濺射設備的制造方法
【專利說明】濺射設備
[0001]相關(guān)申請案的交叉引用
[0002]本申請要求2012年9月4日提交的美國臨時專利申請第61/696，610號的權(quán)益，其在此以引用的方式并入本文中。
[0003]本申請有關(guān)2011年I月6日提交的美國臨時專利申請第61/430，361號和2012年I月6日提交的美國專利申請第13/344，871號，兩個申請案在此均以引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本描述大致上涉及旋轉(zhuǎn)陰極磁控管濺射。尤其是，其解決在靶材增大超過標準磁控管總成可供應適于磁控管濺射的足夠磁通量的點時遇到的特定問題。此外，本發(fā)明的一些實施方案改進用于諸如透明導電氧化物(TCO)的材料的沉積的工藝條件。
[0005]發(fā)明背景
[0006]旋轉(zhuǎn)靶的磁控管濺射在本領(lǐng)域中眾所周知且廣泛用于在多種基板上產(chǎn)生多種薄膜。使用旋轉(zhuǎn)陰極濺射的合理概述可見于例如美國專利第5，096，562號(其在此以引用的方式并入本文)中。
[0007]在最基本形式的旋轉(zhuǎn)靶磁控管濺射中，待濺射材料形成為管狀或附著至由剛性材料制成的支撐管的外表面。磁控管總成安置在管內(nèi)且供應磁通量，其滲透靶使得在靶的外表面上存在足夠的磁通量。磁場被設計使得其保持從靶發(fā)射的電子以增大其將與工作氣體電離碰撞的概率，從而提高濺射工藝的效率。
[0008]一些材料(尤其陶瓷TCO材料)的靶的制造成本與原材料的成本相比相對較高。為了改進這些靶的經(jīng)濟性，期望增大靶材的厚度。以此方式，靶將具有明顯更有用的材料，同時僅最小地增加靶的總成本。這是因為制造成本未顯著變化。唯一的顯著增大是由于所使用的額外原材料。較厚靶應具有允許靶變化之間的較長制造周期的額外好處。
[0009]如所述，使靶厚度增大太多可能在使用標準磁控管總成時導致靶表面上的不足磁通量。對具有更高磁通量的磁控管設計的需要是明確的。
[0010]但是，增大磁通量的努力通常將產(chǎn)生新問題，其中轉(zhuǎn)向的寬度被擴寬。這接著導致靶端上增大的相對腐蝕速率及因此由于靶“燒穿”導致的縮短的靶壽命。這與增大靶厚度的目的抵觸。
發(fā)明概要
[0011]用于旋轉(zhuǎn)陰極的典型磁控管總成100(圖1A中所示)包括三個大體平行的磁鐵行102，其附接至導磁材料(諸如鋼)的磁軛104，其幫助完成磁路。磁鐵的磁化方向?qū)橄鄬τ跒R射靶的主軸的徑向。中心行106將具有相反極性的兩個外行108 (見圖1B)。這種類型的磁控管的額外描述可見于美國專利第5，047，131號(其在此以引用的方式并入本文中)。內(nèi)行106和外行108磁鐵的磁通量穿過磁鐵一側(cè)上的導磁磁軛104連結(jié)。在磁鐵與磁軛104相對的另一側(cè)上，磁通量未包含在導磁材料中；因此，其大體上未受阻地滲透穿過大體上非磁性的靶。因此，兩個弧形磁場被提供在靶的工作表面上及上方。此磁場保持電子并且導致其在垂直于磁場線(其平行于磁鐵行102)的方向上漂移。這被稱作ExB漂移且在任意基本的等離子物理教材中描述。在常規(guī)配置中，這種漂移路徑還平行于靶的主軸。
[0012]此外，外行108比內(nèi)行106稍長且與外行108相同極性的額外磁鐵110 (圖1B中所示)在兩個外行108之間被放置在總成的末端上，形成漂移路徑的所謂“轉(zhuǎn)向”區(qū)域。這具有連接兩個漂移路徑的效果，從而形成一個連續(xù)的卵形“跑道”漂移路徑。這使電子的保持最佳化且因此使濺射工藝的效率最佳化。
