[发明专利]溅射装置

说明书

一种用于旋转靶材阴极的磁控管组件包括刚性支撑结构；磁棒结构，所述磁棒结构可移动地附接到所述刚性支撑结构；和至少一个致动机构，所述至少一个致动机构耦接到所述刚性支撑结构并被配置以改变所述磁棒结构与可旋转靶筒的表面的距离。所述磁控管组件也包括位置指示机构，所述位置指示机构可操作以测量所述磁棒结构相对于所述可旋转靶筒的所述表面的位置。通信设备被配置以从所述磁控管组件的外部接收命令信号并将信息信号传输到所述磁控管组件的外部。

相关申请的交叉参考

本申请请求2013年3月1日提交的美国临时专利申请序列号61/771,460的权益，所述临时专利申请以引用的方式并入本文。

发明背景

旋转靶材的磁控管溅射是众所周知的并被广泛地用于在各种基板上产生各种薄膜。在旋转靶材磁控管溅射的最基本的形式中，要被溅射的材料被形成为管的形状或被粘附到由刚性材料制成的支撑管的外表面。磁控管组件被设置在管中并供应磁通量，所述磁通量渗透靶材，使得在靶材的外表面上有足够的磁通量。磁控管组件产生的磁场被设计，使得其保留从靶材发射的电子，以增加其将与工作气体电离碰撞的概率，从而提高溅射过程的效率。

补偿靶材侵蚀效应正变得越来越重要，因为其有益于在更敏感的工艺条件下增大靶材厚度并操作溅射过程。对于较厚靶材的需求在很大程度上是受陶瓷靶材的制造成本驱动，但其也有利于在溅射镀敷器内具有更大库存的可用材料，以进行更长的涂覆活动。在更敏感的工艺条件下运行过程的需要受期望获得较高沉积速率、在反应模式溅射和/或精确地控制薄膜的化学性质驱动。

某些材料（特别是陶瓷透明导电氧化物（TCO）材料）的靶材的制造成本比起原料的成本相对高昂。为了改善这些靶材的经济性，期望增加靶材材料的厚度。这样，靶材将具有显著更多可用材料，同时仅向靶材的总成本增加了最小的成本，因为制造成本并未显著变化。唯一显著成本增加是由于使用的额外原料。此外，较厚的靶材具有允许在靶材变化之间进行较长生产活动的额外益处。

然而，过多地增大靶材厚度可导致使用标准磁控管组件时靶材表面上的磁通量不足。具有较高磁通量的磁控管设计最近已被引入，以提供较厚靶材所需的较高磁通量。

在反应磁控管溅射的情况下，金属靶材是在含有反应性气体（例如氧气或氮气）的气氛中被溅射。溅射材料与反应性气体反应，以形成包括靶材材料和反应性气体的化合物的薄膜。反应性气体也与靶材表面反应，从而在靶材表面上形成反应的化合物。表面化合物大大降低烧蚀率。为了提高溅射效率，可仔细控制反应性气体的量，以最小化靶材表面反应，同时仍然实现所需的薄膜化学性质。在一些情况下，需要控制所述过程，使得薄膜的化学性质是亚化学计量。

对工艺气体的这种精细控制使得过程对小扰动敏感。该行业在电力输送和工艺气体控制方面有相当大的技术进步，其最小化了许多工艺扰动。然而，几乎没有采取什么措施来最小化等离子体的磁约束的变化。随着靶材侵蚀，工作表面更接近磁组件且磁场变得更强。这改变了等离子体的约束，从而改变了溅射过程的动力学。这呈现出维持过程的长期稳定性的挑战。

用于旋转阴极的典型磁控管组件包括附接到例如钢的导磁材料的磁轭的三行基本平行的磁铁，所述导磁材料帮助完成磁路。磁铁的磁化方向相对于溅射靶材的主轴为径向。中心行磁铁具有与两个外行磁铁相反的极性。

内行磁铁和外行磁铁的磁通量通过在磁铁一侧上的导磁轭相连。在与磁轭相对的磁体的另一侧上，磁通量不包含在导磁材料中。因此，磁通量基本上无阻碍地渗透通过基本上非磁性的靶材。因此，两个弧形磁场被提供在靶材的工作表面上且接近所述工作表面。这些磁场保留电子并使电子在垂直于磁场线的方向上漂移，所述磁场线平行于磁铁的行。这就是所谓的ExB漂移。在普通的结构中，这个漂移路径也平行于靶材的主轴。

另外，外行磁铁略比内行磁铁长，且与外行相同极性的另外的磁铁被放置在组件的末端在两个外行之间，从而创建漂移路径的所谓的“转回”区域。这具有连接两个漂移路径的效果，因此形成一个连续的卵形“跑道”漂移路径。这优化了电子的保留，因此，优化了溅射过程的效率。