非传导材料的溅射，考虑到了具有较少瑕疵的较高质量的涂层，并且减少了对二次处理的需要，从而考虑到了更多的有效操作。在试图利用RF能量来溅射的时候所出现的问题包括由含铁部件中的RF能量所引起的感应加热和磁性效应。本发明专注于这些问题，并且能够实现利用旋转磁控管圆柱形阴极溅射设备的不掺杂的绝缘材料的RF溅射。本发明还在某些较佳实施例中允许仅仅使用一个阴极，而在先的已知的AC溅射装置典型地使用两个电连结的阴极。本发明的其他实施例考虑到多个阴极的使用，但是，当然，本发明可选择地提供对多个阴极的使用。
图1-15图示了本发明的旋转磁控管溅射阴极设备1的较佳实施例，图1-3图示主要部件，以及图4-15更详细地显示那些部件。
参见图1-3，溅射阴极设备1包括射频电源800、功率输送组件100、圆柱形旋转阴极200、轴组件300和驱动马达组件400。阴极200延伸到实质上真空室（未图示）中，而轴组件300和驱动马达组件400保留在外面。安装板组件500连接到真空室（未图示）的壁（图3上的512），并且实质上产生气密密封。安装板组件500到壁512的连接可以合适地是机械连接或焊接连接。
轴组件300进入安装板组件500并且机械地连接到阴极200。如本技术领域中的那些普通技术人员所了解的，阴极200和安装板组件500之间的接口、和／或轴组件300和安装板组件500之间的接口适合于减少或消除实质上在真空室（未图示）中的泄漏。
如所图示的，轴组件300通常与阴极200同轴。轴组件300和阴极200之间的连接是适合的，以致轴组件300的旋转引起阴极200的旋转，但是使得阴极200与轴组件300电隔离。较佳地，几乎没有电能将经由直接的电触点／传导在轴组件300和阴极200之间传递。这样，在操作期间对阴极200的能量传递是完全地经由功率输送组件100，或几乎完全地经由功率输送组件100。结果是比将另外出现更有效地将功率输送到阴极200。下面进一步描述连接的适当的手段。
驱动马达组件400适合于旋转轴组件300。虽然可以使用各种转速，并且本发明不局限于转速的任何特殊范围，但是在每分钟旋转一圈和每分钟旋转十二圈之间的速度适合于具有本发明的设备的大多数应用。利用机械紧固件，驱动马达组件400可以方便地附接到外壳组件700和内壳组件600。
如图4和5中图示的，功率输送组件100包括磁场源140和电极110。如图3中所示，功率输送组件100穿过轴组件300和安装板组件500延伸到阴极200之内，以致磁场源140位于阴极200之内，并且电极110延伸到阴极200中。功率输送组件100，并且特别是电极110，与轴组件300电隔离，再次用来确保功率通过电极110被传输到阴极200，并且没有大量功率通过交流路径。通过使用绝缘的陶瓷轴承（下面进一步描述的）可以实现隔离，绝缘的陶瓷轴承允许轴组件300围绕功率输送组件100旋转，而不在其之间产生直接的电连接。这样，轴组件300的旋转将使得阴极200围绕磁场源140和电极110延伸在阴极200之内的部分旋转，但是不能在溅射期间经由轴组件300将大量能量传给阴极200。
为了能够实现具有RF发射的溅射，RF电源800较佳地适合于以1MHz或更高的频率供给RF能量。适当的电源可以从包括纽约罗彻斯特（Rochester）的MKS的供应商处得到，包括但不局限于作为扫描频率RF电源并且只是适合于在本发明的较佳实施例中使用的RF电源的一个实例的型号QL10513的纯功率RF等离子发生器（Sure Power RF PlasmaGenerator）。取决于采用的靶材料、可得到的溅射能量、以及期望的衬底材料和涂层特性，可以在各种溅射应用中使用13MHz或更高的频率、25MHz或更高的频率、300MHz或更高的频率以及1GHz的频率。适合于在工业溅射应用中使用的射频在47C.F.R.§18中被进一步地描述，47C.F.R.§18通过引用由此被结合在此处。但是，本发明不局限于任何一个频率范围，并且适合于具有从1MHz到远远超过1GHz、包括进入微波范围之内的频率的溅射。通过采用1MHz以上的RF功率，电极110起到将RF能量传输到阴极200中的天线的作用，代替了经由电刷来传导RF能量。那个能量与通过磁场源140产生的磁场阴极结合，使得阴极200的外表面中的靶材料在操作期间喷射被称为“溅射”的效果。
