CN103354844B - 溅射装置 - Google Patents

Abstract

在一个实施方案中，磁控组件包括多个磁体和被配置来将所述多个磁体固定在至少四个独立的线性阵列中的磁轭。将所述多个磁体布置在所述磁轭中，以便形成包括外部和内部的模式。所述外部基本上包围所述内部的周界。用于形成所述外部的所述磁体具有第一极性，且用于形成所述内部的所述磁体具有第二极性。所述模式的所述外部包括基本上彼此平行的一对细长断面。所述模式的所述外部包括一对回车道断面，其中每个回车道断面基本上跨越所述一对细长断面的相应端，且其中每个回车道断面包括具有所述第一极性的多个磁体。在另一个实施方案中，磁控组件包括磁轭和多个磁体，所述多个磁体可配置地放置在所述磁轭上，以便形成具有至少一个梯级回车道断面的跑道模式。

Description

溅射装置

相关申请案的交叉引用

本申请要求于2011年1月6日提交的美国临时专利申请案序列号61/430,361（其内容以引用的方式并入本文）的权益。

技术领域

该描述一般涉及旋转阴极磁控溅射。具体而言，其处理在靶材增加超过标准磁控组件可供应适用于磁控溅射的足够磁通量的点时遇到的某些问题。此外，本发明的一些实施方案改善将此类材料沉积为透明导电氧化物（TCO）的工艺条件。

背景技术

旋转靶的磁控溅射在本领域中是已知的且广泛用于在各种基片上产生各种薄膜。作为一个例子，可在美国专利序列号5,096,562（其内容据此以引用的方式并入本文）中找到关于使用旋转阴极溅射的合理概述。

在旋转靶的磁控溅射的最基本的形式中，待溅射的材料呈管状或粘附至由刚性材料制成的支承管的外表面。磁控组件被安置在管内且供应磁通量。该磁通量穿透靶，以使得靶的外表面上有足够的磁通量。设计磁场以使得其保留从靶发射的电子，从而增大电子将和工作气体发生离子碰撞的概率，因此提高溅射工艺的效率。

一些材料（尤其是陶瓷TCO材料）的靶的制造成本较之原材料的成本相对较高。为了提高这些靶的经济效益，需要增加靶材的厚度。以此方式，靶将明显具有更多可用材料，同时仅增加极小的靶的总成本。这是因为制造成本不会明显改变。仅有的明显增加是由于使用附加原材料。在改变靶后，较厚的靶具有允许更久的生产过程的额外效益。

如上所述，过度地增加靶厚度可导致在使用标准磁控组件时靶表面上的磁通量不足。显然需要一种具有更高磁通量的磁控设计。

然而，增加磁通量的工作将通常产生新的问题，其中加宽了回车道的宽度。这进而增大了靶端的相对侵蚀率，且因此由于靶“被烧穿”而缩短靶的寿命。这与增加靶厚度的目的相反。

发明内容

用于旋转阴极的典型磁控组件100（在图1A0中示出）包括磁体的三个基本上平行的行102。该磁体附接至帮助接通磁路的磁性导电材料（诸如，钢制品）的磁轭104。磁体的磁化方向将相对于溅射靶的主轴而为径向。中心行106将具有与两个外部行108相反的极性（参看图1B）。可在美国专利序列号5,047,131（其内容据此以引用的方式并入本文）中找到此类型磁控的附加描述。磁体的内部行106和外部行108的磁通量通过磁性导电磁轭104而在磁体的一侧上连接。在磁体的另一侧上（与磁轭104相反），磁通量不包含在磁性导电材料中；因此，其基本上畅通无阻地穿过基本上无磁性的靶。因此，在靶的工作表面上以及上方提供两个弧形磁场。该磁场保留电子且促使所述电子朝垂直于磁场线的方向漂移，所述方向平行于磁体的行102。这被称为ExB漂移且在任何一本基础等离子物理教科书中均有描述。在普通的布置中，该漂移路径还平行于靶的主轴。

此外，外部行108比极性与外部行108相同的内部行106和附加磁体110（在图1B中示出）稍长，且被放置在两个外部行108之间的组件的两端，从而创建漂移路径所谓的“回车道”区域。这具有连接两个漂移路径而因此形成一个连续的长圆“跑道”漂移路径的效果。这优化对电子的保留且因此优化溅射工艺的效率。

增加磁场强度的直觉化途径仅仅是增加磁体的大小或强度。增加磁场强度受更强磁体的可用性限制。非常高强度的磁体也是非常昂贵的，且难以使用。此外，更强磁体还可应用到任何高级设计以增加效益（诸如本发明的实施方案的那些效益）。

