CN1780932A - 电极与真空中的物质的接触 - Google Patents

Abstract

提供了一种改善溅射沉积过程的方法。该方法包括下面步骤：a)提供真空；b)在所提供的真空中提供电极(10、34、34′、44、44′)；c)在所述真空中提供基体，所述基体与所述电极(10、34、34′、44、44′)没有接触，从而在该真空中提供装置(22、22′、24、24′、26、26′、28、28′、30、36、36′、48、48′)。该装置相对于电极进行相对运动，并且在接触区域中与电极相接触。该装置从电极中除去固态材料，或者把固态材料施加到电极上。借助简单机构来实现该方法。不需要复杂的电子或者复杂的控制运算法则。在真空中实现该方法，即不需要破坏真空，因此机器停机时间减少了。

Description

电极与真空中的物质的接触

技术领域

本发明涉及一种改善溅射沉积过程如通过磁力提高溅射过程的方法。术语“改善”是指改善长期的等离子过程的稳定性，或者改善喷涂均匀性，或者减少了溅射沉积期间的机器停工时间。

背景技术

发弧的问题

在磁控管溅射沉积过程(通过磁力来提高溅射)中，布置成闭环形状的一排磁体安装在靶(target)的后面。呈闭环形状的磁场因此形成在靶的前部，并且限定出溅射区域。该磁场从捕获在该磁场中并且以螺旋形运动的放电中产生电子，与二极管溅射相比，这产生了更加剧烈的电离(等离子)和更高的溅射速度。旋转圆柱形磁控管使用圆柱形阴极作为靶。在这种结构中，圆柱形阴极在静止磁排上连续地进行旋转。旋转圆柱形结构相对于平面磁控管结构具有许多优点，如，由于靶材料消耗更多并且可以得到更多靶材料而使得喷涂能力更高，可以使用更高的功率密度，提高AC过程中的阳极功能，并且降低了反应过程中的电弧速度。

尽管电弧速度较小，但是反弧仍然是主要问题，尤其在反应过程中仍然是主要问题。在反应溅射沉积期间，反应气体(如O2、或者N2)加入到惰性气体附近的溅射室中，从而在基体上形成介电层(氧化物或者氮化物)。但是，缺点是，用于基体的介电层也形成到靶表面上，尤其形成到粒子轨道附近的区域上。在靶可以旋转的情况下，没有被溅射过的、粒子轨道附近的这些区域称为端部区域。

在旋转的圆柱形磁控管组件中，靶(阴极)在静止的磁排(magnetarray)上连续地旋转，因此靶的新的一部分连续地到达溅射区域。这暗示着，靶腐蚀区域包括阴极的整个圆周。换句话说，除了端部区域(它超出溅射区域)之外，借助等离子来连续地清扫靶。这意味着，只在旋转圆柱形靶的端部区域上形成介电层。由于正离子的轰击，介电层充上了正电，同时靶受到负偏磁。一旦电荷到达某种程度，那么借助发弧(介电层损坏)使电荷消失。发弧可以产生能够导致喷涂不均匀和缺陷的过程不稳定，并且可以损坏溅射设备。

在粒子轨道(racetrack)转弯处形成槽

除了靶在粒子轨道转弯的位置上的端部区域之外，旋转圆柱形磁控管确保整个靶管长度上的均匀靶消耗，在该转弯处，形成一个槽。在粒子轨道转弯处，与粒子轨道的直线部分相比，靶在等离子下方运动一个更长的时间。与粒子轨道的直线部分相比，这导致粒子轨道转弯处的靶材料消耗更高。一旦粒子轨道转弯区域中的靶材料完全被消耗掉，那么就不得不更换靶，但是在靶的主要部分上仍然具有一些有价值的材料量。现有技术提供了形状为八字试块的圆柱形靶。八字试块靶具有在粒子轨道转弯区域内可以得到的更多靶材料。八字试块靶可以避免太早地消耗靶。但是，八字试块不总是可以得到，并且不总是可能用于所有材料，因为具有许多原因如脆性、导热性、材料费用、生产过程....。

靶的定位

在氩氧混合物的气氛中连续地溅射例如ITO(铟锡的氧化物)溅射靶时，称为瘤状物的黑色物质在靶表面上消失了。这些瘤状物趋于增大。这些瘤状物由于绝缘特性而没有被溅射过或者溅射得较少。这些瘤状物在溅射期间产生发弧，并且是溅射薄膜中的不均匀性和颗粒的源泉。对于可接受的工作而言，一旦瘤状物形成层变得太强大并且因此发弧和减少的溅射区域变得太强大，那么溅射过程不得不停止，并且在重新起动之前不得不机械地除去这些瘤状物。US-A-6106681公开了一种用来清扫ITO溅射靶的方法。在溅射之前或者在停顿期间，对ITO溅射靶进行多摆动的超声波冲洗，或者胶带被粘到ITO溅射靶的表面上。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点。

