CN103620731B - 高功率溅射源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁控管溅镀方法，利用该方法可以将材料从靶表面溅射，使得所溅射的材料以离子形式高百分比地存在。根据本发明，这借助于简单的发生器来实现，该发生器的功率以分布在时间间隔中的方式馈入到多个磁控管溅镀源中，也就是说，在一时间间隔给一个溅镀源供应最大功率，并且在接下来的时间间隔中给下一个溅镀源供应最大功率。通过这种方式，实现了大于0.2A/cm2的放电电流密度。在关断时间期间，溅镀靶具有冷却的可能性，使得温度极限不被超过。

Description

高功率溅射源
技术领域
本发明涉及一种借助于磁控管溅射给衬底镀层的方法。
背景技术
在本说明书的范围内，以相同含义使用“溅镀（Sputtern）”和“溅射（Zerstäuben）”。
在溅射情况下，用离子轰击靶（阴极），这导致靶的材料被侵蚀。离子在由等离子体构成的靶表面方向上的加速借助于电场来实现。在磁控管溅镀的情况下，在靶表面上构造磁场。通过这种方式，迫使等离子体中的电子进入到螺旋轨迹上并且在靶表面上环行。通过其延长的路程，电子与原子或离子的碰撞次数显著提高，这导致靶表面上的该区域中的较高电离。由此导致对直接处于该区域之下的靶上的提高的溅镀侵蚀。这导致对于磁控管溅镀典型的侵蚀沟槽，该侵蚀沟槽具有处于其上的轨迹（Racetrack）。这样的侵蚀沟槽所具有的缺点是，靶的大区域基本上未被侵蚀。但是靶材料常常是昂贵的材料。因此，构造磁场的磁系统有时在靶之下被设计为使得这如图1中所示导致肾形轨迹。在圆形阴极的情况下，磁系统绕圆形阴极的中心轴旋转，使得基本上导致靶材料的均匀的侵蚀。但是传统溅镀的仍存在的缺点是，所侵蚀的材料仅仅以非常小的百分比被电离。
本发明具体而言涉及一种HIPIMS方法（HIPIMS＝高功率脉冲磁控管溅镀）。HIPIMS是一种从传统溅镀发展而来的方法，其利用脉冲时长在微秒至毫秒范围、功率密度大于100W/cm2的脉冲状放电的效应。新兴的HIPIMS技术消除了传统溅镀的大缺点，即所溅镀的原子的非常少的电离。因此，从现有技术中已经显示出，借助于HIPIMS技术根据材料可以实现所溅镀颗粒的高达100％的电离。
在此，至少短时间较大的作用于靶的放电电流密度导致提高的电离度。提高的电离度可以改变层的生长机制，并且因此对层特征具有影响。这尤其是导致较高的粘附强度。
典型地使用的平均功率密度在传统溅镀以及在HIPIMS的情况下都在20W/cm2的范围内。在使用特殊的靶冷却装置的情况下，在高负载时达到高达50W/cm2。在此，相应的放电电流密度处于高达0.2A/cm2的范围内。但是，从等离子体物理和电子技术的出发点而言，高得多的功率密度以及由此放电电流密度不是问题。但是基本上可应用于溅镀靶的平均功率由于靶冷却装置有技术极限而受到限制。出于该原因，在HIPIMS方法的情况下，溅镀功率是以脉冲形式施加的，其中脉冲时长被选择为如此短，使得由于作用于靶的平均功率而不导致超温。在此清楚的是，靶温度和允许的最大靶温度非常强烈地依赖于靶材料及其热导率以及其机械特性。
在此缺点是，脉冲技术导致显著的仪器成本，因为必须使用能够在时间上和空间上将功率划分成溅镀功率脉冲的发生器。这利用传统的发生器技术不能实现。
为了绕过这些缺点，在现有技术中提出：过渡到与靶的总大小相比显著缩小的轨迹，并且让所述轨迹移动靶表面之上。例如在Wang 等人的US 6'413'382中提出了一种磁系统，其导致覆盖靶表面的20％以下的磁控管。该磁系统以可旋转方式安装在靶面后面，使得轨迹基本上可以被涂覆在整个靶表面上。尽管该方案简化了发生器，但是不能完全放弃脉冲技术。与之相应地给出了10％以下的脉冲/间歇比例。
但是在此不利的是，与之相应设计的装置仅仅适用于HIPIMS应用。通过高度减小的轨迹大小，溅射速率是相应小的。如果应当可以在HIPIMS层与传统溅镀层之间交替，则针对所述层的相应传统溅镀速率也被降低。
