專利名稱：具有大靶的用于高壓濺射的濺射源和濺射方法
具有大靶的用于高壓濺射的濺射源和濺射方法
背景技術(shù)：
在濺射時(shí)，首先在濺射室中產(chǎn)生真空并且然后產(chǎn)生具有所定義的壓力的濺射氣體的氣氛。在安裝在濺射頭上的濺射靶(其通常被保持在負(fù)電勢(shì)上)的附近，點(diǎn)燃濺射氣體的氣體放電。在此，從濺射氣體的電中性的原子或分子中產(chǎn)生由被沖正電的離子和自由電子構(gòu)成的濺射等離子體。被充正電的離子通過(guò)靶的負(fù)電勢(shì)在靶的表面上被加速，并且在那里通過(guò)脈沖電弧轟擊出材料，所述材料通過(guò)反沖部分地飛向要鍍層的襯底的方向并且沉積在那里。同時(shí)，所述被充正點(diǎn)的離子通過(guò)該轟擊從靶中釋放電子，所述電子通過(guò)電場(chǎng)在濺射等離子體的方向上被加速并且在那里濺射氣體的另外的原子或分子通過(guò)碰撞電離。濺射等離子體通過(guò)這種方式自我保持。為了能夠在一個(gè)工作過(guò)程中給更大襯底進(jìn)行鍍層，所尋求的是，使用較大的濺射靶。但是隨著靶大小的增加，等離子體越來(lái)越不穩(wěn)定。在磁控管濺射的情況下通過(guò)如下方式來(lái)對(duì)抗這一點(diǎn):使等離子體被永磁場(chǎng)的場(chǎng)力線穿過(guò)。在圓形濺射靶的情況下，該場(chǎng)通常在為濺射靶安裝的永磁環(huán)的容納部的邊緣與安裝在該靶容納部的中心處的另一永磁體之間延伸。在此，彎曲的磁力線中的漏磁場(chǎng)穿過(guò)濺射等離子體所在的室延伸。該漏磁場(chǎng)迫使自由電子進(jìn)入與穿過(guò)濺射等離子體的電場(chǎng)和磁場(chǎng)橫切的長(zhǎng)擺線軌跡上，在那里，所述電子通過(guò)多次碰撞將濺射氣體的原子電離并且因此促進(jìn)等離子體的獲得。不利的是，該方法僅在相對(duì)小的壓力下起作用。在較高壓力下，電子的平均自由路程長(zhǎng)度變得過(guò)小，使得其僅在磁場(chǎng)最強(qiáng)之處聚集。在該場(chǎng)較弱之處，等離子體也變得較弱。結(jié)果，濺射等離子體的強(qiáng)度在濺射靶的表面上變得不均勻。在極端情況下，等離子體分解成多個(gè)彼此分開(kāi)的部分，所述部分大多數(shù)局部化在永磁體的磁極旁邊。但是特別是在氧氣氣氛中濺射氧化層是需要較高壓力的。一方面，縮短的平均自由路程長(zhǎng)度導(dǎo)致，較少的負(fù)氧離子不期望地通過(guò)被靶排斥而被加速到襯底上，并且在那里損害或以非化學(xué)計(jì)量方式侵蝕已經(jīng)沉積的層(反向?yàn)R射效應(yīng))。另一方面，為了在沉積時(shí)以正確化學(xué)計(jì)量將氧化層從靶運(yùn)送到襯底上，高壓力是有利的。幾種材料僅能在相對(duì)高的氧氣分壓下絕對(duì)地形成所沉積的層中的穩(wěn)定的化學(xué)計(jì)量相。

發(fā)明內(nèi)容
任務(wù)和解決方案
因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種濺射頭，其在高壓下生成在濺射靶的整個(gè)表面上都穩(wěn)定的等離子體。此外，本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種可用來(lái)在高壓下以均勻的層厚度將靶材料沉積在襯底上的方法。根據(jù)本發(fā)明，這些任務(wù)通過(guò)根據(jù)主權(quán)利要求和并列權(quán)利要求所述的濺射頭以及通過(guò)根據(jù)另一并列權(quán)利要求所述的方法來(lái)解決。另外的有利的擴(kuò)展方案分別從回引所述權(quán)利要求的從屬權(quán)利要求中得出。本發(fā)明的主題
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，開(kāi)發(fā)出一種濺射頭，該濺射頭在靶保持器(基體)上具有用于濺射靶的容納面(靶容納面)。靶容納面也可以具有任意的曲率，其中從實(shí)際來(lái)看，平面的形狀具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于濺射而言，可以將靶例如固定焊接、固定粘接或者固定燒結(jié)在靶容納面上。濺射頭具有一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)源以用于生成漏磁場(chǎng)，所述漏磁場(chǎng)具有從濺射靶的表面發(fā)出并且再次進(jìn)入該表面的場(chǎng)力線。根據(jù)本發(fā)明，至少一個(gè)磁場(chǎng)源的北磁極和南磁極彼此相距IOmm或更低、優(yōu)選5mm或更低、并且特別優(yōu)選大致1mm，在所述磁場(chǎng)源之間形成漏磁場(chǎng)。間距的合理下限是由濺射靶與濺射等離子體(陰極暗室)之間的間距來(lái)確定的。磁場(chǎng)將延長(zhǎng)電子穿過(guò)濺射等離子體的路徑，以便提高沿著該路徑將濺射氣體的另外的原子電離的概率。為此，磁場(chǎng)必須穿過(guò)陰極暗室直到到達(dá)濺射等離子體。根據(jù)本發(fā)明的濺射頭被想到為在0.5毫巴或更高、優(yōu)選I毫巴或更高的壓力下改善濺射。在這樣的壓力下，陰極暗室通常在十分之幾毫米上延伸。為了對(duì)等離子體產(chǎn)生影響，磁場(chǎng)必須克服該暗室以及從靶表面到永磁體的距離。