溅射设备的制造方法
【专利说明】溅射设备
[0001]相关申请案的交叉引用
[0002]本申请要求2012年9月4日提交的美国临时专利申请第61/696，610号的权益，其在此以引用的方式并入本文中。
[0003]本申请有关2011年I月6日提交的美国临时专利申请第61/430，361号和2012年I月6日提交的美国专利申请第13/344，871号，两个申请案在此均以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0004]本描述大致上涉及旋转阴极磁控管溅射。尤其是，其解决在靶材增大超过标准磁控管总成可供应适于磁控管溅射的足够磁通量的点时遇到的特定问题。此外，本发明的一些实施方案改进用于诸如透明导电氧化物(TCO)的材料的沉积的工艺条件。
[0005]发明背景
[0006]旋转靶的磁控管溅射在本领域中众所周知且广泛用于在多种基板上产生多种薄膜。使用旋转阴极溅射的合理概述可见于例如美国专利第5，096，562号(其在此以引用的方式并入本文)中。
[0007]在最基本形式的旋转靶磁控管溅射中，待溅射材料形成为管状或附着至由刚性材料制成的支撑管的外表面。磁控管总成安置在管内且供应磁通量，其渗透靶使得在靶的外表面上存在足够的磁通量。磁场被设计使得其保持从靶发射的电子以增大其将与工作气体电离碰撞的概率，从而提高溅射工艺的效率。
[0008]一些材料(尤其陶瓷TCO材料)的靶的制造成本与原材料的成本相比相对较高。为了改进这些靶的经济性，期望增大靶材的厚度。以此方式，靶将具有明显更有用的材料，同时仅最小地增加靶的总成本。这是因为制造成本未显著变化。唯一的显著增大是由于所使用的额外原材料。较厚靶应具有允许靶变化之间的较长制造周期的额外好处。
[0009]如所述，使靶厚度增大太多可能在使用标准磁控管总成时导致靶表面上的不足磁通量。对具有更高磁通量的磁控管设计的需要是明确的。
[0010]但是，增大磁通量的努力通常将产生新问题，其中转向的宽度被扩宽。这接着导致靶端上增大的相对腐蚀速率及因此由于靶“烧穿”导致的缩短的靶寿命。这与增大靶厚度的目的抵触。
发明概要
[0011]用于旋转阴极的典型磁控管总成100(图1A中所示)包括三个大体平行的磁铁行102，其附接至导磁材料(诸如钢)的磁轭104，其帮助完成磁路。磁铁的磁化方向将为相对于溅射靶的主轴的径向。中心行106将具有相反极性的两个外行108 (见图1B)。这种类型的磁控管的额外描述可见于美国专利第5，047，131号(其在此以引用的方式并入本文中)。内行106和外行108磁铁的磁通量穿过磁铁一侧上的导磁磁轭104连结。在磁铁与磁轭104相对的另一侧上，磁通量未包含在导磁材料中；因此，其大体上未受阻地渗透穿过大体上非磁性的靶。因此，两个弧形磁场被提供在靶的工作表面上及上方。此磁场保持电子并且导致其在垂直于磁场线(其平行于磁铁行102)的方向上漂移。这被称作ExB漂移且在任意基本的等离子物理教材中描述。在常规配置中，这种漂移路径还平行于靶的主轴。
[0012]此外，外行108比内行106稍长且与外行108相同极性的额外磁铁110 (图1B中所示)在两个外行108之间被放置在总成的末端上，形成漂移路径的所谓“转向”区域。这具有连接两个漂移路径的效果，从而形成一个连续的卵形“跑道”漂移路径。这使电子的保持最佳化且因此使溅射工艺的效率最佳化。
[0013]增大磁场强度的直观途径是简单增大磁铁的大小或强度。增大磁强度受限于较强磁铁的可得性。非常高强度的磁铁也非常昂贵且难以协作。此外，为了额外好处，也可将较强磁铁应用于任意优异设计(诸如本发明的实施方案的设计)。
[0014]当考虑较大横截面的磁铁时问题出现。增大径向方向的尺寸不会赋予靶表面上通量的成比例增大。因而，这是自限制方式。增大与靶表面相切的方向上的尺寸也是自限制的，因为几何形状需要将磁性材料的块体更远地移离靶表面，其用于减弱靶表面上的磁场。这与实现预期效应抵触。(这种设计的一个实例见图2)
[0015]增大磁铁大小的方式的另一个不利影响在于跑道被扩宽。即，跑道的两个长部分被彼此进一步分开。这扩宽跑道的转向部分，导致靶端上增大的相对腐蚀速率。因此，革巴的这些部分在使用更大块靶材之前被消耗。因此，在完全使用靶材之前，靶必须停止工作。
[0016]为了解末端上增大的腐蚀速率，可考虑旋转靶表面上的两个点。一个点旋转穿过跑道的两段(长部分)。另一个点旋转穿过转向部。可见穿过转向部的点在跑道中花费多得多的时间，因此被更重度腐蚀。这个主题的进一步讨论可见于美国专利第5，364，518号(其在此以引用的方式并入本文中)。