当使用RF功率时，所希望的是维持恒定，并且较佳地维持电源800上的最佳负载，以便允许电源800有效地操作。为了帮助确保电源800上一致的负载，可以使用负载匹配调谐器810。电源800经由负载匹配调谐器810被电连接到功率输送组件100。负载匹配调谐器810方便地可以是诸如本技术领域中的那些普通技术人员所知道的包括电容器和/或电感器的负载匹配调谐器。适当的调谐器可以从包括纽约罗彻斯特的MKS的供应商处得到。可以从MKS处得到的MWH-100-03的10kW负载匹配网络是适合于在本发明的某些实施例中使用的负载匹配调谐器的一个实例。
取决于频率、能级、使用的靶材料、以及衬底场所，所希望的还可以是调整磁场源140的位置。通过调整磁场源140的安装结构（以下进一步描述的），可以相对于磁场源140与阴极200的内表面的接近度，通过移动磁场源140到更靠近阴极200的内表面并且远离电极110，或者更靠近电极110并且远离阴极200的内表面，来调整磁场源140。考虑到在操作期间喷射材料的角度的调整，通过围绕电极110旋转磁场源140，还可以径向地调整磁场源140在阴极200内的位置。
虽然在RF频率处的操作能够实现隔离材料的溅射，但是这种频率还具有感应含铁部件中的感应加热和磁场的潜能。因此，较佳的，当在RF频率处操作时，阴极200与溅射阴极设备1的其他部件电隔离，并且在除了在磁场源140（以下进一步描述的）中之外的可行的地方，采用那个非铁材料。还希望的是溅射阴极设备1在操作期间被冷却。这可以通过增加冷却泵900来完成，冷却泵900适合于在操作期间将诸如去离子水的冷却介质抽吸到阴极200中。虽然可以使用各种泵和冷却系统，但是对于本发明的较佳实施例而言，和高容量水泵900一起使用的McQuay的20吨冷却器（未图示）是一个适当的选择。
再次参考图4-5，为了如此来促进冷却，电极110实质上可以是中空的并且适合于操作地连接到冷却泵900（如图2中所示）。然后，通过在电极110中的一个以上的场所中设置通道114，可以使电极110适合于将冷却介质输送到阴极200中。然后，冷却介质可以流过电极110，流出通道114，并且进入阴极200中。为了提高冷却，较佳的是，冷却剂材料实质上装满阴极200，而不留下任何显著的间隙或间隔。然后，绝缘的开槽组件104可以允许冷却介质在轴组件300和阴极200旋转时排出。如此，冷却泵900促使冷却介质进入实质上中空的电极110中，实质上装满的阴极200，然后经由开槽组件104流出，从而较佳地在操作期间连续地冷却功率输送组件100和阴极200。将理解的是，虽然此处描述的冷却剂的流动方向可能是较佳的，但是溅射阴极设备1也可以利用相反方向上的流动而起作用。还将理解的是，冷却剂介质流过开槽组件104，进入轴组件300中，并且流出端口740（图15上显示的），从而冷却轴组件300以及内壳组件600和外壳组件700。虽然可以使用去离子水，但是包括但不局限于本技术领域中已知的水／乙二醇混合物的其他冷却介质也是适当的。
如图示的，电极110可以由连接部分形成，该连接部分包括但不局限于外部部分102、内部部分111和一个以上的延伸部分112。这样，通过增加或去除延伸部分112或使用不同长度的延伸部分112，可以使用各种电极长度，从而允许试用具有变化的长度的阴极。在不希望有冷却介质的泄漏的地方，在其之间具有垫圈（例如，可以合宜地由氟橡胶形成的电极凸缘O形圈105）的凸缘（例如，第一电极凸缘106和第二电极凸缘108、以及机械紧固件109（较佳地具有非铁金属）可以被用于电极110的连接部分。在不关注泄漏的地方，如被显示在内部部分111和延伸部分112之间的，可以使用简单的摩擦配件。如图示的磁场源140（以下进一步描述的）用来保持内部部分111和延伸部分112在操作期间分离，但是如果希望的话，也可以使用包括但不局限于定位螺钉、机械紧固件和摩擦配件的其他固定工具。
通道114较佳地在最后的延伸部分112的外端处，但是代替或者除了在最后的延伸部分112的外端处之外，通道114还可以被放置在电极110上的其它地方。绝缘的并且较佳地是陶瓷的末端件套管116为电极110提供支撑，同时允许阴极200围绕它旋转。ULTEM是用于末端件套管116的一个适当的材料。
电极110可以由适合于在传输RF能量的过程中使用的任何材料形成，任何材料包括但不局限于黄铜，并且将较佳地是帮助使不希望有的磁性效应最小化的非铁材料，如同可以适当地是304不锈钢的机械紧固件109。