于是,通常0.8mm、優(yōu)選大致Imm表現(xiàn)為北磁極與南磁極之間的最小的技術(shù)上合理的間距。在此，最短間距分別是指二者通常都在一定程度上在空間上延伸的北極和南極之間的間距。南極與北極之間的小間距局部化了磁場(chǎng)并且最大化了漏磁場(chǎng)沿著靶容納面的分量、即漏磁場(chǎng)到靶容納面上的投影。已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，恰好在大致0.5至大致5毫巴的高壓下進(jìn)行濺射時(shí)，可以通過(guò)這樣局部有效的磁場(chǎng)來(lái)局部地匹配濺射等離子體的電離度以及因此濺射靶上的侵蝕速率。對(duì)此，本發(fā)明人所利用的是，通過(guò)電子以及濺射氣體的離子的平均自由路程長(zhǎng)度來(lái)確定濺射靶與濺射等離子體(陰極暗室)之間的間距，所述平均自由路徑長(zhǎng)度又是強(qiáng)烈地依賴于壓力的。在10_2毫巴左右或更小的較小壓力下，陰極暗室可以具有幾厘米的伸展。電子在漏磁場(chǎng)中的長(zhǎng)擺線軌跡導(dǎo)致，在與靶相距較小距離時(shí)，電子與濺射氣體的原子之間的碰撞就已經(jīng)變得更加可能。由此較早地將等離子體電離；就此而言稍微減小了陰極暗室。但是在10_2毫巴或更小的濺射氣體壓力下，陰極暗室即使以非常強(qiáng)的磁場(chǎng)也極少能將陰極暗室的伸展壓到Icm以下。以要求保護(hù)的方式被局部化的磁場(chǎng)在與靶容納部的面垂直的空間維度上也被強(qiáng)烈地局部化為使得僅僅場(chǎng)力線的一小部分穿過(guò)陰極暗室傳播直到濺射等離子體中，并且在那里磁場(chǎng)強(qiáng)度是非常弱的。從濺射靶的表面發(fā)射的電子因此不能沿著所述場(chǎng)力線被引導(dǎo)穿過(guò)濺射等離子體，使得其僅少量地促進(jìn)該等離子體的繼續(xù)電離。而在大致0.5至大致5毫巴的壓力下，僅有數(shù)量級(jí)小于Imm或甚至小于0.1mm的陰極暗室繼續(xù)存在，所述陰極暗室可以無(wú)問(wèn)題地被局部化的場(chǎng)穿過(guò)。從靶表面發(fā)射的電子主要在與磁場(chǎng)的場(chǎng)力線橫切的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中被引導(dǎo)穿過(guò)等離子體(擺線軌跡)，由此延長(zhǎng)其在等離子體內(nèi)的路徑。這導(dǎo)致電子與濺射氣體的原子或分子之間的提高的碰撞次數(shù)，由此將濺射氣體更強(qiáng)烈地電離。被沖正電的離子被被沖負(fù)電的濺射頭吸引，并且促進(jìn)材料侵蝕。在射頻濺射(RF濺射)時(shí)，電離度也以類(lèi)似方式通過(guò)局部漏磁場(chǎng)被局部提高。在RF濺射時(shí)，在靶容納部與物料之間，替代于負(fù)電勢(shì)而存在高頻交變場(chǎng)。在交變場(chǎng)的正半波期間，靶分別被極化，并且在負(fù)半波期間，材料被侵蝕。通過(guò)這種方式，也可以將絕緣體用作涂層材料。通過(guò)局部有效的磁場(chǎng)，因此可以在濺射時(shí)局部地匹配等離子體的電離度以及由此還有侵蝕速率。作為其結(jié)果，與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的濺射頭相比，可以利用根據(jù)本發(fā)明的濺射頭在其他參數(shù)都相等情況下在襯底上產(chǎn)生具有更均勻的層厚度的層。由于濺射等離子體的電離度與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的濺射頭相比分布更均勻，因此可以使用更大的濺射等離子體以及由此更大的濺射靶，使得可以在工作過(guò)程中對(duì)更大的工件進(jìn)行鍍層。此外，作為副效應(yīng)，靶被更均勻地侵蝕。在常規(guī)的磁控濺射中，侵蝕例如集中在圓形溝槽中；如果靶在此處被完全穿透，則必須將其更換，即使才侵蝕了其整個(gè)物料的一小部分。該效應(yīng)尤其是在使用比濺射靶與襯底之間的間距顯著更大的濺射靶和/或襯底時(shí)起效。從大致0.5毫巴起的濺射氣體壓力下,該間距僅為大致10 — 30mm。另外已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的磁控濺射中，不均勻的侵蝕速率是到自增強(qiáng)過(guò)程中的入口，該過(guò)程在使用較大靶時(shí)使濺射等離子體不穩(wěn)定。在濺射等離子體中持續(xù)地產(chǎn)生熱，所述熱還將靶加熱。這尤其是在以高壓進(jìn)行濺射并且等離子體與靶之間的陰極暗室非常薄時(shí)成立。通過(guò)由靶的負(fù)電勢(shì)吸引濺射氣體的離子，現(xiàn)在在濺射時(shí)在靶的方向上有正電流流動(dòng)。在氧氣氣氛中濺射時(shí)，負(fù)氧離子附加地被靶排斥，這對(duì)應(yīng)于靶方向上的另一正電流分量。該靶向總電流施加電阻，該電阻尤其是在半導(dǎo)體靶的情況下隨著溫度上升而減小。在靶已經(jīng)更熱之處，因此集中了濺射電流的更大份額。為此，電流被靶上的其他位置吸走。在較小的靶的情況下，靶內(nèi)的補(bǔ)償電流仍然對(duì)抗該過(guò)程。但是這在較大靶的情況下不再足夠，使得在靶上的缺乏濺射電流的位置處，濺射等離子體崩潰。