Nyberg等人在WO03006703AI中遵循了类似的方案。其描述了，通过缩小的溅镀区域来实现提高的放电电流密度。为了补偿较高的局部升温，移动溅镀区域。此外，Nyberg等人描述了，在工业应用中，减小的溅镀区域必须以高速度在靶上移动，以便防止表面熔化。该技术允许使用每种传统的发生器。一种可能性在于，将靶划分成多个部分，所述部分彼此电分离。下面将这些部分称为部分靶。在此，部分靶应当是完全独立的靶，其尤其是在功率施加方面同其他部分靶隔离，其中多个相同的部分靶的表面相加成总靶面。通过在一时刻将全部功率集中到这些部分靶之一上，因此可能的是，控制从中当前进行溅射的位置。通过接通和关断所述部分，可能的是，在没有可运动部件的情况下可行。
Nyberg等人的装置的缺点是如下事实：这样的构造不能在传统磁控管溅镀模式下运行，因为不能或者技术上非常高成本地将一个发生器的功率均匀地分布到不同部分上。Nyberg等人的方案的缺点尤其是还有，在可接入或可关断的部分靶的每一个上导致固定的侵蚀沟槽。这意味着，与Wang等人描述的旋转磁控管相比，靶利用是明显更差的。
发明内容
因此，所期望的是提供一种装置，其允许在没有高成本的脉冲发生器技术的情况下执行HIPIMS方法，但是应能够以简单方式转换到传统溅镀模式。
根据本发明，该任务通过如下方式来解决：将靶划分成多个电隔离的独立部分靶，所述部分靶由功率供应单元来馈电，所述功率供应单元在HIPIMS模式下被配制成主-从单元。应将主-从配置理解成两个或更多个发生器的输出端的并行联合，其中发生器之一（主机）处的要调整的功率被选择，并且其他发生器被电子连接为使得它们在其设定方面遵循主机。优选地在主-从配置中至少互连如所存在的各个电隔离的部分靶那么多的发生器。在各个部分靶处，在HIPIMS模式下仅仅传输其冷却所允许的那么长时间的功率。在HIPIMS模式下，按顺序地接入和关断部分靶。因此，以主-从配置的功率供应单元不必同时在所有部分靶处带来完全的功率。通过这种方式可以使用价格低廉的发生器。如果应当以传统方式进行溅镀，则解除主-从配置并且为每个部分靶提供自己的发生器。于是，部分靶可以利用发生器作为独立的溅镀源来运行。如果在主-从配置解除以后没有部分靶那么多的发生器可用，则一些部分靶可以持久地保持关断或者交替关断。通过这种方式实现：可以简单地从HIPIMS模式切换到传统溅镀模式。
在部分靶后面优选地分别存在可运动的磁系统，所述磁系统负责将相应轨迹移动到相应的部分靶之上。如果该设备在HIPIMS模式下运行，则根据本发明，在部分靶后面优选旋转的磁系统以一频率运动，该频率优选地与溅镀源的反复的功率脉冲的频率不形成合理的比例。由此保证：均匀地从靶表面侵蚀材料。
附图说明
现在具体地和根据附图示例性地更详细阐述本发明。
图1示出了靶的表面连同如根据现有技术在传统溅镀中使用的运动轨迹。
图2示出了本发明的具有电绝缘的部分靶的第一实施方式，所述部分靶分别具有运动的磁系统，其中功率供应单元由多个发生器构成，所述发生器以主－从配置连接。
图3示出了本发明的具有电绝缘的部分靶的第一实施方式，所述部分靶分别具有运动的磁系统，其中功率供应单元由多个发生器构成，所述发生器未以主－从配置连接，使得给每个部分靶都分配有发生器，并且利用该发生器可以作为独立的溅镀源运行。
图4示出了功率脉冲作用50ms长的时间以后不同靶材料的经模拟的冷却行为。
图5示出了在电弧放电处的光谱测量相比于在根据本发明的等离子体放电处的这种测量。
图6示出了在传统DC溅镀等离子体的放电处的光谱测量相比于在根据本发明的等离子体放电处的这种测量。
具体实施方式
根据本发明的第一实施方式，如图2中示例性示出的那样，功率供应单元3通过开关S1将电压和电流提供给布置在真空室4中的溅镀源q1以用于在HIPIMS模式下运行溅镀装置。功率供应单元3由多个发生器g1至g6构成，这些发生器以主－从配置连接。它们可以设计成DC发生器、脉冲DC发生器。溅镀源q1被构造成具有部分靶的磁控管溅镀源，其中根据该实施方式的一个优选变型方案，在溅镀源q1的部分靶后面设置可运动的、优选旋转地安放的磁系统msl。在应用中，通过磁系统ms1的运动、优选旋转将轨迹移动到溅镀源q1的靶的几乎整个面之上。