本发明的第二目的是提高长时间的等离子过程稳定性。

本发明的第三目的是提高基体上的喷涂均匀性。

本发明的第四目的是减少溅射沉积期间的机器停机时间。

本发明的第五目的是进一步减少发弧。

本发明的第六目的是减少靶上的槽形成。

根据本发明的概括性方面，提供了一种用来改善溅射沉积过程的方法。该方法包括下面步骤：

a)提供真空；

b)在该真空中提供电极；

c)在所述真空中提供基体，所述基体与所述电极不接触；

d)在该真空中提供装置，该装置相对于电极进行相对运动，并且在接触区域中与电极相接触；

该装置从电极中除去材料，或者把材料施加到电极上，该材料是固态的。

在基体和电极之间的相对运动和在物质和电极之间的接触可以是连续的，或者可以是断续的。在不需要破坏真空的情况下，在基体充电循环之间，该装置例如可以施加到旋转靶上。或者它可以随着电极的速度与电极连续接触，即在装置和电极之间没有相对运动，现在和然后制动停止，这产生了相对运动-在除去材料或者施加材料时。

该方法具有许多优点。该方法简单。确实，借助简单机构来实现该方法不需要复杂的电子或者复杂的控制运算法则。而且，因在真空中实现该方法，即在溅射沉积过程期间，或者作为溅射沉积循环的一部分，来实现该方法，因此机器停机时间得到减少。此外，在不需要从溅射装置中除去靶的情况下，在原处执行该方法。

电极可以是阴极，例如圆柱形靶，它起着阴极的作用。在本发明上下文中的圆柱形靶的优点是，接触装置可以是停止的，因为圆柱形靶进行旋转。在圆柱形靶进行旋转期间，该装置可以连续地或者间歇地除去材料或者把材料加入到靶中。

电极也可以是阳极，该阳极与基体不接触。该阳极可以是圆柱形管，该圆柱形管可以是旋转的并且它可以旋转。或者它可以是金属丝刷如描述在Sieck等人的US5683558中的刷，在那里，金属丝的末端起着负电荷收集器的作用。这种金属丝刷可以具有任何形状，并且优选为圆形、细长形。该刷相对于该装置可以运动。

真空室的壁或者罩也可以用作阳极。因而，该装置相对于静止真空室不得不运动。

在本发明的第一实施例中，从电极中除去材料。这里，该装置优选地具有这样的硬度：该硬度大于或者等于靶或者它的一部分的硬度。借助例子，该装置可以是磨损装置或者切割装置或者磨光装置，在这里用来从电极中除去材料。

在本发明的第二实施例中，把材料加入到电极中。在这里，该装置优选地具有这样的硬度：该硬度小于或者等于靶硬度或者它的一部分的硬度。当意图把材料施加到电极上时，又借助例子，通过供给机构或者敷贴器或者现有技术中公知的任何其它装置来实现这个。

电极、通常是靶和装置之间的接触区域的各种替换方式也是可以的。

在第一个替换方式中，接触区域与端部区域叠置，例如盖住端部区域，例如等于端部区域。端部区域是没有溅射过的区域。

在第二替换方式中，接触区域与粒子轨道返回区域相叠置，例如盖住粒子轨道返回区域，例如是靶上的粒子轨道返回区域。

在第三替换方式中，接触区域与侵蚀区域相重叠，即盖住侵蚀区域，即是侵蚀区域。侵蚀区域是正常靶消耗区域，即直线粒子轨道区域。

在其它之中，本发明的第三替换方式特别有利于这样的一些材料：这些材料对所谓的瘤状物形成敏感。瘤状物是局部不规则部分，在靶材料进行沉积期间，这些局部不规则部分形成在靶表面上。硬度或者导电性不同的瘤状物形成了它们的直接包围物，从而损坏了溅射过程的均匀性。尤其知道下面这些材料对瘤状的物形成敏感：

