可旋转式磁控管的靶利用率提高制造技术

描述了用于沉积来自靶的材料同时减轻过早烧穿问题的可旋转式磁控溅射装置。所述可旋转式磁控溅射装置包括缠绕在极片上的电线圈，用于调节磁控管磁性组装件的末端处的磁场。通过改变电流的方向，使溅射区域在其正常中心位置周围交替地移动，从而降低靶材料的末端处腐蚀深度的速率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在真空涂覆系统中使用的物理气相沉积(PVD)设备；更具体地，本专利技术涉及在大面积真空涂覆应用中所使用的圆柱形可旋转式磁控管。
技术介绍
溅射沉积是一种物理气相沉积(“PVD” )方法，用于通过将来自“靶”(或源)的材料溅射(即，喷射)到“衬底”(诸如硅晶片)上来沉积薄膜。溅射源可以是磁控管，其使用强电场和磁场来俘获靠近磁控管表面的电子。电子在磁场线周围遵循螺旋路径，从而经历比其他情况下所发生的更多的与靶面附近气态中性核素的电离碰撞。溅射气体是惰性气体，比如氩(Ar)。由这些碰撞而产生的额外Ar离子导致了更高的沉积速率。等离子体可在较低的压强下持续。授予McKelvey的美国专利号4，356，073 ( “McKelvey ‘073”)通过引用而整体并入本文，该专利教导了一种可旋转式磁控溅射装置。McKelvey ‘073教导了一种等径直筒状的背衬管/靶管。授予McKelvey的美国专利号4，445，997 ( “McKelvey ‘997”) 通过引用而整体并入本文，该专利教导了一种具有非圆筒状背衬管/靶管的可旋转式磁控管，该非圆筒状背衬管/靶管稍呈木桶形，在中央区域的一部分上具有更大直径。 McKelvey ‘997的教导可应用于涂覆弯曲的衬底，比如汽车的风挡。授予McKelvey的美国专利号4，466,877( “McKelvey ‘887”)通过引用而整体并入本文，该专利教导了一种双重可旋转式磁控管，其作为靠近彼此安装并同时得到供电的一对单个的圆柱形磁控管。利用这种布置，可以“一同溅射”两种不同的金属(即，在每个磁控管上溅射一种金属)，从而在衬底上形成金属合金的涂层。在本领域中，已存在对构造细节和溅射过程中的结合方法方面的改进。例如,通过引用而整体并入本文的，授予Hollars的美国专利号6，365, 010 ( “Hollars”)教导了使用双重可旋转式磁控管进行介电涂层沉积的构造方法和过程实施方式。当前的单一可旋转式磁控管和双重可旋转式磁控管的一个问题是，对靶材料的利用受到靶末端处材料过度腐蚀的限制，它会导致靶寿命的过早终结以及对昂贵靶材料的低效利用。现将参考附图做出描述，其中相似的数字始终指代相似的部件。应当认识到，附图并不一定是按比例绘制。图1示出了典型可旋转式磁控管设计的透视剖面图1a和设备每一端处磁封的俯视平面图lb。在图1的视图1a中，靶材料I结合到承载管2，该管通常可随相同或不同的靶材料重复使用多次。一对同心管道或管3a和3b被用于提供进出磁控管的加压冷却水以及支撑磁性组装件4。磁性组装件在其基本形式中包括一组笔直成行布置的永磁体5，且如北(N)极和南(S)极标记所指示，中间行具有与每侧行相反的磁极性。该设备可在所有磁体相对于图中定向被反转的情况下发挥功能。磁体位于高导磁性的细长板或条6之上， 该板或条6在组装件的背面上提供磁通量的闭合路径。软钢和铁/镍合金可用于此目的。 安装条7支撑磁体和导磁板并且提供与管3b的附接手段。薄封盖8保护磁体免受水的损害。在操作中，可将管和磁性组装件保持固定，同时可让靶材料和背衬管如箭头所指示那样转过磁性组装件。可以向靶施加负直流(“DC”)电压或交流电压，并且磁极之间的拱形磁场(未示出)提供了增强电子俘获的区域，其允许设备以相比于二极管溅射较低的压强来溅射靶材料。磁性组装件必须终止于靶的每一端附近。图1的视图1b示出了最常见构造的俯视平面图，其中外部磁体组由定向相同的磁体9的大体上为环形的节段连接起来，且笔直节段之间的间距“W”在末端周围大致得到保持。视图1b还图示出磁性组装件一般是使用单个磁体来构造的。经常使用导磁性连续极片作为单个磁体上的顶盖，以便既集中磁通量也使通常强度不太均匀的单个磁体所生成的通量大小变得平稳。极片在使通量平稳方面可以如此有效，以至于单个磁体之间的小间隙也是可以容许的。这允许了调节磁场强度的额外方式。这些可选的极片未在此图中示出。虚线10示出了拱形磁场的中央区域的路径，在其中靶材料的溅射以最快速率进行。靶材料在每一端处的腐蚀更快，这是因为相对于笔直节段而言，在磁场的回转区域存在朝靶管旋转方向的略长的溅射路径长度。在图2中以视图2a和视图2b图示了此效果。视图2a示出背衬管2上的靶材料I在溅射开始前具有均匀的厚度。视图2b示出溅射后寿命终结时的靶。常见的问题是，材料在位于靶端上的区域 11处被耗尽露出背衬管2，而在管长度的大部分之上仍 有一定厚度的材料(在一些情况下约为25%至30%)尚未使用。这种过早“烧穿”导致对往往非常昂贵的靶材料的净利用率很差。