[0013]增大磁場強度的直觀途徑是簡單增大磁鐵的大小或強度。增大磁強度受限于較強磁鐵的可得性。非常高強度的磁鐵也非常昂貴且難以協(xié)作。此外，為了額外好處，也可將較強磁鐵應用于任意優(yōu)異設計(諸如本發(fā)明的實施方案的設計)。
[0014]當考慮較大橫截面的磁鐵時問題出現(xiàn)。增大徑向方向的尺寸不會賦予靶表面上通量的成比例增大。因而，這是自限制方式。增大與靶表面相切的方向上的尺寸也是自限制的，因為幾何形狀需要將磁性材料的塊體更遠地移離靶表面，其用于減弱靶表面上的磁場。這與實現(xiàn)預期效應抵觸。(這種設計的一個實例見圖2)
[0015]增大磁鐵大小的方式的另一個不利影響在于跑道被擴寬。即，跑道的兩個長部分被彼此進一步分開。這擴寬跑道的轉(zhuǎn)向部分，導致靶端上增大的相對腐蝕速率。因此，革巴的這些部分在使用更大塊靶材之前被消耗。因此，在完全使用靶材之前，靶必須停止工作。
[0016]為了解末端上增大的腐蝕速率，可考慮旋轉(zhuǎn)靶表面上的兩個點。一個點旋轉(zhuǎn)穿過跑道的兩段(長部分)。另一個點旋轉(zhuǎn)穿過轉(zhuǎn)向部?？梢姶┻^轉(zhuǎn)向部的點在跑道中花費多得多的時間，因此被更重度腐蝕。這個主題的進一步討論可見于美國專利第5，364，518號(其在此以引用的方式并入本文中)。
[0017]上述問題可通過使用四(或更多)行或其它獨立線性陣列的磁鐵，而非常規(guī)的3行而克服。這允許克服如上文討論的過大磁鐵的問題。但是，更重要的是，其允許在未不利地影響(或至少減小負面影響)電子保持的情況下唯一地修改轉(zhuǎn)向部，其使靶端上的過度腐蝕最小化。
[0018]一個實施方案涉及一種磁控管總成，其包括多個磁鐵；和磁軛，其被構(gòu)造來將多個磁鐵保持在至少四個筆直、平行、獨立線性陣列中。多個磁鐵被配置在磁軛中以形成包括外部分和內(nèi)部分的圖案，其中外部分大體上圍繞內(nèi)部分的周邊。線性陣列的末端部分包括一對轉(zhuǎn)向區(qū)段，其中每個轉(zhuǎn)向區(qū)段大體上橫跨外部分的一對長形區(qū)段的各自末端。每個轉(zhuǎn)向區(qū)段中的磁鐵被配置來在磁場中形成沿著靶旋轉(zhuǎn)軸彼此偏移的至少兩個或更多個不同曲線。
[0019]另一個實施方案涉及一種濺射系統(tǒng)，其包括室，基板移動穿過所述室。系統(tǒng)還包括陰極總成，所述陰極總成包括:長形可旋轉(zhuǎn)圓柱管，其安裝在室中且具有靶表面；和磁控管總成，其定位在長形可旋轉(zhuǎn)圓柱管內(nèi)。磁控管總成包括:多個磁鐵；和磁軛，其被構(gòu)造來將多個磁鐵保持在至少四個筆直、平行、獨立線性陣列中。多個磁鐵被配置在磁軛中以形成包括外部分和內(nèi)部分的圖案，其中外部分大體上圍繞內(nèi)部分的周邊。線性陣列的末端部分包括一對轉(zhuǎn)向區(qū)段，其中每個轉(zhuǎn)向區(qū)段大體上橫跨外部分的一對長形區(qū)段的各自末端。每個轉(zhuǎn)向區(qū)段中的磁鐵被配置來在磁場中形成沿著靶旋轉(zhuǎn)軸彼此偏移的至少兩個或更多個不同曲線。