[0017]上述问题可通过使用四(或更多)行或其它独立线性阵列的磁铁，而非常规的3行而克服。这允许克服如上文讨论的过大磁铁的问题。但是，更重要的是，其允许在未不利地影响(或至少减小负面影响)电子保持的情况下唯一地修改转向部，其使靶端上的过度腐蚀最小化。
[0018]一个实施方案涉及一种磁控管总成，其包括多个磁铁；和磁轭，其被构造来将多个磁铁保持在至少四个笔直、平行、独立线性阵列中。多个磁铁被配置在磁轭中以形成包括外部分和内部分的图案，其中外部分大体上围绕内部分的周边。线性阵列的末端部分包括一对转向区段，其中每个转向区段大体上横跨外部分的一对长形区段的各自末端。每个转向区段中的磁铁被配置来在磁场中形成沿着靶旋转轴彼此偏移的至少两个或更多个不同曲线。
[0019]另一个实施方案涉及一种溅射系统，其包括室，基板移动穿过所述室。系统还包括阴极总成，所述阴极总成包括:长形可旋转圆柱管，其安装在室中且具有靶表面；和磁控管总成，其定位在长形可旋转圆柱管内。磁控管总成包括:多个磁铁；和磁轭，其被构造来将多个磁铁保持在至少四个笔直、平行、独立线性阵列中。多个磁铁被配置在磁轭中以形成包括外部分和内部分的图案，其中外部分大体上围绕内部分的周边。线性阵列的末端部分包括一对转向区段，其中每个转向区段大体上横跨外部分的一对长形区段的各自末端。每个转向区段中的磁铁被配置来在磁场中形成沿着靶旋转轴彼此偏移的至少两个或更多个不同曲线。
[0020]另一个实施方案涉及一种在基板上溅射材料的方法。方法包括形成磁铁图案作为被安置在长形可旋转圆柱管内的磁控管总成的一部分，其中长形可旋转圆柱管包括靶表面。方法进一步包括将长形可旋转圆柱管安装在室中，在室中维持真空，在室内旋转长形可旋转圆柱管，使用磁控管总成在靶表面上供应磁通量，及在室内于靶表面附近移动基板。磁控管总成包括:多个磁铁；和磁轭，其被构造来将多个磁铁保持在至少四个笔直、平行、独立线性阵列中。多个磁铁被配置在磁轭中以形成包括外部分和内部分的图案，其中外部分大体上围绕内部分的周边。线性阵列的末端部分包括一对转向区段，其中每个转向区段大体上横跨外部分的一对长形区段的各自末端。每个转向区段中的磁铁被配置来在磁场中形成沿着靶旋转轴彼此偏移的至少两个或更多个不同曲线。
[0021]附图简述
[0022]图1A是用于旋转阴极的典型磁控管总成的图。
[0023]图1B图示图2A的磁控管总成中的磁铁的磁化方向。
[0024]图2是用于旋转阴极的磁控管总成的替代设计的图。
[0025]图3A是磁控管总成的一个示例性实施方案的图。
[0026]图3B是图3A的磁控管总成中所使用的磁轭的一个示例性实施方案的图。
[0027]图4图示适用于图3A的磁控管总成中的一个示例性磁铁配置。
[0028]图5图示适用于图3A的磁控管总成中的另一个示例性磁铁配置。
[0029]图6图示适用于图3A的磁控管总成中的又一个示例性磁铁配置600。
[0030]图7是磁控管总成的另一个示例性实施方案的图。
[0031]图8是其中可使用图3A和图7的磁控管总成的溅射系统的一个示例性实施方案的图。
[0032]图9图示适用于本文中描述的磁控管总成中的另一个示例性磁铁配置。
[0033]图1O-A至图1O-E图示分别跨线1-A至1-E取得的图9中所示的示例性磁铁配置的横截面。
[0034]图11图示使用图9中所示的磁铁配置形成的等离子。
[0035]图12是在基板上溅射材料的方法的一个示例性实施方案的流程图。
【具体实施方式】
[0036]参考图3A，在本发明的一个示例性实施方案中，磁控管总成300包括:多个磁铁302 ;和磁轭304，其被构造来将多个磁铁302保持在至少四个笔直、平行、独立线性阵列306中。在图3A中所示的示例性实施方案中，磁控管总成300包括磁铁302的四个笔直、平行、独立线性阵列306，其配置成四行306。
[0037]在本示例性实施方案中，磁铁行306包括一个极性的两个内行308和相反极性的两个外行310。磁铁302行306附接至磁轭304。磁轭304由导磁材料制成，诸如钢或磁性不锈钢。这种构造允许额外磁质量，同时允许磁铁302可行地相对于靶表面保持在最靠近位置。因此，充分利用额外磁质量。
[0038]如图3B中所示，在一个实施方案中，磁轭304包括多个狭缝或通道312，每个磁铁302行306各一个。(注意，为简明起见，有关具体磁铁配置的细节未示出在图3B中，而是在下文参考图4至图6更详细讨论。)通道312被确定大小，使得相应磁铁302的一部分可插入通道312以形成本文中描述和示出的磁铁302行306。磁铁302可以数种方式保持在适当位置，包括但不限于使用磁力、摩擦配合或粘合剂。使用这些通道312以形成本文中描述的磁铁图案使整个磁控管总成300能在不修改磁轭304的设计的情况下重新构造。
[0039]在优选的实施方案中，内行308和外行310磁铁302具有相同强度和相同横截面尺寸，使得