-ITO-铟锡氧化物-靶，或者

-ZnAlO-涂有铝的氧化锌

-TiN、钛、钴钛(CoTi)、及铝

该方法最适合于ITO靶。

附图说明

现在，参照附图来更加详细地描述本发明，其中：

图1A是圆柱形靶的横剖视图；

图1B是图1A的圆柱形靶的上部视图；

图2示出了本发明的第一例子，其中把材料施加到靶的端部区域上；

图3示出了本发明的第二例子，在这里，从靶的端部区域中除去材料；

图4示出了本发明的第三例子，在这里，把材料施加到靶的粒子轨道返回区域中；

图5示出了本发明的第四个例子，在这里，把材料施加到粒子轨道返回区域和靶的端部区域中；

图6示出了本发明的第五个例子，在这里，从靶的腐蚀区域中除去材料；

图7示出了本发明的第六个例子，在这里，从旋转阳极中除去材料。

图8示出了本发明的第七个例子，在这里，从旋转金属丝刷阳极中除去材料。

具体实施方式

图1A是旋转圆柱形靶10的横剖视图，该靶10绕着固定的磁体组件12进行旋转。磁体组件产生了磁场13。

图1B是靶10的上部视图。电力和磁力的合成效果在靶10的表面上产生了所谓的粒子轨道14。粒子轨道14是溅射靶材料的区域。

粒子轨道14在靶10上限定出三种不同区域。

第一种区域形成了主要部分并且称为侵蚀区域16并且与粒子轨道14的直线部分相对应。在侵蚀区域16内，溅射期间的靶材料的消耗基本相同。

在端部处可以发现第二种区域，该第二种区域称为端部区域18。在端部区域18内，没有(或者非常少的)靶材料被溅射掉，换句话说，在端部区域18内没有消耗靶材料。

第三种区域是粒子轨道返回区域20。如上面所述那样，在粒子轨道返回区域20内，在正常情况下，形成槽，因为与腐蚀区域16相比，靶10在等离子区下方运动一个更长的时间。这导致粒子轨道返回区域20内的靶材料消耗更大，并且产生一些槽。

本发明提供了各种技术方案来解决不同靶区域内的各种问题。

例子1

图2示出了本发明的第一个例子，其中材料主要施加到旋转圆柱形靶10的端部区域18中。标号为22、22′的左和/或右带状材料各自摩擦旋转靶10的左和右端部区域18。带状材料22、22′相对于沉积室是固定的，或者可以进行往复运动，或者可以与靶一起进行运动，从而现在和然后进行制动以在靶和装置之间产生运动。带状材料22、22′的下侧设置有导电材料，该导电材料的硬度小于靶10的材料的硬度。在靶10进行旋转时，由于导电材料的硬度较小，因此导电材料层被施加到端部区域18的整个圆周上。其结果是，使电弧敏感区域保持在导电状态下。没有充电产生。避免了发弧。

作为例子，靶10可以由铝、锌或者锡形成，带状材料22、22′可以设置有石墨块(blocs)。

例子2

图3示出了本发明的第二个例子，其中主要从旋转圆柱形靶10的端部区域18中除去材料。合适的刀片、小刀类或者凿子切割工具或者刮擦装置24、24′所具有的硬度等于或者大于靶10的材料。这些装置24、24′各自接触靶10的左和右端部区域18。在靶10进行旋转时，除去了靶10的一些薄层材料。其结果是，如果不能避免的话，那么也减小了在端部区域18内形成有害的电介质材料。在这种方法中，减小了充电的危险和相关的发弧危险。

作为一个例子，靶10的材料可以是锌，并且装置24、24′的接触表面材料可以是碳化钨。

例子3

图4示出了第三个例子，其中把材料施加到靶10的粒子轨道返回区域20中。例如，借助弹簧系统(未示出)，使辊子26、26′各自施加到粒子轨道的左和右返回区域20中。辊子26、26′的表面的线性速度可以不同于靶10的表面的线性速度，因此在辊子26、26′和靶10之间具有滑动。辊子26、26′设置有这样的材料：该材料的溅射速度和硬度都小于靶10的材料的溅射速度和硬度。在靶10进行旋转时，由于辊子26、26′上的材料的厚度较小，因此把材料施加到靶10的整个圆周上。由于所施加的材料的溅射速度较小，因此在粒子轨道返回区域20处的溅射速度慢下来了并且可以减小或者避免槽的形成。

作为例子，靶10由锌、锡、钛或者硅来形成，辊子26、26′可以在它们的表面上设置石墨。

例子4

例子4是例子1和例子3的结合。图5示出了第四个例子，在这个例子中，把材料施加到粒子轨道返回区域20和圆柱形旋转靶10的端部18中。施加材料通过两个辊子28、28′来实现。

