专利名称：溅射涂覆装置和涂覆方法
技术领域：
本发明涉及用于在衬底上沉积涂层的溅射涂覆装置，其包括至少一个具有靶材表 面的靶材；和涂覆方法，其包括提供包括至少一个具有溅射表面的靶材的溅射涂覆装置的步骤。
背景技术：
用于在衬底上沉积薄膜的溅射涂覆装置和方法在本领域是公知的。通常，溅射涂 覆装置具有用于提供涂覆材料的固定平面靶或圆柱旋转靶、用于向涂覆装置供电的电源、 和设置在面向靶材的溅射表面的方向上的待涂覆衬底。为了提高涂覆装置的溅射速率，引入了磁控溅射涂覆装置，其中在靶材的溅射表 面上方产生磁场。磁场形成多个具有增强的离子密度的等离子体约束区，因此提高了溅射 速率。但是，当使用静磁场时，靶材表上的侵蚀轮廓是非均勻的，导致衬底上非均勻的涂覆 以及不良的靶材利用率。为此，在涂覆过程中引入了受驱动的可动磁铁来扫描靶材表面。但是，最大电源和 溅射速率受到靶材表面温度的限制。在高温时，靶材表面受损，可能发生类似弧光的现象并 使靶材损坏。欧洲专利申请No. 06124060. 2 (未公布)公开了通过显著提高靶材表面和磁体部 件之间的相对速度来降低靶材表面温度的方法，该专利申请的内容通过引用结合于此。令 人惊讶的是，用这种方法可以提高溅射速率而且不会损坏靶材表面。
发明内容
本发明的目的是提供一种溅射涂覆装置和涂覆方法，用于在衬底上生成均勻性提 高的薄膜层，同时降低靶材表面的温度并提高靶材利用率。通过提供根据权利要求1的溅射涂覆装置和根据权利要求13的溅射涂覆方法来 实现上述目的。从属权利要求涉及本发明的具体实施例的特征。用于在衬底上沉积膜的具有创造性的溅射涂覆设备，其包括至少一个靶材，其具 有溅射表面；和多个磁体单元，其设置成相对于所述靶材可移动以在所述靶材表面上方提 供磁场。通过使多个磁体单元(即至少两个磁体单元，优选多于两个磁体单元)相对于靶 材移动，在靶材的溅射表面上方形成了移动的磁场以及移动的等离子体约束区(例如，呈 跑道形状)。已经发现，通过提供多个磁体单元，可以减小提供给靶材的溅射表面的平均能量 密度，并因此可以降低靶材的表面温度。这引起靶材侵蚀更均勻以及沉积在衬底上的层厚 度更均勻。此外，可以提高靶材利用率。具体的，可以实现靶材利用率理论值在70%和75% 之间，这明显高于通常的平面阴极的靶材利用率。靶材利用率增加是由于磁场的几何形状 和方向使得可以避免靶材的溅射表面上的热点(强侵蚀区域)的发展。靶材利用相当均勻，甚至接近靶材表面的边缘。可以有效的防止诸如弧光等引起靶材表面损坏的现象。
在本发明的优选实施例中，所述多个磁体单元中的至少一个磁体单元可以设置成 相对于所述多个磁体单元中的至少另一个磁体单元可移动。因此，磁体单元可以在平行于 至少另一个磁体单元的路径上，以相同的速度或不同的速度、以相同或相反的方向、并排的 或者相对于其他磁体单元偏置的移动。偏置可以是磁体单元之间基本固定的或变化的距 罔。具体的，所述多个磁体单元中的至少一个磁体单元可以设置成相对于所述多个磁 体单元中的至少另一个磁体单元可独立移动。磁体单元的独立移动意味着，磁体单元可以 以不同的速度、在不同的方向上、在分别的路径上和/或不会在其移动中被其他的磁体单 元所限制的移动。所述移动可以是同步的或异步的。第一组多个磁体单元的移动可以是耦 合的，例如执行同步移动，而另外的磁体单元可以相对于第一组磁体单元独立移动。在另一优选实施例中，溅射涂覆装置包括控制单元，用于控制所述多个磁体单元 中的所述磁体单元的移动。具体的，所述靶材是平面靶材。平面靶材具有平坦的溅射表面。优选的并作为本 发明的结果，平坦溅射表面的侵蚀轮廓是尽可能均勻的，以在衬底上沉积均勻厚度的镀层 并实现良好的靶材利用率。多个磁体单元通常设置在靶材的与靶材的溅射表面相反的一侧。