在考虑更大横断面的磁体时，问题就出现了。增加径向方向上的尺寸不会带来靶表面上的磁通量的成比例增加。如此，这是一种自我限制的方法。增加切线到靶表面的方向上的尺寸也是一种自我限制，因为几何形状要求进一步移动靶表面上的大量磁性材料，以用于削弱靶表面的磁场。这与达到期望效果相反（参看作为此类设计的一个实例图2）。

增加磁体大小的方法的另一有害影响是跑道被拓宽。也就是说，使跑道的两个长的部分彼此远离。这加宽了跑道的回车道部分，进而增加靶端的相对侵蚀率。因此，在使用更大量的靶材之前，需耗尽靶的这些部分。因此，在充分利用靶材之前，必须停止使用靶。

为了理解增加靶端的侵蚀率，技术人员可考虑旋转靶表面上的两个点。一个点旋转通过跑道的两个支柱（长的部分）。另一个点旋转通过回车道。将看到，通过回车道的点花更多时间在跑道中，因此受到更严重侵蚀。可在美国专利序列号5,364,518（其内容据此以引用的方式并入本文）中找到关于该主题的进一步论述。

可通过使用磁体的四个（或更多）行或其它独立的线性阵列而不是使用常见的3行来克服以上描述的问题。这允许克服如先前描述的过大磁体的问题。更重要的是，其允许对回车道（其最小化靶端的过度侵蚀）作出独特的修改，而不会对电子的保留产生消极的影响（或至少降低消极影响）。

附图说明

图1A是用于旋转阴极的典型磁控组件的示意图。

图1B图示图2A的磁控组件中的磁体的磁化方向。

图2是用于旋转阴极的磁控组件的替代设计的示意图。

图3A是磁控组件的一个示例性实施方案的示意图。

图3B是用于图3A的磁控组件中的磁轭的一个示例性实施方案的示意图。

图4图示适合用于图3A的磁控组件中的一个示例性磁体布置。

图5图示适合用于图3A的磁控组件中的另一个示例性磁体布置。

图6图示适合用于图3A的磁控组件中的又一个示例性磁体布置600。

图7是磁控组件的另一示例性实施方案的示意图。

图8是其中可使用图3A和图7的磁控组件的溅射系统的一个示例性实施方案的示意图。

具体实施方式

参考图3A，在本发明的一个示例性实施方案中，磁控组件300包括多个磁体302和磁轭304。磁轭304被配置来将多个磁体304固定在至少四个独立的线性阵列306中。在图3A示出的示例性实施方案中，磁控组件300包括布置在四个行306中的磁体304的四个独立的线性阵列306。

在该示例性实施方案中，磁体行306包括具有一个极性的两个内部行308和具有相反极性的两个外部行310。磁体302的行306附接至磁轭304。磁轭304由磁性导电材料（诸如，钢制品或磁性不锈钢）制成。该配置允许附加的磁质量，同时在条件许可下允许磁体302相对于靶表面而保持在最近位置。因此，充分利用额外磁质量。

如图3B所示，在一个实施方案中，磁轭304包括多个缝隙或通道312，磁体302的每个行306有一个缝隙或通道312。（应注意，为了简单起见，图3B中不示出关于特定磁体布置的细节，而在下文结合图4-6进行更详细地描述。）设定通道312的尺寸，使得对应磁体302的部分可以插入通道312中，以便形成本文描述和示出的磁体302的行306。可以若干方式固定磁体302，包括而不限于，使用磁力，摩擦拟合或粘合剂。本文描述使用此类通道312来形成磁体模式使能够重新配置全部的磁控组件300。

在优选实施方案中，磁体302的内部行308和外部行310具有相同的强度和相同的横断面，使得组件是“平衡磁控”。然而，技术人员可可选地将不同的磁体放置在内部行308和外部行310中以形成“不平衡的”磁控。

图4图示适合用于图3A的磁控组件300的一个示例性磁体布置400。在该优选磁体布置400中，如使用标准的三行设计，外部行410比内部行408长，因此为用于创建跑道的回车道部分的端磁体414提供空间。如所描绘的，回车道形成磁体414与内部行408的磁体具有相同的横断面尺寸且由内部行408共线地替换。然而，回车道形成磁体414与外部行410具有相同的极性。该设计有助于灵活修改回车道区域，从而产生更多的优选实施方案。

