CN1861835A - 操作具有靶的溅射阴极的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作磁控管溅射阴极、特别是阴极管或形成一个阵列的几个阴极管的方法。在此类阴极中，一个靶经过磁场，因此感应电流在畸变磁场的靶中流动。这导致基底的不均匀涂层。通过在磁场和靶之间的相对移动交替地反转它的方向，能够补偿磁场畸变的结果。这得到将被涂敷的基底上的涂层更为均匀。

Description

操作具有靶的溅射阴极的方法

技术领域

本发明涉及一种用于操作磁控管溅射阴极、特别是阴极管或形成一个阵列的几个阴极管的方法。

背景技术

被应用到基底上的材料层——例如人造膜或者玻璃-借助于所谓的溅射处理而被频繁应用。这个溅射处理是在等离子体的真空室中进行。

在这个处理中，借助于等离子体中的离子，微粒被击出靶之外，它们随后被沉积在与靶相对的基底上。

该靶连接到施加负电压的阴极，这样加速来自等离子体中的阳离子。

为了把最大可能数量的微粒击出这个靶之外，在这个靶附近使用的是磁铁，它的磁场穿过该靶。因此，负责等离子体电离的那些电子聚集在靶的表面附近。阴极和永磁体的组合也被称为″磁控管″。

如果阴极和靶是平面的，该磁控管被称为一个平面磁控管。

可是，有一段时间，空圆柱磁控管由于它们的靶材料高产而越来越被应用。这些磁控管有时也被称为阴极管。

一个也是管状的靶被置于在阴极管外侧上。管状的靶围绕阴极纵轴旋转，磁铁被固定放置在阴极中。这些磁铁的磁场穿过阴极和靶，并因此也被放置在等离子体中。

由于″阴极管″也常常被理解为包括马达、旋转传输引入线(leadthrough)、轴承、电滑块、冷却装置线和磁铁系统，磁铁系统和靶冷却的一部分被放置在圆柱形靶中。

具有旋转靶的磁控管阴极的一个溅射装置早已被知晓，其中，该靶以一种特殊的方式进行冷却(DE 4117 368 A1)。

在另一已知的旋转磁控管阴极中，在阴极的两个相反位置提供磁铁，以便能够用一个溅射涂层同时提供两个基底(DE4126236A1)。

最后，还知道一种用于阴极溅射的旋转阴极，它提供一个能够相对它的轴旋转的管状结构部分，并且随着它的轴旋转，至少一种材料要被溅射在它的周围(EP 0703 599 B1)。这个旋转阴极还包括一个磁铁系统和一个机构方式，使得管状结构部分在溅射期间的振荡旋转移动成为可能。这旨在解决用于磁控管协助的阴极溅射的阴极靶材料的快速交换的方法中所涉及的问题。为了在具有两个不同旋转靶的配置中获得均匀的侵蚀，其中每一个靶都以半圆柱的形式生成，在沉积期间允许旋转阴极以等于或小于α/2的幅度振荡。在两个不同靶的情况下，它是α＝180°。

本发明的目的是消除具有靶被移动穿过磁场的溅射阴极中的涂层质量的感应电流的负面影响。

发明内容

本发明因此涉及一种用于操作磁控管溅射阴极、特别是阴极管或形成一个阵列的好几个阴极管的方法。在此类阴极中，一个靶经过磁场，因此感应电流在磁场被畸变了的靶中流动。这造成基底的不均匀涂层。因此，在磁场和靶之间的相对移动交替地反转它的方向，能够补偿磁场畸变的结果。这导致将被涂敷在基底上的涂层更均匀。

本发明实现的优点特别包括：在具有在一个方向上连续旋转的导电靶材料的阴极管或者阴极管配置的情况下，避免了发生的涂层厚度分布的变形。

附图说明

本发明的实施例如图所示，并将在下面更详细地描述。在附图描述中：

图1平行放置在溅射室中的几个阴极管图；

图2在具有好几个阴极管的一个溅射单元的静态操作下，基底上的涂层厚度分布图；

图3在具有好几个阴极的一个溅射单元的动态操作下，基底上的涂层厚度分布图，其中那些阴极在第一方向上旋转；

图4在具有好几个阴极的一个溅射单元的动态操作下，基底上的涂层厚度分布图，其中那些阴极在第二方向上旋转；

图5穿过一个阴极管的横截面；

图6穿过等离子体室的纵截面。

具体实施方式

图1例示了穿过真空室1的一个截面，其中放置了四个可旋转的阴极管2到5。与这些阴极管2到5相对方向放置的是要被涂敷的基底6，例如一个玻璃板。

每一个阴极管2到5包括一个圆弧形磁轭7到10以及轴承管11到14，在其外侧放置圆柱形靶15到18。

在图1的描述中，具有相关靶15到18的管11到14以箭头19到22的方向(如此是在顺时针方向上)旋转。但是，它们还可以在逆时针方向上旋转。

在圆弧形磁轭7到10中放置了三个永磁体组23到34，其中永磁体组23，25；26，28；29，31；和32，34具有同一极性，而分别置于它们之间的永磁体组24，27和30，33具有相反极性。具有永磁体组23到34的磁轭7到10被固定放置，即不随着管11到14旋转，也不随着靶15到18旋转。