也就是说，至少 两个磁体单元设置在一个靶材的下方，以在靶材的另一侧(即在靶材的溅射表面的上方) 形成磁场。这不同于在靶材和分开的磁体单元之间提供具有间距的多个靶材，其中一个设 置在各个靶材的下方。在本发明的优选实施例中，磁体单元设置成沿着和/或平行于所述靶材的纵轴可 移动。如果靶材是平面矩形靶，则纵轴是对称轴中的一条，优选较长的对称轴。当扫描靶材 的溅射表面的一部分时，沿着纵轴的移动使得磁体单元的移动速度更快。在本发明的另一优选实施例中，多个磁体单元中的磁体单元设置成在基本平行的 路径上可相对移动。具体的，磁体单元设置成相邻的。通常，磁体单元在平行于另一磁体单元的移动路 径的路径上可相对移动，从而磁体单元的移动不会相互干涉。另一方面，磁体单元设置成相 互接近的。因此，特别是当磁体单元移动相互接近或相互经过时，由第一磁体单元所产生的 磁场与另一个或其他的磁体单元所产生的磁场可以相干涉。在优选实施例中，靶材具有多个靶材部分，并且所述多个磁体单元中的每一个都 设置成在分别的靶材部分下方可移动，当其在所述分别的靶材部分下方移动时，扫描所述 靶材部分。因此，磁体单元扫描靶材的溅射表面的对应部分(突起)，优选沿着靶材表面的 完整长度。在涂覆过程中，多个磁体单元扫描靶材的完整溅射表面。由于磁体单元可以相 互独立移动，可以为多自由度的特定涂覆工艺计算并生成优化的(可变的)磁场。所述溅射涂覆装置具有阴极。阴极可以包括多个(即两个或更多)电气独立阴极 部分。阴极部分可以相互电气绝缘。多个磁体单元中的每一个可以设置成相对于分别的阴 极部分可移动。各个(真实的或虚拟的)阴极部分分配给靶材部分中的一个和/或磁体单 元中的一个。所述溅射涂覆装置包括驱动器，用于驱动所述多个磁体单元(3. 1,3. 2、……、3. 6)中的所述磁体单元，其中所述驱动器配置成以超过0. lm/s的速度驱动所述磁体单元，优选 超过0. 2m/s，优选超过0. 5m/s，优选超过1. Om/s，优选超过5. Om/s。在优选实施例中，溅射涂覆装置包括用于驱动所述多个磁体单元中的所述磁体单 元的驱动器，其中所述驱动器配置成以超过0. lm/s的速度驱动所述磁体单元，优选超过 0. 2m/s，优选超过0. 5m/s，优选超过1. Om/s，优选超过5. Om/s。实施本发明的最好方法是沿 着靶材的纵轴使磁体单元移动。具有创造性的溅射涂覆方法包括如下步骤a)提供包括至少一个具有溅射表面 的靶材的溅射涂覆装置，和在所述溅射表面上方提供磁场的多个磁体单元；和b)使所述多 个磁体单元中的至少两个磁体单元相对于所述溅射表面移动，以在所述靶材表面上提供移 动的和/或变化的磁场。通过磁体单元相对于溅射表面的移动和/或磁体单元相互之间的 移动，形成了移动的和/或变化的磁场。该磁场是由各个磁体单元所产生的磁场的动态叠 加。在本发明的优选实施例中，在步骤b)过程中，可以使所述多个磁体单元中的所述 至少两个磁体单元相对移动。具体的，在步骤b)过程中，使所述至少两个磁体单元中的第一磁体单元相对于所 述至少两个磁体单元中的第二磁体单元独立移动。具体的，在步骤b)过程中，控制所述磁体单元的移动和/或速度。优选的，工艺步骤a)中提供的所述靶材是平面靶材。具体的，使至少两个磁体单元沿着和/或平行于所述靶材的纵轴移动。优选的，在步骤b)过程中，使所述至少两个磁体单元相互平行移动。在优选实施例中，在步骤a)中，将至少两个磁体单元设置成相邻的，使得所述至 少两个磁体单元在沿着其各自的移动路径移动时相互经过。在步骤b)过程中，所述至少两个磁体单元可以扫描靶材的溅射表面的完整长度。在本发明的优选实施例中，在步骤b)过程中，至少两个磁体单元相对于靶材的溅 射表面以超过0. lm/s的速度移动，优选超过0. 2m/s，优选超过0. 