图5图示另一示例性磁体布置500，其中磁体502的行506横向地彼此偏离。这形成了梯级回车道，其中将实际回车道的半径减小到标准的三行磁控设计中的回车道半径。因此，靶端的侵蚀率不增加超过标准设计的侵蚀率，如具有较大磁体的三行设计的情形一样。就回车道而言，在由该配置创建的漂移路径中的剩余梯级产生具有升高的侵蚀率的另一区域。然而，因为该区域从回车道偏置且将不会比回车道区域受侵蚀快，所以其将导致过早的靶烧穿。

虽然图5示出一个优选的示例性实施方案，但是应该清楚的是，该设计有助于使用对其它情况有用的任何数量的穿透物。例如，也可实现具有不同磁体强度、形状、几何形状、大小以及在行之间的不同间距的磁体。图6中示出一个这样的示例性磁体布置600，然而，将理解，其它布置是可能的。

此外，在图3A、3B和4-6示出的实施方案中，磁体的每行均被插入形成于磁轭中的不同的、相应的通道。然而，在其它实施方案中，超过一行磁体（或其它独立的线性阵列）可容纳在单通道内。图7中示出这样的实施方案的一个实例。在图7示出的实例中，磁体702的两个内部行708均容纳在普通的单通道712内，而磁体702的两个外部行710中的每一个均容纳在单独的、相应的通道712内。

虽然本发明的实施方案旨在通过允许使用较厚的靶材来提高靶的经济效益，但是其对具有更多普通材料厚度的靶而言是有益的。因为增加了磁场强度，所以通过减小电子回旋半径及允许在等离子中有更大的电子密度来增加电子的电离电位，这就提高了电子保留率。由此导致较低的靶电压，较低电压在沉积一些材料（诸如TCO）时是有利的。本领域已知的是，TCO溅射沉积工艺中的较低电压会导致沉积膜的性能被提高。

在美国专利序列号5,364,518中公开另一个四行磁控设计。然而，’518专利中的设计的目的是允许以另一方式来更容易地操控回车道。在’518专利中，目的是通过增加磁体之间的距离而相对于跑道的主支柱拓宽磁场来修改回车道。尚不清楚的是，在美国专利序列号5,364,518公开的发明是否可行，或其在现实中是否已经被组装和测试。在美国专利序列号6,375,814（其内容据此以引用的方式并入本文）中，暗示着’518专利的发明将在溅射工艺中产生不稳定性。

美国专利序列号6,375,814还可涉及四行设计。然而，如所描绘的，仅出于方便之目的，两个内部行替代单个中心行，这有助于分离跑道的两个主支柱，以便形成椭圆形回车道或以便操控溅射方向。实际上，’814专利的设计中，单排磁体可用于组件的大多数长度。

本发明的实施方案比’814专利具有的更多优点是，在具有同样简单的矩形几何形状和非常简单的磁轭设计中，可完全组装不同长度的磁体。然而，’814专利的椭圆组件需要复杂的磁轭，且在优选的实施方案中，需要经过特殊设计和制造的磁体。此外，在经组装后，可容易地修改本发明的至少一些实施方案的设计，而在不进行完全再制造的情况下，’814专利的设计是固定的且无法修改。

美国专利序列号6,264,803（其内容据此以引用方式并入本文）公开了具有形成两个完整的、平行的跑道的五排平行磁体的磁控。其不具有本发明的实施方案的更强磁场的益处。然而，’803专利发明偏置这两个跑道，以达到本发明的实施方案中的梯级回车道的类似优点。

本发明的实施方案的在单个、连续的跑道比起’803专利的双跑道设计具有重要优点。双跑道设计较之单个跑道设计，靶的周界周围的最外部支柱之间的间隔彼此分隔更远。这改变了溅射材料的射流和基片的平面之间的相对角。这增加了材料沉积在基片上的入射的平均角。这诸如通过通常将分子密度减小到不可接受的程度来影响沉积膜的结构。在TCO膜的情况下，密度是非常重要的。

’803专利中的设计的另一不幸结果是溅射材料的相当较大部分沉积在工艺室的壁上，且因此较少的材料用于形成期望膜。在本发明的一些实施方案中，这是可以减小或消除的。

然而，’803专利中设计的跑道的外部支柱间的角度约为标准三行设计中的角度的三倍，本发明的一些实施方案的设计的支柱间的角度小于标准设计中的角度的两倍。

图8图示其中可使用上述磁控组件300和700的溅射系统800的一个示例性实施方案。在图8中示出的溅射系统800的示例性实施方案基本上与美国专利序列号5,096,562（其内容据此以引用方式并入本文）的图1中示出的且在’562专利中的第2列、第55行至第4列、第23行中描述的溅射系统相类似，主要不同之处是使用上文描述的类型的磁控组件18，其中磁体的至少四个行（其它独立的线性阵列）附接至磁轭或被保持在磁轭中。