如果用按照图1的一个配置溅射靶15到18，则在基底的表面上沉积一个涂层，它由与靶相同的材料组成。在反应溅射的情况下，溅射在靶之外的材料还可以进入一个化学反应中，并在它在基底上沉积之前形成一个复合物。由于阴极管2到5不能无限接近，所以它们彼此有一个间距，这形成不均匀的涂层，该涂层与凸出图平面的阴极管2到5的纵向轴垂直。

图2例示了当阴极管2到5不旋转时(即，如果在静态状态执行溅射)，延伸金属涂层的阻抗分布的方式。

阴极管2到5的旋转轴被定向在y方向上。这个y方向是进入图1平面中的方向。x方向表示图1中的水平方向。椭圆40到43表示高导电阻抗的区域，即基底上的低涂层厚度。它们直接位于基底上的单个阴极管2到5的下面。椭圆40到43的主轴因此延伸到阴极管2到5的旋转轴下并且表示高导电阻抗的区域。由于直接在阴极管下面的磁场弱于阴极管的边缘区域中的磁场，所以更少的溅射材料也被沉积在这里。可是，较少的靶材料直接沉积在阴极管下面，这是通过较薄的涂层厚度和随其增加的导电阻抗来反映。椭圆40到43图示了增加了的导电阻抗区域；实际上，它们相对狭窄。图3图示了如果所有的阴极管2到5在顺时针方向上(即在箭头19到22的方向上)旋转时溅射到基底6上的材料的阻抗分布。

可见，阻抗增加了的区域沿着单个阴极管2到5的旋转轴的分布不再均匀，即：随着x距离的增加，椭圆变得越来越小。观测到的椭圆长度变化的影响在单个阴极的情况下也出现；可是，它只是在有好几个阴极的阴极阵列时变得很引人注目。还不知道增加较少涂层的区域偏移和随之在y方向上有高导电阻抗的机构。通过重叠等离子区域，从阴极到阴极进行发射是可以实现的，从而增加效应。

图4例示了在阴极管2到5逆时针方向旋转的情况下不断增加的阻抗的分布。在这种情况下，基底6上的溅射材料的不断增加的阻抗分布也是不均匀的，但是它有相反的意义，即：随着增加距离x，椭圆不断地变得更大。

很明显，一方面在顺时针方向上以及另一方面在逆时针方向上的旋转期间低沉积区域的不对称性是相反方向的。在顺时针方向上的旋转(图3)期间，椭圆44到47的主轴在x方向上变短，而在逆时针方向上的旋转期间，椭圆48到51的主轴在x方向上变长。

如果阴极管2到5在时间t₁期间并以规定的速率在顺时针方向上旋转并随后在同一时间t₁期间以同一速率在逆时针方向上旋转，则人们再一次获得图2中所述的分布，即，与静态溅射中相同的分布。两个相反方向的误差可以说是被补偿。可是，为了在基底上获得涂层的最佳均匀性，不需要所有的阴极总是以精确相同的圆周速度并在相同的方向上旋转。相反，旋转的圆周速度和持续时间可以变化。这特别在单个阴极有制造容差时应用。在这种情况下，圆周速度等被应用到特定的阴极中。

图1的阴极管2以放大了的比例再一次在图5中被描述。在这个图示中示出的是永磁体23到25建立的磁场的场力线(磁力线)60、61。

可以看出，场力线相对于阴极管11和靶15对称地延伸，并且直接在阴极管11下的磁场强度弱于在它侧面地磁场强度。

场力线的这个对称方向应用于静态操作，即如果阴极管2不围绕静态永磁体23到25旋转。可是，如果阴极管2确实围绕这些永磁体23到25旋转，永磁体23到25的场力线被靶15切割。位于一个正在导电的靶中的电子因此受到垂直于靶15的移动方向和垂直于场力线的方向(即，垂直于图平面的方向)的力。这使靶中电压U或电场强度E出现在目标的这个方向中，因为电子是沿着靶15的纵轴非均匀地分布。借助于方程式Ei＝vxB可以计算电场强度E，如果Ei是引发的电场强度，v是靶的圆周速度并且B是永磁体23到25的磁场强度。因此，产生一个感应电流，它反过来建立一个磁场，该磁场被叠加在永磁体23到25的现有磁场上。结果的磁场因此被畸变，这造成图3和4中描述的不对称性。

