[发明专利]高功率溅射源

说明书

技术领域

本发明涉及一种借助于磁控管溅射给衬底镀层的方法。

背景技术

在本说明书的范围内，以相同含义使用“溅镀（Sputtern）”和“溅射（Zerst?uben）”。

在溅射情况下，用离子轰击靶（阴极），这导致靶的材料被侵蚀。离子在由等离子体构成的靶表面方向上的加速借助于电场来实现。在磁控管溅镀的情况下，在靶表面上构造磁场。通过这种方式，迫使等离子体中的电子进入到螺旋轨迹上并且在靶表面上环行。通过其延长的路程，电子与原子或离子的碰撞次数显著提高，这导致靶表面上的该区域中的较高电离。由此导致对直接处于该区域之下的靶上的提高的溅镀侵蚀。这导致对于磁控管溅镀典型的侵蚀沟槽，该侵蚀沟槽具有处于其上的轨迹（Racetrack）。这样的侵蚀沟槽所具有的缺点是，靶的大区域基本上未被侵蚀。但是靶材料常常是昂贵的材料。因此，构造磁场的磁系统有时在靶之下被设计为使得这如图1中所示导致肾形轨迹。在圆形阴极的情况下，磁系统绕圆形阴极的中心轴旋转，使得基本上导致靶材料的均匀的侵蚀。但是传统溅镀的仍存在的缺点是，所侵蚀的材料仅仅以非常小的百分比被电离。

本发明具体而言涉及一种HIPIMS方法（HIPIMS＝高功率脉冲磁控管溅镀）。HIPIMS是一种从传统溅镀发展而来的方法，其利用脉冲时长在微秒至毫秒范围、功率密度大于100W/cm²的脉冲状放电的效应。新兴的HIPIMS技术消除了传统溅镀的大缺点，即所溅镀的原子的非常少的电离。因此，从现有技术中已经显示出，借助于HIPIMS技术根据材料可以实现所溅镀颗粒的高达100％的电离。

在此，至少短时间较大的作用于靶的放电电流密度导致提高的电离度。提高的电离度可以改变层的生长机制，并且因此对层特征具有影响。这尤其是导致较高的粘附强度。

典型地使用的平均功率密度在传统溅镀以及在HIPIMS的情况下都在20W/cm²的范围内。在使用特殊的靶冷却装置的情况下，在高负载时达到高达50W/cm²。在此，相应的放电电流密度处于高达0.2A/cm²的范围内。但是，从等离子体物理和电子技术的出发点而言，高得多的功率密度以及由此放电电流密度不是问题。但是基本上可应用于溅镀靶的平均功率由于靶冷却装置有技术极限而受到限制。出于该原因，在HIPIMS方法的情况下，溅镀功率是以脉冲形式施加的，其中脉冲时长被选择为如此短，使得由于作用于靶的平均功率而不导致超温。在此清楚的是，靶温度和允许的最大靶温度非常强烈地依赖于靶材料及其热导率以及其机械特性。

在此缺点是，脉冲技术导致显著的仪器成本，因为必须使用能够在时间上和空间上将功率划分成溅镀功率脉冲的发生器。这利用传统的发生器技术不能实现。

为了绕过这些缺点，在现有技术中提出：过渡到与靶的总大小相比显著缩小的轨迹，并且让所述轨迹移动靶表面之上。例如在Wang 等人的US 6'413'382中提出了一种磁系统，其导致覆盖靶表面的20％以下的磁控管。该磁系统以可旋转方式安装在靶面后面，使得轨迹基本上可以被涂覆在整个靶表面上。尽管该方案简化了发生器，但是不能完全放弃脉冲技术。与之相应地给出了10％以下的脉冲/间歇比例。 

但是在此不利的是，与之相应设计的装置仅仅适用于HIPIMS应用。通过高度减小的轨迹大小，溅射速率是相应小的。如果应当可以在HIPIMS层与传统溅镀层之间交替，则针对所述层的相应传统溅镀速率也被降低。

Nyberg等人在WO03006703AI中遵循了类似的方案。其描述了，通过缩小的溅镀区域来实现提高的放电电流密度。为了补偿较高的局部升温，移动溅镀区域。此外，Nyberg等人描述了，在工业应用中，减小的溅镀区域必须以高速度在靶上移动，以便防止表面熔化。该技术允许使用每种传统的发生器。一种可能性在于，将靶划分成多个部分，所述部分彼此电分离。下面将这些部分称为部分靶。在此，部分靶应当是完全独立的靶，其尤其是在功率施加方面同其他部分靶隔离，其中多个相同的部分靶的表面相加成总靶面。通过在一时刻将全部功率集中到这些部分靶之一上，因此可能的是，控制从中当前进行溅射的位置。通过接通和关断所述部分，可能的是，在没有可运动部件的情况下可行。