5m/s，优选超过1. Om/s，优 选超过5. Om/s。优选的，在步骤b)过程中，至少两个磁体单元相对于靶材的溅射表面移动，所述 至少两个磁体单元具有相同的或不同的速度和/或具有相同的或相反的移动方向和/或在 至少两个磁体单元之间具有纵向位移。这意味着在工艺步骤b)过程中，磁体单元同步或异 步移动。在同步移动中，磁体单元可以相互平行同步移动(即没有纵向偏置/位移)，具有 相同的速度和移动方向。在本发明的另一优选实施例中，至少两个磁体单元以相同的速度和/或在相同的 移动方向上移动，但是在至少两个相邻的磁体单元之间具有纵向位移。例如，可以存在磁体 单元的交替排列。例如，可以存在沿着靶材的横向延伸并排设置第一、第二、第三、第四等磁 体单元的排列方式。第一、第三、第五等磁体单元移动而相互没有纵向位移，即它们同步移 动。第二、第四、第六等磁体单元与第一、第三、第五等磁体单元沿着靶材表面的横向延伸交 替设置。第二、第四、第六等磁体单元移动而相互没有纵向位移，即它们同步移动，但是相对 于第一、第三、第五等磁体单元有纵向位移。
在本发明的另一实施例中，至少两个磁体单元以不同的速度和/或具有不同的移 动方向和/或在至少两个磁体单元之间具有纵向位移而移动。至少两个磁体单元的移动可 以是异步的、相互独立和/或不规则的。特别是当以相对于靶材超过相对高值的速度执行磁体的相对移动时，可以获得良 好的性能，即衬底上均勻的涂覆和良好的靶材利用率。同时，防止了靶材的溅射表面产生高 温(例如，热点)以及靶材损坏。
根据下面对优选实施例的描述和附图，本发明更多的特征和优点将显而易见。附 图示出
图1通常的靶材/磁体组件的示意图 图2根据本发明的第一实施例的靶材 图3根据本发明的第二实施例的靶材 图4根据本发明的第三实施例的靶材 图5根据本发明的第四实施例的靶材
磁体组件的示意图； 磁体组件的示意图； 磁体组件的示意图；以及 磁体组件的示意图。
具体实施例方式图1示出了通常的靶材/磁体组件1的俯视图。靶材/磁体组件1的溅射靶材2包括具有纵轴x和横轴y的大体平坦的矩形表面 2’。为了提高靶材2的溅射表面2’(即，面对衬底(未示出)的表面)上方的等离子体密 度，磁体部件3设置在靶材2的下面。磁体部件3沿着靶材2的纵轴x延伸。为了提供均勻的靶材侵蚀并因此在衬底上沉积具有均勻厚度的涂覆，在涂覆工艺 过程中，磁体系统3沿着靶材2的横轴y以磁体系统3的预定移动速度u往复移动。当涂 覆面对靶材2的溅射表面2’的衬底时，磁体系统3扫描靶材2的表面2’。但是，在靶材2的溅射表面2’上生成的侵蚀轮廓以及在衬底上形成的镀层的均勻 性均不足。此外，靶材表面2’上产生的高温造成表面2’上局部损坏(例如，形成曲线)，甚 至毁坏靶材。图2示出了根据本发明的磁体/靶材组件1的俯视图、和磁体/靶材组件1的剖 面图。磁体/靶材组件1包括靶材2，所述靶材由并列排放的多个(虚拟的)部分2. 1、 2. 2,2. 3,2. 4,2. 5、2. 6组成，所述部分中的每一个沿着靶材2的纵轴x延伸。多个靶材部分 2. 1、2. 2、2. 3、2. 4、2. 5、2. 6中的每一个具有属于各个靶材部分的磁体系统3. 1、3. 2、3. 3、 3 4 > 3. 5 > 3. 6 o在本发明的第一实施例中，当磁体系统3. 1,3. 2,3. 3,3. 4,3. 5,3. 6分别扫描各个 靶材部分 2. 1,2. 2,2. 3,2. 4,2. 5,2. 6 时，磁体系统 3. 1,3. 2,3. 3,3. 4,3. 5,3. 6 分别以超过 0. lm/s的速度的高速Vp v2、v3> v4、v5和v6平行于靶材2的纵轴x移动，优选超过0. 2m/s, 优选超过0. 5m/s。磁体系统3. 1、3. 2、3. 3、3. 4、3. 5、3. 6在相同方向并排移动，沿着其各自的靶材部 分 2. 1,2. 2,2. 3,2. 4,2. 5,2. 6 以相同的速度 = v2 = v3 = v4 = v5 = v6 往复移动。磁体系统3. 1,3. 2,3. 3,3. 4,3. 5,3. 6的移动距离1明显分别大于各个靶材部分2. 1,2. 2,2. 3、