等离子形成于其中保持真空状态的封闭反应室10内，以为了使材料的薄膜在其移动通过室10时沉积在基片12上。基片12可以是接受膜沉积在其上的任何物质，且通常是一些真空兼容材料，诸如金属、玻璃和一些塑料。所述膜还可沉积在先前已在基片表面形成的其它膜或涂层上方。

阴极组件14一般包括细长的可旋转柱状管16，其安装在反应室10中，且具有靶表面20。上文描述的类型的磁控组件18被承载在管16的较低部分内且不随着管16的较低部分旋转。如下文描述，管16的内部通常是冷却水，以便允许系统在高电平下运行。管16被支承在水平位置，且由驱动系统22以恒定速度围绕其纵轴旋转。

管16可被构造为许多不同形式中的一个，这取决于需暴露在外柱形表面20上的靶材的性质和成分。一种结构具有基本上整体由固体靶材制成的壁。另一种结构形成于合适的无磁性材料（诸如，例如，黄铜制品或不锈钢）内核，且具有执行特定操作所需的直径、壁厚度和长度。施加到内核的外表面的是需要沉积在被涂覆的基片12上的选定靶材20的层。在任何一种情况下，管16和靶材20的层构成替代更常规的平面靶的管状靶或溅射源。

将足以促使溅射发生的阴极电位从电源30通过电源线32供应至旋转阴极14。电源线32具有通过电刷而接触管16的滑动触点34。在正描述的实例中，电源30是直流型的，但是也可以在此类结构中使用交流电源。反应室10的外围是导电的且电气接地。其在溅射工艺中用作阳极。可可选地采用单独的阳极且将其维持在小的正电压。

为了获得执行涂覆操作所需的低压，反应室10配置有与真空泵38连通的出口管36。

为了向室10提供涂覆操作所需的气体，包括一种气体供应系统。第一气体供应管40从惰性气体的源42延伸进入涂覆室10。连接至入口管40的喷嘴44将惰性气体分布到旋转阴极14上方的区域。在建立于靶表面20和接地室外围10之间的电场的影响下，惰性气体被分解为带电离子。在磁场束缚阳离子和靶表面20的区域中，阳离子被吸引到靶表面20且轰击靶表面20。所述区域主要在两条平行带之间，每条平行带位于反向磁极中的每一个之间，且沿着柱形物16的长度位于其底端而与磁控组件18相对。

第二种气体供应管46从活性气体源48延伸进入室10。连接至入口管46的喷嘴50将活性气体分布至接近并且横过被涂覆的基片12的宽度的区域中。作为离子轰击的结果，活性气体的分子与从靶表面溅射出的分子结合以形成被沉积在基片12的顶面上的期望分子。

在气体供应系统中示出的各种变形也是很实用的。来自源42和48的插入物和活性气体可被结合且通过普通管和一组喷嘴被递送至室10中。当这些完成时，递送管优选地沿着旋转靶管16的一侧放置且平行于其纵轴。可以使用两个这样的管，每个管均位于靶管16的一侧且平行于其纵轴。每个管均递送插入物和活性气体的相同组合。此外，可同时供应超过一种活性气体，这取决于被沉积的膜。

已对许多实施方案进行描述，然而，将理解，在不脱离要求的发明的精神和范畴的情况下，可对所述实施方案作出各种修改。

Claims (24)