通過(guò)現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明事先負(fù)責(zé)等離子體的均勻電離并且由此負(fù)責(zé)均勻的侵蝕速率，在靶上不產(chǎn)生濺射電流的通過(guò)該方式可能自增強(qiáng)的非均勻分布。因此，與在常規(guī)磁控濺射的情況下相比，利用根據(jù)本發(fā)明的濺射頭可以對(duì)更大的靶進(jìn)行濺射。利用根據(jù)本發(fā)明的濺射頭，也可以將濺射靶的材料侵蝕在如下意義上進(jìn)行修改，即使得保持靶上的區(qū)域免受侵蝕。在每個(gè)磁場(chǎng)源的漏磁場(chǎng)到靶容納部的表面上的投影中，在其中集中了場(chǎng)強(qiáng)的至少90%的區(qū)域有利地完全處于應(yīng)當(dāng)被保持免受材料侵蝕的預(yù)先給定區(qū)域之外。當(dāng)濺射靶的靶容納面被用于在空間上將材料侵蝕限制在濺射靶上的屏蔽體包圍時(shí)，作為這樣的區(qū)域例如可以預(yù)先給定圓形濺射靶的邊緣區(qū)域(例如20%或更少、優(yōu)選10%或更少、并且特別優(yōu)選5%或更少)。于是不期望的是，濺射等離子體過(guò)于接近靶容納部與屏蔽體之間的縫隙，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致電弧。本發(fā)明的總的思想是，通過(guò)利用局部磁場(chǎng)局部地影響濺射等離子體來(lái)補(bǔ)償濺射等離子體的強(qiáng)度方面的不均勻性。在此所依靠的是，與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的磁控濺射不同，靶表面的受磁場(chǎng)源影響的區(qū)域相對(duì)于靶表面的總面積是小的。因此，本發(fā)明還涉及一種濺射頭，其具有用于濺射靶的容納部和用于生成漏磁場(chǎng)的一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)源，所述漏磁場(chǎng)具有從濺射靶的表面發(fā)出并且再次進(jìn)入該表面的場(chǎng)力線，其中該濺射頭的特征在于，在至少一個(gè)磁場(chǎng)源的磁場(chǎng)到靶容納面上的投影中，該場(chǎng)強(qiáng)的至少90%、優(yōu)選至少95%集中在靶容納面的10%或更少、優(yōu)選5%或更少、并且特別優(yōu)選1%或更少的面積份額上。濺射靶越大，則用局部磁場(chǎng)對(duì)濺射等離子體的局部影響就越大地改善涂層的均勻性。因此，靶容納面被有利地構(gòu)造為容納具有30mm或更大、優(yōu)選50mm或更大以及特別優(yōu)選60mm或更大直徑的濺射靶。但是用局部磁場(chǎng)對(duì)濺射等離子體的局部影響還具有的效果是，所使用的濺射靶不必為圓形的。通過(guò)磁場(chǎng)源的位置和強(qiáng)度，可以在任意形狀的靶表面上產(chǎn)生一磁場(chǎng)分布，該磁場(chǎng)分布導(dǎo)致具有均勻強(qiáng)度的濺射等離子體以及還導(dǎo)致均勻的材料侵蝕。因此，本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)還涉及一種濺射頭，其具有用于濺射靶的容納部和用于生成漏磁場(chǎng)的一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)源，所述漏磁場(chǎng)具有從濺射靶的表面發(fā)出并且再次進(jìn)入該表面的場(chǎng)力線，其中該濺射頭的特征在于，其被構(gòu)造為容納非圓形靶、尤其是具有橢圓形、星形或多邊形表面的靶。該構(gòu)造例如可以在于，靶容納面具有相應(yīng)的成型?？商娲诖嘶蚺c之相組合地，與濺射靶的表面相比更大和/或形狀不同的靶容納面被遮擋、以及被可固定在靶容納物的朝向?yàn)R射等離子體的表面之前的固體絕緣體遮擋，使得材料侵蝕被限制于靶表面或其部分上。于是不進(jìn)行對(duì)濺射頭本身的材料侵蝕。在特定的說(shuō)明書(shū)部分中說(shuō)明了使用矩形濺射頭來(lái)對(duì)帶狀襯底進(jìn)行鍍層的兩個(gè)實(shí)施例。在所述實(shí)施例中，侵蝕速率通過(guò)磁場(chǎng)源的線形布置局部地與襯底的帶形相匹配。在本發(fā)明的一個(gè)特別有利的擴(kuò)展方案中，該濺射頭具有:基體，其承載靶容納面并且由此在運(yùn)行中還承載濺射靶；以及附加地具有包圍濺射靶的用于在空間上將材料侵蝕限制于濺射靶的屏蔽體。根據(jù)本發(fā)明，在基體(其具有靶容納面和濺射靶)與屏蔽體之間布置有固體絕緣體。具有靶容納面和濺射靶的基體靶通常處于一電勢(shì)上，而屏蔽體處于地電勢(shì)。因此，在基體(其具有靶容納面和濺射靶)與屏蔽體之間施加幾百伏的電壓(或在RF濺射的情況下為交變電壓幅度)。但是基體(其具有靶容納面和濺射靶)與屏蔽體之間的縫隙現(xiàn)在必須小于平均自由路程長(zhǎng)度，以便在其中不能形成不期望的等離子體。在較大的縫隙中，電子可以通過(guò)被負(fù)電勢(shì)排斥而被加速并且將氣體原子電離，其中另外的離子和電子被釋放。由此可以在屏蔽體與具有靶容納面和濺射靶的基體之間的縫隙中雪崩式地形成等離子體并且導(dǎo)致電弧。隨著濺射氣體壓力增加，現(xiàn)在平均自由路程長(zhǎng)度下降，并且容許的縫隙寬度也下降。也就是說(shuō)，在施加的電壓相等的情況下，縫隙之上的電場(chǎng)強(qiáng)度升高。