2.4,2. 5 禾口 2. 6 的横向延伸 b”b2、b3、b4、b5 和 b6。已经发现，磁体系统3. 1,3. 2,3. 3,3. 4,3. 5,3. 6的高扫描速度v” v2、v3、v4、v5和 v6使得靶材2的利用率提高以及衬底4上所沉积的涂层的均勻性改善，所述衬底4设置在 表面A上并且设置成与靶材2的溅射表面2’面对面。图3中示出了根据本发明的靶材/磁体组件1的第二实施例。当磁体系统3. 1、
3.2,3. 3,3. 4,3. 5,3. 6 分别扫描靶材部分 2. 1,2. 2,2. 3,2. 4,2. 5 和 2. 6 时，磁体系统 3. 1、 3. 2,3. 3,3. 4,3. 5,3. 6分别设置成相对于其各自相邻的磁体系统3. 1,3. 2,3. 3,3. 4,3. 5和 3. 6相互偏置。具体的，第一磁体系统3. 1、第三磁体系统3. 3和第五磁体系统3. 5是第一组 相互平行同步移动的磁体系统，第二磁体系统3. 2、第四磁体系统3. 4和第六磁体系统3. 6 是第二组相互平行同步移动的磁体系统。在靶材2的横向y上，第一、第三、第五磁体系统 3. 1,3. 3,3. 5与第二、第四、第六磁体系统3. 2,3. 4,3. 6分别交替设置。平行设置磁体系统 移动的路径。第一组和第二组磁体系统3. 1,3. 2,3. 3,3. 4,3. 5,3. 6设置成在靶材2的纵向 x上偏置，即在靶材2的纵向x上设置成两组之间有间距。根据图4中所示的本发明的另一实施例，磁体/靶材组件1的磁体系统3. 1,3. 2、 3. 3,3. 4,3. 5和3. 6相互异步移动，即在涂覆过程中磁体系统3. 1,3. 2,3. 3,3. 4,3. 5和3. 6 设置成在纵向上相互偏置。在涂覆过程中，磁体系统3. 1,3. 2,3. 3,3. 4,3. 5和3. 6之间的 间距可以不同并变化。移动的速度和方向也可以不同。图5示出了本发明的另一实施例。磁体/靶材组件1包括在相同方向上基本相互 平行移动的磁体系统3. 1、3. 2、3. 3、3. 4、3. 5和3. 6，在第一组磁体系统3. 1,3. 3,3. 5和第二 组磁体系统3. 2,3. 4,3. 6之间具有纵向上的小偏置距离d。但是，也可能第一组磁体系统 3. 1,3. 3,3. 5和第二组磁体系统3. 2,3. 4,3. 6在相反的方向上相互平行(并平行于靶材2 的纵轴x)移动。通过本发明，可以提高靶材利用率。磁体系统3. 1,3. 2,3. 3,3. 4,3. 5和3. 6平行 于纵轴x移动，并扫描靶材2的长度1。通过沿着靶材2的横向延伸b(b ( 1)设置成相互 横向偏置的靶材系统3. 1,3. 2,3. 3,3. 4,3. 5和3. 6的独立移动，可以最优化磁场以避免靶 材2上的热点(强侵蚀区域)。此外，通过选择并产生合适的磁场几何形状和方向，可以控 制沉积在衬底4上的镀层的厚度的均勻性。因此，可以以均勻的速率利用和侵蚀靶材2，甚 至接近靶材2的边缘。这造成衬底4上镀层厚度的均勻轮廓。本发明可以用于静态涂覆过程(具有在涂覆过程中设置成相对于靶材2静止的衬 底4)，或动态涂覆过程(具有在涂覆过程中相对于靶材2移动的衬底)。
权利要求