Hartig 等人的标题为 “Magnetron Cathode for a Rotating Target” 的美国专利号5，364，518( “Hartig”)教导了一种解决此问题的方法。图3a和图3b图示了 Hartig 的某些教导。图3a示出了存在于相反方向的磁极之间的拱形磁场。当施加电压时，在拱形场的中点处溅射进行地最快。如图3a所显示的，所产生的溅射槽12的形状与拱形磁场的形状大致相反。更精确而言，溅射在与靶材料I的局部表面垂直的磁场分量变为O之处进行得最快。这通常被称为场的垂直分量。对弯曲的或拱形的磁场而言，这个点也是磁场拱线的切线与局部靶材料表面相平行之处。图3b示出了改进。磁分路器13跨磁体的一侧放置。这将会对应于图1 (视图1b)中指示为9的回转处外部磁体阵列。此分路器导致拱形磁场如所示那样变得歪斜。当靶材料I具有全厚度时，溅射朝此分路器略为偏移地最快进行。但是随着靶材料变得更薄，最大溅射区域朝磁体的中心移位，从而扩宽或在更大面积上涂抹溅射区域。这有效地减缓了在烧穿区域中相对于靶的其余区域的腐蚀。利用这种布置， 溅射槽在溅射起始时的长度会稍微长于其在溅射完成时的长度。因此，衬底上沉积涂层的均匀度在靶的寿命期间只有轻微改变。可以使用磁性组装件末端周围的其他磁布置来使过早烧穿问题最小化。一种方式是利用具有强度变化的磁体连同放置在主磁体之间的(通常)较小磁体和/或高导磁性元件一起来重塑磁场。利用这些方法有可能使拱形场的顶部变平，这也造成在靶端上的更宽和更平的腐蚀槽。还有可能通过磁体布置来将端槽“分裂”成隔开一定距离的两个槽。这也有助于补救烧穿问题。通过引用而整体并入本文的，授予Aragon的标题为“InvertedField Circular Magnetron Sputtering Device”的美国专利号 6，146, 509 ( “Aragon”)教导了不带移动机械部件的反转场环形磁控溅射设备。图4示出了 Aragon的反转场环形平面磁控管的等距剖视图。Aragon的磁控管的特征是轴对称，并且如果将其切成两半，每一半将类似于如之前所述典型圆柱形可旋转式磁控管的端部区域。图5更详细地图示了 Aragon的对称横断面布局。中心极14a处和外极14b周围的主永磁体定向于如箭头所指的相同磁方向。在“正常” 磁控管中，内部磁体和外部磁体具有相反的方向。Aragon的磁控管的内极和外极具有相同的方向，即，极当中的一个相对于“正常”方向被反转。Aragon的磁控管可被称为“反转场” 磁控管。除了永磁体之外,Aragon教导了对位于主极之间的一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.04.02 US 12/753,8141.一种在圆柱形可旋转式磁控管中使用的磁性组装件，包括第一磁体，其朝向所述磁性组装件的中心部分安设，所述第一磁体具有第一磁定向；第二磁体，其朝向所述磁性组装件的外围部分安设，所述第二磁体具有与所述第一磁定向相反的第二磁定向；以及介于所述第一磁体和第二磁体之间的一个或多个电磁线圈，所述一个或多个电磁线圈缠绕在一个或多个极片周围，所述一个或多个电磁线圈配置用于提供具有第三磁定向的磁场，所述第三磁定向与所述第一磁定向和第二磁定向中的一个相平行并且与所述第一磁定向和第二磁定向中的另一个相反。2.根据权利要求1所述的磁性组装件，其中所述一个或多个电磁线圈安设在所述磁性组装件的端部。3.根据权利要求1所述的磁性组装件，其中所述一个或多个电磁线圈在所述磁性组装件的每一端沿溅射路径以近似弯曲的方式布置。4.根据权利要求1所述的磁性组装件，其中所述第一磁定向和第三磁定向是平行的。 所述的磁性组装件，其中所述第二磁定向和第三磁定向是平行的。 所述的磁性组装件，其中所述第一磁体包括多个磁体。所述的磁性组装件，其中所述第二磁体包括多个磁体。所述的磁性组装件，还包括安设在所述一个或多个极片之上的一个所述的磁性组装件，其中所述第一磁体和第二磁体中的一个或多个 I所述的磁性组装件，其中所述第二磁体外接所述第一磁体的至少 I所述的磁性组装件，其中所述第一磁体具有比所述第一磁体的宽 I所述的磁性组装件，其中所述第二磁体具有比所述第二磁体的宽5.根据权利要求16.根据权利要求17.根据权利要求18.根据权利要求1 或多个磁场成形极片。9.根据权利要求1 磁体是永磁体。10.根据权利要求一部分。11.根据权利要求度更大的长度。12.根据权利要求度更大的长度。13.根据权利要求1所述的磁性组装件，其中所述磁性组装件在所述磁性组装件的每一端处包括5个或更多个电磁线圈。14.一种圆柱形可旋转式磁控溅射装置，包括磁性组装件，其具有介于第一磁体与第二磁体之间的一个或多个电磁线圈，所述一个或多个电磁线圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼斯·R·霍拉斯，
申请(专利权)人：纳沃萨恩公司，
类型：
国别省市：