涂层厚度分布的变形发生在阴极的纵向方向上和垂直于它的方向上。

如图5所示的磁场被倾斜到一侧通过叠加的磁场，特别是在向右旋转期间倾斜到一个方向，并且在向左旋转的情况下，倾斜到相对的方向的时候。通过旋转方向上相等长度的改变，在一个方向上旋转而发生的误差可以通过在相反方向上旋转期间出现的相反方向的误差来补偿。因此，通过旋转方向的已定义时间比例，分布可以沿着y方向明确地偏移。

通过在靶中引发的电流，在靶和永磁体23、24、25之间还产生强力，它们与靶旋转方向相反。如果在靶和磁场之间发生一个相对移动，则在这里结合旋转阴极管描述的效果也相应地发生在平面阴极的动态操作期间。

图6描述了穿过具有阴极管2的室1的纵截面。通过位于配件70中的一个驱动，阴极管2可以被设置成旋转运动。另外，在这个配件70上，还提供了一个液体入口71和一个液体出口72。要被涂敷的基底6放在阴极管2的下面。一个气体入口如73表示，与真空室1的相反的侧面上的一个(未示出)气体的出口位置相对。

阴极管2连接到电压源74的负极，其中电压源74在这里被示为直流电压源。电压源74的正极连接到真空室1的底部75。插座墙壁76从包含配件70的大气层中分开在真空室1中的真空。在配件70中放置了一个液体管道77，它包含液体入口71和液体出口72。与液体管道77同轴放置的是一个不导电材料的管道78。在两个管道77和78之间放置密封环79、80、81和两个轴承配置82、83。在轴承83的配置的前面是一个旋转的驱动单元84，它围绕阴极管2旋转。在阴极管2的另外一端，放置着在轴承87中的这个阴极管2的配件86。88 89表示电源，直流电压源74的极点连接到它们的上面。

虽然图6只图示了一个阴极管，但是在真空室1中放置了与图平面垂直的好几个阴极管。这些阴极管每一个都可以装备有它们自己的驱动单元。但是，好几个阴极管使用一个驱动单元也是可能的。

在一个实施例中，旋转的驱动单元84可以根据箭头90提供顺时针方向的旋转，也可以根据箭头91提供逆时针方向的旋转。

阴极管11在一个方向上的旋转至少是360°，以便靶15的所有区域被用来进行溅射。可是，可以完成顺时针方向上的好几个旋转和随后在逆时针方向上相同数目的旋转。但是，在每个方向上的旋转数目必须总是相等的。

通常，阴极管的旋转速度或角速度是恒定的。可是，原则上，改变角速度也是可能的。磁场60、61的畸变影响越大，旋转速度越高。

如果阴极管11在顺时针方向上以高速旋转n次，则可以在逆时针方向上以低速用m次旋转补偿结果的畸变误差，其中m＞n。

当使用好几个阴极管时，这形成一个所谓的阴极阵列，从阴极管到阴极管之间彼此的角速度还可以不同。

在图6中，单个阴极连接到一个直流电压。可是，利用一个小的阴极对也是可能的，它包括连接到交流电压上的两个相似的阴极。在这种情况下，阴极交替地作为阳极和阴极。

本发明还可以被应用在用于静态涂层的阴极阵列中。通过静态涂层被理解为这样一个涂层：其中，在涂层期间基底静止并且没有相对于阴极的移动。磁铁系统在这里可以在涂层期间相对于靶移动或不移动。

Claims (15)

1.用于操作具有靶(15)的溅射阴极(11)的方法，其中溅射阴极和靶(15)相对于磁场(60，61)移动并穿过这个磁场(60，61)，其特征在于如下步骤：

a)相对移动是在某一个时间t₁在第一方向上的一个规定的间隔s₁发生，

b)相对移动是在某一个时间t₂内在与第一方向(90)相反的第二方向(91)上的一个规定的间隔s₂发生。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：溅射阴极和靶被实现为平面的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：溅射阴极是一个阴极管(2)，并和管状靶(15)一起以一个角速度旋转，在与第一方向相反的第二方向中大约是至少360°。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：在一个大约至少360°旋转期间，角速度是一个常量。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：在一个至少360°的旋转期间，角速度是变化的。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于：靶以360°旋转n次，在此n是整数并且n＞1。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于：几个阴极管(2到5)被定向为平行于它们的纵向轴。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所有的阴极管的角速度相等。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：至少两个阴极管的角速度不相等。

10.如前面一个或多个权利要求所述的方法，其特征在于：基底(6)被放置与靶(15)隔开一段距离。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于：与阴极管(2到5)的纵向轴平行放置一个基底(16)。

12.如权利要求7或11所述的方法，其特征在于：阴极管(2到5)的纵向轴是旋转轴并被放置在共同的平面中。

13.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所有的阴极管具有由同一材料组成的靶(15到18)。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于：相对移动的时间t₁和t₂相等。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于：相对移动的时间t₁和t₂不相等。

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