磁场源140可以如图示的利用下部夹紧构件146和上部夹紧构件144而附接到电极110。通过使用较大的上部夹紧构件144或者本技术领域中的那些技术人员所知道的其他调整工具，可以调整磁场源140与阴极200的内表面的接近度。还可以通过松开上部夹紧构件144和下部夹紧构件146并且在重新拧紧之前围绕电极110旋转磁场源140来径向地调整磁场源140。磁场源140可以方便地包含托架148和磁体142，固定构件149将磁体142固定在适当的位置中。虽然使用的准确的磁体将基于溅射应用（如在本技术领域中被理解的）而变化，但是对于典型的应用，二辊式堆叠以形成1/2″立方体的等级N42的多个1/2″×1/2″×1/4″磁体将是用于磁体142的合适的选择。举例来说，在没有限制的情况下，排列成三行的大约240个这种磁体142可以和大约22英寸的阴极200一起使用。这种磁体可以从诸如K&J磁性材料公司（K&J Magnetics,Inc）的许多供应商处得到。
托架148、上部夹紧构件144、下部夹紧构件146、固定构件149和用于固定那些部件的任何紧固件将较佳地是非铁材料。虽然可以采用诸如PVC的绝缘材料，但是诸如铝的非铁的热传导材料是较佳的，因为它们允许更好的冷却和热传递。
图6图示了没有安装磁体142的磁场源140的分解图。如图示中可以看出，磁分路器143位于磁体142（当安装时）下面。可以方便地是416不锈钢的磁分路器143起作用，以便通过使由磁体142（当被安装时）产生的磁场分路来减少在磁场源140的下面的溅射的可能性。
如图示的，电极110与阴极200不直接电接触。在这种实施例中，RF能量从电极110被传输到阴极200，与经由直接触点通过传导被传递的相反。在同样希望传导传递的地方，电刷（未图示）可以被用于在电极110和阴极200之间建立直接的电接线。但是，RF发射的使用意味着这种需要直接的电触点的电刷在它们具有较低的频率时是不需要的。各种适当的电刷对于本技术领域中的那些普通技术人员而言是已知的。
在图7上进一步详细地显示了阴极组件200。阴极200包括阴极凸缘组件220、牺牲靶材205和阴极端盖组件210。例如，牺牲靶材205可以完全地由要被溅射的靶材料制成，或者可以包括在它的外表面206中的靶材料和由诸如铜的其他材料形成的背面管207。适合于在本发明的较佳实施例中使用的带有具有不同靶材料的牺牲靶材的阴极200可以从诸如缅因州比迪福德的索莱爱斯公司（Soleras Ltd.）的供应商处得到。
牺牲靶材205实质上是中空的，并且是适合的，以致磁场源140将连同电极110的至少一部分一起在牺牲靶材205的范围内，电极110的至少一部分较佳地至少延伸到牺牲靶材205的长度的中点，从而较佳地在阴极组件200内集中地输送RF功率。
阴极凸缘组件220包括阴极凸缘230、螺旋阴极挡圈226、阴极凸缘O形圈224和阴极凸缘绝缘体222。阴极凸缘O形圈224和阴极凸缘绝缘体222两者都可以方便地由氟橡胶形成。可以方便地由铝形成的阴极凸缘230套在牺牲靶材205上。螺旋阴极挡圈226固定阴极凸缘230。拧紧阴极凸缘紧固件234允许阴极200操作地连接到轴组件300，以致轴组件300的旋转使得阴极组件200旋转。阴极凸缘绝缘体222（可以方便地由诸如ULTEM的具有高介电电阻的材料形成）使阴极组件200与轴组件300电隔离，当处理高频RF功率时，为了包括因为它减少了电弧的可能性的理由，希望阴极组件200与轴组件300电隔离。阴极凸缘紧固件234（可以方便地由304不锈钢形成）形成机械连接，但是这样做，穿过阴极凸缘紧固件绝缘体232（也可以由ULTEM形成）。目的是通过确保阴极凸缘紧固件234不与阴极组件200传导接触来提供电隔离，从而帮助确保功率几乎只经由功率输送组件100而不第二次经由轴组件300传递到阴极组件200。
阴极端盖组件210服务于两个目的。第一，它提供防止冷却介质的泄漏的密封。第二，它为电极110的末端提供支撑。阴极端盖组件210包括阴极端盖挡圈211（可以方便地由304不锈钢形成）和阴极端盖板212，阴极端盖板212同样较佳地由诸如铝的非铁材料形成。可以方便地由诸如氧化锆的陶瓷材料形成的绝缘的阴极端板轴承215来支撑末端件套管116，并且允许阴极200围绕它旋转。绝缘的阴极端板轴承215被保持在阴极端板插头214内，阴极端板插头214紧靠着牺牲靶材205的内表面密封，以防止冷却介质的泄漏。阴极端板插头214可以利用机械紧固件（未图示）被附接到阴极端盖板212，并且利用阴极端板O形圈213被密封，阴极端板O形圈213可以方便地由氟橡胶形成。