同時(shí)，濺射室中的氣氛的擊穿場(chǎng)強(qiáng)尤其是在如在本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)中那樣選擇含氧氣的氣氛時(shí)下降。因此，電弧的出現(xiàn)可以是可進(jìn)行濺射的最大可用濺射氣體壓力的限制性因素?，F(xiàn)在，固體絕緣體具有比含氧氣的氣氛明顯更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。同時(shí)，所述固體絕緣體占據(jù)基體(其具有靶容納面和濺射靶)與屏蔽體之間的不大于可用作電子的加速路段的體積。結(jié)果，固體絕緣體因此導(dǎo)致，可在高達(dá)顯著更高的壓力下進(jìn)行濺射。固體絕緣體越完全地填充基體與屏蔽體之間的間隙，則該間隙中的不期望的等離子體的形成就被越好地抑制。濺射氣體壓力的上限通過(guò)隨著壓力升高而超比例地下降的平均自由路程長(zhǎng)度而產(chǎn)生。在大致5毫巴以上，僅僅在與濺射靶相距較小距離(大致Imm或更小)處形成濺射等離子體，因?yàn)樵跒R射氣體的相距更遠(yuǎn)的區(qū)域中，電子不再具有足夠的能量以便將濺射氣體的原子電離。如果首先在靶附近產(chǎn)生等離子體，則在超過(guò)該等離子體之處不發(fā)生進(jìn)一步的電離，因?yàn)闉R射靶對(duì)地的電勢(shì)基本上已經(jīng)通過(guò)陰極暗室直到等離子體地下降。在超過(guò)等離子體之處，電子不再被加速。因此，在等離子體中生成的熱也集中到較小區(qū)域上。靶表面高度不均勻地發(fā)熱，并且濺射等離子體變得不穩(wěn)定。根據(jù)本發(fā)明，至少一個(gè)磁場(chǎng)源的磁極彼此相距最小僅僅1mm，這在高于大致5毫巴的濺射氣體壓力下高度妨礙了大致Imm薄的濺射等離子體的穩(wěn)定化。磁場(chǎng)源有利地包括至少一個(gè)永磁體，所述永磁體的場(chǎng)通過(guò)由磁導(dǎo)材料制成的磁軛被引導(dǎo)到靶容納面。如果這樣的磁軛例如由諸如鐵之類(lèi)的金屬制成，則其與用來(lái)制造具有高場(chǎng)強(qiáng)的小永磁體的典型材料相比可以在機(jī)械上顯著更簡(jiǎn)單地被加工成所期望的幾何形狀。這尤其是在本發(fā)明的另一有利的擴(kuò)展方案中適用，其中多個(gè)永磁體的磁通通過(guò)同一磁軛來(lái)引導(dǎo)。在該擴(kuò)展方案中，磁軛具有復(fù)雜的機(jī)械幾何形狀。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例設(shè)置鐵磁軛和銅保持器，在該銅保持器中引入用于容納小永磁體的鉆孔。鐵和銅可以分別無(wú)問(wèn)題地被機(jī)械加工。而永磁體由稀土合金的經(jīng)燒結(jié)粉末制成，并且是非常易碎的，使得其在機(jī)械加工的嘗試中損壞。永磁體可以處于銅保持器中的鉆孔中。所述永磁體在靶容納部的方向上感應(yīng)磁場(chǎng)。在鐵磁軛中,磁場(chǎng)從靶容納面弓I導(dǎo)回到永磁體的相反極。因此,整個(gè)漏磁場(chǎng)僅僅在靶容納面的附近被產(chǎn)生。但是永磁體也可以包括至少一個(gè)電磁體。這所具有的優(yōu)點(diǎn)是，其在原地的場(chǎng)強(qiáng)可以在不破壞真空的情況下被改變，以便局部地匹配侵蝕速率。但是在非常狹窄的空間上生成所需的場(chǎng)強(qiáng)在技術(shù)上是高要求的，因?yàn)檫@要么需要許多線圈、要么需要高電流。有利地設(shè)置磁場(chǎng)源的一個(gè)或多個(gè)環(huán)形、蜂窩狀或線形布置。在此，各個(gè)磁場(chǎng)源可以具有不同的場(chǎng)強(qiáng)。利用這樣的布置，可以均勻地構(gòu)造或以其他方式調(diào)節(jié)靶表面上的侵蝕速率。因?yàn)榇艌?chǎng)源根據(jù)本發(fā)明分別僅僅生成局部有效的場(chǎng)，因此其場(chǎng)強(qiáng)可以彼此獨(dú)立地按照侵蝕速率的所期望的分布來(lái)優(yōu)化。對(duì)此特別有利的是，相鄰磁場(chǎng)源之間的間距被選擇為使得在其中分別集中了每個(gè)源的90%的場(chǎng)的區(qū)域不重疊。在本發(fā)明的嘗試中，當(dāng)使用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的圓形濺射靶時(shí)，在直徑為30mm的圓形襯底上涂敷的層厚度在該襯底的表面上偏差高達(dá)50%。而如果將相同的靶與根據(jù)本發(fā)明的僅具有磁場(chǎng)源的環(huán)形布置的濺射頭一起使用時(shí)，層厚度僅僅改變直至10%。層厚度的均勻分布尤其對(duì)于制造側(cè)面結(jié)構(gòu)化的多層系統(tǒng)是重要的。這樣的制造工藝通常包含通過(guò)例如來(lái)自離子炮的離子轟擊進(jìn)行的面覆蓋的刻蝕步驟，所述離子炮不是自限性的，而是必須在蝕穿要加工的層以后在正確時(shí)刻主動(dòng)被停止。如果層厚度有改變，則幾個(gè)位置處的層未被完全蝕去，和/或處于其下的層在其他位置被損壞。在優(yōu)化場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，專業(yè)人員需要反饋。專業(yè)人員例如可以通過(guò)如下方式來(lái)提供反饋:其利用磁場(chǎng)源的布置將層沉積在襯底上并且研究層厚度在襯底上的分布。