向真空室4中输送稀有气体和/或反应气体，如N2、02、C2H4、C2H2，以便尤其是能够保持用于溅镀放电的等离子体。功率供应单元3提供溅镀功率，所述溅镀功率在不中断地施加在q1上的情况下高于溅镀源q1的热极限。但是溅镀功率适于生成磁控管放电，在所述磁控管放电情况下，关于磁控管的轨迹面的电流密度大于0.2A/cm2。
通过开关S2至S6，电压和电流可以施加到也布置在真空室4中的溅镀源q2至q6。这些溅镀源基本上与溅镀源q1构造相同。
各个溅镀源上的平均功率总共不允许超过由热极限给定的值。为了实现这一点，按顺序地在一定时间以后将一个溅镀源关断并接通下一个溅镀源，这导致脉冲序列。如果所有溅镀源都在运行，则可以再次接通第一溅镀源并且重新开始该周期，这导致周期性运行。允许在靶处遵守最大平均功率的任意脉冲序列都是可能的。
在溅镀源后面运动的、优选旋转的磁系统以如下频率运动：所述频率优选与施加到溅镀源上的反复的功率脉冲的频率不形成合理的比例，由此保证均匀地侵蚀靶表面的材料。
如果转到传统溅镀，则放弃主－从配置。于是，给每个溅镀源都分配至少一个发生器。相应的配置在图3中示出。如果存在比溅镀源多的发生器，则多余的发生器作为从机附加到已经分配给溅镀源的发生器。
如果存在比溅镀源少的发生器，则多余的溅镀源要么被闲置、要么给不同的溅镀源按顺序地和周期性地强加功率间歇，使得其在功率间歇的时间释放发生器。
在具体示例中，以主/从配置互连例如2个各具有20KW的DC发生器AE Pinacle。因此，作为最大溅镀功率有40kW可用。使用如图1中所示类型的具有150mm靶直径的圆形磁控管。将溅镀功率为40kW的在时间上可调整的脉冲接到靶上。针对该大小的靶，当平均施加大约5kW时达到热极限。在图4中示出根据靶材料计算表面温度的时间发展。针对40kW的脉冲功率，在使用上述磁控管的情况下，预期关于轨迹面的600 W/cm2的功率密度。在600V的放电电压下，因此实现 1.67A/cm2的电流密度。如图4的有限元模拟所示的，在溅镀功率密度为1000W/cm2并且脉冲时长为50ms的情况下，针对铜或铝预期仅仅大致50°C至100°C的升温、以及针对钛预期大致350°C的升温。因此，可以如模拟可推断的那样排除如常常提到的表面的熔化及其蒸发。
在50ms的脉冲时长以后，整个功率被馈入到构造相同的另一圆形磁控管中。在根据本示例的构造中，真空室6包括构造相同的圆形磁控管，所述圆形磁控管分别按顺序被接通。在300ms的时间间隔以后，第一圆形磁控管再次被接通。圆形磁控管可以在真空室中圆形地围绕旋转台布置，在所述旋转台处安置要镀层的衬底。各个圆形磁控管的接入可以与旋转台的旋转方向相反的顺序进行，由此模拟旋转台的较快旋转。
在靶表面后面的磁系统以180U/min的频率旋转。这意味着，在全部进行300ms的脉冲重复的情况下，两个频率不形成合理的比例。
利用根据本发明的配置，在短时间、例如500μs内实现了放电电流的强烈升高，该升高在整个脉冲时长期间保持在稳定的水平上。利用根据本发明的方法避免了在HIPIMS方法中由于具有高频率的脉冲而出现的不利的瞬态过程。这之所以发生，是因为在根据本发明的方法中，脉冲时长为几毫秒并且瞬态过程变得可忽略。
根据本发明方法的第二示例，对上述系统施加40kW的脉冲功率以及重复频率为10Hz的10ms脉冲时长。由此得出每个圆形磁控管4kW的平均功率。在此，可以将高达10个圆形磁控管置入到真空室中，所述圆形磁控管全部都可以利用上述主/从配置来馈电。放电的等离子体被光谱分析，并且与电弧蒸发相比较。在示例中，所述靶是钛靶。图5相比较地示出了两个光谱，其中所述光谱分别在其在365.35nm处的Ti(0)线的强度方面被归一化。两个放电都在336.12nm、368.52nm下、以及在具有375.93nm和376.132nm的未分辨出的双线情况下对Ti+显示出强烈光发射。这允许作出结论：根据本发明的溅镀方法导致与电弧蒸发可比较的对从靶侵蚀的材料的高度电离。