赋予设备1以高频RF能量级别操作的能力，各种材料可以被用于牺牲靶材205的外表面206中的靶材料，各种材料包括但不局限于氧化物和陶瓷。
轴组件300被更详细地显示在图8－9中。如上面所指明的，轴组件300连接到阴极200，并且提供在操作期间转动阴极200的力。轴组件300同样较佳地由非铁材料形成。更具体地，轴组件300包括轴310和轴凸缘330。轴310较佳地是黄铜，但是也可以由其他的非铁材料形成。轴凸缘330也是非铁的，并且可以方便地由铝形成。轴凸缘330利用轴凸缘O形圈331（可以方便地由氟橡胶形成）从阴极组件200（图7中所显示的）接受阴极凸缘紧固件234，轴凸缘O形圈331形成在操作期间阻止泄漏的密封件，如轴O形圈316所做的。轴310可以利用机械紧固件333（较佳地304不锈钢紧固件）被方便地附接到轴凸缘330，机械紧固件333被容纳到轴310中的插孔334中。不传导的轴颈轴承314（较佳地，另一个氧化锆陶瓷轴承）适合于接受开槽组件104（图4－5所显示的），从而在操作期间支撑电极110。这样，轴颈轴承314和开槽组件104形成至少与电极110部分接触的不传导的陶瓷轴承，并且允许冷却介质行进经过电极110并且到阴极200中，以便流入轴组件300的本体中，在电极110之外。本技术领域中的那些普通技术人员将理解，取决于电极110和轴颈轴承314的直径，代替如图示的开口槽，穿过固体构件（未图示）的孔或者通路也可以被用于允许冷却介质在轴组件300围绕电极110旋转的同时返回。当轴组件300围绕电极110旋转时，开槽组件104不需要旋转。作为替代，开槽组件104只需要提供用于使冷却介质从阴极200中返回的通道。然而，电极110和轴310之间的支撑关系较佳地是不传导的，与它的机械构造无关。
如图10中显示的，键槽312被一体形成到轴310中，以便允许下部滑轮418经由下部滑轮键420的附接。驱动马达组件400包括驱动马达410，驱动马达410较佳地能够以不同的速度操作。使用用于驱动马达410的AC马达是较佳的，因为它可以有助于减少干扰问题。驱动马达410利用传统的机械紧固件连接到马达支架412（同样较佳地在诸如铝的非铁材料上形成）。驱动马达410的轴411延伸穿过马达支架412，并且利用上部滑轮键415连接到上部滑轮414。上部滑轮414和上部滑轮键415可以方便地由304不锈钢形成。然后，皮带416驱动下部滑轮418（可以方便地由铝形成），下部滑轮418围绕轴310，并且利用下部滑轮键420（同时可以方便地由304不锈钢形成）被固定。这样，驱动马达410驱动轴组件300。如图2中所示，马达支架412借助于传统的（并且较佳地非铁的）机械紧固件，附接到外壳组件700和内壳组件600。如同样在图2中显示的，下部滑轮418较佳地位于内壳组件600和外壳组件700之间。
如已经论述的，安装板组件500被附接到实质上的真空室（未图示）的壁512。安装板组件500经由较佳地是非铁的机械紧固件（未图示）连接到内壳组件600（如图2-3中所示的）。安装板组件500分别支撑轴组件300的轴凸缘330和阴极200的阴极凸缘230。参考图3和11，安装板组件500包括内安装部件（block）板520、安装部件O形圈515（可以方便地由氟橡胶形成）和外安装部件板510。内安装部件板520和外安装部件板510较佳地由不锈钢构成，内安装部件板520被焊接或者被另外固定地附接到实质上真空室（未图示）的壁530内。较佳地，外安装部件板510利用机械紧固件（未图示）被固定地附接到壁530外，外安装板O形圈515（可以方便地由氟橡胶形成）有助于提高壁530和外板510之间的密封。内安装部件板520的开口适合于接受阴极凸缘230，并且内安装部件板520的较小的开口适合于接受轴凸缘330，每个开口具有允许移动并且防止电弧的充分的余隙。