如果一個(gè)位置處的層厚度偏離于所期望的結(jié)果，則這是表示如下情況的信號(hào):在濺射靶的特定位置處要提高或降低侵蝕速率。在特定位置處沉積在襯底上的材料是從濺射靶的、磁體所在的多個(gè)位置被侵蝕的材料的疊加。按照一次逼近，局部沉積速率在襯底上的參考點(diǎn)(Aufpunkt)處的份額與位置“k”處的局部電離度或局部磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例，所述份額由來(lái)自靶上的特定位置“k”的材料所導(dǎo)致。利用該認(rèn)識(shí)，可以模擬沉積速率在襯底上的所期望的空間分布所需的最優(yōu)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，并且相應(yīng)地定位磁場(chǎng)源。對(duì)此，例如可以通過(guò)搜索局部磁場(chǎng)強(qiáng)度并且所期望的局部沉積速率位于右側(cè)來(lái)建立線性方程組。于是，磁場(chǎng)源的高度局部化的效果導(dǎo)致，在各個(gè)方程之間不存在復(fù)雜的非線性耦合項(xiàng)。層厚度的分布尤其是可以在具有高壓的濺射中通過(guò)這種方式來(lái)優(yōu)化，因?yàn)橐r底于是與濺射靶相距相對(duì)小的間距(大致20mm)并且從濺射靶轟擊出的原子或分子基本上以直線在襯底方向上運(yùn)行。在以較小壓力進(jìn)行濺射時(shí)，陰極暗室以及等離子體本身都明顯更大，使得原子或分子經(jīng)歷從濺射靶到襯底的明顯更長(zhǎng)的路程。于是，難以追溯的是，沉積在襯底上的給定位置處的材料來(lái)源于濺射靶上的哪些位置。濺射靶的最接近屏蔽體的邊緣區(qū)域不僅可以通過(guò)調(diào)節(jié)所存在的磁場(chǎng)被排除在材料侵蝕之外?？商娲鼗蚺c迄今為止所描述的措施相組合地，本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)還涉及一種濺射頭，其具有用于濺射靶的容納部，該濺射靶具有包圍靶容納部的屏蔽體以用于將材料侵蝕在空間上限制于該濺射靶，其中設(shè)置有可以固定在濺射靶或靶容納部的朝向?yàn)R射等離子體的表面之前的固體絕緣體，該固體絕緣體能夠在運(yùn)行中將該表面的最接近屏蔽體的20%或更少、優(yōu)選最接近屏蔽體的10%或更少、并且特別優(yōu)選最接近屏蔽體的5%或更少排除在材料侵蝕之外。該措施防止了由于濺射等離子體過(guò)于接近靶容納部與屏蔽體之間的縫隙造成的電弧。通過(guò)由固體絕緣體遮蓋該區(qū)域，可以通過(guò)對(duì)可用靶表面的少量犧牲來(lái)超比例地改善等離子體的穩(wěn)定性。本發(fā)明的主旨是，在高濺射氣體壓力下進(jìn)行濺射時(shí)通過(guò)局部影響對(duì)濺射靶的材料侵蝕來(lái)改善所獲得的層的質(zhì)量以及尤其是層厚度的均勻性。該主旨所基于的認(rèn)識(shí)是，恰好在高濺射氣體壓力下進(jìn)行濺射時(shí)，由于濺射靶與襯底之間的于是相對(duì)小的距離而存在濺射靶上的給定位置處的材料侵蝕與襯底上的給定位置處的材料沉積之間的可追溯的因果關(guān)系。該影響可以利用磁場(chǎng)源的合適布置來(lái)實(shí)現(xiàn)。該影響也可以有利地與之相組合地利用可固定在濺射靶之前的固體絕緣體來(lái)實(shí)現(xiàn)。該主旨也在根據(jù)本發(fā)明的用于在0.5毫巴或更高、優(yōu)選I毫巴或更高的濺射氣體壓力下對(duì)襯底上的靶材料進(jìn)行濺射沉積的方法中得到實(shí)現(xiàn)。在該方法中，在靶表面與襯底之間形成濺射氣體的等離子體。根據(jù)本發(fā)明，等離子體中的從靶表面向等離子體方向上發(fā)射的電子通過(guò)一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)源的場(chǎng)力線被偏轉(zhuǎn)，所述磁場(chǎng)源的北磁極和南磁極彼此相距IOmm或更小、優(yōu)選5_或更小、以及特別優(yōu)選大致1_。類(lèi)似于濺射頭的前述描述，由此保證:可以局部地匹配濺射等離子體的電離度以及由此靶的材料侵蝕的速率。這改善了濺射等離子體的穩(wěn)定性并且因此使得能夠在改善襯底上獲得的層厚度的均勻性的同時(shí)使用較大的濺射靶，在該方法的一個(gè)有利的擴(kuò)展方案中使用根據(jù)本發(fā)明的濺射頭時(shí)尤其如此。


下面根據(jù)附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明的主題，而本發(fā)明的主題并不由此受到限制。圖1示出了具有根據(jù)本發(fā)明的濺射頭的一個(gè)實(shí)施例的濺射源。圖2示出了合適濺射源的具有50mm以上直徑的濺射靶，該濺射源具有根據(jù)本發(fā)明的濺射頭，該濺射頭具有磁場(chǎng)源的多個(gè)同心環(huán)形布置。圖3示出了合適濺射頭的具有60mm以上直徑的濺射靶，該濺射頭具有磁場(chǎng)源的蜂
窩狀布置。圖4示出了具有根據(jù)本發(fā)明的濺射頭的一個(gè)實(shí)施例的用于對(duì)長(zhǎng)的襯底或帶進(jìn)行鍍層的濺射源。圖5示出了對(duì)圖4中所示的實(shí)施例的具有每單位時(shí)間更高鍍層速率的變型方案。圖6示出了通過(guò)優(yōu)化局部磁場(chǎng)源的分布和強(qiáng)度來(lái)均勻化具有30mm直徑的襯底上的層厚度分布。
