[发明专利]反应溅射过程

说明书

本发明涉及一种用于反应溅射的方法。在也称作阴极溅射的溅射中，借助离子轰击，材料从构成阴极的固体(靶子)的表面脱离并且过渡到气相。给阴极施加负电位，以便朝向它给所提供的离子加速。溅射经常用于给衬底涂层。衬底在靶子附近设置或者在其旁边绕过。从阴极脱离(＝溅射)的气体形式的材料于是沉积(absetzen)在衬底上。也就是说，在这种情况下涉及从气相的离析(Abscheidung)并且属于称为PVD(＝physical vapor deposition(物理气相沉积))的涂层方法。为使溅射的材料在很大程度上不受干扰地、亦即不受其他粒子轰击到达衬底，仅允许存在小的周围环境气压。平均的自由路径长度应该至少和阴极到衬底的距离一样大。因此在可蒸发的处理室内进行溅射涂层。典型的处置压力位于5*10^-3毫巴或更小。

为产生轰击阴极需要的离子，在处理室内装入惰性的工作气体。氩气非常经常地用作工作气体。通过轰击离子化，工作气体的原子被离子化。在轰击离子化的情况下，基本上自由电子与原子撞在一起并且使其离子化。以这种方式产生一种等离子体，从中离子从阴极中被吸引出来。因此，高的电子密度对该过程是有利的。在所谓的磁控管溅射的情况下，在阴极后面设置磁系统，它的磁场伸到靶子表面之上的区域内。磁场的该伸出的部分(它经常作为隧道实现并且在矩形阴极的情况下经常采取跑道(racetrack)的形式)迫使电子进入螺旋道上。通过由此强制的路径延长提高每一个电子的轰击数并且提高工作气体原子的离子化效率。

由于在阴极上施加的负电压，朝向阴极给工作气体离子加速。因此，在溅射期间发生电流流动，该电流流动必须通过性能优越的发电机来保持。在常规的溅射方法中，从靶子脱离的材料的离子化程度非常小。然而如果用大于0.5A/cm²的电流密度工作，则离子化程度急剧升高。所溅射材料的该离子化可以在构建层时有利地使用。但是通过靶子上的高的电流密度发生靶子中极大的能量输入并且由此导致对它的加热。由于这一理由，在这样的电流密度的情况下仅用脉冲工作，以便给靶子时间来冷却。这种方法称为大功率脉冲磁控管溅射(high-power impulse magnetron sputtering，HiPIMS)。

由于在所述方法中必需的、流经靶子表面的电流，该溅射方法局限于导电材料。不过在溅射期间可以在处理室内装入反应气体，反应气体于是与所溅射材料形成化合物。然而，从特定的反应气体流起发生急剧的速率降低。该速率降低表征：靶子表面作为反应气体与靶子材料的反应结果而覆上不导电的或者导电差的层。在这种情况下人们称之为中毒的靶子。所谓的金属状态因而仅还可以借助于急剧撤回反应气体供给来重新建立。

图1对于HiPIMS放电的短脉冲持续时间(70μs)示出用于Al和铬的光学信号的例子的典型滞后。在这种情况下，脉冲功率为500W/cm²并且时间平均功率为2.5kW。实线描绘用于铬(520nm)的光学信号，点线描绘用于铝(396nm)的光学信号。上面的线与上升的氧气流联系，下面的线与下降的氧气流联系。显然，从临界的氧气流起看到速率下降。在这种情况下中毒模式中的速率降到非常小的值，也就是说约为金属模式中速率的百分之一。在中毒模式中，靶子表面被氧化。仅通过氧气流的急剧的撤回，靶子表面就能够重新返回到金属状态。

进行过各种尝试，以避免这样的滞后。在WO 03/006703中Nyberg等人建议一种用于反应溅射的方法，该方法通过在空间上限制等离子体跑道而在溅射靶子上产生高的电流密度。由此，等离子体被限制在靶子表面的小区域上。Nyberg等人说明，重要的是移动该区域，更确切说一方面慢到足以保证大多在金属模式下溅射，然而快到足以避免靶子表面熔融。

与此相对，Wallin等人在WO 2009/010330中说明一种HiPIMS方法，据此用脉冲长度在2μs和200μs之间的脉冲工作。在这种情况下用位于200V和2000V之间的电压工作。用超过200Wcm^-2的功率密度工作。相应的功率脉冲通过发电机提供，所述发电机包括脉冲单元。由此在每一个脉冲期间触发磁控管溅射辉光放电(其具有朝向最大值上升的电流)，由此实现功率脉冲的最大值。在两个相继的脉冲之间不发生向涂层系统中的电功率供给。应用位于200sccm和2000sccm之间的氧气流。如Wallin等人所说明的那样，由此在要涂层的衬底上获得如下反应条件，其中同时靶子基本上处于金属状态中，也就是说靶子表面未明显地用反应气体覆盖。