图12-13图示了内壳组件600。内壳组件600包括内壳本体610，内壳本体610较佳地由铝形成，并且利用紧固件632（穿过内壳紧固件绝缘体633，方便地由Ultem形成）被附接到安装板组件500和内壳绝缘体616（同样可以方便地由Ultem形成），从而使内壳组件600与安装板组件500电隔离。如先前已经论述的，内壳绝缘体616和内壳紧固件绝缘体633适合于促进电隔离，对于高频和高压操作而言，电隔离是希望的。当设备1正在操作时，第一内壳O形圈618和第二内壳O形圈614（两者都可以方便地由氟橡胶形成）有助于防止泄漏。第一内壳轴承612（较佳地，由诸如氧化锆的材料形成的绝缘的陶瓷轴承）为转动时的轴组件300提供支撑，而不建立内壳组件600和轴组件300之间的电连接。第一内壳轴承612通过第一内壳卡环621被固定，第一内壳卡环621可以方便地由304不锈钢形成。
内壳密封件628可以方便地是诸如型号21的约翰起重机轴密封件的旋转水泵轴密封件，并且适合于结合滚道630操作，以减少或消除真空泄漏，同时仍然允许轴310旋转。第二内壳轴承626（也可以是由诸如氧化锆的材料形成的绝缘的陶瓷轴承）进一步支撑轴组件300，而不建立到内壳本体610的直接的电连接，并且通过第二内壳卡环629、第二内壳轴承密封件622和间隔物624被保持在适当的位置。第一内壳开口640和第二内壳开口642允许对真空泄漏以及对补偿小的真空泄漏的二级真空泵的可能的使用的监控，真空泄漏将在内壳密封件628磨损时随着时间的过去而出现。内壳油密封挡圈620（可以方便地由304不锈钢形成）起作用以防止泄漏。
图14-15图示了外壳组件700，外壳组件700支撑轴组件300和功率输送组件100，并且借助于马达支架412被附接到内壳组件600（如图2中所示）。外壳组件700包括较佳地由铝形成的外壳本体710。外壳轴承732利用外壳轴承挡圈730被固定到外壳本体710中，并且在支撑轴组件300的同时还在轴组件300和外壳本体710之间提供电隔离。外壳轴承732还较佳地是由诸如氧化锆的材料形成的绝缘的陶瓷轴承。当冷却介质流出轴组件300的末端时，第一外壳密封件734在仍然允许轴310转动的同时，防止它回流到外壳轴承732。作为替代，介质流出端口740或被抽吸出端口740。通过第二外壳密封挡圈712被固定的第二外壳密封件714适合于进一步支撑功率输送组件100，以及在功率输送组件100和外壳本体710之间提供电隔离，同时还防止返回的冷却介质的泄漏，返回的冷却介质排出到轴组件300的背面外以及排出到端口740外，返回的冷却介质可以在端口740处被截获、冷却和回收。电极110穿过第二外壳密封件714延伸到外面，如本技术领域中充分地理解的，在第二外壳密封件714处，电极110可以被电连接到RF电源800。
此处还揭示了一种利用旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备来沉积材料的方法，旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备包括射频电源、功率输送组件、旋转阴极、轴和驱动马达。上面详细描述的设备1是与这个方法一起使用的一个适当的设备，但是，如将理解的，为了使用该方法，不需要包括设备1的全部特征。如已经描述的，功率输送组件100包括位于阴极200内的磁场源140和在阴极200之内延伸的电极110。阴极200的牺牲靶材205的外表面206包括靶材料。电极110是与轴组件300电隔离的电极，并且轴组件300通常与阴极200同轴。为了促进RF操作，电极110和所述轴组件300由非铁材料形成。
假设具有上述特性的设备，通过使得电源800经由电极110以1MHz或更高的频率供给射频能量，可以沉积材料。然后，使得阴极200围绕磁场源140旋转。通过将衬底（意味着材料将被沉积在其上的对象）290定位成紧邻阴极200的外表面，经由电极传输的来自电源的射频能量与由磁场源140产生的磁场结合在一起将使得靶材料的颗粒从外表面206喷射到衬底290上。