[0020]另一個實施方案涉及一種在基板上濺射材料的方法。方法包括形成磁鐵圖案作為被安置在長形可旋轉(zhuǎn)圓柱管內(nèi)的磁控管總成的一部分，其中長形可旋轉(zhuǎn)圓柱管包括靶表面。方法進一步包括將長形可旋轉(zhuǎn)圓柱管安裝在室中，在室中維持真空，在室內(nèi)旋轉(zhuǎn)長形可旋轉(zhuǎn)圓柱管，使用磁控管總成在靶表面上供應磁通量，及在室內(nèi)于靶表面附近移動基板。磁控管總成包括:多個磁鐵；和磁軛，其被構(gòu)造來將多個磁鐵保持在至少四個筆直、平行、獨立線性陣列中。多個磁鐵被配置在磁軛中以形成包括外部分和內(nèi)部分的圖案，其中外部分大體上圍繞內(nèi)部分的周邊。線性陣列的末端部分包括一對轉(zhuǎn)向區(qū)段，其中每個轉(zhuǎn)向區(qū)段大體上橫跨外部分的一對長形區(qū)段的各自末端。每個轉(zhuǎn)向區(qū)段中的磁鐵被配置來在磁場中形成沿著靶旋轉(zhuǎn)軸彼此偏移的至少兩個或更多個不同曲線。
[0021]附圖簡述
[0022]圖1A是用于旋轉(zhuǎn)陰極的典型磁控管總成的圖。
[0023]圖1B圖示圖2A的磁控管總成中的磁鐵的磁化方向。
[0024]圖2是用于旋轉(zhuǎn)陰極的磁控管總成的替代設計的圖。
[0025]圖3A是磁控管總成的一個示例性實施方案的圖。
[0026]圖3B是圖3A的磁控管總成中所使用的磁軛的一個示例性實施方案的圖。
[0027]圖4圖示適用于圖3A的磁控管總成中的一個示例性磁鐵配置。
[0028]圖5圖示適用于圖3A的磁控管總成中的另一個示例性磁鐵配置。
[0029]圖6圖示適用于圖3A的磁控管總成中的又一個示例性磁鐵配置600。
[0030]圖7是磁控管總成的另一個示例性實施方案的圖。
[0031]圖8是其中可使用圖3A和圖7的磁控管總成的濺射系統(tǒng)的一個示例性實施方案的圖。
[0032]圖9圖示適用于本文中描述的磁控管總成中的另一個示例性磁鐵配置。
[0033]圖1O-A至圖1O-E圖示分別跨線1-A至1-E取得的圖9中所示的示例性磁鐵配置的橫截面。
[0034]圖11圖示使用圖9中所示的磁鐵配置形成的等離子。
[0035]圖12是在基板上濺射材料的方法的一個示例性實施方案的流程圖。
【具體實施方式】
[0036]參考圖3A，在本發(fā)明的一個示例性實施方案中，磁控管總成300包括:多個磁鐵302 ;和磁軛304，其被構(gòu)造來將多個磁鐵302保持在至少四個筆直、平行、獨立線性陣列306中。在圖3A中所示的示例性實施方案中，磁控管總成300包括磁鐵302的四個筆直、平行、獨立線性陣列306，其配置成四行306。
[0037]在本示例性實施方案中，磁鐵行306包括一個極性的兩個內(nèi)行308和相反極性的兩個外行310。磁鐵302行306附接至磁軛304。磁軛304由導磁材料制成，諸如鋼或磁性不銹鋼。這種構(gòu)造允許額外磁質(zhì)量，同時允許磁鐵302可行地相對于靶表面保持在最靠近位置。因此，充分利用額外磁質(zhì)量。
[0038]如圖3B中所示，在一個實施方案中，磁軛304包括多個狹縫或通道312，每個磁鐵302行306各一個。(注意，為簡明起見，有關(guān)具體磁鐵配置的細節(jié)未示出在圖3B中，而是在下文參考圖4至圖6更詳細討論。)通道312被確定大小，使得相應磁鐵302的一部分可插入通道312以形成本文中描述和示出的磁鐵302行306。磁鐵302可以數(shù)種方式保持在適當位置，包括但不限于使用磁力、摩擦配合或粘合劑。使用這些通道312以形成本文中描述的磁鐵圖案使整個磁控管總成300能在不修改磁軛304的設計的情況下重新構(gòu)造。
[0039]在優(yōu)選的實施方案中，內(nèi)行308和外行310磁鐵302具有相同強度和相同橫截面尺寸，使得