1.一种磁控组件，其包括：

多个磁体；和

磁轭，其被配置来将所有所述多个磁体固定在四个笔直、平行和独立的线性阵列中，所述线性阵列包括两个外部线性阵列和两个内部线性阵列；

其中所述多个磁体被布置在所述磁轭中，以便形成包括外部和内部的模式，其中所述外部包围所述内部的周界；

其中用于形成所述外部的所述磁体被定向为利用第一极性，且用于形成所述内部的所述磁体被定向为利用第二极性；

其中所述模式的所述外部包括：

第一极性的所述外部线性阵列；和

位于所述内部线性阵列的端部的磁体，位于所述内部线性阵列的端部的所述磁体具有第一极性，并且组成所述内部线性阵列的主要部分的磁体具有第二极性；以及

其中所述两个内部线性阵列的具有第二极性的磁体彼此横向地偏离，以形成磁性梯级。

2.根据权利要求1所述的磁控组件，其中位于所述两个内部线性阵列的端部的具有第一极性的磁体彼此横向地偏离，以保持所述磁性梯级。

3.根据权利要求1所述的磁控组件，其中所述两个内部线性阵列的具有第二极性的磁体彼此横向地偏离，以在所述模式的每个端部形成各自的磁性梯级。

4.根据权利要求1所述的磁控组件，其中所述多个磁体中的至少一个具有不同于其它磁体中的至少一个的几何形状、大小或磁场强度。

5.根据权利要求1所述的磁控组件，其中所述多个磁体中的至少一个具有锥形形状。

6.根据权利要求1所述的磁控组件，其中来自所述两个内部线性阵列的彼此横向地偏离的磁体中的至少一些具有彼此不同的长度以形成所述磁性梯级。

7.根据权利要求1所述的磁控组件，其中所述磁轭被配置以使得由所述多个磁体形成的模式可被重新配置。

8.根据权利要求1所述的磁控组件，其中使用磁力将所述磁体中的至少一些至少部分地固定在所述磁轭内。

9.根据权利要求1所述的磁控组件，其中所述磁轭包括至少一个通道，其中将所述多个磁体中的至少一个插入所述通道。

10.根据权利要求9所述的磁控组件，其中所述磁轭包括至少四个通道，其中所述独立的线性阵列中的每一个被固定在所述磁轭中的所述通道的相应一个内。

11.根据权利要求9所述的磁控组件，其中所述独立的线性阵列中的至少两个被固定在所述磁轭中的单通道内。

12.一种溅射系统，其包括：

基片移动通过的室；

阴极组件，其包括：

细长的可旋转柱状管，其安装在所述室中且具有靶表面；

磁控组件，其被放置在所述细长的可旋转柱状管内，所述磁控组件包括：

多个磁体；和

磁轭，其被配置来将所有所述多个磁体固定在四个笔直、平行和独立的线性阵列中，所述线性阵列包括两个外部线性阵列和两个内部线性阵列；

其中所述多个磁体被布置在所述磁轭中，以便形成包括外部和内部的模式，其中所述外部包围所述内部的周界；

其中用于形成所述外部的所述磁体被定向为利用第一极性，且用于形成所述内部的所述磁体被定向为利用第二极性；

其中所述模式的所述外部包括：

第一极性的所述外部线性阵列；和

位于所述内部线性阵列的端部的磁体，位于所述内部线性阵列的端部的所述磁体具有第一极性，并且组成所述内部线性阵列的主要部分的磁体具有第二极性；以及

其中所述两个内部线性阵列的具有第二极性的磁体彼此横向地偏离，以形成磁性梯级。

13.根据权利要求12所述的溅射系统，其还包括支持和旋转所述细长的可旋转柱状管的驱动系统。

14.根据权利要求12所述的溅射系统，其中所述系统被配置来在所述室内形成等离子，以及随着基片移动通过所述室，将薄膜沉积在所述基片上。

15.根据权利要求12所述的溅射系统，其中位于所述两个内部线性阵列的端部的具有第一极性的磁体彼此横向地偏离，以保持所述磁性梯级。

16.根据权利要求12所述的溅射系统，其中所述两个内部线性阵列的具有第二极性的磁体彼此横向地偏离，以在所述模式的每个端部形成各自的磁性梯级。

17.根据权利要求12所述的溅射系统，其中所述多个磁体中的至少一个具有不同于其它磁体中的至少一个的几何形状、大小或磁场强度。

18.根据权利要求12所述的溅射系统，其中所述多个磁体中的至少一个具有锥形形状。

19.根据权利要求12所述的溅射系统，其中来自所述两个内部线性阵列的彼此横向地偏离的磁体中的至少一些具有彼此不同的长度以形成所述磁性梯级。

20.根据权利要求12所述的溅射系统，其中所述磁轭被配置以使得由所述多个磁体形成的模式可被重新配置。

21.根据权利要求12所述的溅射系统，其中使用磁力将所述磁体中的至少一些至少部分地固定在所述磁轭内。

22.根据权利要求12所述的溅射系统，其中所述磁轭包括至少一个通道，其中将所述多个磁体中的至少一个插入所述通道。

23.根据权利要求22所述的溅射系统，其中所述磁轭包括至少四个通道，其中所述独立的线性阵列中的每一个被固定在所述磁轭中的所述通道的相应一个内。

24.根据权利要求22所述的溅射系统，其中所述独立的线性阵列中的至少两个被固定在所述磁轭中的单通道内。