一种溅射涂覆装置，所述溅射涂覆装置用于在衬底(4)上沉积涂层，并包括具有溅射表面(2’)的至少一个靶材(2)，其特征在于所述溅射涂覆装置包括设置成相对于所述靶材(2)可移动的多个磁体单元(3.1、3.2、……、3.6)，以在所述靶材表面(2’)上方提供磁场。
2.根据权利要求1所述的溅射涂覆装置，其特征在于所述多个磁体单元(3. 1、3.2、……、3.6)中的至少一个磁体单元设置成相对于所述多 个磁体单元(3. 1、3.2、……、3.6)中的至少另一个磁体单元可移动。
3.根据权利要求1或2所述的溅射涂覆装置，其特征在于所述多个磁体单元(3. 1、3.2、……、3.6)中的至少一个磁体单元设置成相对于所述多 个磁体单元(3. 1、3.2、……、3.6)中的至少一另个磁体单元可独立移动。
4.根据上述任一权利要求所述的溅射涂覆装置，其特征在于所述溅射涂覆装置包括控制单元，所述控制单元用于控制所述多个磁体单元(3. 1、 3.2、……、3.6)中的所述磁体单元的移动。
5.根据上述任一权利要求所述的溅射涂覆装置，其特征在于所述靶材(2)是平面靶。
6.根据上述任一权利要求所述的溅射涂覆装置，其特征在于所述多个磁体单元(3. 1、3.2、……、3.6)设置在所述靶材(2)的与所述靶材(2)的溅 射表面(2’ )相反的一侧。
7.根据上述任一权利要求所述的溅射涂覆装置，其特征在于所述多个磁体单元(3. 1,3. 2、……、3. 6)中的所述磁体单元设置成沿着和/或平行于 所述靶材(2)的纵轴(x)可移动。
8.根据上述任一权利要求所述的溅射涂覆装置，其特征在于所述多个磁体单元(3. 1、3.2、……、3.6)中的所述磁体单元设置成在基本平行的路径 上可相对移动。
9.根据上述任一权利要求所述的溅射涂覆装置，其特征在于所述多个磁体单元(3. 1、3.2、……、3.6)中的所述磁体单元设置成彼此相邻的。
10.根据上述任一权利要求所述的溅射涂覆装置，其特征在于所述靶材(2)具有多个靶材部分(2. 1、2.2、……、2. 6)，所述多个磁体单元(3.1、 3.2、……、3.6)中的每一个都设置成在对应靶材部分下面可移动，从而在所述分别的靶材 部分(2. 1、2.2、……、2.6)下面移动时扫描所述靶材部分。
11.根据上述任一权利要求所述的溅射涂覆装置，其特征在于所述溅射涂覆装置包括阴极，其中所述阴极包括多个电气独立阴极部分。
12.根据上述任一权利要求所述的溅射涂覆装置，其特征在于所述溅射涂覆装置包括驱动器，所述驱动器用于驱动所述多个磁体单元(3. 1、 3.2、……、3.6)中的所述磁体单元，其中所述驱动器设置成以超过0. lm/s的速度驱动所述 磁体单元，优选超过0. 2m/s，优选超过0. 5m/s，优选超过1. Om/s，优选超过5. Om/s。
13.一种涂覆方法，其包括下列步骤a)提供溅射涂覆装置，所述溅射涂覆装置包括至少一个具有溅射表面(2’)的靶材(2) 和在所述靶材(2)的所述溅射表面(2’ )上方提供磁场的多个磁体单元(3. 1、3.2、……、，3. 6)；和b)使所述多个磁体单元(3. 1、3.2、……、3.6)中的至少两个磁体单元相对于所述溅射 表面(2’ )移动，以在所述溅射表面(2’ )上方提供移动的/变化的磁场。
14.根据权利要求13所述的涂覆方法，其特征在于在所述步骤b)过程中，使所述多个磁体单元(3. 1、3.2、……、3.6)中的所述至少两个 磁体单元相对移动。
15.根据权利要求13或14所述的涂覆方法，其特征在于在所述步骤b)过程中，使所述至少两个磁体单元中的第一磁体单元相对于所述至少 两个磁体单元中的第二磁体单元独立移动。
16.根据权利要求13至15中任一权利要求所述的涂覆方法，其特征在于在所述步骤b)过程中，控制所述磁体单元的移动和/或速度。
17.根据权利要求13至16中任一权利要求所述的涂覆方法，其特征在于在所述步骤a)过程中，提供平面靶材(2)。