例子5

图6示出了第五个例子，其中从ITO靶10的侵蚀区域16中除去材料。包括不同刮刀片31(每个刮刀片连接到刀片弹簧32上)的、可运动的刮刀30形成为借助转动顶杆33来接触侵蚀区域16和粒子轨道返回区域20。优选的是，刀片弹簧由电绝缘材料来形成。如上面所解释的那样，ITO靶的表面示成具有瘤状物29，而这些瘤状物29可以产生发弧或者在溅射涂层中产生不均匀性。在ITO靶10进行旋转时，刮刀30除去瘤状物29。

从上面中可以清楚地知道，在除去材料期间，该靶最好不处于溅射模式，但是这种可能性不能排除(根据基体对电极的位置)。尽管然后使溅射循环停止，但是该方法不需要破坏真空或者拆下靶来进行清洗。在收集板50上可以方便地收集碎片51，该收集板50基本上具有调节基体的相同尺寸大小，并且取代调节基体来防止污染溅射装置受到污染。真空的存在有助于在清洗期间防止灰尘传播到该装置中。

在第一替换实施例(未示出)中，刮刀包括细长的圆柱形金属刷，该金属刷被推靠在旋转靶上。在转动时，刷子在靶上进行旋转。

在第二替换实施例(未示出)中，刮刀包括切割工具，该切割工具在靶上进行运动，这很像凿子在车床的工件上进行运动。

例子6

图7示出了第六个实施例，在这个实施例中，从旋转阳极34、34′中除去材料。两个旋转圆柱形阳极34、34′设置在阴极靶10的附近。刷子36、36′相应地摩擦左、右阳极34、34′。当阳极旋转时，阳极34、34′的整个圆周表面被清扫。可以避免在阳极34上形成电介质材料。该结果是，阳极连续工作，并且不会消失。

作为例子，阳极34可以由不锈钢形成，并且刷子36、36′可以由高碳钢形成。作为替换实施例，钢棉可以用来清扫阳极。

例子7

图8示出了具有两个收集阳极44、44′的第七个例子。每个电极是形成为细长圆柱形金属丝刷44、44′的阳极，该金属丝刷绕着它自己的轴线进行旋转。若干金属丝46、46′收集等离子体42从平面靶40中所除去的靶材料，该等离子体42借助磁性排列12来限定出。所描述出的金属丝的数目不等于刷中的金属丝的真实数目，并且它们的尺寸大小和长度没有画成成比例。在进行旋转的同时，金属丝刷接触装置48、48′。该装置使金属丝弯曲，因此可以除去收集在金属丝上的靶材料。该装置优选为由绝缘材料如陶瓷材料或者类似物形成。又，碎片51收集在收集板50上，从而不会污染该溅射装置。

Claims (17)

1.一种改善溅射沉积过程的方法，所述方法包括下面步骤：

a)提供真空；

b)在所述真空中提供电极；

c)在所述真空中提供基体，所述基体与所述电极没有接触；

d)在所述真空中提供装置，所述装置相对于所述电极进行相对运动，并且在接触区域中与所述电极相机械接触；

所述装置从所述电极中除去材料，或者所述装置把材料施加到所述电极上，所述材料是固态的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置所具有的硬度大于或者等于电极的硬度或者它的一部分的硬度，从而从所述电极中除去材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置所具有的硬度小于或者等于电极的硬度或者它的一部分的硬度，从而从所述电极中施加材料。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述电极是阴极。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阴极是旋转圆柱形靶。

6.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述电极是阳极。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述阳极是真空室的壁或者罩。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述阳极是可旋转的圆柱形管。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述阳极是可旋转的刷。

10.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述靶具有没有被溅射过的端部区域，其中所述接触区域与所述端部区域相重叠。

11.根据权利要求1-5或者10任一所述的方法，其特征在于，所述靶具有粒子轨道返回区域，所述接触区域与所述粒子轨道返回区域相重叠。

12.根据权利要求1-5、10或者11任一所述的方法，其特征在于，所述靶具有腐蚀区域，所述接触区域与所述腐蚀区域相重叠。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述靶是ITO靶。

14.根据权利要求1-13任一所述的方法，其特征在于，所述装置相对于所述电极进行间歇的相对运动，所述装置与所述电极间歇地接触。

15.根据权利要求1-13任一所述的方法，其特征在于，所述装置相对于所述电极进行连续的相对运动，所述装置与所述电极间歇地接触。

16.根据权利要求1-13任一所述的方法，其特征在于，所述装置相对于所述电极进行间歇的相对运动，所述装置与所述电极连续地接触。

17.根据权利要求1-13任一所述的方法，其特征在于，所述装置相对于所述电极进行连续的相对运动，所述装置与所述电极连续地接触。

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