这个方法可以使用的替换的频率包括13MHz或更高的频率、25MHz或更高的频率、300MHz或更高的频率、以及1GHz或更高的频率（没有规定的上限）。当结合这个方法使用1MHz以上的频率时，电极110不需要与阴极200直接电接触，因为RF能量将在两者之间被传输甚至被传导。高频率RF发射在这个方法中的使用允许靶材料的溅射，靶材料是实质上不含传导材料的不掺杂的绝缘材料。这样，利用包括射频电源800和具有牺牲靶材料的外表面206的圆柱形旋转阴极200的设备1，可以直接溅射氧化物而不需要掺杂，牺牲靶材料包括但不局限于诸如氧化锌或氧化铝的氧化物。如已经描述的，这可以通过使得电源800以1MHz或更高的频率（具有在不同应用中都合适的13MHz、25MHz、300MHz和1GHz以上的频率）供给射频能量，使得所述阴极200旋转，以及将衬底920定位成紧邻阴极200的外表面来实现，由此，射频能量和磁场使得阴极200将颗粒喷射到衬底920上。
上述较佳实施例的目的是示范性的，而不是限制性的。根据这个说明书，本发明的设备和方法的其他变化和实施例对于本技术领域中的普通技术人员而言将是显而易见，所有的变化和实施例在权利要求的本发明的范围之内。

Claims (29)

1.一种旋转磁控管溅射阴极设备，其特征在于，包括射频电源、功率输送组件、圆柱形旋转阴极、轴和驱动马达，其中
所述功率输送组件包括位于所述阴极内的磁场源和在所述阴极内延伸的电极；
所述阴极的外表面包括靶材料；
所述电极与所述轴电隔离；
所述电极和所述轴由非铁材料形成；
所述轴通常与所述阴极同轴并且被机械连接到所述阴极，以致所述轴和所述阴极被电隔离，并且所述轴的旋转使得所述阴极围绕所述磁场源和一部分所述电极旋转；
所述驱动马达适合于旋转所述轴；
所述电源适合于以1MHz或更高的频率供给射频能量；以及
所述电极被电连接到所述电源。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电极不与所述阴极直接电接触。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电源适合于以13MHz或更高的频率供给射频能量。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述电源适合于以25MHz或更高的频率供给射频能量。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述电源适合于以300MHz或更高的频率供给射频能量。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述电源适合于以1GHz或更高的频率供给射频能量。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述靶材料由实质上不含传导材料的绝缘材料构成。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述磁场源在所述阴极内的位置能够相对于它与所述阴极的内表面的接近度被调整。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述磁场源在所述阴极内的位置能够关于所述电极被径向地调整。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括适合于抽吸冷却介质的冷却泵，其中
所述电极实质上是中空的，并且适合于操作地连接到所述冷却泵；
所述电极适合于将冷却介质从所述冷却泵输送到所述阴极中；以及
所述轴和所述功率输送组件进一步包括适合于允许所述冷却介质流出所述阴极的绝缘的开槽的轴承组件；
由此，
所述冷却泵促使所述冷却介质进入到所述中空电极中，并且通过所述开槽的轴承组件，从而冷却所述功率输送组件和所述阴极。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述开槽的轴承组件包括与所述电极至少部分接触的非传导的陶瓷轴承。
12.一种利用旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备来沉积材料的方法，其特征在于，所述旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备包括射频电源、功率输送组件、旋转阴极、轴和驱动马达，其中
所述功率输送组件包括位于所述阴极内的磁场源和在所述阴极内延伸的电极；
所述阴极的外表面包括靶材料；
所述电极与所述轴电隔离；
所述轴通常与所述阴极同轴；以及
所述电极和所述轴由非铁材料形成；