18.根据权利要求13至17中任一权利要求所述的涂覆方法，其特征在于在所述步骤b)过程中，使至少两个磁体单元沿着和/或平行于所述靶材(2)的纵轴 (x)移动。
19.根据权利要求13至18中任一权利要求所述的涂覆方法，其特征在于在所述步骤b)过程中，使至少两个磁体单元相互平行移动。
20.根据权利要求13至19中任一权利要求所述的涂覆方法，其特征在于在所述步骤a)过程中，将至少两个磁体单元设置成相邻的，使得在所述步骤b)过程 中，所述至少两个磁体单元在沿着其各自的移动路径移动时交错通过。
21.根据权利要求13至20中任一权利要求所述的涂覆方法，其特征在于在所述步骤b)过程中，所述至少两个磁体单元扫描所述靶材(2)的溅射表面(2’ )的 整个长度(1)。
22.根据权利要求13至21中任一权利要求所述的涂覆方法，其特征在于在所述步骤b)过程中，所述至少两个磁体单元相对于所述靶材(2)的溅射表面(2’ ) 以超过0. lm/s的速度移动，优选超过0. 2m/s，优选超过0. 5m/s，优选超过1. Om/s，优选超过 5. 0m/so
23.根据权利要求13至22中任一权利要求所述的涂覆方法，其特征在于在所述步骤b)过程中，所述至少两个磁体单元相对于所述靶材(2)的溅射表面(2’ ) 移动，所述至少两个磁体单元具有相同或不同的速度和/或具有相同或相反的移动方向和 /或在至少两个磁体单元之间具有纵向位移。
全文摘要
一种磁体/靶材组件(1)包括靶材(2)，所述靶材由多个并排设置的(虚拟的)部分(2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6)组成，所述靶材部分中的每一个沿着靶材(2)的纵轴x延伸。所述多个靶材部分(2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6)中的每一个具有属于分别的靶材部分的磁体系统(3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6)。在根据本发明的靶材/磁体组件(1)的实施例中，当磁体系统(3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6)分别扫描靶材部分(2.1、2.2、2.3、2.4、2.5和2.6)时，磁体系统(3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6)分别设置成相对于其各自邻近的磁体系统(3.1、3.2、3.3、3.4、3.5和3.6)相互偏置。具体的，第一磁体系统(3.1)、第三磁体系统(3.3)和第五磁体系统(3.5)是相互平行同步移动的第一组磁体系统，第二磁体系统(3.2)、第四磁体系统(3.4)和第六磁体系统(3.6)是相互平行同步移动的第二组磁体系统。在靶材(2)的横向y上，第一、第三、第五磁体系统(3.1、3.3、3.5)与第二、第四、第六磁体系统(3.2、3.4、3.6)分别交替排列。磁体系统的移动路径设置成平行的。第一组和第二组磁体系统(3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6)设置成在靶材(2)的纵向x上偏置，即设置成在靶材(2)的纵向x上两组之间有间距。
文档编号H01J37/34GK101878514SQ200880115159
公开日2010年11月3日 申请日期2008年7月4日 优先权日2007年11月7日
发明者克里斯托弗·蒙洛, 安德里亚斯·克鲁佩尔, 安德里亚斯·鲁普, 拉尔夫·林德伯格, 杜比亚斯·斯托利, 马库斯·班德尔 申请人:应用材料公司