具體實(shí)施例方式圖1示出了具有根據(jù)本發(fā)明的濺射頭的一個(gè)實(shí)施例的濺射源的示意性構(gòu)造。濺射頭一次被示為具有與襯底表面平行的平面的截面圖并且一次被示為具有相對(duì)于該平面90°地從符號(hào)平面向外旋轉(zhuǎn)的平面的截面圖。該濺射頭包括基體I，該基體I具有用于直徑為50mm的濺射靶2的靶容納面11?？芍糜陔妱?shì)V的基體I是水冷的銅塊?；w以及由此靶容納面11由(圖1中未繪出的)屏蔽體連接到地電勢(shì)，并且通過(guò)固體絕緣體3與該屏蔽體間隔開(kāi)。在該基體中，存在磁場(chǎng)源的環(huán)形布置4。該布置4包括由鐵制成的具有空隙的環(huán)狀的磁軛環(huán)41，在所述空隙中置入由銅制成的載體環(huán)42。載體環(huán)42具有鉆孔，在所述鉆孔中置入永磁體43?；wI包含用于裝配有載體環(huán)42和永磁體43 (其譬如由SmCo5或Sm2Co17制成)的磁軛環(huán)42的安裝空間，使得永磁體43可以被置于緊鄰靶2。永磁體43可以直接與靶容納面11接界，使得局部的漏磁場(chǎng)分別被完全利用。于是，可使用的濺射功率受到在濺射靶2處產(chǎn)生的熱量的限制。因此，在該實(shí)施例中，在磁體與靶容納面之間有利地還存在基體的材料層。該層至少部分地排出在濺射靶2處產(chǎn)生的熱，使得濺射靶在較大功率下仍然保持均勻地冷卻，并且從濺射靶發(fā)出的熱流至少部分被保持為遠(yuǎn)離永磁體43。通過(guò)這種方式保證:在較大功率下永磁體43也保持明顯低于其居里溫度并且保持其鐵磁性。同時(shí)，在較大功率下還避免:熱流在永磁體處擁塞，因?yàn)槲挥谟来朋w43與靶容納面11之間的金屬銅與作為燒結(jié)陶瓷本體的永磁體43相比是明顯更好的熱導(dǎo)體。永磁體43中的每個(gè)都具有北磁極和南磁極。在該實(shí)施例中，北磁極位于靶容納面11附近，南磁極通過(guò)磁軛環(huán)41圍繞磁體43和載體環(huán)42地被引導(dǎo)到靶容納面11附近。這在圖1中通過(guò)局部放大來(lái)表示。因此，北磁極和南磁極緊鄰靶容納面11以及由此靶2。在兩個(gè)極之間形成漏磁場(chǎng)，該漏磁場(chǎng)超出靶伸入濺射等離子體中并且在那里在擺線軌道上將電子保持在等離子體內(nèi)。在沒(méi)有布置4的情況下，在靶2之前得到形態(tài)5的濺射等離子體的分布。等離子體在靶2的邊緣處顯著弱于在其中心處。由此在接地襯底加熱器7上提供的襯底6上沉積其厚度非常不均勻地分布的層。在襯底的邊緣處，層僅僅是中心處的一半厚。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)永磁體43中的每個(gè)來(lái)局部地增強(qiáng)濺射等離子體，這通過(guò)用于分布等離子體的附加貢獻(xiàn)5a來(lái)表示。總體上，濺射等離子體的電離度以及由此侵蝕速率顯著更均勻地分布。相應(yīng)地，在襯底6上沉積的層在朝向邊緣處的厚度與襯底6的中心處的值相比僅僅下降了 10%。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的用于與圖1相比稍大的靶的濺射頭的另一實(shí)施例，該濺射頭具有磁場(chǎng)源的三個(gè)彼此同心布置的環(huán)形布置4a、4b、4c。這些布置中的每個(gè)都是根據(jù)與圖1中的布置4相同的方案構(gòu)造的。布置4a包括磁軛環(huán)41a、載體環(huán)42a和永磁體43a。布置4b包括磁軛環(huán)4lb、載體環(huán)42b和永磁體43b。布置4c包括磁軛環(huán)41c、載體環(huán)42c和永磁體43c。在此，磁軛環(huán)41a、41b和41c不必是分開(kāi)的部件；相反，可以從一個(gè)工件中制造相同的磁軛41。也如圖1中那樣，濺射頭一次被示為具有與襯底表面平行的平面的截面圖并且一次被示為具有相對(duì)于該平面90°地從符號(hào)平面向外旋轉(zhuǎn)的平面的截面圖。兩個(gè)截面圖彼此的取向在圖2中通過(guò)截面線A-A來(lái)說(shuō)明。布置4a的永磁體43a局部地生成最強(qiáng)磁場(chǎng)。而布置4b和4c的永磁體43b和43c分別生成較弱的磁場(chǎng)。從在圖2的下面的部分中可以看出的，這可以通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn):將永磁體43b和43c與永磁體43a相比分別縮短，其中所述永磁體的上端(南磁極)分別與磁軛環(huán)41a、41b或41c接界。在此,一方面永磁體43a、43b和43c以及另一方面磁軛環(huán)41a、41b或41c分別相互吸引，使得永磁體被機(jī)械固定并且不需要粘接。可替代地，永磁體可以分別以其下端(北磁極)與基體材料的層接界，該層將其與靶容納面11分開(kāi)。于是，由永磁體43b和43c生成的漏磁場(chǎng)的較大份額達(dá)到濺射等離子體。但是這在機(jī)械方面略復(fù)雜地制造，因?yàn)榇跑棴h(huán)41a、41b和41c分別必須具有軸頸,所述軸頸恰好到達(dá)永磁體43a、43b或43c的南磁極。永磁體43a、43b或43c的長(zhǎng)度的區(qū)別在繪圖中被高度夸大地示出。通過(guò)向內(nèi)變?nèi)醯拇艌?chǎng)，實(shí)現(xiàn)了在襯底上獲得的層厚度的更好的均勻性。