根据第三示例，作为靶材料使用比例为50at% Ti和50at% Al的钛-铝。为了将根据本发明的方法与传统溅镀技术相比较，以光谱方式绘出了传统溅镀镀层的等离子体和根据本发明方法的等离子体，并将其相互比较。针对传统溅镀镀层使用如图3中所示的配置。但由于针对实验仅有2个DC发生器可用，因此用发生器分别给溅镀源馈电，也就是说，同时给两个溅镀源馈电，并且在预先给定的时间间隔以后按照顺序将功率转向到两个其他的溅镀源。图6示出了相应的比较。在两种情况下，平均溅镀功率都为4kW。光谱归一化到A1(0)线394.4nm和396.15nm。引人注意的是，在传统DC放电的情况下，基本上缺少对如Al+的离子在390.07nm处、对Ti+在双线375.93nm和376.132nm处以及在368.52nm和336.12nm处的线。这同样可以推断出，在根据本发明的方法中存在从靶侵蚀的材料的高电离度。
根据本发明的另一实施方式，将该方法设计成双磁控管方法。在此，溅镀功率在几微秒的脉冲期间在至少两个溅镀磁控管之间以通常在20－60kHz之间的切换频率交替停止，其中靶表面分别交替地变为阴极或阳极。为了不超过靶的热负荷，分别在时间上限制在磁控管对上所施加的功率，其方式是，在所述脉冲之后切换到另一磁控管对。
全部示例都根据圆形阴极来讨论。但是专业人员容易明白，相同的发明方案可以以简单方式转用于矩形阴极。本发明的特别的优点在于，可以使用简单的DC发生器，所述DC发生器的例如为40kW的总功率可以被引入到镀层室中，由于根据本发明将所述发生器与各个溅镀源互连，可以同时实现在溅镀方法的范围内通常仅能利用高度复杂的脉冲发生器才能实现的电离度。在本发明的一个优选实施方式中，分别在溅镀靶后面设置运动的磁场系统，该磁场系统负责将轨迹移动到靶之上。
根据本发明的方法和根据本发明的装置允许以简单方式将通向高离子浓度的根据本发明的溅镀转换为具有低离子浓度的传统溅镀。
在本说明书的范围内，公开了一种用于生成等离子体放电的方法，该等离子体放电具有在至少一些区域中局部地大于0.2A/cm2的放电电流密度，该方法具有步骤：
－提供具有预先给定的最大功率的功率供应单元，
－提供至少两个磁控管溅镀源，所述磁控管溅镀源分别具有预先给定的轨迹和预先给定的热极限，其中所述轨迹被设计为如此小，使得在功率供应单元的最大功率分别作用于所述磁控管溅镀源之一时，放电电流密度大于0.2A/cm2，
－借助于功率供应单元，在第一时间间隔内将第一功率馈入到所述至少两个磁控管溅镀源中的第一个，其中第一功率被选择为足够大，使得在该磁控管溅镀源处至少在一区域中局部地产生大于0.2A/cm2的放电电流密度，并且其中第一时间间隔被选择为足够小，使得第一磁控管溅镀源的预先给定的热极限不被超过，
－借助于功率供应单元在第二时间间隔内将第二功率馈入到所述磁控管溅镀源中的第二个，其中第二功率被选择得足够大，使得在第二磁控管溅射源处至少在一区域中局部地产生大于0.2A/cm2的放电电流密度，并且其中第二时间间隔被选择为足够小，使得第二磁控管溅镀源的预先给定的热极限不被超过，
其特征在于，功率供应单元包括至少两个发生器，所述发生器以主-从配置彼此连接，并且所述两个时间间隔不完全重叠。
可以提供第三以及优选另外的磁控管溅镀源，它们具有分别预先给定的轨迹和分别预先给定的热极限，其中所述轨迹被设计为使得在功率供应单元的最大功率分别作用于所述磁控管溅镀源之一时，放电电流密度大于0.2A/cm2，并且功率供应单元所具有的从发生器至少如此多，使得从发生器的数目和主发生器的数目通向与磁控管溅镀源的数目相比相同或更大的发生器数目。
所述时间间隔可以由周期性反复的间隔组成并且因此形成周期性脉冲。
在磁控管溅镀源的靶中的至少一个后面可以设置可运动的优选旋转的磁系统，所述磁系统导致经移动的轨迹，所述轨迹的展宽明显小于靶表面，但是大于靶表面的20％。
公开了一种磁控管溅镀设备，其具有两个或更多个磁控管溅镀源以及功率供应单元，其中功率供应单元包括一定数目的发生器，该数目至少对应于磁控管溅镀源的数目，并且设置有如下装置：所述装置一方面允许将存在于功率供应单元中的发生器配置为具有主机和至少一个从机，并且设置有如下电路：利用所述电路，这样配置的功率供应单元的功率可以按顺序地被施加到磁控管溅镀源上，并且所述装置另一方面允许将功率供应单元配制成一定数目的经隔离的发生器，并且利用所述电路可以将分别至少一个发生器的功率置于分别一个磁控管溅镀源上。

Claims (6)

