[发明专利]磁控型溅射系统的阳极结构

说明书

本发明一般地涉及在一衬底上淀积薄膜的设备和方法，更具体地涉及用于将电介质淀积到衬底上的活性磁控型溅射（reactive mag-netron sputtering）设备和方法，其中，电介质薄膜有均匀的厚度和设备能连续地长时间地工作。

溅射是由靶的离子轰击引起的来自靶材的物理喷射。离子通常是由气体原子和辉光放电中的电子间的碰撞产生的。离子经由电场加速到达靶阳极。衬底放置在一适当位置以使其能截取一部分喷射原子。这样，靶材的涂层便淀积在衬底的表面上。

在致力于获得提高淀积率的过程中，人们已利用磁力增强靶。在平面型磁控管中，阳极包括以闭环形式排列并相对于平靶板安装于固定位置的永久磁铁。这样，引起在一闭环中传播的磁场，该闭环通常称为“轨道（race track）”，建立沿其进行靶材溅射或消蚀的路径或区域。在磁控管的阴极中，磁场约束辉光放电的等离子体并增大了在电场的影响下电子移动的路程长度。这导致气体中原子与电子碰撞概率的增大。这能获得比不用磁场约束情况下所得到的要高得多的溅射率。此外，该溅射工艺可在低得多的气压情况下实现。

在dc活性溅射过程中，一种反应气体同来自靶板极的被溅射材料形成一种化合物。当靶板极是硅，而反应气体是氧时，则在衬底表面上形成二氧化硅。然而，由于二氧化硅是一种良好的绝缘体，一层足以引起电弧的厚膜便迅速形成在轨道外部的靶板极区域内。由于这一特性致使二氧化硅成为一种最难以用磁控管反应溅射法去形成电介质膜，这是公知的。与二氧化硅伴生的电弧已阻碍了平面型磁控管反应溅射法有效地用于淀积高质量的二氧化硅膜。

另一种将以硅为基础的化合物涂敷到衬底上的工艺涉及用带有硅靶的园筒型磁控管进行反应性溅射。见1991年9月10日颁布的Wolfe等人的U.S专利5，047，131。操作时，由于电介质材料堆积在涂敷室的各个部位，故必须定期清洁系统。实际上，当用反应溅射法涂敷二氧化硅或氮化硅时，系统可连续操作时间仅约30小时。

最后，利用平面型和园筒形磁控管（于反应或无反应溅射工艺中）的另一局限性在于：对许多高精度应用场合而言，用溅射法淀积膜不能达到所需的均匀程度。即使在溅射过程的最动30小时期间也确实如此。近来人们为改善涂敷均匀度已作了种种不成功的浓度。见1992年4月21日颁布的Dickey等人的U.S专利5106，474;1989年7月18日颁布的Meyer的U.S专利4849087;和1984年10月23日颁布的Gillery等人的U.S专利4，478，702。

本发明的另一目的是提供一种电极用于反应和无反应地溅射均匀膜的设备。

本发明另一目的是提供一种电极，它比传统电极显着不易累积介质材料。

本发明又一目的是提供一种dc磁控管设备，它能将介质材料的均匀膜反应地溅射到衬底上，而且所述设备可长时期地连续操作。

本发明的上述以及其他目的是利用本发明电极来达到的，该电极具有大量的从电极体来的辐射点。该电极可在等离子应用方面取代传统电极并尤其在磁控管中对介质材料的dc反应性溅射过程中作为阳极使用。本发明的一个特性是阳极为多点结构不会变成稠密地涂敷有介质材料的阳极。这就有效地消除了电弧，而且磁控管能长时期地处于连续工作状态。

本发明的一个最佳实施例包括一个磁控型溅射设备，它有园筒形阴极和与阴极等距和平行定位的一对细长阳极。每一阳极沿其长度界定多个点。在另一实施例中，该磁控型溅射设备包括一平面型阴极和一对与阴极相对设置的细长阳极，其中阳极的较低表面与平板靶表面处于同一平面内。

由该设备对介质材料进行反应性溅射均产生有均匀厚度的绝缘涂层;此外，该设备在对介质材料反应性溅射诸如二氧化硅或氮化硅之类时能持续工作300小时甚至更长。本发明的一个特性是通过改变沿阳极长度的点密度，可控制溅射膜的均匀度。本发明的另一特点是由于多点分布使散热较传统阳极要快，故该阳极还防止了过热。

图1是具有多个点的阳极透视图。

图2表示图1阳极中所用的导线轮的横截面视图。

图3是本发明阳极的概貌图。

图4是一个园筒形阴极与一对阳极的横截面示意图。

图5是一个平面型阴极与双阳极的透视图。

图6是具有园形平面靶与位于靶周边外的阳极的磁控型设备的平面视图。

图7是筒形阴极与单阳极的横截面示意图。

图8，9和10是涂膜百分比厚度变化对衬底位置的关系曲线图。