所述方法包括以下步骤：
使得所述电源以1MHz或更高的频率供给射频能量；
使得所述阴极围绕所述磁场源旋转；以及
将衬底定位成紧邻所述阴极的所述外表面；
由此，所述射频能量使得所述靶材料的颗粒喷射到所述衬底上。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电极不与所述阴极直接电接触。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以13MHz或更高的频率供给射频能量。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以25MHz或更高的频率供给射频能量。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以300MHz或更高的频率供给射频能量。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以1GHz或更高的频率供给射频能量。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述靶材料由绝缘材料形成，并且实质上不含传导材料。
19.一种利用旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备来沉积材料的方法，其特征在于，所述旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备包括射频电源、功率输送组件、旋转阴极、轴和驱动马达，其中
所述功率输送组件包括位于所述阴极内的磁场源和在所述阴极内延伸的电极；
所述电极与所述轴电隔离；
所述阴极的外表面包括靶材料，所述靶材料由绝缘材料形成并且实质上不含传导材料；
所述方法包括以下步骤：
使得所述电源以1MHz或更高的频率供给射频能量；
使得所述阴极围绕所述磁场源旋转；以及
将衬底定位成紧邻所述阴极的外表面；
由此，所述射频能量使得所述旋转阴极将颗粒从所述靶材料喷射到所述衬底上。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极不与所述阴极直接电接触。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以13MHz或更高的频率供给射频能量。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以25MHz或更高的频率供给射频能量。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以300MHz或更高的频率供给射频能量。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以1GHz或更高的频率供给射频能量。
25.一种利用旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备来沉积材料的方法，其特征在于，所述旋转圆柱形磁控管溅射阴极设备包括射频电源和圆柱形旋转阴极，其中所述旋转阴极的外表面包括由氧化物形成的靶材料；
所述方法包括以下步骤：
使得所述电源以1MHz或更高的频率供给射频能量；
使得所述阴极旋转；以及
将衬底定位成紧邻所述阴极的所述外表面；
由此，所述射频能量使得所述阴极将颗粒从所述靶材料喷射到所述衬底上。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以13MHz或更高的频率供给射频能量。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以25MHz或更高的频率供给射频能量。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以300MHz或更高的频率供给射频能量。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述电源适合于以1GHz或更高的频率供给射频能量。
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