1.一种用于生成等离子体放电的方法，所述等离子体放电具有至少在一些区域中局部地大于0.2A/cm2的放电电流密度，该方法具有步骤：
－提供具有预先给定的最大功率的功率供应单元；
－提供至少两个磁控管溅镀源，所述磁控管溅镀源分别具有预先给定的轨迹和预先给定的热极限，其中所述轨迹被设计为如此小，使得在所述功率供应单元的最大功率分别作用于所述磁控管溅镀源之一时，放电电流密度大于0.2A/cm2；
－借助于所述功率供应单元，在第一时间间隔内将第一功率馈入到所述至少两个磁控管溅镀源中的第一个，其中第一溅镀源通过馈入第一功率被作为阴极运行并且第一功率被选择为足够大，使得在所述磁控管溅镀源处至少在一区域中局部地产生大于0.2A/cm2的放电电流密度，并且其中第一时间间隔被选择为足够小，使得第一磁控管溅镀源的预先给定的热极限不被超过；
－借助于所述功率供应单元，在第二时间间隔内将第二功率馈入到所述磁控管溅镀源中的第二个，其中第二溅镀源通过馈入第二功率被作为阴极运行并且第二功率被选择为足够大，使得在第二磁控管溅镀源处至少在一区域中局部地产生大于0.2A/cm2的放电电流密度，并且其中第二时间间隔被选择为足够小，使得第二磁控管溅镀源的预先给定的热极限不被超过；
其特征在于，
·用于提供相应的第一和第二功率的所述功率供应单元包括至少两个发生器，所述发生器以主-从配置彼此连接，使得所述发生器之一被配置为主机并且其他发生器电连接为使得至少两个发生器的输出端并行联合，其中主机处的要调整的功率被调整并且其他发生器在其设定方面遵循主机，并且
·所述两个时间间隔不完全重叠。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供一个或多个另外的磁控管溅镀源，它们具有分别预先给定的轨迹和分别预先给定的热极限，其中所述轨迹被设计为使得在功率供应单元的最大功率分别作用于所述磁控管溅镀源之一时，放电电流密度大于0.2A/cm2，并且所述功率供应单元所具有的从发生器至少如此多，使得从发生器的数目和主发生器的数目通向如下的发生器数目，所述发生器数目等于或大于磁控管溅镀源的数目。
3.根据权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，所述时间间隔由周期性反复的间隔组成并且因此形成周期性脉冲。
4.根据权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，在所述磁控管溅镀源的靶的至少一个靶后面设置可运动的磁系统，所述磁系统导致经移动的轨迹，所述轨迹的展宽明显小于靶表面，但是大于靶表面的20％。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述磁系统被构造为旋转的。
6.一种磁控管溅镀设备，其具有两个或更多个磁控管溅镀源以及一个功率供应单元，其中所述功率供应单元包括一定数目的发生器，所述数目至少对应于磁控管溅镀源的数目，并且设置有如下装置：所述装置一方面允许将存在于所述功率供应单元中的发生器配置为具有主机和至少一个从机，所述发生器以主-从配置彼此连接，其中所述发生器之一被配置为主机并且其他发生器电连接为使得至少两个发生器的输出端并行联合，其中主机处的要调整的功率被调整并且其他发生器在其设定方面遵循主机，并且设置有如下电路：利用所述电路，这样配置的功率供应单元的功率能够按顺序地被施加到所述磁控管溅镀源上，其中借助于功率供应单元，在第一时间间隔内将第一功率馈入到所述磁控管溅镀源中的第一个，所述第一时间间隔被选择为足够小，使得第一磁控管溅镀源的预先给定的热极限不被超过，并且其中借助于功率供应单元在第二时间间隔内将第二功率馈入到所述磁控管溅镀源中的第二个，所述第二时间间隔被选择为足够小，使得第二磁控管溅镀源的预先给定的热极限不被超过，其中两个时间间隔不完全重叠，并且所述装置另一方面允许将所述功率供应单元配制成一定数目的经隔离的发生器，并且利用所述电路能够将所述发生器之一的功率分别置于所述磁控管溅镀源之一上。
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