利用這樣的濺射頭，可以使用60_和更大直徑的濺射靶，并且在此，利用均勻的靶利用來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻的層厚度。針對(duì)仍更大的濺射靶，還可以彼此同心地布置永磁體的更大環(huán)形的布置。圖3作為具有與襯底表面垂直(a)以及與襯底表面平行(b)的平面的截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的濺射頭的另一實(shí)施例。磁場(chǎng)源的布置4包括蜂窩狀結(jié)構(gòu)化的鐵磁軛41，在其單元格中置入基于銅的載體元件42以及圓柱形永磁體43。如果永磁體43被構(gòu)造為以其北磁極朝向靶容納部，則鐵磁軛41形成南極。該磁軛41不是由多個(gè)磁軛環(huán)構(gòu)成，而是由一個(gè)工件制成。蜂窩結(jié)構(gòu)的各個(gè)單元格可以具有圓形或多邊形(在此為六邊形)截面。如在圖3a中通過(guò)永磁體43及其用于分布濺射等離子體的貢獻(xiàn)5a所表示的那樣，使用不同強(qiáng)度的永磁體。在此，強(qiáng)度方面的差異在繪圖中被夸大地示出。最弱的磁場(chǎng)位于中心處，朝向邊緣磁場(chǎng)變得更強(qiáng)。因此，對(duì)抗了在大靶的情況下通常出現(xiàn)的濺射等離子體朝邊緣的弱化和不穩(wěn)定化。如也利用在圖2中所示的實(shí)施例中那樣，利用這樣的濺射頭可以使用60_和更大直徑的濺射靶并且在此通過(guò)均勻的靶利用來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻的層厚度。圖4以透視圖(a)以及作為具有與襯底表面平行的平面的截面圖(b)示出了根據(jù)本發(fā)明的濺射頭的另一實(shí)施例。襯底6是帶，該帶由輥61展開(kāi)并且在鍍層以后被卷起到輥62上。濺射頭的基體I是長(zhǎng)方體形。由鐵制成的L形磁軛條41和由銅制成的具有鉆孔的長(zhǎng)方體形載體元件42可放進(jìn)基體中。在載體元件42中的鉆孔中置入永磁體43。磁軛條41、載體元件42和永磁體43 —起形成磁場(chǎng)源的布置4。濺射靶2以及襯底加熱裝置為清楚起見(jiàn)未繪出。類(lèi)似于圖1，每個(gè)永磁體43的北磁極都緊鄰濺射靶的靶容納面11，而南極穿過(guò)L形磁軛條41被引到靶容納面附近。所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)達(dá)到濺射等離子體中，并且圍繞附加貢獻(xiàn)5a加強(qiáng)了其分布5。由此等離子體的電離度在濺射頭的寬度上被均勻化，使得可以在襯底6的整個(gè)寬度上涂敷均勻的層。加工區(qū)例如可以具有大致100至大致IOOOmm之間的長(zhǎng)度。規(guī)定:襯底帶6連續(xù)地經(jīng)過(guò)濺射頭并且被鍍層。圖5示出了圖4中所示的實(shí)施例的變型方案。如圖4中那樣，襯底加熱裝置未被繪出。襯底帶6在此不是由輥61展開(kāi)并被卷起到輥62上。相反，襯底帶被這兩個(gè)同向旋轉(zhuǎn)的輥多重地偏轉(zhuǎn)，使得其沿著磁場(chǎng)源的多個(gè)線形布置4a - 4h行進(jìn)，并且分別被進(jìn)一步鍍層。利用濺射頭的該實(shí)施例，與在圖4中所示的實(shí)施例所能實(shí)現(xiàn)的相比，可以在每單位時(shí)間給更大帶長(zhǎng)度覆蓋預(yù)先給定的層厚度。在圖6中示出了:根據(jù)圖1通過(guò)局部磁場(chǎng)對(duì)濺射速率的局部?jī)?yōu)化可以以何種程度改善在濺射時(shí)獲得的層的均勻性。針對(duì)具有30mm直徑的圓形襯底，分別與同襯底中心相距的間距X有關(guān)地繪出了層厚度d。在此，層厚度在其值方面以任意單位在襯底中心被歸一化。曲線a示出了針對(duì)沒(méi)有根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的磁場(chǎng)源的濺射頭的層厚度的分布。曲線b示出了由具有還未優(yōu)化的根據(jù)本發(fā)明的磁場(chǎng)源布置所生成的分布。已經(jīng)可以辨認(rèn)出明顯的改善；因此譬如層厚度不低于其在襯底中心的值的90%的區(qū)域大致變寬三分之一。曲線c示出了針對(duì)磁場(chǎng)源的優(yōu)化分布所得出的分布。實(shí)際上，在30mm的整個(gè)襯底直徑上，層厚度與其在襯底中心的值僅僅偏差大致3%以下。這樣小的偏差對(duì)于功能層通常是可容忍的。曲線d示出了在根據(jù)圖1的過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)源的情況下的層厚度分布。在此，層厚度朝向邊緣的下降被過(guò)度補(bǔ)償，其中該下降曾經(jīng)是使用局部磁場(chǎng)源的時(shí)機(jī)。圖7以截面圖示出了具有固體絕緣體的根據(jù)本發(fā)明的濺射頭的實(shí)施例。在圖7a中，僅僅在基體I與屏蔽體7之間設(shè)置了固體絕緣體3。在圖7b中設(shè)置另一環(huán)形固體絕緣體32，其覆蓋濺射靶2的邊緣區(qū)域。該絕緣體33防止了:濺射等離子體延伸到邊緣上并且在那里出現(xiàn)一方面基體I或載體2與另一方面屏蔽體7之間的直接電弧。但是從靶2侵蝕的導(dǎo)電材料部分地沉積在絕緣體33上時(shí)，可能失去該保護(hù)。為此，圖7c中所示的實(shí)施例設(shè)置另一絕緣環(huán)34，該另一絕緣環(huán)34通過(guò)一個(gè)或多個(gè)間隔件35同第一絕緣環(huán)33間隔開(kāi)。從靶侵蝕的材料于是可以僅僅沉積在絕緣環(huán)34上、但不沉積在絕緣環(huán)33上。在圖7d中，絕緣環(huán)33未布置在靶2的表面之前，而是布置在靶容納部11的表面之前。通過(guò)與圖7所示實(shí)施例中相同的方式防止了最接近于屏蔽體的邊緣區(qū)域中的可能導(dǎo)致電弧的不期望的材料侵蝕。但是與圖7c不同，可以使用更小并且由此更廉價(jià)的靶，該靶的表面被完全利用。在圖7b和7c中，靶2的被絕緣環(huán)33覆蓋的部分未被利用。
權(quán)利要求
1.一種濺射頭，具有用于濺射靶的容納部和用于生成漏磁場(chǎng)的一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)源，所述漏磁場(chǎng)具有從所述濺射靶的表面發(fā)出并且再次進(jìn)入所述表面的場(chǎng)力線， 其特征在于， 至少一個(gè)磁場(chǎng)源的北極和南極彼此相距IOmm或更低、優(yōu)選5mm或更低、并且特別優(yōu)選大致1mm，其中在所述磁場(chǎng)源之間形成漏磁場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濺射頭， 其特征在于包圍所述靶容納部的用于在空間上將材料侵蝕限制到所述濺射靶上的屏蔽體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的濺射頭， 其特征在于， 在所述靶容納部與所述屏蔽體之間布置固體絕緣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的濺射頭， 其特征在于， 在每個(gè)磁場(chǎng)源的漏磁場(chǎng)到所述靶容納部的表面上的投影中，在其中集中了場(chǎng)強(qiáng)的至少90%的區(qū)域完全處于應(yīng)當(dāng)被保持免受材料侵蝕的預(yù)先給定的區(qū)域之外。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的濺射頭， 其特征在于， 所述磁場(chǎng)源包括至少一個(gè)永磁體，所述永磁體的場(chǎng)通過(guò)由磁導(dǎo)材料制成的磁軛來(lái)引導(dǎo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的濺射頭， 其特征在于， 多個(gè)永磁體的磁通通過(guò)同一磁軛來(lái)引導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的濺射頭， 其特征在于磁場(chǎng)源的一個(gè)或多個(gè)環(huán)形或線形布置。
8.一種濺射頭，具有用于濺射靶的容納部，所述濺射靶具有包圍靶容納部的屏蔽體以用于在空間上將材料侵蝕限制到濺射靶上， 其特征在于， 設(shè)置有能夠固定在所述濺射靶或所述靶容納部的朝向?yàn)R射等離子體的表面之前的固體絕緣體，所述固體絕緣體能夠在運(yùn)行中將所述表面的最接近屏蔽體的20%或更少、優(yōu)選最接近屏蔽體的10%或更少、并且特別優(yōu)選最接近屏蔽體的5%或更少排除在材料侵蝕之外。
9.一種用于在0.5毫巴或更高、優(yōu)選I毫巴或更高的壓力下在襯底上對(duì)靶材料進(jìn)行濺射沉積的方法，其中在靶表面與襯底之間形成濺射氣體的等離子體， 其特征在于， 等離子體中的從所述靶表面向所述等離子體方向上發(fā)射的電子通過(guò)一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)源的場(chǎng)力線被偏轉(zhuǎn)，所述磁場(chǎng)源的北極和南極彼此相距IOmm或更小、優(yōu)選5mm或更小、以及特別優(yōu)選大致1mm。
全文摘要
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，開(kāi)發(fā)一種濺射頭，其具有用于濺射靶的容納面(靶容納部)。該濺射頭具有一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)源以用于生成漏磁場(chǎng)。根據(jù)本發(fā)明，至少一個(gè)磁場(chǎng)源的北磁極和南磁極彼此相距10mm或更低、優(yōu)選5mm更低、并且特別優(yōu)選大致1mm，其中在所述磁場(chǎng)源之間形成漏磁場(chǎng)。已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，恰好在0.5毫巴或更高的高濺射氣體壓力下進(jìn)行濺射時(shí)，可以通過(guò)這樣的局部有效的磁場(chǎng)來(lái)局部地匹配濺射等離子體的電離度以及因此濺射靶上的侵蝕速率。由此，所獲得的層在襯底表面上的厚度變得更均勻。濺射頭有利地附加地具有固體絕緣體，所述固體絕緣體包圍具有靶容納面的基體以及濺射靶(全部處于電勢(shì)上)并且同在空間上將材料侵蝕限制到濺射靶上(限制到物料)的屏蔽體電絕緣。
文檔編號(hào)C23C14/35GK103168338SQ201180050880
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者M.法利, U.波佩 申請(qǐng)人:于利奇研究中心有限公司